基于NB-IoT智慧農業研究與設計

周廣證 孫永潔 欒迪

摘要：利用物聯網框架設計了基于NB-IoT的智慧農業系統。系統主要包括主控芯片、無線通信模塊、數據采集模塊、智能控制模塊、LCD顯示模塊。利用傳感器采集環境參數，使用NB-IoT無線網絡與華為云平臺進行通信，完成遠程數據的傳輸與顯示以及智能控制。用戶無須到現場就能在電腦或手機上實時觀測并控制溫室大棚內的環境參數，達到遠程監測與控制農作物的目的。

關鍵詞：NB-IoT;智慧農業;監測與控制

中圖分類號：TP311? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）21-0102-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

過去，我國大多采用傳統農業生產方式，這種方式主要是根據種植經驗來經營管理農業，雇傭大量的勞動力來生產，離信息化、智能化的管理要求相差甚遠。但是，伴隨我國經濟不斷騰飛，科技水平不斷發展，管理設備不斷創新改進，傳統的農業生產方式已經落伍，遠遠滿足不了人民和國家發展的需要[1，2]。

近年來，產生了最新一代的物聯網無線技術，NB-IoT作為其中一員也得到了快速的發展。這項技術和一些較常用的如ZigBee和LoRa相比，有巨大優勢，擁有超低功耗、超強覆蓋、超低成本、超大容量等特點，對需要長時間待機、高效網絡連接要求的設備更友好[3，4]。依靠該技術，智慧農業走進普通百姓生活中，可以實現對農業環境中溫度、濕度和光強的實時在線監測，同時也能夠智能化地調節環境中的溫度、濕度、光照，有效提高了農業的生產效率與農民的工作效率。

本文借助小熊派開發板設計并實現了基于NB-IoT的智慧農業系統，這個系統可以采集到農作物生長環境中的溫濕度、光強等參數，因此很容易監測農作物生長狀況。若溫度或者光照強度出現異常情況，系統可以自動進行調控，用戶還可以使用物聯網云平臺發現和控制，而后進行相應處理。本系統的設計研究對農業和NB-IoT技術的結合有著重要意義。

1系統分析與設計

1.1 系統需求分析

我國農業目前普遍采用粗放型溫室種植方式，不僅耗費大量的物力財力人力，還無法保證產量。農業地理環境具有復雜性，需要采集的環境參數具有多樣性，以往有關系統設計無法滿足要求[5]。因此，通過分析，本文提出基于NB-IoT智慧農業系統方案，可以對農作物進行實時監測、智能化管理，能使得農業向現代化發展，對提高產品質量，提升生產效率意義重大。具體功能是通過傳感器采集農作物生長環境的溫濕度、光強數據，實時上傳到設備端與云端;設備端LCD屏幕實時顯示采集到的參數數值和控制設備的狀態;系統可以實現智能化控制，通過控制小燈，實現補光作用，電機模擬風扇，控制電機，實現通風降溫作用。云平臺可以查看上傳的歷史數據，可以下發指令在線控制環境數據。

1.2 系統總體架構

本系統依托物聯網架構基設計了一種基于NB-IoT技術的智慧農業系統，系統整體結構如圖1所示。系統主要目的是通過多種環境傳感器和無線通信技術，使用戶能夠快速知曉農作物生長環境的情況，若出現異常情況，系統會自動做出決策，實現對環境參數的控制。組成智慧農業系統中的傳感檢測層的模塊是核心控制模塊、無線通信模組、測量模塊。其中，核心控制模塊主要負責執行傳感檢測層的控制循環，即實現自動控制燈光彌補光照不足和自動啟動電機降低溫度的功能。測量模塊的作用是監測農作物生長環境中的溫度、濕度、光照強度。處于中間位置的數據傳輸層主要作用是連接終端和應用，采集到的數據在進行了一系列的傳輸后，最終能在云平臺上顯示出來，傳輸層功不可沒。App應用是在應用軟件層上開發的，可以存儲和管理獲取到的數據，將溫度、濕度、光強參數可視化。

2 系統硬件設計與實現

系統的開發離不開硬件平臺的支持，硬件設備掌控系統的運行和推進軟件的開發。圖2是智慧農業系統硬件結構圖。通過傳感器采集環境參數，采集到的數據傳輸到BC35-G通信模組，NB-IoT無線通信模組能夠通過AT指令上傳數據并發出控制指令，實現云端監測和控制。

2.1 核心控制模塊

核心控制模塊主要是由主控芯片和無線通信模組構成。智慧農業系統對主控芯片要求高，可擴展的通信接口和強大的數據采集計算能力條件二者缺一不可，要求該模塊在執行控制功能時不能消耗太多的功率。因此，本系統的主控板采用由ARM公司研發的Cortex-M4 32位處理器內核的STM32L431RCT6芯片，CPU速度高達80MHz，程序存儲容量有256KB，64KB的RAM，是一款安全可靠、功耗低、開發成本低的芯片[6]。

智慧農業系統既要能夠遠程傳輸數據，又要有廣泛網絡覆蓋范圍。為了實現NB-IoT無線通信功能，需要選擇NB-IoT物聯網專用SIM卡聯合運營商基站，并且數據通過CoAP協議上傳到華為物聯網云平臺[7]。因此，選擇NB35-A作為NB-IoT無線通信模組，采用移遠BC35-G模組，能夠支持多個頻段，符合GSM/GPRS系列的M35模塊設計，便于客戶進行產品設計;雙排針封裝使焊接更容易，對AT指令有關的測試只要通過TTL將計算機連接到USB工具就能夠實現。BC35-G模組與單片機之間的互通十分迅速，這也加速終端的構建。尺寸僅為40mm×30mm×8，可在小型模塊產品上實現智能終端設備應用，并且幫助客戶降低產品成本。憑借超低功耗、緊湊尺寸，NB35-A成為IoT領域理想選擇，廣泛應用在諸多行業。

2.2 環境因子監控模塊

溫濕度傳感器型號為SHT30，具備智能性、可靠性和高精度規格。擁有處理高強度信號的能力，通信速度高達1MHz，向用戶提供可選擇的I2C地址。2.4V～5.5V的寬電源電壓范圍保證了不同裝配場合的兼容性。如圖3所示。

本系統開發板使用的是串行總線接口，所以選擇型號是BH1750的數字型光照強度傳感器。不同強度的光照射到光敏二極管上，由此采集到不同大小的反向光電流，電流在運算放大器的作用下，轉換成了電壓。最后電壓通過16位A/D轉換器轉換成為數字信號，進而收集不同光線強度數據來調整亮度，具有較高的精度和可靠性。如圖4所示。

2.3 智能控制模塊

智能控制模塊的作用是控制小燈和電機，從而改變溫度、光照強度，智慧農業系統控制模塊結構如圖5所示。

本系統使用兩種控制方式，一種是自動控制，通過E53-IA1擴展板上的電機來模擬風扇。當溫度傳感器檢測到環境溫度過高時，則自動打開電機進行通風，來降低環境溫度，降溫后，可以自動關閉電機。圖6是溫度自動控制流程圖。

對光照強度的控制是通過光強傳感器來實現，獲取到光強數據后和設定值進行對比。如果環境中的光照強度在給定數值內，則不做出任何控制。若傳感器采集到的數據小于設置數值時，即光強較弱，則需要開啟補光燈，光強數值正常后，補光燈會自動關閉。圖7是光照強度自動控制流程圖。

另一種控制方式是手動控制，若設備獲取數據不及時或檢測到的參數不準確時，則可以通過開發板上的按鍵手動控制開關。此外還可以利用華為物聯網云平臺下發命令來實現控制。

2.4? LCD顯示模塊

本系統采用LCD顯示屏模塊來滿足方便用戶觀察測量數據和控制設備的狀態的功能要求。ST7789V2作為LCD驅動芯片，支持并行8080系列的8位/9位/16位/18位接口，也支持SPI串行通信接口。主要特點是連接便捷，可以直接連接到外部MCU。其次高效管理數據，數據可以存儲在240?320?18bits的片上RAM中。如果缺少外部操作時鐘，也能夠獨立完成顯示數據，這樣就實現減少功耗的目的。

3系統軟件設計與實現

本系統終端設備側軟件整體架構如圖8所示。

在終端設備側主要是實現各個模塊初始化、參數的設置、數據的收集、數據報告和數據分發。環境參數的獲取則需要環境因子測量模塊來實現，初始化和聯網需要BC35-G模組接收到云平臺下發的指令和主控芯片發送的AT指令才能實現。智慧農業終端產品需要上報數據和下發命令時，通常上傳的是二進制流，這就需要一個編碼或者解碼插件對數據進行編碼和解碼，如轉換成JSON數據格式，這樣就可以實現對智慧農業系統的高效與可視化管理，其數據上報處理流程如圖9所示。

4系統測試

小熊派設備上線后連接華為云平臺，設備實時獲取溫濕度和光強數據后，將數據傳遞給云平臺。在云平臺上可以實時顯示數據如圖10所示。對于燈光和電機控制可以在平臺直接實時下發控制也可以設定某個范圍內自動控制。

5結束語

本文研究的是基于NB-IoT技術智慧農業系統。通過分析得知影響農作物生長的因素，要想提高農作物產量，帶來更多效益，則需要全面高效地監測和控制環境因子參數。首先在物聯網架構基礎上實現對智慧農業系統監測和控制。根據實時傳感器獲取的數據信息來對燈和電機進行控制，從而實現對農作物的環境因子光強和溫濕度的調整控制。測試結果表明，各種數據實時發送到華為物聯網云平臺上，用戶可以在云平臺上查看數據并可以進行各種溫濕度光強的控制，借助云平臺資源，整體系統開發難度降低，為后續智慧農業比如智能識別農作物不同時段、葉子成長是否病變等狀態不同自動施肥噴藥提供了解決方案。

參考文獻：

[1] 趙春江，李瑾，馮獻，等.“互聯網+”現代農業國內外應用現狀與發展趨勢[J].中國工程科學， 2018， 20（2）：50-56.

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[3] 李哲光.基于Zigbee和NB-IoT無線傳感網絡的智慧農業[J].河北農機，2021（10）：143-144.

[4] 何燦隆，沈明霞，劉龍申，等.基于NB-IoT的溫室溫度智能調控系統設計與實現[J].華南農業大學學報，2018，39（2）：117-124.

[5] 聶琿，陳海峰，周豪.基于NB-IoT的環境監測系統[J].實驗技術與管理，2020，37（5）：89-93，110.

[6] 李睿欣，姚磊，謝偉鴻. 基于NB-IoT的多功能農業大棚監測及控制系統設計[J].農業裝備與車輛工程，2021，59（5）：72-75.

[7] 成開元，廉小親，周棟，等. 基于NB-IoT的城市智慧路燈監控系統設計[J].測控技術，2018，37（7）：19-22， 77.

【通聯編輯：梁書】