基于NB-IoT 技術的溫室大棚環境監控系統設計

亢娟娜

（甘肅畜牧工程職業技術學院，甘肅 武威 733006）

在我國現代化農業整體發展水平不斷提高的帶動下，溫室大棚憑借自身具有的多元化優勢得到了廣泛應用，溫室大棚環境監測技術也成為行業重點關注的話題之一。然而，與傳統人工觀測方式相比，雖然在現代化技術理念以及多元化技術措施的輔助下，我國現代農業監測水平得到了大幅度提高，然而由于受到監測設備價格以及操作復雜性的影響，導致我國現代化農業監測技術的普及程度有待提升。本文通過將NB-IoT 技術與移動互聯網技術、傳感器技術、微處理器技術進行充分結合，有效解決了傳統監控溫室大棚存在的待機時間短、線路布置難、無法遠程監控等問題。在此基礎上，將經過限幅優化的移動平均濾波優化算法運用其中，能夠充分應對遠程監控數據在大脈沖干擾下存在的不穩定問題。

1 系統功能與結構

本文設計的溫室大棚遠程監測系統是一種以物聯網技術和嵌入式技術為基礎的系統，主要是將移動終端的App、檢測儀器、物聯網平臺進行整合，人機交互媒介則采用了工業級別的觸摸屏技術，并且與emWin 和uC/OS-Ⅲ界面進行了有效搭載。該界面能對溫室大棚中的各項環境參數以及系統運行狀態進行實時顯示，用戶可以結合自身實際需求，利用交互界面對系統中的具體設置進行調整。將STM32 芯片作為環境參數采集段的主要控制工具，結合單總線協議，控制復合傳感器DHT22 對大棚中的溫濕度數據進行采集，并且在IIC 總線協議的輔助下，對數字光強傳感器BH1750FVI 進行有效控制，有效采集大棚中的光照強度數據。該系統的結構框如表1所示[1]。

表1 系統結構框

2 系統硬件設計

2.1 環境量采集電路

本系統所采用的DHT22 傳感器具有能耗低、體積小、精準性高等特征，是一種先進的數字型溫濕度復合傳感工具。在數據引腳層面，DHT22 傳感器與BH1750FVI 光強傳感器都增加了一個大小為5.1 kΩ的向上電阻，從而有效增加了傳感器的驅動力。在DHT22 傳感器的電源位置，增設了一個10 μF 的鉭電容，降低了移動平均濾波的影響；在BH1750FVI 光強傳感器的電源位置，增設了一個100 nF 的貼片電容，對移動平均濾波進行過濾的同時，有效拉低了地址線。在此過程中，DHT22 傳感器與BH1750FVI 光強傳感器遵循的協議分別為單總線協議和IIC 協議。由于二者的通信線長度都不宜太長，因此在系統設計的過程中，應盡可能地確保通信線處于較短狀態，并且在PCB 的位置上增設屏蔽線，確保采集的信號效果能夠最大程度屏蔽外界因素的干擾，從而有效提升采集數據的可靠性和穩定性。

2.2 NB-IoT無線通信電路

本系統有效應用NB-IoT 技術，能夠滿足低速率業務中超大容量、全面覆蓋、超長待機、極低功耗的需求。但是，NB-IoT 技術對移動性需求的滿足水平較低，比較適合使用在非連續移動、實時傳輸數據、靜態監測等業務環境中。因此，NB-IoT 技術與溫室大棚環境監控的需求高度契合。

由上海移遠通信技術股份有限公司和華為技術有限公司聯合研制開發的BC95 系列NB-IoT 模塊是一款新型NB-IoT 無線通信IC，不僅整體結構極為緊湊，而且內部還嵌入了網絡服務協議棧，供電電壓保持在3.3 V。在PSM 環境下，對電流的最大消耗量為5 μA，并支持3.0 V 外部USIM 卡的各項操作。在電路原理層面，雖然BC95 與廠家提供的評估板高度一致，但是相關人士在對PBC 進行布局的過程中仍需注意，應該始終將SIM卡座一端與靜電保護部分相靠近，芯片的引腳位置要盡可能與電容相接近，并且確保噪聲電流與天線電流之間得到有效隔離。在布置通信走線的過程中，要盡可能確保線路的直徑較大、長度較短，并且始終保持在50 mm以內。

在將NB-IoT 無線通信電路與傳統環境信息采集系統使用的ZigBee 通信模塊進行對比分析時能夠發現，NB-IoT 無線通信電路能夠將蜂窩數據與組網進行有效結合，對能源的消耗量較低，能夠為種類多元、內容豐富的物聯網設備提供支持和服務，為數據的有效傳輸提供便利。

2.3 電源管理電路

只有確保電源的電路始終保持在穩定狀態，才能為系統各項工作的有效開展奠定良好基礎[2]。在本系統中，BC95 模塊和STM32 單片機作為主要的用電器，經過實際驗證之后，發現二者的具體耗電量為0.69 mA/h。出于對紐扣電池待機時間比較短、更換維護比較麻煩等因素的綜合考慮，本系統所使用的主機鋰電池和采集器鋰電池的容量分別為1 000 mA和50 mA，并對電源采取TB5600 集成芯片進行管理。在對電池進行充電的過程中，系統設置了充電截止、指示預充充電狀態、充電電流調節器、高精度電壓調節器等多元化功能。電流的最大輸出量為2 A，充電時間在高達10 W的功率作用下得到了有效縮減。

將一種由運算放大器和穩壓二極管共同組成的低電壓檢測電路設計在電池的外部，當電池的電量低于3.1 V 時，該檢測電路會及時將電量不足的信號發送到主機中，用戶則會在移動終端的App 中接收到采集器發出的提示，此時可將采集器取下并進行1 h 左右的充電。由于用電器的類型不同，因此對電壓的要求也存在一定差異。比如，STM32 單片機的供電電壓為3.3 V，觸摸屏的供電電壓為5 V，系統中3.3 V電壓主要是由線性穩壓芯片RT9193 提供，5 V 電壓主要由TP5600 的升壓部分提供，具體電源管理電路如圖1所示[3]。

圖1 電源管理電路

3 系統軟件設計

3.1 App設計

本文所設計的溫室大棚環境監測控制系統主要選擇的解決方案為移動App，可以將傳統PC 終端控制方案具有的成本較高和操作程序煩瑣等問題徹底解決，用戶只需使用移動設備下載App，就能對相關系統模塊進行操作[4]。這樣不僅能夠確保用戶可以得到實時更新的數據，而且進一步增強了相關數據信息的可讀性，使用戶能夠享受到更加智能化的服務。

本系統App 終端主要由3 個模塊組成，分別為實時監測模塊、用戶管理模塊、設備切換模塊[5]。在此過程中，實時監測模塊主要負責對相關信息進行推送，并且監視設備實際運行狀態；用戶管理模塊主要對用戶注冊、用戶登錄、多端登錄、強制下線等內容進行管理，嚴格執行上級下達的命令；設備切換模塊主要對同一個系統中不同節點的切換操作以及不同系統之間的切換操作進行管理[6]。App 中的相關內容通過Java 語言進行程序編寫，用戶移動設備中的App界面包括設備目前運行狀態、連接狀態、大棚溫度、大棚濕度、光照強度、當前設備型號、添加設備型號、上一個設備型號、下一個設備型號、當前賬號、切換賬號登錄等模塊，在設備運行數據接收區會顯示需要整改的項目。

3.2 采集器設計

在本系統中，采集器主要位于數據監測終端，是一個具備數據采集功能和數據發送功能的設備。在對溫室大棚中溫度、濕度、光照強度等各項參數進行采集的過程中，主要以DHT22 傳感器和BH1750FVI光強傳感器為主，并且在HTTP 協議的輔助下，能將數據快速、準確地傳入到主機中，為主機有效處理相關數據提供便利[7]。當電源存在電壓不足的情況時，則會及時發出警報，對用戶進行提醒，從而對相關設備存在的問題進行有效處理。

3.3 主節點設計

3.3.1 移動平均濾波算法以及相關優化措施

出于對溫室大棚濕度、溫度、光照等各項參數具有不確定性和突變性的充分考慮，本系統主要應用移動平均濾波算法，該算法能夠最大程度地縮小相關因素的影響范圍，確保最終得到的計算結果具有較高精準性[8]。然而，在采集數據的過程中，移動平均濾波算法對大脈沖環境下的濾波不會起到明顯作用。因此，本文結合系統具有的特殊性，對限幅進行了合理的優化與調整。

3.3.2 emWin和uC/OS-Ⅲ的移植

鑒于在利用本系統實現人機交互操作的過程中，需要以UI 界面為平臺，因此應該建立一個第三方的GUI 庫。而Segger 公司授權給ST 的emWin 版本的ST-emWin，能夠在STM32 微處理器上免費使用，并且還能針對STM32 芯片進行對應的優化與完善。因此，其能夠與本系統的使用需求高度契合。為了進一步提升系統的流暢性和實時性，在原有emWin 的基礎之上，添加了一個能夠有效擴展、快速固化、充分搶占實時內核的uC/OS-Ⅲ。

用戶可以通過官網，下載emWin 和uC/OS-Ⅲ的源代碼。本文以emWin5.23 版本和uC/OS-Ⅲ為例，對具體移植過程進行詳細闡述。首先，在程序代碼中增加emWin 文件夾和uC/OS-Ⅲ文件夾，emWin 則需要獲得本地屏幕的底層驅動，并且在emWin 中對其進行定義，主要涉及打點函數、讀點函數、矩形填充函數。接著，在emWin 的配置文件中，對自定義內容進行修改，具體如下所示：

對于uC/OS-Ⅲ的添加而言，具體流程相對簡單，需要對支持emWin操作的系統模式進行配置[3]。

4 系統測試

當系統各個功能模塊的制作和調試結束之后，需要測試系統整體的穩定性，將TESTO440 溫濕度檢測儀檢測得到的數據作為標準參數。將兩臺采集器分別放置于實驗范圍的兩側，每24 h 導出一次數據，并與TESTO440 的數據進行對比。第一臺機器在4：00時，采樣濕度到達最高點0.55%；在14：00 時，采樣濕度到達最低點0.25%。第二臺機器在3：00 時，采樣濕度到達最低點17%；在13：00 時，采樣濕度到達最高點33%。該系統在長達一個月的測試過程中，沒有出現任何異常，因此可以判斷該系統的設計理念具有較高可行性[9]。

5 結束語

本文對以NB-IoT 通信技術和STM32 微處理器為核心的環境監測系統進行設計和制作，數據傳輸利用與物聯網高度適配的NB-IoT 技術，確保數據的傳輸效率具有較高有效性。在進行人機交互的過程中，將emWin 用戶界面與uC/OS-Ⅲ操作系統進行充分整合，進一步提升了監測系統的穩定性和流暢性[10]。在此基礎上，通過運用移動終端App進行有效連接，能夠為用戶充分體驗整個系統提供更好的服務。在對實驗設備進行連續運行測試的過程中，發現該設備能夠持續工作一個月的時長，并且各項指標以及工作狀態始終保持在穩定范圍，因此該系統具有較強的實用意義與價值。