基于NB-IoT的多功能农业大棚监测及控制系统设计

李睿欣，姚磊，谢伟鸿

（200082上海市 上海理工大学 机械工程学院）

0 引言

传统农业中，农民靠经验给农作物施肥、打药、浇水，若判断失误则会导致颗粒无收。如今，智慧农业将大量传感器节点构成监控网络，并通过各种传感器采集信息，用精确的数据告诉农民农作物的浇水量、施肥、喷药的精确浓度，需要供给的温度、光照、二氧化碳浓度等信息[1-4]。所有农作物在不同生长周期出现的问题都由信息化智能农业监控系统实时、定量精确把关，农业逐渐以人力为中心，依赖于孤立机械的生产模式转化为信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备。

传统智慧农业监控系统大多通过无线通讯WiFi，Zigbee模组采集农业大棚内部数据信息，这种方法存在如下缺点：Zigbee组网功耗相对较高，且容易受到农业大棚环境的干扰使信号强度降低；有线部署需要增加监控的线路才能实时监控，成本相对较高；利用物联网来监测农业大棚的技术也是局限蓝牙、GPRS和3G技术的通讯方式。使用功耗较高，且产生流量费用较多[5-6]。

针对以上问题，在研究了目前农业大棚控制系统的基础上，本文设计了基于华为Lite-OS开发环境和 STM32L431RC高性能物联网开发板的农业大棚监测及控制系统。采集传感器数据。然后通过使用NB-IoT通信模块[7-9]，实现了农业大棚内温度、湿度和光照强度的数据的传输到华为云端，再通过华为云IoT平台下发命令来控制农业电机和棚内LED的补光工作。

1 农业大棚系统的结构设计

农业大棚监测控制系统主要是通过NB-IoT通讯模组和物联网技术，把大棚内采集到的空气温度、土壤湿度、二氧化碳浓度及光照强度数据等环境参数进行数字化转化后，实时上传到华为云端进行汇总整合，农业管理人员登陆云端可实时观测到大棚内的温湿度和光强的实时精确数据，再根据农产品生长的各项指标要求进行定时、定量、定位的计算处理，最后，通过管理员操作云端下发命令来控制农业大棚内特定的农业设备，使其及时、精确地开启或关闭。在本文设计的农业系统中，打开LED增加大棚内光照强度，打开风扇使通风扇运转，实现大棚内空气流通顺畅。

2 系统硬件设计

2.1 数据采集层

农业大棚的传感器采集传感器获取的植物生长环境信息，通过布设在扩展板上的温湿度传感器SHT30和光照强度传感器BH1750节点，实时收集农业大棚内土壤和空气温度、湿度、光照强度等参数。扩展板E53_IA1上的电机用来模拟风扇等一些农用通风电机，LED用来模拟农业大棚内的补光紫外线照灯。

2.1.1 温湿度传感器

如图1所示，温湿度传感器选取SHT30,是一个完全校准的、现行的、带有温度补偿的数字输出型传感器，具有 2.4～5.5 V的宽电压支持，使用IIC接口进行通信，最高速率可达1 M并且有2个用户可选地址。除此之外，它还具有8个引脚的DFN超小封装。

图1 温湿度传感器Fig.1 Temperature and humidity sensor

2.1.2 光照强度传感器

如图2所示，光照强度传感器选取BH1750，该型号传感器是一种用于两线制串行总线接口的16位数字型光强度传感器集成电路。利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化。（1lx～65535lx）。内部含有微信号放大器、高精度电源和修正电路,具有工作电压范围宽,温度稳定性好等优点。

图2 光照强度传感器Fig.2 Photographic intensity sensor

2.1.3 电机

如图3所示，该电机相当于普通的风扇的控制，通过一个GPIO来控制电机转停。

图3 电机Fig.3 Motor

2.1.4 补光灯

如图4所示，该补光灯相当于普通的LED的控制，通过一个GPIO来控制灯的亮灭。

图4 补光灯Fig.4 Supplementary light lamp

2.2 NB-IoT通信模块

通信模块采用NB35-A，是一个通过 NBIoT传输数据的通信扩展板，3.1～4.2 V的供电电压，典型值是3.3 V。板载华为海思的通信模组BC35-G，支持IPv4/IPv6/ UDP/CoAP/LwM2M/TCP/MQTT等通信协议。NB-IoT通信模组电路如图5所示。

图5 NB-IoT通信模块Fig.5 NB-IoT communication module

2.3 主控板

如图6所示，微控制器选用基于STM32L431RCT6设计的高性能物联网开发板，具有灵活的功耗管理系统，支持超低功耗.集成UART，I2C，SPI等通信接口。开发板充分考虑物联网感知层设备的多样性，具有强大的可扩展性，用于提供给开发者评估及快速设计相关物联网的应用产品。

图6 主控板Fig.6 Main control board

3 系统软件开发

系统架构采用华为IoT Booster平台和软件开发服务,构建和部署应用系统软件。研发了一套智慧农业大棚实时监测系统，实现了农业大棚内土壤湿度、空气温度、光照强度的全方位数据变化的监测和显示，再根据农产品生长的各项指标要求，进行定时、定量的计算和处理，从而使特定的农业设备及时、精确地开启或者关闭。本农业系统提供了快速开启紫光灯以模拟农业大棚内的紫外线灯，从而补充日照不足的情况，适时开启电机来模拟农业大棚内的风扇，来保持大棚内的空气流通。提高界面的友好性与实用性,经由无线信号收发模块传输数据，实现对大棚温湿度的远程控制。系统结构如图7所示。

图7 系统软件结构Fig.7 Software structure

4 系统实例测试

本智慧农业大棚监控系统硬件平台MCU选用STM32L431RCT6，搭载LiteOS Studio操作系统，编译调试工程代码。首先，准备好硬件平台即STM32L431RC开发板，连接好智慧农业E53_IA1案例扩展板和NB35-A通信扩展板，NB35-A通信扩展板需要安装 SIM卡，注意卡的缺口朝外。将串口选择开关拨到 MCU模式，并用 USB线将开发板与电脑连接。连接好原理图后，将编译好的程序加载进去。系统整体架构参见图8。

图8 系统整体架构Fig.8 Overall architecture of the system

本程序采用C语言进行编写，在LiteOS Studio环境下对程序进行编译、调试。LiteOS Studio是华为基于 LiteOS嵌入式系统软件开发的工具，支持 C，C++、汇编等多种开发语言，提供代码编辑、编译、烧录及调试等一站式开发体验。

通过开发中心在IoT平台创建项目空间，供终端设备接入。开发者需要基于智慧农业大棚的要求创造一个独立的项目。开发中心中预置了快速集成模板，该模板包含产品模型（Profile）和编解码插件，可以使用智慧农业模板直接进行开发。

进行Web界面的开发，基于华为IoT Booster平台构建应用系统。选择“农业管理”界面，设置页面组件布局。拖动1个“选择组件”，6个“监控组件”和2个“命令下发”组件至页面中并按照如图9所示的布局进行摆放。

图9 Web界面布局Fig.9 Web interface layout

填写NB-IoT模组的IMEM号,对该设备进行注册，从而使上位机和开发板通过NB-IoT模组连接。

开发板上电，可以在农业管理界面观察到空气温度和土壤湿度以及光照强度的变化。在补光灯界面点击设置参数，点击“on/off”，能够实现手动控制紫外线灯的光灭。同理，也可以通过设置参数来控制电机的运转和停止来模拟农业大棚内的风扇。

5 结语

本文基于NB-IoT的多功能智慧农业大棚实时监测与控制系统，通过各种传感器模块采集到农业大棚内的温湿度和光照强度等数据,采用了华为海思的通信模组NB-IoT进行无线通信,将采集到的数据上传到华为云平台上,实现了数据的实时监测,通过华为IoT Booster平台，Web开发展示了实时在线大棚内温度、湿度、光照强度等数据信息。可实现对环境信息的远程采集和实时检测，满足实时监测的要求。它不仅可以实时采集农业大棚的温度、湿度和照度，同时减少了前期传感器传输数据的投入成本。能够进行远程监测和控制农业大棚的环境，大大提高了农作物的生长水平，提高了农业的维护性和持久性。