基于NB-IoT的茶园生境监测DTU设计

李兆雄，张朝阳，刘 晖，罗旭辉

（福建省农业科学院农业生态研究所，福建 福州 350013）

0 引 言

在茶园生态环境数据监测装置中，DTU的主要功能是定时将各外接传感器获得的监测数据，通过通信模块上传到位于云端的服务器，并在发送数据完毕后关闭外接传感器、通信模块，从而达到节能的目的。本设计的DTU由带有开关控制的多接口数据传输单元和NB-IoT（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）网络模组组成，是装置的核心，可实现数据采集与传输。DTU的性能影响着整个装置的可靠性和可用性。

1 LPWAN与NB-IoT

经过二十多年的发展，物联网技术快速发展，RFID、UWB、Bluetooth、ZigBee、WiFi、2G/3G/4G等技术被广泛应用。以传输距离进行划分，RFID、UWB、Bluetooth为近距离传输技术，ZigBee和WiFi为中等距离传输技术。而对于远距离广域覆盖物联网技术，目前主要是蜂窝物联技术，使用移动通信运营商提供的2G/3G/4G实现对因特网的访问。蜂窝物联网技术通常是其他物联网技术接入互联网的入口。值得注意的是，2G/3G/4G本身不是针对物联网应用来设计的，其设计初衷是应用于人与人的通信，并非物与物的联接，其缺陷是功耗较大。

因此，LPWAN（Low Power Wide Area Network,LPWAN）应运而生。LPWAN是低功耗广覆盖技术的简称，具有通信距离远、功耗低、网络部署成本低等特点，适合用于大规模、非实时、低数据量的通信场景。

低功耗广域接入技术根据实现方式和使用频段的不同可以分为两大阵营，一个是以NB-IoT、eMTC技术标准为代表的蜂窝物联网技术阵营，使用授权频段；另一个则是以LoRa、Sigfox、Ingenu等窄带技术为代表的非授权频段技术阵营。其中，NB-IoT和LoRa最具代表性，表1为NB-IoT和LoRa的技术参数对比。

表1 NB-IoT和LoRa的技术对比

从表1可以看出，NB-IoT工作在授权频段，相对来说干扰少，安全性高，相同环境下，NB-IoT覆盖距离更远，且NB-IoT使用运营商的蜂窝网络，数据可直接传输，无需网关设备。综合对比，NB-IoT更适合山区茶园这类使用场景。

2 总体设计

本设计的DTU（数据传输单元）主要由STM32微处理器、NB-IoT通信模组、控制电路组成，控制电路根据嵌入程序设定的时间定时开启传感器的电源，提取各项环境数据，所提取的数据通过NB-IoT模组传送到位于云端的服务器，并将获取的数据存储在服务器数据库中。数据采集完毕后，断开为传感器供电的电源，同时使NB-IoT网络模组进入休眠状态，达到降低能耗的目的。环境监测传感器包括大气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、二氧化碳传感器、光照强度传感器，传感器接口通信采用Modbus协议。DTU设计有本地网络接口，可通过RJ 45接口配置DTU。

茶园环境数据监测装置实物与结构如图1所示。

图1 茶园环境数据监测装置实物与结构

3 硬件设计

3.1 主板设计

针对带有NB-IoT模组的DTU，进行PCB设计时需注意电源部分的走线应尽量远离射频部分，主电源走线的宽度要保证1 A的电流能够安全通过，电源部分的地平面尽量完整，多打地孔。由于信号不好时，NB-IoT模块可能存在瞬间大电流的情况，引起开关噪声，影响其他电路，为避免出现这种噪声，在模块电源和其他电路的电源处做隔离处理，采用LC滤波电路，使用470 µH、额定电流大于1.2 A的绕线电感。DTU主板PCB设计如图2所示，DTU主板实物如图3所示。

图2 DTU主板PCB设计

图3 DTU主板实物

3.2 STM32F107VCT6处理器

STM32F107VCT6处理器是一款32位ARM芯片，它具有64 KB RAM和256 KB的闪存，有较好的兼容性和较高的稳定性。同时该芯片内部集成以太网10/100 MAC模块（支持MII和RMII），连接外部以太网物理层接口芯片DP83848IVVX就能实现一个完整的以太网收发器，方便通过以太网口对设备进行参数配置和固件升级。因此该芯片能比较好地满足茶园生产环境监控设备对数据收集、传输与控制的需求。STM32F107VCT6处理器实物如图4所示，STM32F107VCT6处理器引脚功能如图5所示。

图4 STM32F107VCT6处理器实物

图5 STM32F107VCT6处理器引脚功能

3.3 继电器

本设计中，控制电脑通过继电器开关来控制外接传感器的供电，在嵌入的软件中可以设置接通外接传感器的时间段。在接通时段内接通传感器，并采集传感器传回的数据，数据上传完毕后，关闭外接传感器，使DTU进入待机状态。继电器控制电路如图6所示。

图6 继电器控制电路

3.4 NB-IoT通信模组

本设计采用移远BC95通信模组，这是一款高性能、低功耗的NB-IoT 无线通信模组，功耗小、灵敏度高、尺寸紧凑、工作温度范围较宽，非常适合农业生产数据监测的野外工作环境。NB-IoT通信模组实物及原理如图7所示。

图7 NB-IoT通信模组实物及原理

3.5 电源

本设计的DTU工作在野外，山区温差、潮湿等会对硬件电路造成信号干扰，为此DTU主板的电源芯片采用LM2596和AMS1117。AMS1117的工作方式属于完全负反馈方式，在电源抑制方面比开关电源性能更强，尤其在小信号处理电路方面取得了不错的效果，其快速瞬态响应和噪声抑制优势突出，片内集成过热保护和过流保护模块，保证芯片和系统可靠运行。电源模块电路如图8所示。

图8 电源模块电路

3.6 485通信接口

I/O输入接口采用高精度光耦芯片隔离，减少干扰，提高系统稳定性。485通信接口使用MAX1348系列芯片。RS 485通信接口电路如图9所示。

图9 RS 485通信接口电路

3.7 本地网络接口

本地网络接口可快速实现本地配置及管理功能。本地以太网接口电路如图10所示。

图10 本地以太网接口电路

4 软件设计

数据传输单元的嵌入式软件在设备加电后，完成初始化，载入外设驱动后启动主程序，通过控制继电器启动外接传感器和NB-IoT通信模组，通过Modbus接口得到传感器数据，并将数据通过NB-IoT网络传送到远程数据服务器。数据传输完成后，关闭传感器和通信模组，设备进入休眠状态，此时仅时钟控制部分持续工作，在下一个预设时钟周期（预设时钟可以根据需要从1 min到2 h进行调整）到来时，再次加载外设驱动，完成新一轮的数据采集和传送。DTU嵌入式程序流程如图11所示。

图11 DTU嵌入式程序流程

5 DTU数码管显示

为方便野外布署时调试设备，DTU设置了5位LED数码管，通过数码管的显示可以直观了解DTU的工作状态。

5.1 状态码

状态码见表2所列。

表2 数码管显示的状态码

5.2 错误码

错误码见表3所列。

表3 数码管显示的错误码

6 实际应用

实际应用中，DTU线路板安装在金属机壳中，使用接口连接，确保在野外使用的稳定性。图12所示为监测装置的外观和DTU（数据传输单元）在机箱中的安装图示。

图12 监测装置外观和DTU在机箱的安装图示

目前，该系统已在福建武夷山岩茶产区、宁德白茶产区安装使用，可稳定持续地监测茶园的生态环境数据。

7 结 语

随着物联网技术的发展，三大运营商的NB-IoT网络更加成熟。经过实地测试，在福建主要茶产区，大多数茶园可以接收到NB-IoT信号，尤其以中国电信的信号覆盖范围更广。在4G、5G信号无法覆盖的山区，使用NB-IoT技术具有独特的优势，能够在其他监测方式不易使用的福建丘陵山区环境中，实施对茶园生境数据的远程持续监控。DTU设计简单，具有低功耗、广覆盖、少维护等特点。通过基于NBIoT的DTU设计，降低了监测系统设计的难度，有利于山区茶园生境监测数据的获取，为福建茶叶的种植管理及相关科学研究提供了准确、详细、持续的数据资料，对提高茶叶种植的精细化和数字化程度具有重要的推动意义。