基于NB-IoT的茶园监控系统的设计

阮星 谭钧文 陈金水

摘  要：本文主要对基于NB-IoT的茶山监控系统APP进行相关的设计，从APP的结构、构成和后台进行阐述。通过硬件和软件两个方面进行实现：硬件方面主要是KL36单片机作为主要的处理器，通过各类与之相关的传感器进行设计与开发，对电源、温度传感器、湿度传感器、LCD、串口通信等模块也统一进行了设计和规划。软件方面主要介绍了这套系统的运行方式，并且用手机APP的形式体现出来，使用者可以更好地进行人机交互，并且通过一定的方式降低了嵌入式开发成本。

关键词：NB-IoT;嵌入式;APP;传感器

Abstract：This paper focuses on the design of NB-IoT tea hill monitoring system based on the APP，from the APP structure，composition，and background. Through hardware and software to achieve：hardware is the main KL36 MCU as the main processor through the design and development of all kinds of related sensors，the power supply，temperature sensor，humidity sensor，LCD，serial communication module is also unified design and planning. The software mainly introduces the operation mode of this system，which is reflected in the form of mobile APP. Users can have better human-computer interaction and reduce the embedded development cost in a certain way.

Keyword：NB-IoT;embedded;APP;sensor

0  引  言

温湿度现在已经是工业生产和储存过程中最常用、最普遍的参数。温湿度的检测在现在的检测技术中占据了很大的比重，随着科学技术日新月异的进步和社会生活环境的不断发展，越来越多的行业对于温湿度的要求开始变高。据不完全统计，全球每年有将近三分之一的产品是因为潮湿问题而变成了不良产品[1]。对于电力设备和工业精密仪器，潮湿已经成为困扰运营商的主要因素。而潮湿问题现在也成为电子设备需要克服的一个大问题，同时也是生产厂家面临的最大问题。这些问题不止在工业中有这种影响，在农业中带来的问题也很大。比如在温室大棚中，温湿度的影响会直接关系到作物的产量和品质，这点在茶叶产地中尤其突出。

到现在为止，我国的很多地方，监测温湿度依旧需要有经验的农民通过身体触感去判断，或者通过大量的有线设备监控，但是有线设备不仅仅会因为铺设大量光纤或者电缆降低整套设备的灵活性和延展性，而且当各种电线混在一起时，不能保证它们相互之间没有影响，甚至不同的电线在一起传输时有可能互相干扰[2]。当需要检测的东西过多或者传输的数据过于庞大的时候，不仅仅会使成本直线上升，而且电线的分布会更加复杂，相互干扰的问题会更加严重。通过研究当前的温湿度环境监控系统，使用物联网技术设计温湿度环境监控系统是一个大的方向和趋势。因此，研究一个具有高效性和具有高性价比的系统是非常有意义的[3]。

1  总体设计

我们研究的这套系统的硬件端主要通过各类传感器进行NB-IoT通信。NB-IoT应用架构（Application Architec-ture）整体描述NB-IoT应用开发所涉及的基本知识结构，主要体现开发过程涉及的微控制器（MCU）、NB-IoT通信、人机交互系统等层次[4]。

从应用层面的技术开发角度来说，NB-IoT应用架构（如图1所示）可以抽象为NB-IoT终端（UE）、NB-IoT信息邮局（MPO）、NB-IoT人机交互系统（HCI）三个组成部分，这种抽象为开发NB-IoT应用提供了理论基础[5]。

2  系统硬件电路设计

NB-IoT温湿度监控硬件部分由TTL-USB串口线、扩展底板、彩色LCD等部分组成。

硬件电路的设计目标是将MCU、通信模组、电子卡、MCU最小硬件系统等形成一个整体，集中在一个SOC片子上，能够满足大部分终端UE产品的设计需要。设计的开发套件中内含电子卡，在业务方面，包含一定流量费。在出厂时含有硬件检测程序（基本输入输出系统BIOS+基本用户程序），当用户获得该芯片，直接供电，即可运行程序，实现联网通信。开发套件中的软件设计目标是把硬件驱动按规范设计好，固化于BIOS提供静态连接库及工程模板，可节省开发人员的大量时间，同时给出与人机交互系统HCI的工程模板级实例，为系统整体联通提供示范[6]。

3  硬件系统和软件的通信

NB-IoT的信息邮局可以从很多个角度去看待。

从物理角度看，NB-IoT基站由户外的铁塔与NB-IoT基站路由器构成。铁塔是基站路由器支撑机构，作用是把NB-IoT基站路由器高高地挂起，提高NB-IoT基站路由器的无线覆盖范围;从应用开发用户编程角度來看，NB-IoT基站路由器是个中间过渡[7]。

信息邮局MPO中的云服务器CS可以是一个实体服务器，也可以是几处分散的云服务器，对编程者来说，它就是具体信息侦听功能的固定IP地址与端口[8]。这是要向信息邮局MPO运营商或第三方机构申请并缴纳费用的。

云服务器通过一个固定的IP地址接收终端UE向固定端口发送的数据，通过侦听程序负责接收这些数据，侦听程序主要负责监视UE是否发来数据，若有数据，就把它收下来放入数据库，还要负责把人机交互系统HCI送给终端UE的数据发送给终端[9]。

云服务器具有固定的IP地址和端口号，是侦听程序及数据库的物理支撑。在云服务器里面可以完成侦听程序及数据库的更新和运行，云服务器的访问需要用户名和密码。通过手机APP在云服务器上读取需要的数据，从而显示在个人设备上（APP显示数据如图2所示）。

4  手机APP设计

4.1  手机APP开发平台介绍

本项目的手机APP设计采用Android Studio作为开发平台，Android Studio是谷歌推出的一个Android集成开发工具，基于IntelliJ IDEA.可以更好地开发适合用户的软件。

4.2  手机APP界面框图

APP的界面设计方面，我们遵循Google的Material Design设计理念，将界面进行了优化，使用户更好地体验层次感，并且专注于APP本身，不会体验到生涩感[10]。

APP的设计从最直观的界面和功能到最底层的代码编写都是极其重要的。对于APP的架构设计和界面设计，我们有着较高的追求，核心宗旨是简洁。为了方便团队分工合作、提高代码的可扩展和可维护性，目前主要的手机系统是苹果公司的IOS和谷歌的Android系统，所以我们制作的与之相关的APP在两个操作系统上面都是可以使用的，APP界面设计如图3所示。

4.3  手机APP与服务器连接

监测的数据通过各类传感器上传到服务器，手机APP通过post请求调用服务器预留给APP的一个API接口，将数据呈现到手机端，为了保证安全，APP上同时需要输入云服务器具有权限的用户名和密码才可以访问数据。

5  结  论

本文主要对基于NB-IoT茶山监控系统的APP进行相关的设计，从硬件的结构、构成、和后台进行阐述。并且阐述了硬件和软件APP需要的技术支持，其具有较高的应用价值和很大的市场空间。

参考文献：

[1] 张伶鳦，王润涛，张长利，等.基于调亏理论和模糊控制的寒地水稻智能灌溉策略[J].農业工程学报，2016，32（13）：52-58.

[2] 戴泽淼，王胜，梁继会.基于ZigBee嵌入式智能家居控制系统的设计与实现 [J].吉林师范大学学报（自然科学版），2015，36（2）：87-90.

[3] 马从国，赵德安，王建国，等.基于无线传感器网络的水产养殖池塘溶解氧智能监控系统 [J].农业工程学报，2015，31（7）：193-200.

[4] 康维新.传感器与检测技术 [M].北京：中国轻工业出版社，2009.

[5] 赵多兴.基于单片机的仓库温湿度监控系统设计 [J].农机使用与维修，2010（5）：97-98.

[6] 谭浩强.C程序设计 [M].第3版.北京：清华大学出版社，2005.

[7] 冀红举，段朝伟，张孟超.基于RS-485总线的温室远程监控系统 [J].微计算机信息，2012，28（4）：43-45.

[8] 谷士艳，李天来，王铁良，等.日光温室多点温度智能检测控制系统 [J].北方园艺，2006（1）：66-67.

[9] 朱俊光，高健，田俊，等.基于物联网技术的远程温湿度监测系统 [J].实验技术与管理，2014，31（11）：94-97+103.

[10] 张辉宜，孙倩文，袁志祥，等.基于无线传感器网络的温湿度监控系统设计 [J].计算机技术与发展，2014，24（11）：246-249.

作者简介：谭钧文（1998-），男，汉族，湖南长沙人，本科在读，研究方向：Android软件开发、Java程序设计、Python。