基于窄带物联网的智能温室环境监测系统设计

翟浩霖 单洁

摘   要：文章主要阐述了基于窄带物联网的智能温室环境监测系统的设计与实现过程。结合NB-IoT技术特点，将智能温室环境监测系统与窄带物联网技术结合，将温室环境信息实时上传到云平台，实现远程监测和控制。系统以STM32F103RCT6为主控芯片，包括最小系统模块，气体浓度、光照强度、温度湿度、土壤湿度传感器模块，窄带物联网模块，Usart-GPU串口触摸液晶屏幕显示模块，系统实现了温室环境信息的采集、上传、监测的一体化控制。

关键词：环境监测系统;窄带物联网;云平台

我国是一个农业大国，粮食是国家民生大计。在科技高度发展的当下，如何利用科技力量提高农作物产量，是现代农业发展亟待解决的问题[1]。目前，物联网技术是解决智能农业问题的最佳方案[2]，以物联网为基础的数据采集传输系统结合农业控制系统，可以及时获取农田环境信息并快速做出相应预案，保证控制的实时性，能够节省大量劳动力资源。

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）已经成为万物互联网络的一个重要分支[3]，能够满足数据上传时间间隔长、文本信息数据量小、实时性要求不高、信号全面覆盖、占用带宽低的需求[4]。

基于窄带物联网的智能温室环境监测系统，是将物联网技术和环境监测系统相结合，利用窄带物联网覆盖范围广、成本低廉的技术特点，将其应用到农业生产中[5]，是现代农业的发展趋势。

1    系统总体设计

1.1  系统总体结构框架

基于窄带物联网的智能温室环境监测系统，结合传统农业生产和种植方式，采用NB-IoT技术，利用云平台，实时显示温室种植环境信息，可以对温室环境信息进行远程检测和异常情况报警。系统后台对采集到的环境信息进行研究和大数据分析，使农作物生长环境保持在最利于其生长的环境。因此，利用窄带物联网技术可以使农作物达到高效生产的结果。

本系统主要由环境监测系统的主控制器，气体浓度传感器模块，Usart-GPU串口触摸液晶屏模块，光敏型光照强度传感器模块，M5310-A传输模块，温度、湿度传感器模块，电容型土壤湿度及酸碱性传感器模块构成，系统框架如图1所示。

1.2  系統功能概述。

本系统可以对温室环境进行实时监测和控制。首先，由系统的各类传感器模块采集农作物生长环境的空气温度及湿度、光照强度、土壤湿度及酸碱性、气体浓度等环境信息的数据值，并显示在屏幕中。然后，将该信息通过NB-IoT模块上传到中国移动onenet物联网云平台，并以折线图形式可视化显示。操作人员通过云平台检测以及指令下发实现对系统的控制。最后，所有的农业环境信息都通过云平台显示出来，用户无论在何处，只要通过电脑或者手机登录云平台就可以看到温室环境状况并进行相应的控制操作。

2    系统软硬件设计

2.1  系统硬件设计

系统硬件包括：主控制器、供电电源和降压电路、风扇继电器控制电路、NB-IoT模块电路、Usart-GPU串口触摸液晶屏电路、传感器电路。系统供电由12 V-3 A的供电电源和5 V输出的降压电路完成，传感器电路对农业环境信息的采集和显示由主控制器、各个传感器和触摸屏共同完成，整个系统和云平台的连接由NB-IoT模块完成。

本系统主控制器为STM32F103RCT6芯片，其编程集成度极高，工作电压3.6 V，内核为32位CortexTM-M3中央处理器，CPU频率为72 MHz，具有51个通用和复用功能输入/输出（Input/Output，I/O），2个直接内存读取和存储的控制器，3个12 bit精度的模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）。

NB-IoT模块电路分为M5310-A模块电路和NB-SIM卡槽电路，其SIM卡连接M5310-A模块的复位引脚、时钟引脚、接地引脚、供电引脚和数据传输引脚。

串口液晶屏Usart-GPU模块包含液晶显示触摸屏、MCU和EEPROM存储器。在串口屏中，汉字和图片库的相关信息都已经通过EEPROM储存到屏幕内部。在使用时，系统5 V供电，只需要将串口液晶屏的供电引脚连接5 V电压，串口屏的发送端连接作为主控制器最小系统板的串行异步通信接口USART2的数据接收端（GPIOA的引脚3），串口屏的接收端连接最小系统板的串行异步通信接口USART2数据发送端（GPIOA的引脚2），通过发送储存在储存器的相应指令就可以实现需要的功能。传感器电路模块包括：空气温湿度传感器，光照强度传感器，土壤温湿度、酸碱度传感器，气体浓度传感器等。

2.2  系统主控软件设计

系统主控制程序包括主控制器对农业环境的温度、湿度、光照强度、土壤湿度、二氧化碳浓度的数据进行采集、显示、上报。当主控制器上电之后，配置系统时钟和外设初始化。在各个模块初始化结束之后，程序进入主循环，等待云平台或者触摸指令，进行相应的操作。信息采集完成后传输给主控制器的是电压数据，例如，温湿度传感器传输的是40 bit的数字量，只需要一根DATA传输线就可以完成数据的接收。onenet物联网云平台支持在云端平台实现对嵌入窄带物联网技术的设备管理，用户可以登录云平台监控设备的上线或者下线情况。

3    系统调试和结果

连接了12 V输出的锂电池之后，进入系统主界面，分别显示环境信息和数据上传两个触摸区域。触摸环境信息区域可以采集并显示各类温室环境信息;触摸数据上传区域显示数据上传界面，分为时间设置、打开上传、关闭上传3个触摸区域。触摸时间设置区域可以人为设置上传到云平台的时间间隔;触摸打开上传区域可以将采集到的环境信息通过NB-IoT模块上传到云平台，在云平台上以折线图的形式使数据可视化显示;触摸关闭上传区域可以停止将数据上传云平台。在onenet物联网平台的设备管理界面中点击控制选项，例如风扇控制等，可以实现对设备的开关控制。

4    结语

本课题开发了一套基于窄带物联网的温室环境监测系统，主要把近两年发展迅速的窄带物联网技术嵌入到主控制器中，对环境信息进行采集并上传到onenet物联网云平台，同时在云平台可以进行控制指令的下发。

在未来农业系统发展过程中，对窄带物联网技术的需求会越来越多，将该项数据传输潜力巨大的技术和环境监测系统相结合，应用到农业生产活动中，使其更高效、更便捷。

[参考文献]

[1]张震宇.智慧农业物联网系统[J].物联网技术，2019（5）：6-8.

[2]万晨威.基于嵌入式开发的智慧农业系统[J].现代农业研究，2019（9）：121-122.

[3]候海风.NB-IoT关键技术及应用前景[J].通信世界，2017（14）：1-2.

[4]甄杨.基于NB-IoT的城市智慧燃气计量[J].科技经济导刊，2019（9）：36.

[5]魏霞.基于物联网的智能农业系统运用[J].农业工程，2019（2）：19-21.