基于NB-IoT的农业生产监控设备开发

刘持标，李年攸，赖国良，裴 瑶

（1.三明学院 信息工程学院，福建 三明 365004；2.福建省农业物联网应用重点实验室，福建 三明 365004）

0 引 言

近年来，随着人口的增多，农田土地面积减少，人们越来越重视农作物的生长质量及产量[1]。目前，影响农作物生产质量及产量的主要因素包括干旱、水涝、人为偷盗破坏、食草动物觅食破坏及鸟类采食破坏等[2-5]。这些农业生产环境及安全问题严重影响农作物产量和品质，防治和监测好该类农田，对于保障农业丰收、农产品质量安全和农民增收具有重要意义。现有技术中相关检测干旱、水涝、火灾及人与动物破坏农作物的主要方法为人工巡查，这不仅费时费力，而且难以及时及早发现农作物被破坏的状况，严重影响农作物的生长质量及产量。

针对难以实时监控干旱、水涝及人与动物破坏农作物的情况，本文介绍了一款基于NB-IoT的农业生产监控设备。该设备使用NB-IoT通信技术完成与云服务中心的数据传输[6-7]。一方面，NB-IoT可以提供比现有无线技术多50～100倍的无线设备接入数，并降低物联网设备的数据通信费用；另一方面，NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用，设备功耗极低，能够延长电池的使用寿命，有利于该设备在农业生产监控领域的推广。

基于NB-IoT的农业生产监控设备主要包括STM32微处理器[8]、环境监测传感器、NB-IoT模块、蜂鸣器、开关电路等。环境监测传感器由温湿度传感器、土壤湿度传感器、烟雾传感器、噪声传感器、红外感应传感器、光照强度传感器组成，用来监测农业生产环境参数。NB-IoT模块用于将农田环境数据传输到云服务中心。通过所开发的微信小程序，用户可实时查看农田安全环境数据，并且能够实现远程浇水及蜂鸣器控制。同时，所研发的NB-IoT农业物联网设备及智能手机客户端可以使农业生产人员无需花费太多时间与金钱，也无需雇佣专业人员即可自己购买设备进行智慧农业生产。农业生产人员可以在任何时间方便地添加NB-IoT硬件设备来扩大智慧农业生产规模。基于NB-IoT的智慧农业系统网络拓扑图如图1所示。所研发的“前端、云端、客户端”软硬件系统运作模式可将位于任何地方的NB-IoT农业物联网设备相关农业生产环境数据及控制数据发送到由企业或政府运营管理的云端农业物联网数据服务中心。

图1 基于NB-IoT的智慧农业系统网络拓扑图

NB-IoT智慧农业系统可以解决传统智慧农业存在的“信息孤岛”问题。通过数据融合与数据挖掘等智能技术，对云端农业物联网数据服务中心的海量数据进行分析、处理，可为所有农业生产者提供智慧农业信息及决策服务，实现农业生产的智能监测与控制，大幅提升农业生产社会效益与经济效益。

1 设备组成

1.1 STM32F103RET6处理器

STM32F103RET6处理器是ARM芯片众多型号中的一种，它具有较大的闪存、较好的兼容性及较高的稳定性。该芯片拥有的闪存与RAM容量可满足农业生产监控设备环境数据收集、传输及设备控制的需要。STM32F103RET6实物如图2所示。

图2 STM32处理器实物

1.2 NB-IoT通信模块

BC95是NB-IoT通信模块的一种，功耗小、成本低、易于续航，适合野外作业，其实物及电子原理如图3所示。BC95模块的VCC 3.3引脚接电源正极，GND引脚接地，RESET引脚为复位口。BC95模块的TXD引脚用于发送数据，RI引脚用于模块输出振铃提示。

图3 NB-IoT通信模块实物及电子原理图

1.3 继电器

继电器是一种供电开关设备，被广泛应用于自动控制电路中。在本设备中，继电器通过0和1的高低电位变化实现远程浇水的“开”与“关”功能。本设备所使用的SRD-05VDC继电器实物及电子原理如图4所示。

图4 继电器实物及电子原理图

1.4 蜂鸣器

NB-IoT农业生产监控设备利用蜂鸣器进行环境异常警报。蜂鸣器实物及电子原理如图5所示。蜂鸣器的V3脚为数据引脚，接收控制电位的变化，GND引脚接地。

图5 继电器实物及电子原理图

1.5 土壤湿度传感器

采用表面进行镀镍处理过的土壤湿度传感器可扩展感应面积，提高导电性，其实物及电子原理如图6所示。利用来自土壤湿度传感器的数据变化，可以判断农田是否存在干旱或水涝情况。该传感器的1号引脚为数据口，2号引脚与电容相连接，3号引脚接地，4号引脚连接电源。

图6 土壤湿度传感器实物及电子原理图

1.6 其他传感器

本设备利用HC-SR501红外传感器对农田附近是否有人或者是否有动物出没进行监测。红外传感器采用红外技术对传感器附近的红外变化进行感应，从而输出0或1电平。本设备利用烟雾传感器监测农田周围的烟雾值来判断是否发生火灾。烟雾传感器电导率随着烟雾值在一定量空气中所占比例的提高而提高，通过转换模块将电导率转化为气体浓度值进行输出。所制作设备的噪声传感器用于监测鸟类及动物的声音，以判断农田中大型动物及鸟类出现的频率。光照传感器用于监测农作物生长环境的光照强度，其内置16 bit A/D转换器，工作电源电压为3～5 V，可输出数字信号，灵敏度高。

1.7 整体设备制作

PCB板焊接后的设备及封闭组装的太阳能供电设备如图7所示。利用透明的亚克力板将制作的电子设备进行封装后，可提高该设备的抗外界干扰能力，延长设备寿命。太阳能板所产生的电源在经过转化后，可持续为设备提供电力。

2 系统网络拓扑结构

NB-IoT农田监控设备网络拓扑结构如图8所示。农田监控设备将收集到的数据通过NB-IoT模块上传至云服务器中心。智能手机端打开微信小程序，通过数据流或者无线热点连接云服务器，用户即可对所管理的农田监控设备进行远程操作，实时查看农田情况。用户还能够在小程序客户端设置环境参数预警值，当超过预警值时及时把信息反馈给用户，便于用户发现问题、解决问题。管理员可以通过电脑访问对应的Web页面管理用户。

图7 PCB板焊接后设备及封闭组装的太阳能供电设备

图8 NB-IoT农田监控设备网络拓扑图

3 软件设计与实现

系统Web服务及客户端功能如图9所示。农业生产监控设备管理系统包含微信小程序客户端与Web服务器两部分。Web服务器是针对超级管理员与普通管理员开发的。管理员可以查看所有小程序用户的反馈信息，显示在页面的字段包括微信号、反馈内容以及反馈时间。小程序拥有农田数据的查看、农业生产监控设备的远程控制以及小程序用户的基本服务功能。

图9 系统Web服务及客户端功能

微信小程序主界面如图10（a）所示。用户绑定好所管理的农业生产监控设备后，可以看到农田当前的温度、湿度、空气质量、光照强度、烟雾浓度、是否有人靠近农田等信息。同时，用户还可以查看后台管理员推送的相关信息。用户侧滑界面如图10（b）所示，该界面拥有设备列表、天气预报、意见反馈、个人日志、农业论坛、联系方式六大功能。

用户可通过微信小程序的用户个人信息界面修改个人资料。小程序用户侧滑界面点击微信图像即可对个人信息进行操作，点击“保存”后，微信用户的信息会传到后台管理系统。当设备出现问题时，用户可以通过用户意见反馈界面在问题描述区编辑出现的问题，也可以通过上传照片的方式直观展现问题所在。点击橙色的电话号码可以联系后台管理员。

图10 用户主界面及侧滑界面

反向控制界面如图11（a）所示，用户通过该界面可以远程控制农田设备的蜂鸣器或者水泵。当按钮显示绿色时，表示“开”，当按钮显示灰色时，表示“关”。天气预报界面如图11（b）所示，通过该界面可以查看天气预报，及时了解当地的天气情况，提前做好防御工作。

图11 反向控制及天气预报界面

折线图界面如图12（a）所示，通过该界面可以实时查看农业生产环境情况。设置预警值界面如图12（b）所示，通过该界面可以对农田环境数据的预警值进行设定，当超出预警值时，小程序会立即推送相关警报给用户。

图12 折线图界面及设置预警值界面

4 结 语

本文所制作的NB-IoT农业生产监控设备可实时监测干旱、水涝及人与动物对农作物的破坏情况，并利用蜂鸣器示警及驱赶破坏性动物。农业生产监控设备上设有二维码，所述设备持有人使用智能手机小程序扫描设备二维码即可将设备与智能手机绑定。同时，云服务器还可以实时通知农户农田的安全环境信息，农户可远程采取补救措施，为高效的智慧农业生产夯实基础。