一种基于BLE和NB-IoT的农业大棚监测系统

郑琪 韩娟 尚冬梅

摘要：本文研制了一种利用NB-IoT远程无线模组BC95-B8和BLE蓝牙短程无线功能，采用美国德州仪器TI公司蓝牙短程无线芯片CC2541（BLE4.0）和CC2640R2L（BLE5.1），用于农业大棚农作物主要生长参数的监测，使农作物在适宜的环境下生长，提高产量和质量，提高劳动效率、节约成本，实现绿色农业。采用嵌入式控制系统，配有高性价比的环境温湿度、二氧化碳、氧气、光照度的传感器，以及土壤温湿度、pH值等传感器。可实现实地、远程、任何地方实时监测，在远程终端或手机以及便携式设备随时随地进行各种参数的查看、获取超出设置范围的报警信息，及时做出应对措施，使农作物在合适的条件下生长，节省人力物力，实现精准农业。提出了可增加AI功能减少人工监测的资源浪费，达到绿色化生产和管理。

关键词：NB-IoT; BLE; 物联网; Bluetooth; 无线远传;AI人工智能

中图分类号：TP391        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）28-0141-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

An Internet of things Agricultural Greenhouse Monitoring System Based on BLE and NB-IoT

ZHENG Qi，HAN Juan，SHANG Dong-Mei

（Xian University of Science and Technology， Engineering Training Center， Xian 710000，China）

Abstract： In this paper， a kind of long-distance Wireless NB-IoT and BLE4.0 Bluetooth short-distance wireless function is developed， which can be used to monitor the main growth parameters of crops in the agricultural greenhouse， so that the crops can grow in the suitable environment， and the yield and quality can be improved， raise Labor efficiency， save cost， realize green agriculture. The embedded control system， with a high cost-effective environmental temperature and humidity， carbon dioxide， oxygen， illumination sensors， as well as soil temperature and humidity， PH sensors. It can realize real-time monitoring in real-time， remote and anywhere， check various parameters at any time and any place in remote terminal or mobile phone and portable device， obtain alarm information beyond setting range and make timely response measures so that crops in the appropriate conditions to grow， save manpower and material resources to achieve precision agriculture. It is proposed that AI can be added to reduce the waste of resources by manual monitoring， to achieve green production and management.

Key words： NB-IoT; BLE; internet of things; bluetooth; long-distance wireless communication;AI

農业大棚主要信息包括：环境温湿度、二氧化碳、氧气、光照度、土壤温湿度、pH值等。这些信息既描述环境条件，又反映作物生长状况，是进行各项农艺操作的参考依据。采集准确的农业信息，是进行科学研究和各项农艺操作、农作物高产稳产的重要保障。

传统的信息监测是以人工为主，不仅工作量大、精确度也不高，容易对科学研究质量和农艺操作效果造成影响。在现在大力发展智能农业的背景下，不同新型技术被研发出来，用于农田信息采集。不同的技术适应于不同的生态区域和信息内容。无论用哪种技术，必须将设备整合成一个系统，才能实现对农业大棚信息的高效准确采集。

本文所述系统是采用检测各个测量点传感器与低功耗蓝牙芯片连接，通过蓝牙与大棚核心主芯片通信，存储各个测量点相关数据、进行处理，通过NB-IOT上传到物联网平台的服务器，可通过电脑浏览器、或经过蜂窝移动网用手机进行监控。

1 系统总体设计

农业大棚监测系统主要由信号采集设备、云平台、大棚管理系统组成。其中采集设备通过传感器采集大棚内的空气温湿度、植物附近的光照度、氧气和二氧化碳的浓度，以及农作物土壤温湿度和pH值;利用通信模块将信息传到物联网平台，物联网平台负责设备接入和数据处理功能，大棚管理系统主要显示相关实时和历史信息及数据发展趋势。

2采集及监控设备选取及设计

采集设备主要是采集数据、传输及调节室内环境。采集设备由主控制器、传感器、NB-IOT通信模块、电机、电源、控制设备等组成。主控制器选用美国德州仪器TI公司的CC2541和CC2640R2L。传感器选用：普瑞森社的土壤温湿度传感器、pH值传感器、空气中氧气和植株光照度传感器，Sensirion的SCD30测量空气中的温湿度和二氧化碳浓度。NB-IOT通讯模组选用电信的BC95-B5，该模组硬件接口丰富，可很好地完成数据传输;电源模块可很好地为各个采集设备模块等提供稳定电压。

采集设备的软件部分基于C语言开发。采集设备上电后，首先对CC2541、CC2640R2L和各个传感器进行初始化，完成后，将所采集的信息传入主控制器CC2541，主控制器CC2541可将采集信息与预设信息阈值范围进行比较，超出的话，启动相应控制设备进行调节，直到采集信息值达到阈值范围之内，比如：卷帘的拉起和垂落、通风机、滴灌设备的开启和关闭等。在一定间隔之后将数据传输给CC2640R2L，CC2640R2L再经NB-IOT通信模组BC95-B8将数据通过基站和蜂窝移动网上传到物联网平台的大棚管理系统中。物联网平台的服务器运行大棚管理系统，可通过与服务器连接的电脑或相关人员的手机进行采集信息的查看和对大棚控制设备进行控制，调节大棚内相关采集信息到要求范围，也可对大棚内信息范围进行设置和修改，通过网络下传到各个大棚的主控制器存储器上。

在一个农业大棚内，普瑞森社的多个点土壤的pH值、植株光照度、温湿度传感器可用导线连接在一起，多个点的氧气浓度传感器也可用导线连接在一起，信号输出0-5V，再分别经过分压接到CC2541的GPIO口（具有ADC功能）上，1个点的 Sensirion的SCD30测量空气中的温湿度和二氧化碳浓度直接接到CC2541上的带有I2C的功能引脚上。一个棚内的所有CC2541通过BLE接到农场的CC541或CC2640R2L，农场所有的CC2541接到CC2640R2L; CC2640R2L通过UART功能的IO引脚与NB-IOT通讯模组BC95-B8相连。经处理的信息经NB-IOT通讯模组BC95-B8传到NB-IOT基站，再上传到物联网平台，物联网平台的服务器经网络与电脑链接，基站可与手机相连，故可通过电脑及相关人员的手机对大棚进行监控。

美国德州仪器TI公司的CC2541和CC2640R2L供电电压是3.6V以下，SCD30的电压是3.3-5.5V，而普瑞森社的传感器供电电压是10-30V，所以普瑞森社的传感器的电源电压需经过降压后才能供给Sensirion的SCD30、TI公司的CC2541和CC2640R2L。

一个大棚中所有的土壤pH值、植株光照度、温湿度传感器以及空气氧气浓度传感器分别用导线连接，各种传感器接到CC2541的4个带ADC功能的IO口上，14个位置的SCD30的CO2浓度及空气温湿度传感器通过I2C与CC2541的2、3脚相连，基本上一个棚中所有传感器用几个CC2541即可满足需求，各个大棚的CC2541通过BLE与CC2640R2L连接通信，CC2640R2L通过UART功能的IO引脚与NB-IOT通讯模组BC95-B8相连，BC95-B8与基站通信，基站与物联网云平台通信，从而实现通过电脑或手机对大棚进行监控。

CC2541是美国德州仪器TI公司带I2C接口功能的BLE（低功耗蓝牙4.0）芯片，40个引脚，高达0dBm的可编程的输出功率，出色的接收器灵敏度，可选择性和阻挡功能，适合于符合世界范围内的无线电频率调节系统，具有代码预取功能的高性能和低功率8051微控制器内核，系统内可编程闪存，8KB RAM在所有功率模式下具有保护功能，支持硬件调试，扩展基带自动化，包括自动确认和地址解码;CC2640R2L是TI公司的最近推出的2.4 GHz无线微控制器（MCU），支持低功耗Bluetooth 5.1（新增强大室内定位能力）和专用2.4 GHz应用，包括Wi-Fi?、Bluetooth Low Energy、Thread、ZigBee?、Sub-1 GHz MCU和主机MCU，使用单核软件开发工具包（SDK）和丰富的工具集，使用一个通用、易于使用的开发环境;能收发范围更大的射频信号。内核方面，主CPU是ARM? Cortex?-M0内核， CC2640R2L是48 MHz ARM? Cortex?-M3内核，CC2640R2L都拥有275KB 非易失性存储器，包括128KB系统内可编程闪存，高达 28KB系统SRAM，其中20KB为SRAM。CC2640R2L减少的器件使其价格低， 支持“空中传送”升级（OTA），更加满足基础透传功能的应用场景。集成温度传感器， 正常工作电源电压范围1.8至3.8 V，射频部分：2.4 GHz射频收发器，兼容蓝牙低功耗5.1和早期的LE规范，出色的接收机灵敏度（BLE为-97 dBm）、选择性和阻塞性能， 可编程输出功率高达+5 dBm，单端或差分射频接口。

普瑞森社的土壤pH值和温湿度、植株光照度、空气中氧气浓度传感器均是电源电压为10-30V，输出4根线（可选3根线，其中绿色信号负可不接），包括电源线2根：棕色为正级，黑色为负极，输出线2根：蓝色为信号正，绿色为信号负;传感器选用输出为0-5V的型号。同类传感器可用线连接在一起，输出经电阻分压后再接到CC2541的带ADC功能的GPIO口上;普瑞森社的土壤pH值传感器默认直流电源电压为5-30V，最大输出功率为0.4W（12V DC供电）， 传感器内输入电源，感应探头，信号输出三部分完全隔离。探头采用PH电极，信号稳定，精度高。具有测量范围宽、线形度好、防水性能好、使用方便、便于安装、传输距离远等特点。量程为3-9PH，分辨率0.1，精度±0.3PH，工作温度-20℃～60℃，长期稳定性≤5%/year，响应时间≤10S，探针为防腐特制电极，用黑色阻燃環氧树脂密封，外形尺寸45*15*123mm，负载能力输出电阻≤250Ω，换算公式为3+（VO/5）*6K，其中VO是输出电压，K是电阻分压比;土壤温湿度传感器不同的是最大功耗0.3W（12V DC供电），工作温度-40℃～+60℃，土壤温度参数量程-40～80℃、精度±0.5℃，土壤水分参数量程0-100%、精度0-50%内2%、50-100%内3%，探针为防腐特制电极，蓝色线为温度信号输出，黄色线为水分信号输出;计算公式为 P 温度=V（电压）*24*K-40（℃），P 湿度=V（电压）*K*20（%）。在温度20℃、相对湿度50%RH、1个大气压，待测气体浓度最大不超过传感器量程的环境下测得：空气中氧气浓度传感器功耗0.25W， 工作温度-20～50℃， 工作湿度5～95%RH 无冷凝， 压力范围90～110Kpa， 稳定性≤5%信号值/年， 响应时间≤10S， 预热时间≥5分钟， 零点漂移（-20～40℃）±0.3%Vol， 使用寿命≥24个月， 量程0～25%Vol， 精度±3%FS， 分辨率0.1%VOL， 转换公式是基于25℃和1个大气压：X ppm = （Y mg/m3）（24.45）/（分子量）或Y mg/m3 = （X ppm）（分子量）/24.45，仅适用于计算氧气（O2）：

1%Vol=10000ppm、1ppm=1.31mg/m3;Sensirion的SCD30传感器是带温湿度检测的二氧化碳浓度传感器，直流供电电压为3.3-5.5V，二氧化碳检测范围是0-40000ppm，精确度400 ppm – 10000 ppm内为± （30 ppm + 3%MV），重复性同样范围为± 10 ppm，在T = 0 … 50°C范围中温度稳定值为± 2.5 ppm / °C，响应时间为20 s，使用寿命内精确度漂移± 50 ppm，空气湿度参数范围0 %RH – 100 %RH，在0 %RH – 100 %RH下准确度± 3 %RH，重复时间8 s，精确度漂移< 0.25 %RH / year，空气温度参数范围- 40°C – 70°C，在0 – 50°C下，精確度为± （0.4°C + 0.023 × （T [°C] – 25°C）），重复性误差为± 0.1°C，重复时间> 10 s，精确度漂移< 0.03 °C / year，以上所有参数都是在T = 25°C， 适度 = 50 %RH， p = 1013 mbar， VDD = 3.3 V， 连续测量模式每次测量速率为 2 s时的。它的接口可以是UART、I2C、PWM。使用寿命为17年。

无线通信NB-IOT模块BC95-B8，特点：尺寸小、重量轻、超低功耗、超高灵敏度，它的频段为900MHz，输出功率23dBm±2dB，灵敏度-129dBm±1dB，功耗在省电模式为5uA、空闲模式为6mA，接口模式有USIM、ADC、天线各1个，2个UART，支持的协议栈有Ipv4、UDP、COAP，下载方式UART，短信为点对点、文本和PDU模式，94个管脚，供电电压为3.1-4.2V，典型值3.6V，温度范围为-40～85℃，外形尺寸19.9mm*23.6mm*2.2mm，重量1.8g±0.2g。

3物联网平台设计

物联网平台作为采集设备的接入平台，实现了采集设备的接入、数据的解析和推送等功能。首先在物联网云平台进行接入设备的注册，然后对设备提供的服务进行定义，完成设备在平台的功能配置，然后对编解码插件的开发，最后对设备进行调试入网，确保设备接入物联网平台。

4终端主控制器可增加AI功能

植物良好生长状态的各个阶段数据可以存储在终端主控制器CC2541和CC2640R2L上，也可以存放在云平台的服务器上。终端主控制器CC2541和CC2640R2L可通过采集数据经过边缘计算或跟服务器通信与植物良好生长状态比较，运用AI功能进行自动监控，一般情况下不需要人为干预，只是在严重极端情况下，通过电脑或手机给相关人员以声光报警形式进行警示，这样大大减少了人员、时间等资源的浪费。

5 结语

本文所述的基于BLE和NB-IOT的农业大棚监测系统，使用了蓝牙低功耗和窄带物联网技术，该技术支持扩展、功能全面、使用灵活，可组成自组织、低功耗无线传感网络;在户外使用低功耗蓝牙技术和窄带物联网技术，将蓝牙低功耗技术和窄带物联网技术有机地结合在一起，形成了业界相对新颖、优点突出的低功耗广域物联网实现的一种方式。尽可能给大家起到抛砖引玉的作用。

参考文献：

[1] 王颖聪.基于STM32的农业大棚环境监控系统的设计[J].信息技术与信息化，2020（8）：6-8.

[2] 邱首星，朱呈祥，张鹏，等.基于NB-IoT通信的智能温室监控系统[J].自动化与仪器仪表，2020（9）：11-15.

[3] 蔡航宇，王天凯，江朝晖.基于NB-IoT的农林监测系统[J].物联网技术，2020，10（7）：6-9.

【通联编辑：唐一东】