基于NB-IoT的茶园生态环境监测系统设计

李兆雄，刘 晖，詹 杰，杨有泉

（福建省农业科学院农业生态研究所，福建 福州 350013）

茶树生长对大气温湿度及土壤的温湿度有较高的要求，研究表明[1]：在适宜的温度条件下，土壤含水量在最大持水量的80%～90%时，茶树生长速度快、叶芽量大、持嫩性强、茶叶品质优;而＞93%，茶树会出现烂根现象，＜40%时，茶树会出现枝叶受损、生长缓慢，叶芽凋枯、枝叶焦黄的现象，甚至死亡。福建茶区多位于海拔500～1500 m 丘陵地区，茶园土壤温湿度保持主要依靠自然资源，土壤温湿度随自然因素变化波动较大，一旦发生环境因素重大变化，将对茶树生长造成危害，因此建立茶园大气温湿度、土壤温湿度自动监测系统，及时地获取大气、土壤环境信息，获取持续监测的结果，形成茶园生态环境因子数据库，对研究茶树生长规律、指导茶园管理，保证茶树健康生长、提高茶叶品质等均具有重要作用。

由于茶园多处于偏僻山区，没有市电接入，茶园环境指标的测定，传统方法往往是使用便携式的检测设备，定期定点测量，获取的数据是零散的，用户如果需要采集多种环境因子，需要逐个购买设备，给用户的实际使用也带来麻烦，如果想把各类数据汇总，也存在以下弊端：一是各厂家的设备接口不统一，数据汇总困难；二是有的设备没有联网功能，只能通过人工记录的方法进行数据记录，带来很大工作量。

针对难以实时监测的情况，本文介绍了一种基于NB-IoT的茶园生态环境监测系统，本系统利用NB-IoT 技术，设计一种广覆盖、低功耗、少维护的茶园生态环境数据实时采集设备，及时、持续地获取数据，并将数据上传至云端，建立茶园的生态环境大数据。

1 系统方案设计

本系统包括：环境数据监测装置、茶园生态环境监测设备管理系统、用户PC、用户微信。

基于NB-IoT的茶园生态环境监测系统网络拓扑见图1。

图1 基于NB-IoT的茶园生态环境监测系统网络拓扑图Fig.1 Network topology of tea garden ecological environment monitoring system based on NB-IoT

“环境数据监测装置”包括：带有开关控制的多接口数据传输单元、NB-IoT网络模组、传感器、太阳能供电单元。环境数据监测装置实物图与结构见图2。

图2 环境数据监测装置实物图与结构图Fig.2 Physical diagram and structure diagram of environmental data monitoring device

带有开关控制的多接口数据传输单元主要由STM32 微处理器、NB-IoT通讯模组、控制电路组成，控制电路根据嵌入的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 模组传送到茶园生态环境监测设备管理系统，并将所获取的数据存储在云端服务器的数据库中。在数据采集完毕后，断开传感器的供电，同时关闭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，用来监测茶园大气及土层中的农业生产环境数据，传感器与控制电路之间的通讯采用Modbus协议，方便用户扩展新的传感器。

同时，用户可以使用PC 通过互联网接入茶园生态环境监测设备管理系统，对数据监测装置进行添加、删除和配置，大大降低了使用者的难度。所开发的微信小程序可以让用户通过微信实时查看各项传感器的数据。

2 系统硬件设计

本系统硬件涉及“带有开关控制的多接口数据传输单元”的设计，各种传感器可以通过标准的Modbus接口接入。

2.1 “带有开关控制的多接口数据传输单元”的主板设计

图3 “带有开关控制的多接口数据传输单元”主板实物图Fig.3 Physical diagram of main board of"multi interface data transmission unit with switch control"

2.2 STM32F107VCT6处理器

STM32F107VCT6 处理器是一款32 位ARM 芯片，它具有64KRAM 和256K 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。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处理器实物见图4。

图4 STM32F107VCT6处理器实物Fig.4 Physical object of STM32F107VCT6 processor

2.3 以太网接口

使用以太网物理层芯片DP83848IVVX 与MCU 连接可实现通过本地以太网口对设备进行配置和固件更新。

2.4 NB-IoT通信模组

本系统采用移远BC95 通信模组，高性能、低功耗的NBIoT 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。

2.5 继电器

继电器是一种可控制通断的开关设备，可以用于各种自动控制电路中。本装置中，通过控制继电器的通断来实现外接传感器单元的供电与断电，在程序控制的时段里接通各外接传感器单元，当数据采集完毕时，断开外接传感器单元，使数据传输单元进行待机状态，达到节电的目的。

图5 NB-IoT通信模组实物及电子原理图Fig.5 physical and electronic schematic diagram of NB-IoT communication module

图6 继电器控制电路Fig.6 Relay control circuit

3 系统软件设计

3.1 数据传输单元软件设计

数据传输单元的嵌入式软件，在设备通电后，完成初始化，载入外设驱动后启动主程序，通过控制继电器打开外接传感器单元和NB-IoT 通讯模组的电源，通过Modbus 接口得到传感器的数据，并将数据通过NB-IoT 网络传送到远程数据服务器，当数据传输完成后，关闭传感器和通讯模组的电源，设备进入休眠。

图7 数据传输单元程序流程图Fig.7 Program flow chart of data transmission unit

3.2 茶园生态环境监测设备管理系统软件设计

茶园生态环境监测设备管理系统软件功能见图8。该系统包含Web服务器和微信小程序2部分。

图8 系统WEB端及微信小程序功能Fig.8 Functions of system web and wechat applet

Web服务器是针对管理员开发的，管理员可以通过pc接入系统，首先，可以新建或管理监测项目，每个项目对应一个茶园。其次，再对监测装置进行配置，将监测装置指定到相应的监测项目中，每个项目可以安装多台监测装置。完成上述配置后，就能实时查看每台监测装置上传的各种监测数据，也能下载历史数据。

Web服务器的登录界面见图9，项目列表界面见图10，点击每个建立好的项目，可以看到该项目下所有的监测装置以及上传到服务器端最新的数据。监测数据展示界面，见图11，可以查看各种监测数据的历史数据变化曲线图。

图9 Web服务器登录页面Fig.9 Web server login page

图10 项目列表界面Fig.10 Item list interface

图11 监测数据展示界面Fig.11 Display interface of monitoring data

如果要对历史数据进一步分析，可以通过下载查看分析据，历史数据导出界面，见图12。

图12 历史数据导出界面Fig.12 Historical data export interface

微信小程序界面见图13。用户通过微信绑定管理员账号后，农户使用手机可实时查看各项监测数据及各项数据的变化曲线。

图13 微信小程序用户主界面与监测数据查看界面Fig.13 Wechat applet user main interface and monitoring data viewing interface

4 结语

本文所制作的基于NB-IoT 的茶园生态环境监测系统，可实时监测茶园大气、土壤中多项生态环境数据，并将所测数据上传到云端的茶园生态环境监测设备管理系统，持续监测可获得茶园生态环境大数据，对这些大数据的分析可以为生产决策提供依据。同时农户通过微信与系统管理员账号绑定，可以在手机上实时查看所监测的数据，当发现数据异常时，可以及时采取措施对生产进行干预，为生态茶园管理提供有效帮助。