基于NB-IoT智慧农业研究与设计

周广证 孙永洁 栾迪

摘要：利用物联网框架设计了基于NB-IoT的智慧农业系统。系统主要包括主控芯片、无线通信模块、数据采集模块、智能控制模块、LCD显示模块。利用传感器采集环境参数，使用NB-IoT无线网络与华为云平台进行通信，完成远程数据的传输与显示以及智能控制。用户无须到现场就能在电脑或手机上实时观测并控制温室大棚内的环境参数，达到远程监测与控制农作物的目的。

关键词：NB-IoT;智慧农业;监测与控制

中图分类号：TP311       文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）21-0102-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

过去，我国大多采用传统农业生产方式，这种方式主要是根据种植经验来经营管理农业，雇佣大量的劳动力来生产，离信息化、智能化的管理要求相差甚远。但是，伴随我国经济不断腾飞，科技水平不断发展，管理設备不断创新改进，传统的农业生产方式已经落伍，远远满足不了人民和国家发展的需要[1，2]。

近年来，产生了最新一代的物联网无线技术，NB-IoT作为其中一员也得到了快速的发展。这项技术和一些较常用的如ZigBee和LoRa相比，有巨大优势，拥有超低功耗、超强覆盖、超低成本、超大容量等特点，对需要长时间待机、高效网络连接要求的设备更友好[3，4]。依靠该技术，智慧农业走进普通百姓生活中，可以实现对农业环境中温度、湿度和光强的实时在线监测，同时也能够智能化地调节环境中的温度、湿度、光照，有效提高了农业的生产效率与农民的工作效率。

本文借助小熊派开发板设计并实现了基于NB-IoT的智慧农业系统，这个系统可以采集到农作物生长环境中的温湿度、光强等参数，因此很容易监测农作物生长状况。若温度或者光照强度出现异常情况，系统可以自动进行调控，用户还可以使用物联网云平台发现和控制，而后进行相应处理。本系统的设计研究对农业和NB-IoT技术的结合有着重要意义。

1系统分析与设计

1.1 系统需求分析

我国农业目前普遍采用粗放型温室种植方式，不仅耗费大量的物力财力人力，还无法保证产量。农业地理环境具有复杂性，需要采集的环境参数具有多样性，以往有关系统设计无法满足要求[5]。因此，通过分析，本文提出基于NB-IoT智慧农业系统方案，可以对农作物进行实时监测、智能化管理，能使得农业向现代化发展，对提高产品质量，提升生产效率意义重大。具体功能是通过传感器采集农作物生长环境的温湿度、光强数据，实时上传到设备端与云端;设备端LCD屏幕实时显示采集到的参数数值和控制设备的状态;系统可以实现智能化控制，通过控制小灯，实现补光作用，电机模拟风扇，控制电机，实现通风降温作用。云平台可以查看上传的历史数据，可以下发指令在线控制环境数据。

1.2 系统总体架构

本系统依托物联网架构基设计了一种基于NB-IoT技术的智慧农业系统，系统整体结构如图1所示。系统主要目的是通过多种环境传感器和无线通信技术，使用户能够快速知晓农作物生长环境的情况，若出现异常情况，系统会自动做出决策，实现对环境参数的控制。组成智慧农业系统中的传感检测层的模块是核心控制模块、无线通信模组、测量模块。其中，核心控制模块主要负责执行传感检测层的控制循环，即实现自动控制灯光弥补光照不足和自动启动电机降低温度的功能。测量模块的作用是监测农作物生长环境中的温度、湿度、光照强度。处于中间位置的数据传输层主要作用是连接终端和应用，采集到的数据在进行了一系列的传输后，最终能在云平台上显示出来，传输层功不可没。App应用是在应用软件层上开发的，可以存储和管理获取到的数据，将温度、湿度、光强参数可视化。

2 系统硬件设计与实现

系统的开发离不开硬件平台的支持，硬件设备掌控系统的运行和推进软件的开发。图2是智慧农业系统硬件结构图。通过传感器采集环境参数，采集到的数据传输到BC35-G通信模组，NB-IoT无线通信模组能够通过AT指令上传数据并发出控制指令，实现云端监测和控制。

2.1 核心控制模块

核心控制模块主要是由主控芯片和无线通信模组构成。智慧农业系统对主控芯片要求高，可扩展的通信接口和强大的数据采集计算能力条件二者缺一不可，要求该模块在执行控制功能时不能消耗太多的功率。因此，本系统的主控板采用由ARM公司研发的Cortex-M4 32位处理器内核的STM32L431RCT6芯片，CPU速度高达80MHz，程序存储容量有256KB，64KB的RAM，是一款安全可靠、功耗低、开发成本低的芯片[6]。

智慧农业系统既要能够远程传输数据，又要有广泛网络覆盖范围。为了实现NB-IoT无线通信功能，需要选择NB-IoT物联网专用SIM卡联合运营商基站，并且数据通过CoAP协议上传到华为物联网云平台[7]。因此，选择NB35-A作为NB-IoT无线通信模组，采用移远BC35-G模组，能够支持多个频段，符合GSM/GPRS系列的M35模块设计，便于客户进行产品设计;双排针封装使焊接更容易，对AT指令有关的测试只要通过TTL将计算机连接到USB工具就能够实现。BC35-G模组与单片机之间的互通十分迅速，这也加速终端的构建。尺寸仅为40mm×30mm×8，可在小型模块产品上实现智能终端设备应用，并且帮助客户降低产品成本。凭借超低功耗、紧凑尺寸，NB35-A成为IoT领域理想选择，广泛应用在诸多行业。

2.2 环境因子监控模块

温湿度传感器型号为SHT30，具备智能性、可靠性和高精度规格。拥有处理高强度信号的能力，通信速度高达1MHz，向用户提供可选择的I2C地址。2.4V～5.5V的宽电源电压范围保证了不同装配场合的兼容性。如图3所示。

本系统开发板使用的是串行总线接口，所以选择型号是BH1750的数字型光照强度传感器。不同强度的光照射到光敏二极管上，由此采集到不同大小的反向光电流，电流在运算放大器的作用下，转换成了电压。最后电压通过16位A/D转换器转换成为数字信号，进而收集不同光线强度数据来调整亮度，具有较高的精度和可靠性。如图4所示。

2.3 智能控制模块

智能控制模块的作用是控制小灯和电机，从而改变温度、光照强度，智慧农业系统控制模块结构如图5所示。

本系统使用两种控制方式，一种是自动控制，通过E53-IA1扩展板上的电机来模拟风扇。当温度传感器检测到环境温度过高时，则自动打开电机进行通风，来降低环境温度，降温后，可以自动关闭电机。图6是温度自动控制流程图。

对光照强度的控制是通过光强传感器来实现，获取到光强数据后和设定值进行对比。如果环境中的光照强度在给定数值内，则不做出任何控制。若传感器采集到的数据小于设置数值时，即光强较弱，则需要开启补光灯，光强数值正常后，补光灯会自动关闭。图7是光照强度自动控制流程图。

另一种控制方式是手动控制，若设备获取数据不及时或检测到的参数不准确时，则可以通过开发板上的按键手动控制开关。此外还可以利用华为物联网云平台下发命令来实现控制。

2.4  LCD显示模块

本系统采用LCD显示屏模块来满足方便用户观察测量数据和控制设备的状态的功能要求。ST7789V2作为LCD驱动芯片，支持并行8080系列的8位/9位/16位/18位接口，也支持SPI串行通信接口。主要特点是连接便捷，可以直接连接到外部MCU。其次高效管理数据，数据可以存储在240?320?18bits的片上RAM中。如果缺少外部操作时钟，也能够独立完成显示数据，这样就实现减少功耗的目的。

3系统软件设计与实现

本系统终端设备侧软件整体架构如图8所示。

在终端设备侧主要是实现各个模块初始化、参数的设置、数据的收集、数据报告和数据分发。环境参数的获取则需要环境因子测量模块来实现，初始化和联网需要BC35-G模组接收到云平台下发的指令和主控芯片发送的AT指令才能实现。智慧农业终端产品需要上报数据和下发命令时，通常上传的是二进制流，这就需要一个编码或者解码插件对数据进行编码和解码，如转换成JSON数据格式，这样就可以实现对智慧农业系统的高效与可视化管理，其数据上报处理流程如图9所示。

4系统測试

小熊派设备上线后连接华为云平台，设备实时获取温湿度和光强数据后，将数据传递给云平台。在云平台上可以实时显示数据如图10所示。对于灯光和电机控制可以在平台直接实时下发控制也可以设定某个范围内自动控制。

5结束语

本文研究的是基于NB-IoT技术智慧农业系统。通过分析得知影响农作物生长的因素，要想提高农作物产量，带来更多效益，则需要全面高效地监测和控制环境因子参数。首先在物联网架构基础上实现对智慧农业系统监测和控制。根据实时传感器获取的数据信息来对灯和电机进行控制，从而实现对农作物的环境因子光强和温湿度的调整控制。测试结果表明，各种数据实时发送到华为物联网云平台上，用户可以在云平台上查看数据并可以进行各种温湿度光强的控制，借助云平台资源，整体系统开发难度降低，为后续智慧农业比如智能识别农作物不同时段、叶子成长是否病变等状态不同自动施肥喷药提供了解决方案。

参考文献：

[1] 赵春江，李瑾，冯献，等.“互联网+”现代农业国内外应用现状与发展趋势[J].中国工程科学， 2018， 20（2）：50-56.

[2] 赵春江.智慧农业的发展现状与未来展望[J].华南农业大学学报，2021，42（6）：1-7.

[3] 李哲光.基于Zigbee和NB-IoT无线传感网络的智慧农业[J].河北农机，2021（10）：143-144.

[4] 何灿隆，沈明霞，刘龙申，等.基于NB-IoT的温室温度智能调控系统设计与实现[J].华南农业大学学报，2018，39（2）：117-124.

[5] 聂珲，陈海峰，周豪.基于NB-IoT的环境监测系统[J].实验技术与管理，2020，37（5）：89-93，110.

[6] 李睿欣，姚磊，谢伟鸿. 基于NB-IoT的多功能农业大棚监测及控制系统设计[J].农业装备与车辆工程，2021，59（5）：72-75.

[7] 成开元，廉小亲，周栋，等. 基于NB-IoT的城市智慧路灯监控系统设计[J].测控技术，2018，37（7）：19-22， 77.

【通联编辑：梁书】