基于NB-IoT 技术的温室大棚环境监控系统设计

亢娟娜

（甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃 武威 733006）

在我国现代化农业整体发展水平不断提高的带动下，温室大棚凭借自身具有的多元化优势得到了广泛应用，温室大棚环境监测技术也成为行业重点关注的话题之一。然而，与传统人工观测方式相比，虽然在现代化技术理念以及多元化技术措施的辅助下，我国现代农业监测水平得到了大幅度提高，然而由于受到监测设备价格以及操作复杂性的影响，导致我国现代化农业监测技术的普及程度有待提升。本文通过将NB-IoT 技术与移动互联网技术、传感器技术、微处理器技术进行充分结合，有效解决了传统监控温室大棚存在的待机时间短、线路布置难、无法远程监控等问题。在此基础上，将经过限幅优化的移动平均滤波优化算法运用其中，能够充分应对远程监控数据在大脉冲干扰下存在的不稳定问题。

1 系统功能与结构

本文设计的温室大棚远程监测系统是一种以物联网技术和嵌入式技术为基础的系统，主要是将移动终端的App、检测仪器、物联网平台进行整合，人机交互媒介则采用了工业级别的触摸屏技术，并且与emWin 和uC/OS-Ⅲ界面进行了有效搭载。该界面能对温室大棚中的各项环境参数以及系统运行状态进行实时显示，用户可以结合自身实际需求，利用交互界面对系统中的具体设置进行调整。将STM32 芯片作为环境参数采集段的主要控制工具，结合单总线协议，控制复合传感器DHT22 对大棚中的温湿度数据进行采集，并且在IIC 总线协议的辅助下，对数字光强传感器BH1750FVI 进行有效控制，有效采集大棚中的光照强度数据。该系统的结构框如表1所示[1]。

表1 系统结构框

2 系统硬件设计

2.1 环境量采集电路

本系统所采用的DHT22 传感器具有能耗低、体积小、精准性高等特征，是一种先进的数字型温湿度复合传感工具。在数据引脚层面，DHT22 传感器与BH1750FVI 光强传感器都增加了一个大小为5.1 kΩ的向上电阻，从而有效增加了传感器的驱动力。在DHT22 传感器的电源位置，增设了一个10 μF 的钽电容，降低了移动平均滤波的影响；在BH1750FVI 光强传感器的电源位置，增设了一个100 nF 的贴片电容，对移动平均滤波进行过滤的同时，有效拉低了地址线。在此过程中，DHT22 传感器与BH1750FVI 光强传感器遵循的协议分别为单总线协议和IIC 协议。由于二者的通信线长度都不宜太长，因此在系统设计的过程中，应尽可能地确保通信线处于较短状态，并且在PCB 的位置上增设屏蔽线，确保采集的信号效果能够最大程度屏蔽外界因素的干扰，从而有效提升采集数据的可靠性和稳定性。

2.2 NB-IoT无线通信电路

本系统有效应用NB-IoT 技术，能够满足低速率业务中超大容量、全面覆盖、超长待机、极低功耗的需求。但是，NB-IoT 技术对移动性需求的满足水平较低，比较适合使用在非连续移动、实时传输数据、静态监测等业务环境中。因此，NB-IoT 技术与温室大棚环境监控的需求高度契合。

由上海移远通信技术股份有限公司和华为技术有限公司联合研制开发的BC95 系列NB-IoT 模块是一款新型NB-IoT 无线通信IC，不仅整体结构极为紧凑，而且内部还嵌入了网络服务协议栈，供电电压保持在3.3 V。在PSM 环境下，对电流的最大消耗量为5 μA，并支持3.0 V 外部USIM 卡的各项操作。在电路原理层面，虽然BC95 与厂家提供的评估板高度一致，但是相关人士在对PBC 进行布局的过程中仍需注意，应该始终将SIM卡座一端与静电保护部分相靠近，芯片的引脚位置要尽可能与电容相接近，并且确保噪声电流与天线电流之间得到有效隔离。在布置通信走线的过程中，要尽可能确保线路的直径较大、长度较短，并且始终保持在50 mm以内。

在将NB-IoT 无线通信电路与传统环境信息采集系统使用的ZigBee 通信模块进行对比分析时能够发现，NB-IoT 无线通信电路能够将蜂窝数据与组网进行有效结合，对能源的消耗量较低，能够为种类多元、内容丰富的物联网设备提供支持和服务，为数据的有效传输提供便利。

2.3 电源管理电路

只有确保电源的电路始终保持在稳定状态，才能为系统各项工作的有效开展奠定良好基础[2]。在本系统中，BC95 模块和STM32 单片机作为主要的用电器，经过实际验证之后，发现二者的具体耗电量为0.69 mA/h。出于对纽扣电池待机时间比较短、更换维护比较麻烦等因素的综合考虑，本系统所使用的主机锂电池和采集器锂电池的容量分别为1 000 mA和50 mA，并对电源采取TB5600 集成芯片进行管理。在对电池进行充电的过程中，系统设置了充电截止、指示预充充电状态、充电电流调节器、高精度电压调节器等多元化功能。电流的最大输出量为2 A，充电时间在高达10 W的功率作用下得到了有效缩减。

将一种由运算放大器和稳压二极管共同组成的低电压检测电路设计在电池的外部，当电池的电量低于3.1 V 时，该检测电路会及时将电量不足的信号发送到主机中，用户则会在移动终端的App 中接收到采集器发出的提示，此时可将采集器取下并进行1 h 左右的充电。由于用电器的类型不同，因此对电压的要求也存在一定差异。比如，STM32 单片机的供电电压为3.3 V，触摸屏的供电电压为5 V，系统中3.3 V电压主要是由线性稳压芯片RT9193 提供，5 V 电压主要由TP5600 的升压部分提供，具体电源管理电路如图1所示[3]。

图1 电源管理电路

3 系统软件设计

3.1 App设计

本文所设计的温室大棚环境监测控制系统主要选择的解决方案为移动App，可以将传统PC 终端控制方案具有的成本较高和操作程序烦琐等问题彻底解决，用户只需使用移动设备下载App，就能对相关系统模块进行操作[4]。这样不仅能够确保用户可以得到实时更新的数据，而且进一步增强了相关数据信息的可读性，使用户能够享受到更加智能化的服务。

本系统App 终端主要由3 个模块组成，分别为实时监测模块、用户管理模块、设备切换模块[5]。在此过程中，实时监测模块主要负责对相关信息进行推送，并且监视设备实际运行状态；用户管理模块主要对用户注册、用户登录、多端登录、强制下线等内容进行管理，严格执行上级下达的命令；设备切换模块主要对同一个系统中不同节点的切换操作以及不同系统之间的切换操作进行管理[6]。App 中的相关内容通过Java 语言进行程序编写，用户移动设备中的App界面包括设备目前运行状态、连接状态、大棚温度、大棚湿度、光照强度、当前设备型号、添加设备型号、上一个设备型号、下一个设备型号、当前账号、切换账号登录等模块，在设备运行数据接收区会显示需要整改的项目。

3.2 采集器设计

在本系统中，采集器主要位于数据监测终端，是一个具备数据采集功能和数据发送功能的设备。在对温室大棚中温度、湿度、光照强度等各项参数进行采集的过程中，主要以DHT22 传感器和BH1750FVI光强传感器为主，并且在HTTP 协议的辅助下，能将数据快速、准确地传入到主机中，为主机有效处理相关数据提供便利[7]。当电源存在电压不足的情况时，则会及时发出警报，对用户进行提醒，从而对相关设备存在的问题进行有效处理。

3.3 主节点设计

3.3.1 移动平均滤波算法以及相关优化措施

出于对温室大棚湿度、温度、光照等各项参数具有不确定性和突变性的充分考虑，本系统主要应用移动平均滤波算法，该算法能够最大程度地缩小相关因素的影响范围，确保最终得到的计算结果具有较高精准性[8]。然而，在采集数据的过程中，移动平均滤波算法对大脉冲环境下的滤波不会起到明显作用。因此，本文结合系统具有的特殊性，对限幅进行了合理的优化与调整。

3.3.2 emWin和uC/OS-Ⅲ的移植

鉴于在利用本系统实现人机交互操作的过程中，需要以UI 界面为平台，因此应该建立一个第三方的GUI 库。而Segger 公司授权给ST 的emWin 版本的ST-emWin，能够在STM32 微处理器上免费使用，并且还能针对STM32 芯片进行对应的优化与完善。因此，其能够与本系统的使用需求高度契合。为了进一步提升系统的流畅性和实时性，在原有emWin 的基础之上，添加了一个能够有效扩展、快速固化、充分抢占实时内核的uC/OS-Ⅲ。

用户可以通过官网，下载emWin 和uC/OS-Ⅲ的源代码。本文以emWin5.23 版本和uC/OS-Ⅲ为例，对具体移植过程进行详细阐述。首先，在程序代码中增加emWin 文件夹和uC/OS-Ⅲ文件夹，emWin 则需要获得本地屏幕的底层驱动，并且在emWin 中对其进行定义，主要涉及打点函数、读点函数、矩形填充函数。接着，在emWin 的配置文件中，对自定义内容进行修改，具体如下所示：

对于uC/OS-Ⅲ的添加而言，具体流程相对简单，需要对支持emWin操作的系统模式进行配置[3]。

4 系统测试

当系统各个功能模块的制作和调试结束之后，需要测试系统整体的稳定性，将TESTO440 温湿度检测仪检测得到的数据作为标准参数。将两台采集器分别放置于实验范围的两侧，每24 h 导出一次数据，并与TESTO440 的数据进行对比。第一台机器在4：00时，采样湿度到达最高点0.55%；在14：00 时，采样湿度到达最低点0.25%。第二台机器在3：00 时，采样湿度到达最低点17%；在13：00 时，采样湿度到达最高点33%。该系统在长达一个月的测试过程中，没有出现任何异常，因此可以判断该系统的设计理念具有较高可行性[9]。

5 结束语

本文对以NB-IoT 通信技术和STM32 微处理器为核心的环境监测系统进行设计和制作，数据传输利用与物联网高度适配的NB-IoT 技术，确保数据的传输效率具有较高有效性。在进行人机交互的过程中，将emWin 用户界面与uC/OS-Ⅲ操作系统进行充分整合，进一步提升了监测系统的稳定性和流畅性[10]。在此基础上，通过运用移动终端App进行有效连接，能够为用户充分体验整个系统提供更好的服务。在对实验设备进行连续运行测试的过程中，发现该设备能够持续工作一个月的时长，并且各项指标以及工作状态始终保持在稳定范围，因此该系统具有较强的实用意义与价值。