尹晶晶

(安徽國防科技職業(yè)學院 電氣技術(shù)學院，安徽 六安 237011)

0 引言

研究溫室環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)對于提高溫室環(huán)境控制的自動化水平和溫室生產(chǎn)效率等具有重要意義。傳統(tǒng)的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用有線連接方式，存在著布線復雜、成本高、設備移動性差、傳感器節(jié)點擴展性差等問題。將無線傳感器網(wǎng)絡應用于溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可以克服有線監(jiān)控網(wǎng)絡的上述諸多缺陷。

近幾年，國內(nèi)外許多研究者已嘗試將無線傳感器網(wǎng)絡應用于溫室小氣候環(huán)境監(jiān)測。在眾多相關(guān)研究中，ZigBee技術(shù)是應用最多的無線通信技術(shù)[1-8]。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)，工作于ISM頻段。相關(guān)研究中所采用的ZigBee技術(shù)大多工作于2.4 GHz頻段。除ZigBee技術(shù)之外，也有不少學者采用TinyOS操作系統(tǒng)以開發(fā)溫室環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)[9-14]。TinyOS操作系統(tǒng)是加州大學伯克利分校開發(fā)的開放源代碼操作系統(tǒng)，專為嵌入式無線傳感網(wǎng)絡設計。基于TinyOS操作系統(tǒng)的無線通信技術(shù)大多工作于433 MHz頻段。基于ZigBee協(xié)議棧和TinyOS操作系統(tǒng)而開發(fā)的短距離無線監(jiān)測系統(tǒng)具有低功耗、易開發(fā)等優(yōu)點，但傳輸距離有限，無線傳輸?shù)目煽啃砸灿写岣?。窄帶物?lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)是近兩年興起的無線通信技術(shù)[15]。與現(xiàn)有網(wǎng)絡相比，窄帶物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢表現(xiàn)在以下四點：(1) 依靠移動通信基站，NB-IoT的覆蓋面極其廣泛；(2) 在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有網(wǎng)絡增益20 dB，相當于提升了100倍覆蓋區(qū)域的能力；(3) NB-IoT屬于準5G通信，因此具有良好的無線通信質(zhì)量；(4) NB-IoT功耗很低，其終端模塊的待機時間可長達10年。

溫室小氣候環(huán)境包括室內(nèi)空氣溫度、相對濕度、二氧化碳氣體濃度和照度等多個環(huán)境因子。因此，從所監(jiān)測的室內(nèi)環(huán)境因子來看，溫室小氣候環(huán)境監(jiān)測可以分為單因子監(jiān)測和多因子監(jiān)測。在單因子監(jiān)測中，室內(nèi)空氣溫度是關(guān)注度最高的環(huán)境因子[16]，因為在眾多室內(nèi)環(huán)境因子當中，溫度條件因晝夜、季節(jié)和地區(qū)的不同而發(fā)生變化的范圍很大，最容易出現(xiàn)不滿足作物生長條件的狀況。當然，也有少數(shù)文獻關(guān)注溫室內(nèi)其它環(huán)境因子的監(jiān)測，如二氧化碳濃度[17]等。在多因子監(jiān)測中，大多關(guān)注溫室內(nèi)空氣溫度和相對濕度，而同時關(guān)注室內(nèi)空氣溫度、相對濕度、二氧化碳氣體濃度和照度等四個或更多環(huán)境因子的研究則較少。這是由于溫室環(huán)境因子之間的相互耦合特性及其控制的相互沖突性所決定的。不過，從應用的角度考慮，溫室小氣候環(huán)境監(jiān)測與控制確實需要同時考慮這些重要的室內(nèi)環(huán)境因子?；谝陨峡紤]，本文將采用NB-IoT技術(shù)設計面向溫室環(huán)境多因子的遠程監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設計

基于NB-IoT的溫室環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)架構(gòu)包括三個層次：最底層為感知層，在該層布設若干傳感器節(jié)點，用于實時監(jiān)測溫室內(nèi)的環(huán)境因子，并以無線方式把數(shù)據(jù)發(fā)送至NB-IoT基站；中間層為傳輸層，主要由NB-IoT基站和云服務器構(gòu)成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸；最上層為應用層，用戶在該層使用各種終端設備與云服務器相連，以便遠程查看溫室環(huán)境數(shù)據(jù)。

圖1 基于NB-IoT的溫室環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 傳感器節(jié)點硬件電路設計

在該系統(tǒng)中，開發(fā)者的重點工作是開發(fā)底層的無線傳感器節(jié)點。傳感器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示?？紤]到本系統(tǒng)中需要采集的環(huán)境因子較多，需要較多的I/O接口，因此選擇了STM32單片機。該系列單片機采用了ARM的Cortex架構(gòu)，I/O接口眾多，功能強大。關(guān)于NB-IoT模塊，則是選擇了市場上應用最廣泛的BC35-G型號NB模塊。由于一般溫室內(nèi)都有多種電氣設備，因此取電方便，使用交流220 V轉(zhuǎn)直流5 V的模塊給傳感器節(jié)點中的各個模塊供電。

圖2 傳感器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)

1.2 溫濕度傳感器

由于空氣溫度和空氣相對濕度之間具有很強的耦合性，因此許多傳感器元件可以同時測量溫度和相對濕度，常見的有SHT系列和DHT系列?，F(xiàn)行的國家行業(yè)標準《JB-T10306-2013溫室控制系統(tǒng)設計規(guī)范》給出了連棟溫室環(huán)境溫濕度、照度和CO2氣體濃度等的測量要求，連棟溫室測量內(nèi)容、測量范圍和準確度如表1所示[18]。

表1 連棟溫室測量內(nèi)容、測量范圍和準確度

根據(jù)表1的要求，選擇SHT30數(shù)字溫濕度傳感器。該傳感器的溫度測量范圍為-40～+125 ℃，測量精度為±0.3 ℃，濕度測量范圍為0～100%RH，測量精度為±2.0%，完全滿足行業(yè)標準中的測量要求。SHT30傳感器及其接口電路如圖3所示。該傳感器共有四個管腳，依次為電源(VCC)、地(GND)、串行時鐘(SCL)和串行數(shù)據(jù)傳輸(SDA)，其中，SCL和SDA分別與STM32單片機的PB7和PB6相連接。

(a) SHT30傳感器

1.3 照度傳感器

根據(jù)表1所給出的測量要求，可知現(xiàn)在廣泛應用的TSL2561型號和BH1750型號的照度傳感器并不能應用于溫室環(huán)境照度監(jiān)測，因為它們的量程僅為0～65535 lx。為此，選擇了型號為B-LUX-V30B的照度傳感器，該傳感器為數(shù)字傳感器，其量程可達20萬lx，能夠滿足測量要求。B-LUX-V30B型照度傳感器及其接口電路如圖4所示，該傳感器元件的接口共有五個管腳，除了電源和地線之外，還有串行時鐘、串行數(shù)據(jù)傳輸和使能管腳。使能管腳(EN)可以懸空，表示該器件一直處于使能狀態(tài)。照度傳感器的串行時鐘(SCL)和串行數(shù)據(jù)傳輸(SDA)分別連接單片機的PB8和PB9引腳。

(a) B-LUX-V30B型照度傳感器

1.4 CO2傳感器

根據(jù)表1所給出的測量要求，可知現(xiàn)行的行業(yè)標準要求溫室CO2濃度的測量范圍為10～2500 ppm，為此，選擇了JX-CO2-102型號的CO2氣體傳感器。該傳感器為數(shù)字傳感器，其量程為0～5000 ppm，滿足測量要求。JX-CO2-102型傳感器及其接口電路如圖5所示。JX-CO2-102型傳感器的管腳定義如表2所示?？梢?，該傳感器可以以多種形式來輸出CO2濃度信號。在本系統(tǒng)的節(jié)點電路設計中，采用了PWM輸出方式，在硬件結(jié)構(gòu)上，PWM只占用單片機一個管腳，該管腳與單片機的PA1管腳相連接。

(a) JX-CO2-102型傳感器

表2 JX-CO2-102型傳感器的管腳定義

2 系統(tǒng)軟件開發(fā)

2.1 節(jié)點軟件開發(fā)

節(jié)點軟件開發(fā)是采用Keil軟件而實現(xiàn)的。主程序的主要功能描述如下：首先，進行系統(tǒng)初始化及NB模塊的初始化；然后，NB模塊通過基站嘗試接入云服務器；最后，開始采集溫濕度、照度和CO2濃度信息。相關(guān)數(shù)據(jù)可以在本地顯示，同時也發(fā)送至云服務器端。定時器用于設置數(shù)據(jù)采集和發(fā)送的周期。節(jié)點的主程序流程如圖6所示。

圖6 節(jié)點的主程序流程

微處理器和SHT30溫濕度傳感器通信采用串行二線接口SCL和SDA，其中：SCL用于同步微控制器和傳感器之間的通信，時鐘頻率可以在0～1000 kHz之間自由選擇，支持按I2C標準進行時鐘擴展的命令；SDA引腳用于向傳感器傳遞數(shù)據(jù)和從傳感器傳遞數(shù)據(jù)，從傳感器說明書可知，測量數(shù)據(jù)總是以16位值(無符號整數(shù))傳輸，這些數(shù)值已經(jīng)線性化，并補償了溫度和電源電壓的影響。假設單片機從SHT30傳感器中讀取到的溫濕度數(shù)值分別記為ST和SRH，那么可以根據(jù)式(1)和式(2)直接計算出溫濕度值。溫濕度的測量精度分別為±0.3 ℃和±2.0%。

微處理器和B-LUX-V30B照度傳感器通信也采用串行二線接口SCL和SDA。傳感器通過 SDA 發(fā)送數(shù)據(jù)，與主機產(chǎn)生的 SCL 脈沖同步，主機在接收到每個字節(jié)數(shù)據(jù)后對其進行應答?？偩€空閑時，SDA和SCL的空閑狀態(tài)為高電平。主機通過發(fā)送START條件啟動通信，START條件是：SCL為高電平時，SDA由高到低的跳變；STOP條件是：SCL為高電平時，SDA由低到高的跳變。來自主機的START條件通知傳感器開始傳輸，主機通過發(fā)送STOP條件終止傳輸，并釋放總線。該型號照度傳感器模塊出廠時已經(jīng)進行校正。單片機讀取32位的測量數(shù)據(jù)SI之后，依據(jù)式(3)進行計算實際的光照度I。

I=1.4(SI÷1000) (3)

其中，1.4為本模塊照度傳感器上方的透明外殼對光線衰減的校正系數(shù)。

微處理器和JX-CO2-102紅外吸收二氧化碳傳感器之間的通信有DA輸出模式(模擬電壓信號)、PWM輸出模式和串口輸出模式等。經(jīng)過比較，PWM模式輸出只占用單片機一個I/O管腳，直接輸出數(shù)字信號，且輸出值與所檢測到濃度值之間的換算關(guān)系非常簡單，故采用了PWM輸出模式。傳感器的使用說明書給出了通過 PWM脈沖寬度以獲得當前 CO2濃度值C的計算公式：

C=5(正向脈沖寬度-2) (4)

其中，5表示每毫秒所對應的CO2氣體濃度值。

2.2 云端軟件及手機App開發(fā)

單片機和NB模塊通過MQTT協(xié)議，把所采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺。該協(xié)議工作在TCP/IP協(xié)議族上，是為硬件性能低下的遠程設備以及網(wǎng)絡狀況糟糕的情況下而設計的發(fā)布/訂閱型消息協(xié)議。MQTT協(xié)議主要有以下幾個特性：使用發(fā)布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發(fā)布，解除應用程序耦合；對負載內(nèi)容屏蔽的消息傳輸；使用 TCP/IP 提供網(wǎng)絡連接；有三種消息發(fā)布服務質(zhì)量。云端設計主要分以下幾個步驟：

第一步：登錄OneNET服務器。先注冊賬號，登錄完成后，進入開發(fā)者中心，找到物聯(lián)網(wǎng)平臺，進入后點擊“多協(xié)議接入”即可。

第二步：添加MQTT產(chǎn)品。選擇 MQTT(舊版)協(xié)議，選擇“添加產(chǎn)品”“產(chǎn)品名稱”和“產(chǎn)品簡介”按自己的要求填寫即可，“產(chǎn)品行業(yè)”和“產(chǎn)品類型”自由選擇，“接入?yún)f(xié)議”選擇“MQTT”，在確定添加產(chǎn)品后，就可以添加設備了。雙擊“設備”列表，選擇“添加設備”即可。

第三步：編輯應用。首先，選擇“應用管理”后選擇“添加應用”；然后，新增加應用，按自己的要求填寫帶*的即可，寫完后點“新增”；最后，編輯應用，雙擊以下生成的應用后，選擇“編輯應用”。

手機App借助了OneNET 平臺提供的App設備云。它的功能是數(shù)據(jù)監(jiān)測，且具有數(shù)據(jù)存儲功能，與云平臺相通，可以實時觀看數(shù)據(jù)動態(tài)變化，以及查看任何一種環(huán)境因子的詳細數(shù)據(jù)。這里不再詳細介紹。

3 測試實驗

把傳感器節(jié)點放置在校園草坪上，測量環(huán)境參數(shù)，以檢驗傳感器節(jié)點的測量結(jié)果，測試中的傳感器節(jié)點如圖7所示。數(shù)據(jù)采集周期為10 min，測試時間為2021年5月27日9:00-17:00，共8 h。手機端以儀表盤的形式進行實時顯示，手機端的數(shù)據(jù)顯示如圖8所示。該時段內(nèi)環(huán)境因子監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖9所示。從測量結(jié)果看，該傳感器節(jié)點能夠?qū)崿F(xiàn)四個環(huán)境參數(shù)的實時采集、傳輸和顯示，表明該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。四種環(huán)境因子的監(jiān)測均采用了數(shù)字式傳感器，且具有自動校驗功能，從而保證了一定的測量精度。同時，數(shù)字式傳感器還具有低功耗的特點，有利于采用太陽能供電或電池供電方式，為所設計的傳感器節(jié)點應用于溫室環(huán)境監(jiān)測和大田農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測奠定了基礎。

圖7 測試中的傳感器節(jié)點

圖8 手機端的數(shù)據(jù)顯示

(a)空氣溫度測量數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文采用NB-IoT技術(shù)設計了溫室環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)。在簡要介紹監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)的基礎上，首先重點介紹了傳感器節(jié)點的硬件設計；然后，依次介紹了節(jié)點的軟件設計、云端軟件及手機App開發(fā)等；最后，對所設計的傳感器節(jié)點進行了測試檢驗，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程無線傳輸，且無線通信質(zhì)量穩(wěn)定。研究結(jié)果為該檢測系統(tǒng)進一步應用于農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境監(jiān)測和其它領(lǐng)域環(huán)境監(jiān)測等奠定了基礎。