亢娟娜

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006）

在我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)整體發(fā)展水平不斷提高的帶動下，溫室大棚憑借自身具有的多元化優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用，溫室大棚環(huán)境監(jiān)測技術(shù)也成為行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的話題之一。然而，與傳統(tǒng)人工觀測方式相比，雖然在現(xiàn)代化技術(shù)理念以及多元化技術(shù)措施的輔助下，我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)監(jiān)測水平得到了大幅度提高，然而由于受到監(jiān)測設(shè)備價(jià)格以及操作復(fù)雜性的影響，導(dǎo)致我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)監(jiān)測技術(shù)的普及程度有待提升。本文通過將NB-IoT 技術(shù)與移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、微處理器技術(shù)進(jìn)行充分結(jié)合，有效解決了傳統(tǒng)監(jiān)控溫室大棚存在的待機(jī)時(shí)間短、線路布置難、無法遠(yuǎn)程監(jiān)控等問題。在此基礎(chǔ)上，將經(jīng)過限幅優(yōu)化的移動平均濾波優(yōu)化算法運(yùn)用其中，能夠充分應(yīng)對遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)在大脈沖干擾下存在的不穩(wěn)定問題。

1 系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)是一種以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，主要是將移動終端的App、檢測儀器、物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行整合，人機(jī)交互媒介則采用了工業(yè)級別的觸摸屏技術(shù)，并且與emWin 和uC/OS-Ⅲ界面進(jìn)行了有效搭載。該界面能對溫室大棚中的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)以及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，用戶可以結(jié)合自身實(shí)際需求，利用交互界面對系統(tǒng)中的具體設(shè)置進(jìn)行調(diào)整。將STM32 芯片作為環(huán)境參數(shù)采集段的主要控制工具，結(jié)合單總線協(xié)議，控制復(fù)合傳感器DHT22 對大棚中的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并且在IIC 總線協(xié)議的輔助下，對數(shù)字光強(qiáng)傳感器BH1750FVI 進(jìn)行有效控制，有效采集大棚中的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框如表1所示[1]。

表1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 環(huán)境量采集電路

本系統(tǒng)所采用的DHT22 傳感器具有能耗低、體積小、精準(zhǔn)性高等特征，是一種先進(jìn)的數(shù)字型溫濕度復(fù)合傳感工具。在數(shù)據(jù)引腳層面，DHT22 傳感器與BH1750FVI 光強(qiáng)傳感器都增加了一個(gè)大小為5.1 kΩ的向上電阻，從而有效增加了傳感器的驅(qū)動力。在DHT22 傳感器的電源位置，增設(shè)了一個(gè)10 μF 的鉭電容，降低了移動平均濾波的影響；在BH1750FVI 光強(qiáng)傳感器的電源位置，增設(shè)了一個(gè)100 nF 的貼片電容，對移動平均濾波進(jìn)行過濾的同時(shí)，有效拉低了地址線。在此過程中，DHT22 傳感器與BH1750FVI 光強(qiáng)傳感器遵循的協(xié)議分別為單總線協(xié)議和IIC 協(xié)議。由于二者的通信線長度都不宜太長，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)盡可能地確保通信線處于較短狀態(tài)，并且在PCB 的位置上增設(shè)屏蔽線，確保采集的信號效果能夠最大程度屏蔽外界因素的干擾，從而有效提升采集數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.2 NB-IoT無線通信電路

本系統(tǒng)有效應(yīng)用NB-IoT 技術(shù)，能夠滿足低速率業(yè)務(wù)中超大容量、全面覆蓋、超長待機(jī)、極低功耗的需求。但是，NB-IoT 技術(shù)對移動性需求的滿足水平較低，比較適合使用在非連續(xù)移動、實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)、靜態(tài)監(jiān)測等業(yè)務(wù)環(huán)境中。因此，NB-IoT 技術(shù)與溫室大棚環(huán)境監(jiān)控的需求高度契合。

由上海移遠(yuǎn)通信技術(shù)股份有限公司和華為技術(shù)有限公司聯(lián)合研制開發(fā)的BC95 系列NB-IoT 模塊是一款新型NB-IoT 無線通信IC，不僅整體結(jié)構(gòu)極為緊湊，而且內(nèi)部還嵌入了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議棧，供電電壓保持在3.3 V。在PSM 環(huán)境下，對電流的最大消耗量為5 μA，并支持3.0 V 外部USIM 卡的各項(xiàng)操作。在電路原理層面，雖然BC95 與廠家提供的評估板高度一致，但是相關(guān)人士在對PBC 進(jìn)行布局的過程中仍需注意，應(yīng)該始終將SIM卡座一端與靜電保護(hù)部分相靠近，芯片的引腳位置要盡可能與電容相接近，并且確保噪聲電流與天線電流之間得到有效隔離。在布置通信走線的過程中，要盡可能確保線路的直徑較大、長度較短，并且始終保持在50 mm以內(nèi)。

在將NB-IoT 無線通信電路與傳統(tǒng)環(huán)境信息采集系統(tǒng)使用的ZigBee 通信模塊進(jìn)行對比分析時(shí)能夠發(fā)現(xiàn)，NB-IoT 無線通信電路能夠?qū)⒎涓C數(shù)據(jù)與組網(wǎng)進(jìn)行有效結(jié)合，對能源的消耗量較低，能夠?yàn)榉N類多元、內(nèi)容豐富的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供支持和服務(wù)，為數(shù)據(jù)的有效傳輸提供便利。

2.3 電源管理電路

只有確保電源的電路始終保持在穩(wěn)定狀態(tài)，才能為系統(tǒng)各項(xiàng)工作的有效開展奠定良好基礎(chǔ)[2]。在本系統(tǒng)中，BC95 模塊和STM32 單片機(jī)作為主要的用電器，經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證之后，發(fā)現(xiàn)二者的具體耗電量為0.69 mA/h。出于對紐扣電池待機(jī)時(shí)間比較短、更換維護(hù)比較麻煩等因素的綜合考慮，本系統(tǒng)所使用的主機(jī)鋰電池和采集器鋰電池的容量分別為1 000 mA和50 mA，并對電源采取TB5600 集成芯片進(jìn)行管理。在對電池進(jìn)行充電的過程中，系統(tǒng)設(shè)置了充電截止、指示預(yù)充充電狀態(tài)、充電電流調(diào)節(jié)器、高精度電壓調(diào)節(jié)器等多元化功能。電流的最大輸出量為2 A，充電時(shí)間在高達(dá)10 W的功率作用下得到了有效縮減。

將一種由運(yùn)算放大器和穩(wěn)壓二極管共同組成的低電壓檢測電路設(shè)計(jì)在電池的外部，當(dāng)電池的電量低于3.1 V 時(shí)，該檢測電路會及時(shí)將電量不足的信號發(fā)送到主機(jī)中，用戶則會在移動終端的App 中接收到采集器發(fā)出的提示，此時(shí)可將采集器取下并進(jìn)行1 h 左右的充電。由于用電器的類型不同，因此對電壓的要求也存在一定差異。比如，STM32 單片機(jī)的供電電壓為3.3 V，觸摸屏的供電電壓為5 V，系統(tǒng)中3.3 V電壓主要是由線性穩(wěn)壓芯片RT9193 提供，5 V 電壓主要由TP5600 的升壓部分提供，具體電源管理電路如圖1所示[3]。

圖1 電源管理電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 App設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)主要選擇的解決方案為移動App，可以將傳統(tǒng)PC 終端控制方案具有的成本較高和操作程序煩瑣等問題徹底解決，用戶只需使用移動設(shè)備下載App，就能對相關(guān)系統(tǒng)模塊進(jìn)行操作[4]。這樣不僅能夠確保用戶可以得到實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)，而且進(jìn)一步增強(qiáng)了相關(guān)數(shù)據(jù)信息的可讀性，使用戶能夠享受到更加智能化的服務(wù)。

本系統(tǒng)App 終端主要由3 個(gè)模塊組成，分別為實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊、用戶管理模塊、設(shè)備切換模塊[5]。在此過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊主要負(fù)責(zé)對相關(guān)信息進(jìn)行推送，并且監(jiān)視設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)；用戶管理模塊主要對用戶注冊、用戶登錄、多端登錄、強(qiáng)制下線等內(nèi)容進(jìn)行管理，嚴(yán)格執(zhí)行上級下達(dá)的命令；設(shè)備切換模塊主要對同一個(gè)系統(tǒng)中不同節(jié)點(diǎn)的切換操作以及不同系統(tǒng)之間的切換操作進(jìn)行管理[6]。App 中的相關(guān)內(nèi)容通過Java 語言進(jìn)行程序編寫，用戶移動設(shè)備中的App界面包括設(shè)備目前運(yùn)行狀態(tài)、連接狀態(tài)、大棚溫度、大棚濕度、光照強(qiáng)度、當(dāng)前設(shè)備型號、添加設(shè)備型號、上一個(gè)設(shè)備型號、下一個(gè)設(shè)備型號、當(dāng)前賬號、切換賬號登錄等模塊，在設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)接收區(qū)會顯示需要整改的項(xiàng)目。

3.2 采集器設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，采集器主要位于數(shù)據(jù)監(jiān)測終端，是一個(gè)具備數(shù)據(jù)采集功能和數(shù)據(jù)發(fā)送功能的設(shè)備。在對溫室大棚中溫度、濕度、光照強(qiáng)度等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行采集的過程中，主要以DHT22 傳感器和BH1750FVI光強(qiáng)傳感器為主，并且在HTTP 協(xié)議的輔助下，能將數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確地傳入到主機(jī)中，為主機(jī)有效處理相關(guān)數(shù)據(jù)提供便利[7]。當(dāng)電源存在電壓不足的情況時(shí)，則會及時(shí)發(fā)出警報(bào)，對用戶進(jìn)行提醒，從而對相關(guān)設(shè)備存在的問題進(jìn)行有效處理。

3.3 主節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.3.1 移動平均濾波算法以及相關(guān)優(yōu)化措施

出于對溫室大棚濕度、溫度、光照等各項(xiàng)參數(shù)具有不確定性和突變性的充分考慮，本系統(tǒng)主要應(yīng)用移動平均濾波算法，該算法能夠最大程度地縮小相關(guān)因素的影響范圍，確保最終得到的計(jì)算結(jié)果具有較高精準(zhǔn)性[8]。然而，在采集數(shù)據(jù)的過程中，移動平均濾波算法對大脈沖環(huán)境下的濾波不會起到明顯作用。因此，本文結(jié)合系統(tǒng)具有的特殊性，對限幅進(jìn)行了合理的優(yōu)化與調(diào)整。

3.3.2 emWin和uC/OS-Ⅲ的移植

鑒于在利用本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作的過程中，需要以UI 界面為平臺，因此應(yīng)該建立一個(gè)第三方的GUI 庫。而Segger 公司授權(quán)給ST 的emWin 版本的ST-emWin，能夠在STM32 微處理器上免費(fèi)使用，并且還能針對STM32 芯片進(jìn)行對應(yīng)的優(yōu)化與完善。因此，其能夠與本系統(tǒng)的使用需求高度契合。為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)的流暢性和實(shí)時(shí)性，在原有emWin 的基礎(chǔ)之上，添加了一個(gè)能夠有效擴(kuò)展、快速固化、充分搶占實(shí)時(shí)內(nèi)核的uC/OS-Ⅲ。

用戶可以通過官網(wǎng)，下載emWin 和uC/OS-Ⅲ的源代碼。本文以emWin5.23 版本和uC/OS-Ⅲ為例，對具體移植過程進(jìn)行詳細(xì)闡述。首先，在程序代碼中增加emWin 文件夾和uC/OS-Ⅲ文件夾，emWin 則需要獲得本地屏幕的底層驅(qū)動，并且在emWin 中對其進(jìn)行定義，主要涉及打點(diǎn)函數(shù)、讀點(diǎn)函數(shù)、矩形填充函數(shù)。接著，在emWin 的配置文件中，對自定義內(nèi)容進(jìn)行修改，具體如下所示：

對于uC/OS-Ⅲ的添加而言，具體流程相對簡單，需要對支持emWin操作的系統(tǒng)模式進(jìn)行配置[3]。

4 系統(tǒng)測試

當(dāng)系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的制作和調(diào)試結(jié)束之后，需要測試系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，將TESTO440 溫濕度檢測儀檢測得到的數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。將兩臺采集器分別放置于實(shí)驗(yàn)范圍的兩側(cè)，每24 h 導(dǎo)出一次數(shù)據(jù)，并與TESTO440 的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。第一臺機(jī)器在4：00時(shí)，采樣濕度到達(dá)最高點(diǎn)0.55%；在14：00 時(shí)，采樣濕度到達(dá)最低點(diǎn)0.25%。第二臺機(jī)器在3：00 時(shí)，采樣濕度到達(dá)最低點(diǎn)17%；在13：00 時(shí)，采樣濕度到達(dá)最高點(diǎn)33%。該系統(tǒng)在長達(dá)一個(gè)月的測試過程中，沒有出現(xiàn)任何異常，因此可以判斷該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念具有較高可行性[9]。

5 結(jié)束語

本文對以NB-IoT 通信技術(shù)和STM32 微處理器為核心的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作，數(shù)據(jù)傳輸利用與物聯(lián)網(wǎng)高度適配的NB-IoT 技術(shù)，確保數(shù)據(jù)的傳輸效率具有較高有效性。在進(jìn)行人機(jī)交互的過程中，將emWin 用戶界面與uC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)進(jìn)行充分整合，進(jìn)一步提升了監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和流暢性[10]。在此基礎(chǔ)上，通過運(yùn)用移動終端App進(jìn)行有效連接，能夠?yàn)橛脩舫浞煮w驗(yàn)整個(gè)系統(tǒng)提供更好的服務(wù)。在對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行測試的過程中，發(fā)現(xiàn)該設(shè)備能夠持續(xù)工作一個(gè)月的時(shí)長，并且各項(xiàng)指標(biāo)以及工作狀態(tài)始終保持在穩(wěn)定范圍，因此該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)用意義與價(jià)值。