祁賢業(yè)

(蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術大學 甘肅蘭州 730021)

溫室中生長的農(nóng)作物對環(huán)境的要求非常高，而利用溫室種植和管理農(nóng)作物，是可以控制環(huán)境的，也就是采取手段采集環(huán)境參數(shù)，據(jù)此不斷調(diào)節(jié)溫度，適宜農(nóng)作物生長，這是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要形態(tài)。物聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)后，農(nóng)業(yè)學術界開始將目光集中在其與溫室的結(jié)合上，并展開了諸多研究。結(jié)果顯示，基于物聯(lián)網(wǎng)可實現(xiàn)溫室系統(tǒng)的智能化，從溫度、濕度、通風與灌溉等方面出發(fā)，都可構(gòu)建相應的智能系統(tǒng)，而利用數(shù)據(jù)通信技術來對溫室進行監(jiān)督也是其中一項重要內(nèi)容。

當前，已有ZigBee、Bluetooth等技術在溫室監(jiān)控中得到應用，效果相比于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)非常突出。不過這些技術也有諸多不足之處，如不支持遠距離傳輸、傳輸過程易受影響、消耗較大功率等。近年來，又研究出了LoRa 技術，并在農(nóng)業(yè)中得到實踐應用，雖然彌補了上述技術的缺點，但其并非正規(guī)的物聯(lián)網(wǎng)技術，所以未來會如何發(fā)展，難以保證，極易出現(xiàn)無法滿足用戶要求的問題。而NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）通信是當下的一種新科技成果[1]，它是以窄帶為基礎的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術，是經(jīng)過授權的物聯(lián)網(wǎng)技術，因此優(yōu)勢明顯，不僅支持遠距離、大范圍傳輸，而且具有成本較低、功耗較小且安全性較高等特點。與LoRa相比，其不僅是正規(guī)的，而且傳輸時更為安全可靠，服務質(zhì)量有保證。而與ZigBee等通信技術相比，其支持遠距離傳輸，且能高效抗干擾。NB-IoT是在蜂窩網(wǎng)絡中形成的，采集數(shù)據(jù)后能夠自主將其上傳云端，也省去了網(wǎng)關環(huán)節(jié)，不需要經(jīng)過現(xiàn)場部署。所以，結(jié)合NB-IoT設計的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)不僅融合了窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術，同時也應用了GPRS（General Packet Radio Service）技術，這樣就能遠程操控信息傳輸過程，不再像以往，只能短距離傳輸。傳輸過程也更加高效、方便、穩(wěn)定、及時，并且可實現(xiàn)多連接傳輸，信號也較強。設計此系統(tǒng)時，為了有效處理傳輸時出現(xiàn)的信號降噪現(xiàn)象，運用了差分法。

1 基于NB-IoT的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)的整體設計

1.1 整體設計的可行性分析

1.1.1 設備的可行性

信息化發(fā)展離不開相應的硬件設備的支持，在科技的更新應用下，硬件設備越來越先進，性能優(yōu)越、功能齊全、使用便利。各個領域結(jié)合具體需求普遍采用了相應的芯片、傳感器產(chǎn)品及硬件等，保證了各項工作的安全穩(wěn)定開展。調(diào)研結(jié)果顯示，主控芯片、傳感器設備等的工作性能、精度、效率等，都能夠滿足系統(tǒng)開發(fā)的需要。

1.1.2 技術的可行性

目前，已經(jīng)進入“萬物互聯(lián)”時代，物聯(lián)網(wǎng)技術的應用正在逐步覆蓋各行各業(yè)，并且其自身也始終處于持續(xù)完善之中，不僅獲得了理論界的研究支持，也得到了產(chǎn)品廠商的青睞，所以系統(tǒng)設計具備了充分的技術保障。

1.2 整體設計的概況

監(jiān)控系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，每個系統(tǒng)又分為底層模塊、監(jiān)控節(jié)點與監(jiān)控中心這3 個部分。底層模塊由數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊構(gòu)成。前者主要用來向監(jiān)控節(jié)點傳輸采集到的環(huán)境參數(shù)，后者主要用來接收來自用戶中心的決策信息，同時對執(zhí)行機構(gòu)具有控制作用。監(jiān)控節(jié)點既能接收數(shù)據(jù)，也能發(fā)送數(shù)據(jù)，在其接收后，對其中蘊含的信息進行采集，又通過NBIoT 通信模塊，向NB-IoT 基站發(fā)送，最終傳到監(jiān)控中心。監(jiān)控節(jié)點接收信息的路徑與此相同，只不過恰好相反，發(fā)送起點為監(jiān)控中心，然后經(jīng)過監(jiān)控節(jié)點，最終到達控制模塊。結(jié)合現(xiàn)場具體情況，一般利用RS485總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊和監(jiān)控節(jié)點之間的通信[2]，這樣可確保傳輸過程的安全、穩(wěn)定、可靠。這是無線傳輸所不具備的優(yōu)點。

由監(jiān)控節(jié)點發(fā)送到監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)，會被后者保存、處理，然后做出控制決策，接著反饋給基站，最后再到達控制模塊。監(jiān)控中心通過用戶界面就能實時了解有關環(huán)境的數(shù)據(jù)信息，進而遠程控制溫室設備，及時對環(huán)境進行調(diào)節(jié)。

2 基于NB-IoT的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計

2.1 底層模塊設計

底層模塊的兩個部分——數(shù)據(jù)采集模塊和控制模塊，各自的構(gòu)成部件有不同。前者包括傳感器、主控電路、RS485 通信模塊以及電源模塊?？紤]到檢測的準確性和可靠性，所選用的傳感器都是數(shù)字型的，溫度方面選的是DS18B20，其接口屬于單總線類型，也就是在主控芯片的I/O 端接入數(shù)據(jù)端口（DQ 端）就可以了；光照方面選的是BH1750，其接口屬于I2C 總線類型，也就是根據(jù)要求在主控芯片的I/O 端接入時鐘端（SCL）和數(shù)據(jù)端（SDA）就可以了[3]。

主控電路內(nèi)存在單片機最小系統(tǒng)，為了能夠?qū)崟r采集數(shù)據(jù)，以stm32F10 型號單片機作為主控芯片，設置2.0～3.6 V 的工作電壓以及能達到72 MHz 的內(nèi)部時鐘。考慮到系統(tǒng)涉及的檢測點不止一個，而檢測的所有數(shù)據(jù)均需傳輸?shù)奖O(jiān)控節(jié)點，再結(jié)合現(xiàn)場具體情況，決定選擇RS485總線作為數(shù)據(jù)采集模塊和監(jiān)控節(jié)點之間的通信工具。RS485 能夠用來采集數(shù)據(jù)，且能夠來回移植。再者，SP3485 芯片能夠?qū)碜詥纹瑱C引腳的TTL信號轉(zhuǎn)換成RS485通信[4]并直接傳輸給監(jiān)控節(jié)點。在具體應用時，可以雙絞線為介質(zhì)，RS485通信能夠良好地抵御外部因素的干擾，可謂優(yōu)點眾多。

控制模塊分為三部分，具體如下。

一是主控電路，其內(nèi)部也存在單片機最小系統(tǒng)，考慮到設計的統(tǒng)一性，其也以stm32F10型號的單片機作為主控芯片。通常環(huán)境參數(shù)的采集和控制都有效率要求，也就是必須及時，因此在通信方面多選用GPRS通信，利用GPRS 網(wǎng)絡向控制模塊傳輸指令，操控設備，以達到遠程控制的目的。二是GPRS 通信模塊，其選擇的芯片為SIM800C 芯片。主控芯片串聯(lián)UART1-TXD與UART1-TXD，借助發(fā)送AT指令，實現(xiàn)SIM800C通信模塊和服務器之間的通信，然后再接收控制指令，這樣就實現(xiàn)了遠程操控。SIM 卡電路主要與SIMDET、SIM-DATA、SIM-CLK、SIM-RST 以及SIM-VDD相連接[5]。三是繼電器模塊，其利用主控芯片的I/O口對三極管進行控制，然后使繼電器運作，實現(xiàn)對有關執(zhí)行機構(gòu)的控制。如果想要減少外部因素對繼電器電路的干擾，可將光電耦合器（4N25）與繼電器和單片機相連接。

2.2 監(jiān)控節(jié)點設計

監(jiān)控節(jié)點包括兩個部分：一是主控電路，其和底層模塊一樣；二是通信模塊，其由復位電路、SIM 卡模塊以及射頻電路構(gòu)成。這里選擇BC-95 芯片（產(chǎn)自上海移遠公司）作為射頻電路。設置3.1～4.4 V的工作電壓即可，將其設定為3.3 V，然后連接主控芯片的串口USART1。BC-95 芯片的引腳多達94 個，LCC 引腳有54 個，LGA 引腳有40 個。引腳主要用來給電源供電，具備USIM卡、RF、串口接收發(fā)送等接口。為了擁有較好的射頻信號，選用π 型匹配電路作為射頻電路。為了使USIM 卡接口免受射頻干擾，其USIM-DATA、USIM-GND、USIM-RST、USIM-VDD 以 及USIM-CLK引腳[6]，通過并聯(lián)電容相連接。通信模塊一般以CONNECT模式、IDEL模式、PSM模式來工作，這3種模式支持來回切換，具體結(jié)合實際需要來操作。設計時，如果選用PSM工作模式，功率消耗可以適當降低一些，因為其電流只有5 μA，這樣更有利于NB-IoT技術發(fā)揮作用。

2.3 電源模塊設計

底層模塊需要電源模塊提供3.3 V的電壓，而監(jiān)控節(jié)點則需要電源模塊提供12 V的電壓。一般傳感器、主控電路以及BC-95 芯片接收到的電壓都是3.3 V。其最初由電源模塊的USB接口提供，但并不穩(wěn)定，因此加入了LM1117-3.3芯片，以確保最終輸出的電壓為穩(wěn)定的3.3 V。這樣做是因為蓄電池無法長時間待機，且更換起來較為麻煩。而繼電器模塊接收到的12 V 電源，主要來自220 V的交流電，在變壓器及整流橋的處理下形成直流電，后被LM7812芯片過濾后變成了穩(wěn)定的12 V電壓。

3 基于NB-IoT的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計

軟件設計也由三部分組成，分別是底層模塊程序、監(jiān)控節(jié)點通信與監(jiān)控中心。

3.1 底層模塊設計

設計底層模塊的作用是及時通過傳感器采集信息并發(fā)送出去。舉例來說，如果溫控系統(tǒng)采用的是數(shù)字型設備，如溫度系統(tǒng)使用的是單總線類型的DS18B20傳感器，那么在傳輸信號時，就一定要遵循相應的時序邏輯。光照系統(tǒng)采用的是BH1750傳感器，就要在其與控制器之間加入I2C通信協(xié)議。通過Modbus協(xié)議內(nèi)包含的RTU傳輸模式，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊和監(jiān)控節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸內(nèi)容分別為地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)位以及校驗碼[7]。運用該傳輸模式時，應提前將各個數(shù)據(jù)幀彼此間的通信間隔時間設置為不低于3.5 個字節(jié)。具體操作時，外界因素難免會對其造成影響，進而妨礙數(shù)據(jù)的精準、及時輸出，所以設計過程中應注重增加數(shù)據(jù)校驗環(huán)節(jié)。結(jié)合文章的設計實情，此次設計的校驗工具選擇了CRC校驗，它在當前的相關校驗中是使用較為頻繁的工具之一，實踐證明，校驗效果非常突出，因此可應用到此次校驗中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、精準接收。另外，考慮到此設計的通信方式是半雙工的，所以主機不僅要識別傳感器數(shù)據(jù)，也要識別設備地址。

3.2 監(jiān)控節(jié)點通信設計

這一設計環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)分析和處理主要采用差分濾波算法。通常情況下，如溫度參數(shù)、光照參數(shù)等環(huán)境參數(shù)是比較穩(wěn)定的，因此常規(guī)工作中，數(shù)據(jù)分析和處理多通過平移濾波算法來完成。不過該算法更適合用來處理周期性信號，誤差也通常會被平均到測量值中。所以為了保證處理效果良好，此次設計中數(shù)據(jù)處理和誤差識別選擇通過差分濾波算法來完成，同時將識別得到的虛假值換成更符合要求的值。該算法簡單易操作，處理誤差的效果也更為突出。

第一步是基于以往測量所得到的數(shù)值將接下來的時刻的采集值Xg(t)大致推算出來，再對比于實際測量值X(t)，當結(jié)果不小于閾值?（?≥0），也就是|Xg(t) -X(t)| ≥?時，就說明所得到的結(jié)果是虛假測量值，將其替換為Xg(t)，當結(jié)果小于閾值?時，就說明所得到的結(jié)果是真實測量值。

監(jiān)控節(jié)點通信要引入NB-IoT 技術。NB-IoT 模塊基于網(wǎng)絡中的射頻信號連接于基站，通過NB-IoT 基站，運營商網(wǎng)絡可實現(xiàn)和NB-IoT 設備的通信，數(shù)據(jù)主要利用NB-IoT 核心網(wǎng)來發(fā)送和接收，即先接收數(shù)據(jù)，然后再向云服務器發(fā)送，起到的是類似于中介的作用。此次設計選擇通過COAP協(xié)議將網(wǎng)絡平臺連接于NBIoT 通信模塊，而NB-IoT 核心網(wǎng)選擇的是華為IoT 平臺，接收數(shù)據(jù)后再向云服務器發(fā)送。利用NB-IoT網(wǎng)絡進行通信，應先將NB-IoT 卡恢復出廠設置，而后主控芯片將AT指令發(fā)送到通信模塊[8]，實現(xiàn)網(wǎng)絡連接，接著注冊網(wǎng)絡，然后才能進入服務器通信環(huán)節(jié)。

應注意的是，NB-IoT通信模塊進入服務器通信環(huán)節(jié)后，剛開始其還是CONNECT 運行模式，僅支持接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，當沒有數(shù)據(jù)需要傳輸時，其就會轉(zhuǎn)變成PSM 工作模式，暫時斷開和服務器的連接。如果要讓其再次恢復CONNECT 運行模式，就利用主控芯片將AT 指令發(fā)送到通信模塊便可，這樣能夠減少功率損耗，延長模塊的運行壽命。

3.3 監(jiān)控中心設計

設計監(jiān)控中心主要通過B/S（瀏覽器/服務器）來完成。監(jiān)控中心在設計時主要是設置應用服務器，基于IoT 平臺直接訂閱相應的功能，對來自監(jiān)控節(jié)點的JSON 格式數(shù)據(jù)進行識別，同時顯示在用戶端上，以此呈現(xiàn)檢測得到的數(shù)據(jù)。用戶端通過Socket通信連接服務器，這樣就能夠相互傳輸數(shù)據(jù)[9]。一般是監(jiān)控節(jié)點將報警信息發(fā)給用戶端，然后客戶端處理信息、做出決策，再將其向控制模塊發(fā)送，以此達到調(diào)節(jié)環(huán)境的作用。一般客戶端直接可以在手機上顯示，用戶可以不受時間和地點限制，隨時隨地通過設備號來確定設備并進行遠程監(jiān)控和操作。就拿溫室中的一個升降架來說，如果根據(jù)數(shù)據(jù)可知太陽光照度過強或過弱，不適合農(nóng)作物健康生長，那么用戶就可通過手機手動操作電機，將卷簾卷起或放下，以此調(diào)節(jié)光照強度，使其達到適宜農(nóng)作物生長的程度。

4 基于NB-IoT的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)的測試

設計完基于NB-IoT的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)之后，為了保證其具有可操作性、有效性，需要實際測試該系統(tǒng)。結(jié)合NB-IoT 技術，能夠?qū)崟r跟蹤、及時調(diào)節(jié)溫室中的環(huán)境參數(shù)，同時在獲取參數(shù)后，向基站發(fā)送，經(jīng)過基站再到達監(jiān)控平臺，這樣用戶就能夠隨時隨地了解溫室的情況，如空氣和土壤的濕度、室內(nèi)的溫度等，根據(jù)需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行模式，調(diào)整溫度。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)傳輸效率高、效果好，無丟包問題，整體比較穩(wěn)定、可靠、安全。

5 結(jié)語

為了保證高效、穩(wěn)定地傳輸數(shù)據(jù)，文章結(jié)合NBIoT無線通信技術，設計了一套針對農(nóng)作物種植和生長的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)。最終的測試顯示，該系統(tǒng)切實有效，與預期的要求相符合，從理論上來說應用于智慧農(nóng)業(yè)領域是可行的。無論是只有一個溫室的農(nóng)業(yè)地，還是搭建了若干溫室的農(nóng)業(yè)園區(qū)，都適用該系統(tǒng)，都能夠基于物聯(lián)網(wǎng)技術對溫室進行智能檢測和監(jiān)控，可大大提升溫室監(jiān)控的效率與效果。如果測量環(huán)境有多個，就配備相應數(shù)量的無線傳感節(jié)點，對應監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，獲得相應數(shù)據(jù)，如溫度數(shù)據(jù)、氣壓數(shù)據(jù)、pH值數(shù)據(jù)、成分數(shù)據(jù)、二氧化碳濃度、空氣（土壤）濕度數(shù)據(jù)等。而后監(jiān)控節(jié)點將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給控制模塊，經(jīng)過其存儲、分析和顯示，對數(shù)據(jù)進行整合、處理，最終形成有關圖表和曲線，用戶根據(jù)這些圖表和曲線，就能詳細了解溫室的整體情況。另外，結(jié)合植物的生長特點，該系統(tǒng)還能發(fā)出相應的聲光報警信息，提醒用戶通過遠程操控及時調(diào)節(jié)溫室環(huán)境，避免造成損失。因此，筆者認為，基于NB-IoT 的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)是可以在農(nóng)業(yè)發(fā)展領域得到實際應用的，有利于促進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室統(tǒng)一規(guī)劃和遠程便捷管理。經(jīng)過深入研究和實踐，基于該技術也可針對灌溉、施肥等方面設計相應的智能監(jiān)控系統(tǒng)，這是智慧農(nóng)業(yè)未來發(fā)展趨勢之一。