一种智能大棚的温湿度检测系统

金恩曼 陈培余

摘要：针对大棚种植中温湿度等环境参数实时检测存在的问题，笔者结合最新的窄带物联网技术，提出了一种新型的智能大棚温湿度检测系统。该系统基于STM32微处理器，选用DHT11温湿度传感器，选用华为OceanConnect作为物联网云平台，给出了整个系统的软硬件设计方案。测试表明，该系统运行稳定，数据可靠，满足智能大棚温湿度实时检测需求。

关键词：智能大棚;温湿度;NB-IoT;OceanConnect

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）07-0085-03

0 引言

我国是人口大国，又是农业大国，大棚种植在农业生产中占有非常重要的地位。又随着人们生活水平的提高，对大棚种植农产品的品质提出了更高的要求。温度和湿度是影响大棚种植的关键环境因素，因此对大棚温湿度的检测具有非常重要的意义。

最早的大棚温湿度检测以人工方式为主，该方式工作量大，效率低，成本高。随着计算机技术尤其是通信技术的发展，基于自动化的实时检测系统成为主流。目前多数系统采用基于Zigbee组网通信技术的检测方式，该方式具有低功耗和组网能力强等优点，但存在通信距离短，需要大量网关开销等缺点[1]。当前，随着窄带物联网技术（NB-IoT）的不断成熟，芯片成本不断下降，NB-IoT在智慧农业中的应用成为新的发展趋势。NB-IoT具备广覆盖、大连接、低功耗和低成本等特点，非常适合点多且分散的室外应用场景[2]-[3]。本文将采用NB-IoT技术、结合传感器技术、微处理技术和移动互联技术，解决智能大棚内温湿度检测存在的布线难和不能远程监控等问题。

1 系统架构和功能

本系统是综合嵌入式软硬件技术、NB-IoT通信网络、华为OceanConnect云平台和移动APP为一体的物联网系统。如图1所示，温湿度传感器、STM32主控制器和NB-IoT模块组成信息采集端，该采集端作为独立的嵌入式系统，分布于大棚内的主要区域。主控芯片通过单总线协议采集温湿度数据，并通过NB-IoT网络上传到华为云平台。华为云平台提供基于NB-IoT通信业务的物联网终端设备的快速接入，实现温湿度信息的可视化展示和管理。云平台向信息采集端提供基于CoAP协议通信的南向接口，向应用服务器提供基于HTTP协议通信的北向接口。

2 系统硬件组成

系统硬件组成如图2所示，主要由温湿度傳感器，最小系统和NB-IoT模块及其外围电路等3大部分组成。

2.1 温度传感器

温湿度传感器采用DHT11芯片。该芯片是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。具有成本低、响应快、抗干扰强、精确校准等优点。该芯片具有4个引脚，分别为VDD、DATA、NC和GND。DHT11与微处理的硬件连线如图3所示，其中VDD（1 Pin）为芯片供电引脚，供电电压3V-5.5V，DATA引脚（2 Pin）为串行数据线，与主控器的GPIO口连接，实现温湿度数据的采集，NC引脚悬空，GND（4Pin）引脚接地。

2.2 最小系统

最小系统中包括主控制器、电源、晶振、复位电路和下载电路。主控制器采用STM32L431RCT6芯片，该处理器基于ARM-M4内核，32位位宽，运算速度快，处理能力强，并支持睡眠等低功耗工作模式，内部集成丰富的接口资源，是意法半导体公司针对物联网应用场景推出的一款高性能处理器[4]。晶振电路可以使用内部晶振和外部晶振，只需通过软件配置即可，本系统中，选用8MHz的外部晶振;复位电路用来使系统恢复到出事状态的电路，本系统设计中，复位引脚连接弹性按键接地，并在按键上并联一个电容;下载接口使用SWD 四线接口。

2.3 NB-IoT模块及外围电路

本系统中，NB-IoT模块采用Quectel的BC95模组。该通信模组工作在850MHz频段，支持IPv4/IPv6/UDP/CoAP通信协议，发射功率为23dB±2dB，并支持省电模式（PSM）下。主控制器以AT指令控制BC95模组，通过串口与NB-IoT模组通信。当处理器采集到温湿度数据后，由BC95模组通过射频天线发送到基站，经运营商核心网络到达华为云平台。

NB-IoT模块外围电路如图2所示，主要包括供电电路、通信接口电路、SIM卡电路、滤波天线电路。供电电源采用板载3.3V供电，电源端连接电容并接地;通信接口主要为串口，实现模组和MCU之间通信。由于NB-IoT使用蜂窝网络，因此与手机通信一样，需要有SIM卡进行身份的识别和鉴权。

3 系统软件设计

系统软件设计主要分为信息采集端软件设计，云平台开发和移动端App开发三个部分。

3.1 信息采集端软件设计

信息采集端软件设计实现功能包括最小系统的正常运行，温湿度数据的采集和NB-IoT模组的入网。其中最小系统的软件开发采用STM32CubeMX工具。该工具是意法半导体公司针对STM32系列MCU推出的图形化开发工具，通过图形化的配置自动生成开发初期芯片相关的初始化代码。本系统中，利用STM32CubeMX完成系统时钟、定时器、串口初始化等功能配置并生成基本开发环境。采集端软件开发流程如图4所示，微处理器通过下发AT指令完成NB-IoT模组入网，开启定时功能，周期性采集温湿度数据并上报。

（1）温湿度数据采集。本系统中，主控制器通过GPIO端口引脚连接DHT11的DATA管脚，实现单总线的数据采集。该总线即作为MCU的输出控制总线，又作为DHT11的数据输入总线。用户主机（MCU）发送一次开始信号后， DHT11从低功耗模式转换到高速模式，待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集。其中位数据“0”的格式为：50ms的低电平和26-28ms的高电平，位数据“1”的格式为：50ms的低电平加70ms的高电平。控制DHT11芯片获取温湿度数据的时序参考该芯片使用手册。

温湿度采集测试结果如图5所示。

（2）NB-IoT入网。由于NB-IoT网络驮载在移动蜂窝上的，因此跟手机通信一样，在进行数据传输之前要向基站注册入网。控制器采集到温湿度数据后，按照用户自定义协议编码，通过串口发送至NB-IoT模组，模组将数据封装成CoAP协议包后发送至基站，最后经核心网转发至IoT平台处理。在整个通信过程中，MCU对模组控制以及数据的发送接收都是基于AT命令实现的[5]。如图6AT命令测试结果所示，为本系统中关键AT指令及其返回信息：1）指令“AT+CGSN=1”：查询模块序列号。本系统中BC95模块序列号为867725030245702，该序列号将在云平台部署时被使用。2）指令“AT+CSQ”：查询当前环境信号强度，范围为0-31。本系统测试环境信号强度为17，信号一般。3）指令“AT+CEREG？”：查询网络注册状态，即查询网络注册是否成功。本系统中，执行该命令后返回结果第二个参数为“1”，表示注册成功;否则为“0”，表示尚未注册成功。4）指令“AT+NCDP=49.4.85.232，5683”：配置CDP服务器（云平台）的IP地址及端口，本系统中，华为OceanConnect云平台地址为49.4.85.232，端口号为5683。5）指令“AT+NMGS=3，010203 ”：向CDP服务器上报数据。第一个参数为数据长度，第二个参数为十六进制数据。

3.2 云平台部署

物联网云平台提供设备接入、设备管理和数据分析存储功能，并向各种应用提供接口服务。本系统采用华为的OceanConnect云平台做应用开发。该平台通过开放API和IoT Agent实现与上下游产品能力的无缝联接，从而给客户提供端到端的高价值行业应用。OceanConnect云平台开发工作主要包括产品创建、Profile定义、编解码插件开发、真实设备部署。

（1）产品创建：设置产品信息，包括产品名称、产品型号、厂商ID、设备类型以及应用层协议类型。

（2）Profile定义：即设备的抽象模型，用于描述设备具备的能力和特性。OceanConnect提供多种设备的Profile模板，用户可直接在此基础上修改，或者也可以自定义产品模板。本系统中，根据温湿度传感器的属性，创建一个Humiture的服务，在该服务下依次创建Temperature和Humidity属性，数据类型为decimal。

（3）编解码插件开发：由于NB-IoT设备上报数据一般采用二进制格式，而物联网云平台采用Json格式，因此，需要進行编解码插件开发，实现二进制数据和Json格式数据的转换，从而实现NB-IoT终端和OceanConnect通信。

（4）部署真实设备：设置设备名称和设备标识。设备标识为必须唯一，一般为IMEI或MAC号。本系统中使用BC95模块序列号867725030245702。

云平台测试结果如图7所示，当前温度为28.0℃，湿度为95.0RH%。

3.3 移动端App设计

为实现温湿度数据远程检测功能，本文基于Android Studio工具开发了一款温湿度检测APP。该App登录界面为云平台的接入信息，包括云平台IP地址和端口号，应用ID及密码，显示界面包括温度值和湿度值，移动终端App及其测试结果如图8所示。

4 结语

本文结合最新的窄带物联网技术，设计了一种温湿度检测系统。对系统总体方案、软硬件设计进行了详细阐述。测试结果表明，该系统可以实现温湿度数据远程检测功能。该系统具有设备节点管理方便、功耗小、成本低、数据可靠性高等优点，适用于智能大棚等智慧农业应用场景。

参考文献

[1] 周海鸿，周嘉奉.基于ZigBee技术的温湿度监测系统[J].国外电子测量技术，2015，34（7）：75-79.

[2] 董劲文.窄带物联网（NB-IOT）的技术分析及其应用前景[J].通讯世界，2018（7）：1-2.

[3] 张良德.NB-IoT的及应用研究[J].通信设计与应用，2017（1）：115-116.

[4] 曹小娜.ST STM32L4：整合Cortex_M4内核超低功耗高性能MCU[J].世界电子元器件，2015（4）：42-43.

[5] 蒋震.基于NB-IoT的温湿度采集系统设计与实现[J].信息化研究，2018，44（6）：63-68.