基于NB-IoT的土壤墒情实时监测系统

王丰华，胡春杰，牛智星,，陈 翠，阮 聪

(1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2.江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012)

0 引 言

土壤墒情即土壤的水分状况，反映农业作物在生长周期土壤水分的供给情况，并直接影响着农业作物本身的生长状态，开展土壤墒情预报，科学指导农业生产活动，保障国家粮食高量稳产具有重要意义[1,2]。目前测定土壤含水量方法有中子仪测量法、TDR测量法、烘干发法、电阻法、电容法等[3-5]。时域反射法(TDR)墒情监测技术由于其不需对测量土壤提前率定、快速准确、易于实现自动化在线监测，而普遍被认为是最有效的土壤含水量率测量手段[6]。随着云计算技术与通信技术的不断进步，物联网广泛应用于农业领域，其中NB-IOT是窄带物联网(Narrow BandInternetof Things)的简写，是LPWA技术成员之一，运营商可以直接复用现有的基站设备，直接平滑升级，大大减低部署成本。相比于蓝牙、ZigBee等短距物联网通信手段，NB-IOT通信技术具有覆盖广、待机时间长、多连接、速率低、功耗低、架构优等特点[7-9]。

为了适应大量的低功耗、多连接应用场景，NB-IoT提供了3种工作模式，如表1所示。对于土壤墒情监测，可使用PSM省电模式，大大地降低系统功耗。

表1 NB-IoT 工作模式

1 硬件总体设计

本土壤墒情实时监测系统包括电容式土壤水分传感器、主控板、NB-loT通信模块及供电模块，相互协调运作，其硬件架构图1所示。

图1 硬件架构

1.1 土壤水分传感器

电容式土壤水分传感器(Capacitance Sensor；CS)由不锈钢探针和防水探头构成。探头为由绝缘材料加工而成的，探针直径约3 mm，长度约20 cm。测量电路内置于圆柱体中，通过铜线经由过孔与探头外的环形电容相连接。电容式土壤水分传感器如图2所示。

图2 电容式土壤水分传感器

1.2 主控板

本系统采用主控板较低功耗、处理性能相对较强的STM32单片机(STM32L475VET6)。主控板用于采集传感器数据，也用于与通信单元的数据传输考虑到野外设备检修需要，主控板设计了一个LCD显示屏，实现土壤含水量等信息的实时显示。在正常使用时，可去掉显示屏以降低系统功耗，在检修时使用显示屏用于快速排查故障。如图3所示。

图3 主控板图

STM32L475VET6的特点：

(1)性能强劲，处理速度快。STM32L475VET6基于ARM Cortex M4的32位处理器，采用ARMv7ME架构，三总线接口、读写取指令更快。

(2)低功耗。STM32L475VET6具备F系列主控的3种低功耗模式，与MSP430低功耗对比，不但性能好，而且功耗低(表2)。

表2 STM32L475VET6与MSP430功耗对比

(3)大存储。STM32L475VET6内部高达512 kb大小的Flash，支持读写同步。

(4)通信接口多。

1.3 通信单元

BC28是我国自产的一款NB-loT通信模块，兼容上海移元通信的GSM的M26模块，便于客户升级，并且支持多种协议栈。主控板根据用户控制策略，将采集的土壤墒情监测数据发送至监控中心，其通信链路如图4所示。BC28通信模块内部含有射频功能、基带功能、电源管理以及外围接口，功能框图如图5所示。

图4 通信单元传输链路图

图5 BC28功能框图

BC28是负责将监测的数据封装为CoAP报文协议格式发送到中心站，CoAP协议是面向网络的一种传输协议，其核心内容包括可扩展的头选项、资源抽象、REST式交互等(图6、图7)。第一层为请求/响应层用于传输命令的请求和响应据；第二层为事务交互层，该可以用于实现各个节点间的信息传输互换，同时提供信息交互时堵塞控制和组播等功能。

图6 BC28通信模块

图7 CoAP协议栈

1.4 供电模块

供电模块主要给设备提供直流12 V电压。为了节约设备用电，供电模块采用智能电源管理系统，将太阳能和市电同时接入供电[12]。通常情况下蓄电池将太阳能发电保存，然后给设备提供供电，通过智能电源管理系统实时监测蓄电池的电量和电压状态，当蓄电池电量大于设定阈值时，设备由蓄电池供电。当蓄电池电量小于设定阈值，无法满足设备用电需求时，智能电源管理系统将切换到市电供电，保证设备正常运行。

2 系统功能设计

针对系统的应用目的和上述设计思路，采用Microsoft visual studio 2010为开发环境，以SQL Server为后台数据库管理系统，利用C#语言三层架构体系和组件[13,14]，研发了一套土壤墒情实时监测系统，实现了土壤墒情实时监测，并且解决传统通信方式存在的耗电大、费用高等问题，达到了信息的低成本、低功耗、远程传输的目的。本系统软件界面的友好与实用，为科学分析、防旱情减灾提供准确的数据。图8为墒情数据接收系统截图。

图8 墒情数据接收系统截图

3 结 语

本文设计了一种基于NB-IoT的土壤墒情实时监测系统，采用上海移远BC28物联网模组，接入电信云平台将墒情数据以规定的格式通过BC28通信模块上传至监控中心，通过系统软件可以看到实时土壤含水量的数据，实现了土壤墒情实时监测，达到了信息的低成本、低功耗、远程传输的目的。本系统能够全面、真实地反映被监测区的土壤变化，可及时、准确地监测的土壤墒情状况，为抗旱减灾工作提供重要的基础信息。