基于NB-IoT的智能温室监控系统设计研究

祁贤业

(兰州资源环境职业技术大学 甘肃兰州 730021)

温室中生长的农作物对环境的要求非常高，而利用温室种植和管理农作物，是可以控制环境的，也就是采取手段采集环境参数，据此不断调节温度，适宜农作物生长，这是现代农业发展的重要形态。物联网出现后，农业学术界开始将目光集中在其与温室的结合上，并展开了诸多研究。结果显示，基于物联网可实现温室系统的智能化，从温度、湿度、通风与灌溉等方面出发，都可构建相应的智能系统，而利用数据通信技术来对温室进行监督也是其中一项重要内容。

当前，已有ZigBee、Bluetooth等技术在温室监控中得到应用，效果相比于传统农业非常突出。不过这些技术也有诸多不足之处，如不支持远距离传输、传输过程易受影响、消耗较大功率等。近年来，又研究出了LoRa 技术，并在农业中得到实践应用，虽然弥补了上述技术的缺点，但其并非正规的物联网技术，所以未来会如何发展，难以保证，极易出现无法满足用户要求的问题。而NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）通信是当下的一种新科技成果[1]，它是以窄带为基础的蜂窝物联网技术，是经过授权的物联网技术，因此优势明显，不仅支持远距离、大范围传输，而且具有成本较低、功耗较小且安全性较高等特点。与LoRa相比，其不仅是正规的，而且传输时更为安全可靠，服务质量有保证。而与ZigBee等通信技术相比，其支持远距离传输，且能高效抗干扰。NB-IoT是在蜂窝网络中形成的，采集数据后能够自主将其上传云端，也省去了网关环节，不需要经过现场部署。所以，结合NB-IoT设计的智能温室监控系统不仅融合了窄带物联网NB-IoT技术，同时也应用了GPRS（General Packet Radio Service）技术，这样就能远程操控信息传输过程，不再像以往，只能短距离传输。传输过程也更加高效、方便、稳定、及时，并且可实现多连接传输，信号也较强。设计此系统时，为了有效处理传输时出现的信号降噪现象，运用了差分法。

1 基于NB-IoT的智能温室监控系统的整体设计

1.1 整体设计的可行性分析

1.1.1 设备的可行性

信息化发展离不开相应的硬件设备的支持，在科技的更新应用下，硬件设备越来越先进，性能优越、功能齐全、使用便利。各个领域结合具体需求普遍采用了相应的芯片、传感器产品及硬件等，保证了各项工作的安全稳定开展。调研结果显示，主控芯片、传感器设备等的工作性能、精度、效率等，都能够满足系统开发的需要。

1.1.2 技术的可行性

目前，已经进入“万物互联”时代，物联网技术的应用正在逐步覆盖各行各业，并且其自身也始终处于持续完善之中，不仅获得了理论界的研究支持，也得到了产品厂商的青睐，所以系统设计具备了充分的技术保障。

1.2 整体设计的概况

监控系统包括硬件系统和软件系统，每个系统又分为底层模块、监控节点与监控中心这3 个部分。底层模块由数据采集模块、控制模块构成。前者主要用来向监控节点传输采集到的环境参数，后者主要用来接收来自用户中心的决策信息，同时对执行机构具有控制作用。监控节点既能接收数据，也能发送数据，在其接收后，对其中蕴含的信息进行采集，又通过NBIoT 通信模块，向NB-IoT 基站发送，最终传到监控中心。监控节点接收信息的路径与此相同，只不过恰好相反，发送起点为监控中心，然后经过监控节点，最终到达控制模块。结合现场具体情况，一般利用RS485总线实现数据采集模块和监控节点之间的通信[2]，这样可确保传输过程的安全、稳定、可靠。这是无线传输所不具备的优点。

由监控节点发送到监控中心的数据，会被后者保存、处理，然后做出控制决策，接着反馈给基站，最后再到达控制模块。监控中心通过用户界面就能实时了解有关环境的数据信息，进而远程控制温室设备，及时对环境进行调节。

2 基于NB-IoT的智能温室监控系统的硬件设计

2.1 底层模块设计

底层模块的两个部分——数据采集模块和控制模块，各自的构成部件有不同。前者包括传感器、主控电路、RS485 通信模块以及电源模块。考虑到检测的准确性和可靠性，所选用的传感器都是数字型的，温度方面选的是DS18B20，其接口属于单总线类型，也就是在主控芯片的I/O 端接入数据端口（DQ 端）就可以了；光照方面选的是BH1750，其接口属于I2C 总线类型，也就是根据要求在主控芯片的I/O 端接入时钟端（SCL）和数据端（SDA）就可以了[3]。

主控电路内存在单片机最小系统，为了能够实时采集数据，以stm32F10 型号单片机作为主控芯片，设置2.0～3.6 V 的工作电压以及能达到72 MHz 的内部时钟。考虑到系统涉及的检测点不止一个，而检测的所有数据均需传输到监控节点，再结合现场具体情况，决定选择RS485总线作为数据采集模块和监控节点之间的通信工具。RS485 能够用来采集数据，且能够来回移植。再者，SP3485 芯片能够将来自单片机引脚的TTL信号转换成RS485通信[4]并直接传输给监控节点。在具体应用时，可以双绞线为介质，RS485通信能够良好地抵御外部因素的干扰，可谓优点众多。

控制模块分为三部分，具体如下。

一是主控电路，其内部也存在单片机最小系统，考虑到设计的统一性，其也以stm32F10型号的单片机作为主控芯片。通常环境参数的采集和控制都有效率要求，也就是必须及时，因此在通信方面多选用GPRS通信，利用GPRS 网络向控制模块传输指令，操控设备，以达到远程控制的目的。二是GPRS 通信模块，其选择的芯片为SIM800C 芯片。主控芯片串联UART1-TXD与UART1-TXD，借助发送AT指令，实现SIM800C通信模块和服务器之间的通信，然后再接收控制指令，这样就实现了远程操控。SIM 卡电路主要与SIMDET、SIM-DATA、SIM-CLK、SIM-RST 以及SIM-VDD相连接[5]。三是继电器模块，其利用主控芯片的I/O口对三极管进行控制，然后使继电器运作，实现对有关执行机构的控制。如果想要减少外部因素对继电器电路的干扰，可将光电耦合器（4N25）与继电器和单片机相连接。

2.2 监控节点设计

监控节点包括两个部分：一是主控电路，其和底层模块一样；二是通信模块，其由复位电路、SIM 卡模块以及射频电路构成。这里选择BC-95 芯片（产自上海移远公司）作为射频电路。设置3.1～4.4 V的工作电压即可，将其设定为3.3 V，然后连接主控芯片的串口USART1。BC-95 芯片的引脚多达94 个，LCC 引脚有54 个，LGA 引脚有40 个。引脚主要用来给电源供电，具备USIM卡、RF、串口接收发送等接口。为了拥有较好的射频信号，选用π 型匹配电路作为射频电路。为了使USIM 卡接口免受射频干扰，其USIM-DATA、USIM-GND、USIM-RST、USIM-VDD 以 及USIM-CLK引脚[6]，通过并联电容相连接。通信模块一般以CONNECT模式、IDEL模式、PSM模式来工作，这3种模式支持来回切换，具体结合实际需要来操作。设计时，如果选用PSM工作模式，功率消耗可以适当降低一些，因为其电流只有5 μA，这样更有利于NB-IoT技术发挥作用。

2.3 电源模块设计

底层模块需要电源模块提供3.3 V的电压，而监控节点则需要电源模块提供12 V的电压。一般传感器、主控电路以及BC-95 芯片接收到的电压都是3.3 V。其最初由电源模块的USB接口提供，但并不稳定，因此加入了LM1117-3.3芯片，以确保最终输出的电压为稳定的3.3 V。这样做是因为蓄电池无法长时间待机，且更换起来较为麻烦。而继电器模块接收到的12 V 电源，主要来自220 V的交流电，在变压器及整流桥的处理下形成直流电，后被LM7812芯片过滤后变成了稳定的12 V电压。

3 基于NB-IoT的智能温室监控系统的软件设计

软件设计也由三部分组成，分别是底层模块程序、监控节点通信与监控中心。

3.1 底层模块设计

设计底层模块的作用是及时通过传感器采集信息并发送出去。举例来说，如果温控系统采用的是数字型设备，如温度系统使用的是单总线类型的DS18B20传感器，那么在传输信号时，就一定要遵循相应的时序逻辑。光照系统采用的是BH1750传感器，就要在其与控制器之间加入I2C通信协议。通过Modbus协议内包含的RTU传输模式，可实现数据采集模块和监控节点之间的数据传输，传输内容分别为地址码、功能码、数据位以及校验码[7]。运用该传输模式时，应提前将各个数据帧彼此间的通信间隔时间设置为不低于3.5 个字节。具体操作时，外界因素难免会对其造成影响，进而妨碍数据的精准、及时输出，所以设计过程中应注重增加数据校验环节。结合文章的设计实情，此次设计的校验工具选择了CRC校验，它在当前的相关校验中是使用较为频繁的工具之一，实践证明，校验效果非常突出，因此可应用到此次校验中，实现数据的稳定、精准接收。另外，考虑到此设计的通信方式是半双工的，所以主机不仅要识别传感器数据，也要识别设备地址。

3.2 监控节点通信设计

这一设计环节的数据分析和处理主要采用差分滤波算法。通常情况下，如温度参数、光照参数等环境参数是比较稳定的，因此常规工作中，数据分析和处理多通过平移滤波算法来完成。不过该算法更适合用来处理周期性信号，误差也通常会被平均到测量值中。所以为了保证处理效果良好，此次设计中数据处理和误差识别选择通过差分滤波算法来完成，同时将识别得到的虚假值换成更符合要求的值。该算法简单易操作，处理误差的效果也更为突出。

第一步是基于以往测量所得到的数值将接下来的时刻的采集值Xg(t)大致推算出来，再对比于实际测量值X(t)，当结果不小于阈值∂（∂≥0），也就是|Xg(t) -X(t)| ≥∂时，就说明所得到的结果是虚假测量值，将其替换为Xg(t)，当结果小于阈值∂时，就说明所得到的结果是真实测量值。

监控节点通信要引入NB-IoT 技术。NB-IoT 模块基于网络中的射频信号连接于基站，通过NB-IoT 基站，运营商网络可实现和NB-IoT 设备的通信，数据主要利用NB-IoT 核心网来发送和接收，即先接收数据，然后再向云服务器发送，起到的是类似于中介的作用。此次设计选择通过COAP协议将网络平台连接于NBIoT 通信模块，而NB-IoT 核心网选择的是华为IoT 平台，接收数据后再向云服务器发送。利用NB-IoT网络进行通信，应先将NB-IoT 卡恢复出厂设置，而后主控芯片将AT指令发送到通信模块[8]，实现网络连接，接着注册网络，然后才能进入服务器通信环节。

应注意的是，NB-IoT通信模块进入服务器通信环节后，刚开始其还是CONNECT 运行模式，仅支持接收和发送数据，当没有数据需要传输时，其就会转变成PSM 工作模式，暂时断开和服务器的连接。如果要让其再次恢复CONNECT 运行模式，就利用主控芯片将AT 指令发送到通信模块便可，这样能够减少功率损耗，延长模块的运行寿命。

3.3 监控中心设计

设计监控中心主要通过B/S（浏览器/服务器）来完成。监控中心在设计时主要是设置应用服务器，基于IoT 平台直接订阅相应的功能，对来自监控节点的JSON 格式数据进行识别，同时显示在用户端上，以此呈现检测得到的数据。用户端通过Socket通信连接服务器，这样就能够相互传输数据[9]。一般是监控节点将报警信息发给用户端，然后客户端处理信息、做出决策，再将其向控制模块发送，以此达到调节环境的作用。一般客户端直接可以在手机上显示，用户可以不受时间和地点限制，随时随地通过设备号来确定设备并进行远程监控和操作。就拿温室中的一个升降架来说，如果根据数据可知太阳光照度过强或过弱，不适合农作物健康生长，那么用户就可通过手机手动操作电机，将卷帘卷起或放下，以此调节光照强度，使其达到适宜农作物生长的程度。

4 基于NB-IoT的智能温室监控系统的测试

设计完基于NB-IoT的智能温室监控系统之后，为了保证其具有可操作性、有效性，需要实际测试该系统。结合NB-IoT 技术，能够实时跟踪、及时调节温室中的环境参数，同时在获取参数后，向基站发送，经过基站再到达监控平台，这样用户就能够随时随地了解温室的情况，如空气和土壤的湿度、室内的温度等，根据需要调节系统运行模式，调整温度。经测试发现系统传输效率高、效果好，无丢包问题，整体比较稳定、可靠、安全。

5 结语

为了保证高效、稳定地传输数据，文章结合NBIoT无线通信技术，设计了一套针对农作物种植和生长的智能温室监控系统。最终的测试显示，该系统切实有效，与预期的要求相符合，从理论上来说应用于智慧农业领域是可行的。无论是只有一个温室的农业地，还是搭建了若干温室的农业园区，都适用该系统，都能够基于物联网技术对温室进行智能检测和监控，可大大提升温室监控的效率与效果。如果测量环境有多个，就配备相应数量的无线传感节点，对应监测环境参数，获得相应数据，如温度数据、气压数据、pH值数据、成分数据、二氧化碳浓度、空气（土壤）湿度数据等。而后监控节点将这些数据发送给控制模块，经过其存储、分析和显示，对数据进行整合、处理，最终形成有关图表和曲线，用户根据这些图表和曲线，就能详细了解温室的整体情况。另外，结合植物的生长特点，该系统还能发出相应的声光报警信息，提醒用户通过远程操控及时调节温室环境，避免造成损失。因此，笔者认为，基于NB-IoT 的智能温室监控系统是可以在农业发展领域得到实际应用的，有利于促进现代农业温室统一规划和远程便捷管理。经过深入研究和实践，基于该技术也可针对灌溉、施肥等方面设计相应的智能监控系统，这是智慧农业未来发展趋势之一。