基于NB-loT的多功能農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

第 59 卷 第 5 期 Vol 59 No 5 2021 年 5 月 May 2021 農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程 AGRICULTURAL EQUIPMENT monitoring system design cloud IoT platform 73 第 59 卷第 5 期 后通過(guò)使用NB IoT通信模塊 7 9 實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)大 棚內(nèi)溫度 濕度和光照強(qiáng)度的數(shù)據(jù)的傳輸?shù)饺A為 云端 再通過(guò)華為云IoT平臺(tái)下發(fā)命令來(lái)控制農(nóng) 業(yè)電機(jī)和棚內(nèi)LED的補(bǔ)光工作 1 農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)主要是通過(guò)NB IoT 通訊模組和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 把大棚內(nèi)采集到的空 氣溫度 土壤濕度 二氧化碳濃度及光照強(qiáng)度數(shù) 據(jù)等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)化后 實(shí)時(shí)上傳到華 為云端進(jìn)行匯總整合 農(nóng)業(yè)管理人員登陸云端可 實(shí)時(shí)觀測(cè)到大棚內(nèi)的溫濕度和光強(qiáng)的實(shí)時(shí)精確數(shù) 據(jù) 再根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品生長(zhǎng)的各項(xiàng)指標(biāo)要求進(jìn)行定 時(shí) 定量 定位的計(jì)算處理 最后 通過(guò)管理員 操作云端下發(fā)命令來(lái)控制農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)特定的農(nóng)業(yè) 設(shè)備 使其及時(shí) 精確地開(kāi)啟或關(guān)閉 在本文設(shè) 計(jì)的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中 打開(kāi)LED增加大棚內(nèi)光照強(qiáng)度 打開(kāi)風(fēng)扇使通風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn) 實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)空氣流通順暢 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2 1 數(shù)據(jù)采集層 農(nóng)業(yè)大棚的傳感器采集傳感器獲取的植物生 長(zhǎng)環(huán)境信息 通過(guò)布設(shè)在擴(kuò)展板上的溫濕度傳感 器SHT30和光照強(qiáng)度傳感器BH1750節(jié)點(diǎn) 實(shí)時(shí) 收集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)土壤和空氣溫度 濕度 光照強(qiáng) 度等參數(shù) 擴(kuò)展板E53 IA1上的電機(jī)用來(lái)模擬風(fēng) 扇等一些農(nóng)用通風(fēng)電機(jī) LED用來(lái)模擬農(nóng)業(yè)大棚 內(nèi)的補(bǔ)光紫外線照燈 2 1 1 溫濕度傳感器 如圖1所示 溫濕度傳感器選取SHT30 是 一個(gè)完全校準(zhǔn)的 現(xiàn)行的 帶有溫度補(bǔ)償?shù)臄?shù)字 輸出型傳感器 具有 2 4 5 5 V 的寬電壓支持 使用IIC接口進(jìn)行通信 最高速率可達(dá)1 M并且 有2個(gè)用戶可選地址 除此之外 它還具有8個(gè) 引腳的DFN超小封裝 2 1 2 光照強(qiáng)度傳感器 如圖2所示 光照強(qiáng)度傳感器選取 BH1750 該型號(hào)傳感器是一種用于兩線制串行 總線接口的16位數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路 利用它的高分辨率可以探測(cè)較大范圍的光強(qiáng)度變 化 1lx 65535lx 內(nèi)部含有微信號(hào)放大器 高精度電源和修正電路 具有工作電壓范圍寬 溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn) 2 1 3 電機(jī) 如圖3所示 該電機(jī)相當(dāng)于普通的風(fēng)扇的控 制 通過(guò)一個(gè)GPIO來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)停 2 1 4 補(bǔ)光燈 如圖4所示 該補(bǔ)光燈相當(dāng)于普通的LED 的控制 通過(guò)一個(gè)GPIO來(lái)控制燈的亮滅 2 2 NB loT通信模塊 通信模塊采用NB35 A 是一個(gè)通過(guò) NB IoT 傳輸數(shù)據(jù)的通信擴(kuò)展板 3 1 4 2 V 的供電 電壓 典型值是3 3 V 板載華為海思的通信模 組BC35 G 支持IPv4 IPv6 UDP CoAP LwM2M TCP MQTT 等通信協(xié)議 NB IoT通信模組電路如 李睿欣 等 基于 NB IoT 的多功能農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖1 溫濕度傳感器 Fig 1 Temperature and humidity sensor IIC SDA IIC SCL INT GND GND GND GND 1 2 3 4 8 7 6 5 U1 9 SHT30 V3 3 C1 104 SDA ADDR ALERT SCL VSS R nRESET VDD EPAD 圖2 光照強(qiáng)度傳感器 Fig 2 Photographic intensity sensor IIC SDA IIC SCL GND GND 1 2 3 6 5 4 U1 BH1750 V3 3 V3 3 C3 104 C4 1 F R4 1 K VCC ADDR GND SCL DVI SDA 圖3 電機(jī) Fig 3 Motor moter sw motor TLP1 D2 SS14 TLP521 R5 1 K Q2 8050 C5 10 nF R6 1 K V5 0 V5 0 M1 GND GND 1 2 1 2 4 3 圖4 補(bǔ)光燈 Fig 4 Supplementary light lamp V3 3 LED SW1 GND R1 1 K R3 1 K R2 1 K Q1 AO3416 D1 74 農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程 2021 年 圖5所示 2 3 主控板 如圖6所示 微控制器選用基于 STM32L431RCT6 設(shè)計(jì)的高性能物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)板 具有靈活的功耗管理系統(tǒng) 支持超低功耗 集成 UART I2C SPI等通信接口 開(kāi)發(fā)板充分考慮 物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)備的多樣性 具有強(qiáng)大的可擴(kuò)展 性 用于提供給開(kāi)發(fā)者評(píng)估及快速設(shè)計(jì)相關(guān)物聯(lián) 網(wǎng)的應(yīng)用產(chǎn)品 3 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā) 系統(tǒng)架構(gòu)采用華為IoT Booster平臺(tái)和軟件開(kāi) 發(fā)服務(wù) 構(gòu)建和部署應(yīng)用系統(tǒng)軟件 研發(fā)了一套 智慧農(nóng)業(yè)大棚實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)大棚內(nèi) 土壤濕度 空氣溫度 光照強(qiáng)度的全方位數(shù)據(jù)變 化的監(jiān)測(cè)和顯示 再根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品生長(zhǎng)的各項(xiàng)指標(biāo) 要求 進(jìn)行定時(shí) 定量的計(jì)算和處理 從而使特 定的農(nóng)業(yè)設(shè)備及時(shí) 精確地開(kāi)啟或者關(guān)閉 本農(nóng) 業(yè)系統(tǒng)提供了快速開(kāi)啟紫光燈以模擬農(nóng)業(yè)大棚內(nèi) 的紫外線燈 從而補(bǔ)充日照不足的情況 適時(shí)開(kāi) 啟電機(jī)來(lái)模擬農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的風(fēng)扇 來(lái)保持大棚內(nèi) 的空氣流通 提高界面的友好性與實(shí)用性 經(jīng)由 無(wú)線信號(hào)收發(fā)模塊傳輸數(shù)據(jù) 實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚溫濕度 的遠(yuǎn)程控制 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示 4 系統(tǒng)實(shí)例測(cè)試 本智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)MCU選 用STM32L431RCT6 搭載LiteOS Studio操作系 統(tǒng) 編譯調(diào)試工程代碼 首先 準(zhǔn)備好硬件平臺(tái) 即STM32L431RC開(kāi)發(fā)板 連接好智慧農(nóng)業(yè)E53 IA1案例擴(kuò)展板和NB35 A通信擴(kuò)展板 NB35 A 通信擴(kuò)展板需要安裝 SIM卡 注意卡的缺口朝外 將串口選擇開(kāi)關(guān)撥到 MCU 模式 并用 USB 線將 開(kāi)發(fā)板與電腦連接 連接好原理圖后 將編譯好 的程序加載進(jìn)去 系統(tǒng)整體架構(gòu)參見(jiàn)圖8 本程序采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě) 在LiteOS Studio 環(huán)境下對(duì)程序進(jìn)行編譯 調(diào)試 LiteOS Studio 是華為基于 LiteOS 嵌入式系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的 工具 支持 C C 匯編等多種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言 提供 代碼編輯 編譯 燒錄及調(diào)試等一站式開(kāi)發(fā)體驗(yàn) 通過(guò)開(kāi)發(fā)中心在IoT平臺(tái)創(chuàng)建項(xiàng)目空間 供 終端設(shè)備接入 開(kāi)發(fā)者需要基于智慧農(nóng)業(yè)大棚的 要求創(chuàng)造一個(gè)獨(dú)立的項(xiàng)目 開(kāi)發(fā)中心中預(yù)置了快 圖6 主控板 Fig 6 Main control board 圖7 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) Fig 7 Software structure 開(kāi)始 初始化MCU內(nèi)部資源 初始化NB Iot 傳感器數(shù)據(jù)采集 開(kāi)啟補(bǔ)光燈 開(kāi)啟電機(jī) 將數(shù)據(jù)上報(bào)華為云端 空氣溫度 土壤濕度 光照強(qiáng)度 光強(qiáng)是否小于閾值 溫度是否大于閾值 是 是 否 否 開(kāi)始 圖8 系統(tǒng)整體架構(gòu) Fig 8 Overall architecture of the system 華為Iot BoosterWeb界面 NB Iot ARM處理器 應(yīng)用層 傳輸層 數(shù)據(jù)采集層 光照強(qiáng)度 溫度 濕度 光照傳感器 溫度傳感器 濕度傳感器 圖5 NB loT通信模塊 Fig 5 NB loT communication module 75 第 59 卷第 5 期 速集成模板 該模板包含產(chǎn)品模型 Profile 和編 解碼插件 可以使用智慧農(nóng)業(yè)模板直接進(jìn)行開(kāi)發(fā) 進(jìn)行Web界面的開(kāi)發(fā) 基于華為IoT Booster 平臺(tái)構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng) 選擇 農(nóng)業(yè)管理 界面 設(shè) 置頁(yè)面組件布局 拖動(dòng)1個(gè) 選擇組件 6個(gè) 監(jiān) 控組件 和2個(gè) 命令下發(fā) 組件至頁(yè)面中并按 照如圖9所示的布局進(jìn)行擺放 填寫(xiě)NB IoT模組的IMEM號(hào) 對(duì)該設(shè)備進(jìn) 行注冊(cè) 從而使上位機(jī)和開(kāi)發(fā)板通過(guò)NB IoT模 組連接 開(kāi)發(fā)板上電 可以在農(nóng)業(yè)管理界面觀察到空 氣溫度和土壤濕度以及光照強(qiáng)度的變化 在補(bǔ)光 燈界面點(diǎn)擊設(shè)置參數(shù) 點(diǎn)擊 on off 能夠?qū)崿F(xiàn) 手動(dòng)控制紫外線燈的光滅 同理 也可以通過(guò)設(shè) 置參數(shù)來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和停止來(lái)模擬農(nóng)業(yè)大棚 內(nèi)的風(fēng)扇 5 結(jié)語(yǔ) 本文基于NB IoT的多功能智慧農(nóng)業(yè)大棚實(shí) 時(shí)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng) 通過(guò)各種傳感器模塊采集到 農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的溫濕度和光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù) 采用了 華為海思的通信模組NB IoT進(jìn)行無(wú)線通信 將 采集到的數(shù)據(jù)上傳到華為云平臺(tái)上 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù) 的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 通過(guò)華為IoT Booster平臺(tái) Web開(kāi) 發(fā)展示了實(shí)時(shí)在線大棚內(nèi)溫度 濕度 光照強(qiáng)度 等數(shù)據(jù)信息 可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境信息的遠(yuǎn)程采集和實(shí) 時(shí)檢測(cè) 滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求 它不僅可以實(shí)時(shí) 采集農(nóng)業(yè)大棚的溫度 濕度和照度 同時(shí)減少了 前期傳感器傳輸數(shù)據(jù)的投入成本 能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程 監(jiān)測(cè)和控制農(nóng)業(yè)大棚的環(huán)境 大大提高了農(nóng)作物 的生長(zhǎng)水平 提高了農(nóng)業(yè)的維護(hù)性和持久性 參考文獻(xiàn) 1 斯麗麗 開(kāi)彩紅 丁大穩(wěn) 基于NB IoT 的停車(chē)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) J 自動(dòng)化與儀表 2020 35 4 80 85 2 孫磊 張先勇 胡憲華 基于NB IoT 的電力管廊智能監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) J 電力信息與通信技術(shù) 2019 17 9 42 48 3 陳敏 胡春杰 阮聰 等 基于NB IoT 的水雨情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)與設(shè)計(jì) J 電子測(cè)量技術(shù) 2020 43 2 133 138 4 周萬(wàn)禹 胡乃瑞 楊美琪 等 溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)及控制系 統(tǒng)的設(shè)計(jì) J 電子測(cè)試 2020 5 45 47 5 梁娟 基于單片機(jī)的智能溫控風(fēng)扇系統(tǒng) J 軟 件 2019 40 12 146 149 6 陶晨 基于Android 的車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) J 農(nóng)業(yè)裝 備與車(chē)輛工程 2018 56 12 75 78 7 楊文宇 章峰 呂旭悅 基于無(wú)線數(shù)據(jù)采集技術(shù)的整車(chē)控制 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) J 農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程 2020 58 2 74 78 8 朱旭東 基于NB IoT 的車(chē)輛檢測(cè)器在智能停車(chē)場(chǎng)的應(yīng)用 J 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2020 10 4 87 89 9 馬俊 秦娟 姬馨玉 基于NB IoT 的多參數(shù)智慧農(nóng)業(yè)大棚 系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 數(shù)字通信世界 2020 3 59 60 作者簡(jiǎn)介 李睿欣 1997 女 碩士研究生 主 要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化 物聯(lián)網(wǎng) 電子設(shè)計(jì)研究工作 E mail lyglrx 姚 磊 1983 男 博士 講師 主要研究方向 超導(dǎo)電力應(yīng)用 電力系統(tǒng)規(guī)劃與優(yōu)化運(yùn)行等 E mail yaolei usst 李睿欣 等 基于 NB IoT 的多功能農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖9 Web界面布局 Fig 9 Web interface layout