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

第 59 卷 第 5 期 Vol 59 No 5 2021 年 5 月 May 2021 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程 AGRICULTURAL EQUIPMENT monitoring system design cloud IoT platform 73 第 59 卷第 5 期 后通過使用NB IoT通信模塊 7 9 實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)大 棚內(nèi)溫度 濕度和光照強度的數(shù)據(jù)的傳輸?shù)饺A為 云端 再通過華為云IoT平臺下發(fā)命令來控制農(nóng) 業(yè)電機和棚內(nèi)LED的補光工作 1 農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測控制系統(tǒng)主要是通過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度數(shù) 據(jù)等環(huán)境參數(shù)進行數(shù)字化轉(zhuǎn)化后 實時上傳到華 為云端進行匯總整合 農(nóng)業(yè)管理人員登陸云端可 實時觀測到大棚內(nèi)的溫濕度和光強的實時精確數(shù) 據(jù) 再根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品生長的各項指標要求進行定 時 定量 定位的計算處理 最后 通過管理員 操作云端下發(fā)命令來控制農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)特定的農(nóng)業(yè) 設(shè)備 使其及時 精確地開啟或關(guān)閉 在本文設(shè) 計的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中 打開LED增加大棚內(nèi)光照強度 打開風扇使通風扇運轉(zhuǎn) 實現(xiàn)大棚內(nèi)空氣流通順暢 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 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 長環(huán)境信息 通過布設(shè)在擴展板上的溫濕度傳感 器SHT30和光照強度傳感器BH1750節(jié)點 實時 收集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)土壤和空氣溫度 濕度 光照強 度等參數(shù) 擴展板E53 IA1上的電機用來模擬風 扇等一些農(nóng)用通風電機 LED用來模擬農(nóng)業(yè)大棚 內(nèi)的補光紫外線照燈 2 1 1 溫濕度傳感器 如圖1所示 溫濕度傳感器選取SHT30 是 一個完全校準的 現(xiàn)行的 帶有溫度補償?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接口進行通信 最高速率可達1 M并且 有2個用戶可選地址 除此之外 它還具有8個 引腳的DFN超小封裝 2 1 2 光照強度傳感器 如圖2所示 光照強度傳感器選取 BH1750 該型號傳感器是一種用于兩線制串行 總線接口的16位數(shù)字型光強度傳感器集成電路 利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強度變 化 1lx 65535lx 內(nèi)部含有微信號放大器 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 2 1 3 電機 如圖3所示 該電機相當于普通的風扇的控 制 通過一個GPIO來控制電機轉(zhuǎn)停 2 1 4 補光燈 如圖4所示 該補光燈相當于普通的LED 的控制 通過一個GPIO來控制燈的亮滅 2 2 NB loT通信模塊 通信模塊采用NB35 A 是一個通過 NB IoT 傳輸數(shù)據(jù)的通信擴展板 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)測及控制系統(tǒng)設(shè)計 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 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)計的高性能物聯(lián)網(wǎng)開發(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 具有強大的可擴展 性 用于提供給開發(fā)者評估及快速設(shè)計相關(guān)物聯(lián) 網(wǎng)的應(yīng)用產(chǎn)品 3 系統(tǒng)軟件開發(fā) 系統(tǒng)架構(gòu)采用華為IoT Booster平臺和軟件開 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)大棚實時監(jiān)測系統(tǒng) 實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)大棚內(nèi) 土壤濕度 空氣溫度 光照強度的全方位數(shù)據(jù)變 化的監(jiān)測和顯示 再根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品生長的各項指標 要求 進行定時 定量的計算和處理 從而使特 定的農(nóng)業(yè)設(shè)備及時 精確地開啟或者關(guān)閉 本農(nóng) 業(yè)系統(tǒng)提供了快速開啟紫光燈以模擬農(nóng)業(yè)大棚內(nèi) 的紫外線燈 從而補充日照不足的情況 適時開 啟電機來模擬農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的風扇 來保持大棚內(nèi) 的空氣流通 提高界面的友好性與實用性 經(jīng)由 無線信號收發(fā)模塊傳輸數(shù)據(jù) 實現(xiàn)對大棚溫濕度 的遠程控制 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示 4 系統(tǒng)實例測試 本智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺MCU選 用STM32L431RCT6 搭載LiteOS Studio操作系 統(tǒng) 編譯調(diào)試工程代碼 首先 準備好硬件平臺 即STM32L431RC開發(fā)板 連接好智慧農(nóng)業(yè)E53 IA1案例擴展板和NB35 A通信擴展板 NB35 A 通信擴展板需要安裝 SIM卡 注意卡的缺口朝外 將串口選擇開關(guān)撥到 MCU 模式 并用 USB 線將 開發(fā)板與電腦連接 連接好原理圖后 將編譯好 的程序加載進去 系統(tǒng)整體架構(gòu)參見圖8 本程序采用C語言進行編寫 在LiteOS Studio 環(huán)境下對程序進行編譯 調(diào)試 LiteOS Studio 是華為基于 LiteOS 嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的 工具 支持 C C 匯編等多種開發(fā)語言 提供 代碼編輯 編譯 燒錄及調(diào)試等一站式開發(fā)體驗 通過開發(fā)中心在IoT平臺創(chuàng)建項目空間 供 終端設(shè)備接入 開發(fā)者需要基于智慧農(nóng)業(yè)大棚的 要求創(chuàng)造一個獨立的項目 開發(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 開啟補光燈 開啟電機 將數(shù)據(jù)上報華為云端 空氣溫度 土壤濕度 光照強度 光強是否小于閾值 溫度是否大于閾值 是 是 否 否 開始 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)模板直接進行開發(fā) 進行Web界面的開發(fā) 基于華為IoT Booster 平臺構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng) 選擇 農(nóng)業(yè)管理 界面 設(shè) 置頁面組件布局 拖動1個 選擇組件 6個 監(jiān) 控組件 和2個 命令下發(fā) 組件至頁面中并按 照如圖9所示的布局進行擺放 填寫NB IoT模組的IMEM號 對該設(shè)備進 行注冊 從而使上位機和開發(fā)板通過NB IoT模 組連接 開發(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度的變化 在補光 燈界面點擊設(shè)置參數(shù) 點擊 on off 能夠?qū)崿F(xiàn) 手動控制紫外線燈的光滅 同理 也可以通過設(shè) 置參數(shù)來控制電機的運轉(zhuǎn)和停止來模擬農(nóng)業(yè)大棚 內(nèi)的風扇 5 結(jié)語 本文基于NB IoT的多功能智慧農(nóng)業(yè)大棚實 時監(jiān)測與控制系統(tǒng) 通過各種傳感器模塊采集到 農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的溫濕度和光照強度等數(shù)據(jù) 采用了 華為海思的通信模組NB IoT進行無線通信 將 采集到的數(shù)據(jù)上傳到華為云平臺上 實現(xiàn)了數(shù)據(jù) 的實時監(jiān)測 通過華為IoT Booster平臺 Web開 發(fā)展示了實時在線大棚內(nèi)溫度 濕度 光照強度 等數(shù)據(jù)信息 可實現(xiàn)對環(huán)境信息的遠程采集和實 時檢測 滿足實時監(jiān)測的要求 它不僅可以實時 采集農(nóng)業(yè)大棚的溫度 濕度和照度 同時減少了 前期傳感器傳輸數(shù)據(jù)的投入成本 能夠進行遠程 監(jiān)測和控制農(nóng)業(yè)大棚的環(huán)境 大大提高了農(nóng)作物 的生長水平 提高了農(nóng)業(yè)的維護性和持久性 參考文獻 1 斯麗麗 開彩紅 丁大穩(wěn) 基于NB IoT 的停車監(jiān)測系統(tǒng) J 自動化與儀表 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 系統(tǒng)研究與設(shè)計 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 的水雨情實時監(jiān)測系 統(tǒng)與設(shè)計 J 電子測量技術(shù) 2020 43 2 133 138 4 周萬禹 胡乃瑞 楊美琪 等 溫室大棚環(huán)境監(jiān)測及控制系 統(tǒng)的設(shè)計 J 電子測試 2020 5 45 47 5 梁娟 基于單片機的智能溫控風扇系統(tǒng) J 軟 件 2019 40 12 146 149 6 陶晨 基于Android 的車輛監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) J 農(nóng)業(yè)裝 備與車輛工程 2018 56 12 75 78 7 楊文宇 章峰 呂旭悅 基于無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)的整車控制 系統(tǒng)的設(shè)計 J 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程 2020 58 2 74 78 8 朱旭東 基于NB IoT 的車輛檢測器在智能停車場的應(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 J 數(shù)字通信世界 2020 3 59 60 作者簡介 李睿欣 1997 女 碩士研究生 主 要從事電力系統(tǒng)自動化 物聯(lián)網(wǎng) 電子設(shè)計研究工作 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)測及控制系統(tǒng)設(shè)計 圖9 Web界面布局 Fig 9 Web interface layout