基于NB-loT的多功能农业大棚监测及控制系统设计.pdf

第 59 卷 第 5 期 Vol 59 No 5 2021 年 5 月 May 2021 农业装备与车辆工程 AGRICULTURAL EQUIPMENT monitoring system design cloud IoT platform 73 第 59 卷第 5 期 后通过使用NB IoT通信模块 7 9 实现了农业大 棚内温度 湿度和光照强度的数据的传输到华为 云端 再通过华为云IoT平台下发命令来控制农 业电机和棚内LED的补光工作 1 农业大棚系统的结构设计 农业大棚监测控制系统主要是通过NB IoT 通讯模组和物联网技术 把大棚内采集到的空 气温度 土壤湿度 二氧化碳浓度及光照强度数 据等环境参数进行数字化转化后 实时上传到华 为云端进行汇总整合 农业管理人员登陆云端可 实时观测到大棚内的温湿度和光强的实时精确数 据 再根据农产品生长的各项指标要求进行定 时 定量 定位的计算处理 最后 通过管理员 操作云端下发命令来控制农业大棚内特定的农业 设备 使其及时 精确地开启或关闭 在本文设 计的农业系统中 打开LED增加大棚内光照强度 打开风扇使通风扇运转 实现大棚内空气流通顺畅 2 系统硬件设计 2 1 数据采集层 农业大棚的传感器采集传感器获取的植物生 长环境信息 通过布设在扩展板上的温湿度传感 器SHT30和光照强度传感器BH1750节点 实时 收集农业大棚内土壤和空气温度 湿度 光照强 度等参数 扩展板E53 IA1上的电机用来模拟风 扇等一些农用通风电机 LED用来模拟农业大棚 内的补光紫外线照灯 2 1 1 温湿度传感器 如图1所示 温湿度传感器选取SHT30 是 一个完全校准的 现行的 带有温度补偿的数字 输出型传感器 具有 2 4 5 5 V 的宽电压支持 使用IIC接口进行通信 最高速率可达1 M并且 有2个用户可选地址 除此之外 它还具有8个 引脚的DFN超小封装 2 1 2 光照强度传感器 如图2所示 光照强度传感器选取 BH1750 该型号传感器是一种用于两线制串行 总线接口的16位数字型光强度传感器集成电路 利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变 化 1lx 65535lx 内部含有微信号放大器 高精度电源和修正电路 具有工作电压范围宽 温度稳定性好等优点 2 1 3 电机 如图3所示 该电机相当于普通的风扇的控 制 通过一个GPIO来控制电机转停 2 1 4 补光灯 如图4所示 该补光灯相当于普通的LED 的控制 通过一个GPIO来控制灯的亮灭 2 2 NB loT通信模块 通信模块采用NB35 A 是一个通过 NB IoT 传输数据的通信扩展板 3 1 4 2 V 的供电 电压 典型值是3 3 V 板载华为海思的通信模 组BC35 G 支持IPv4 IPv6 UDP CoAP LwM2M TCP MQTT 等通信协议 NB IoT通信模组电路如 李睿欣 等 基于 NB IoT 的多功能农业大棚监测及控制系统设计 图1 温湿度传感器 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 图2 光照强度传感器 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 图3 电机 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 图4 补光灯 Fig 4 Supplementary light lamp V3 3 LED SW1 GND R1 1 K R3 1 K R2 1 K Q1 AO3416 D1 74 农业装备与车辆工程 2021 年 图5所示 2 3 主控板 如图6所示 微控制器选用基于 STM32L431RCT6 设计的高性能物联网开发板 具有灵活的功耗管理系统 支持超低功耗 集成 UART I2C SPI等通信接口 开发板充分考虑 物联网感知层设备的多样性 具有强大的可扩展 性 用于提供给开发者评估及快速设计相关物联 网的应用产品 3 系统软件开发 系统架构采用华为IoT Booster平台和软件开 发服务 构建和部署应用系统软件 研发了一套 智慧农业大棚实时监测系统 实现了农业大棚内 土壤湿度 空气温度 光照强度的全方位数据变 化的监测和显示 再根据农产品生长的各项指标 要求 进行定时 定量的计算和处理 从而使特 定的农业设备及时 精确地开启或者关闭 本农 业系统提供了快速开启紫光灯以模拟农业大棚内 的紫外线灯 从而补充日照不足的情况 适时开 启电机来模拟农业大棚内的风扇 来保持大棚内 的空气流通 提高界面的友好性与实用性 经由 无线信号收发模块传输数据 实现对大棚温湿度 的远程控制 系统结构如图7所示 4 系统实例测试 本智慧农业大棚监控系统硬件平台MCU选 用STM32L431RCT6 搭载LiteOS Studio操作系 统 编译调试工程代码 首先 准备好硬件平台 即STM32L431RC开发板 连接好智慧农业E53 IA1案例扩展板和NB35 A通信扩展板 NB35 A 通信扩展板需要安装 SIM卡 注意卡的缺口朝外 将串口选择开关拨到 MCU 模式 并用 USB 线将 开发板与电脑连接 连接好原理图后 将编译好 的程序加载进去 系统整体架构参见图8 本程序采用C语言进行编写 在LiteOS Studio 环境下对程序进行编译 调试 LiteOS Studio 是华为基于 LiteOS 嵌入式系统软件开发的 工具 支持 C C 汇编等多种开发语言 提供 代码编辑 编译 烧录及调试等一站式开发体验 通过开发中心在IoT平台创建项目空间 供 终端设备接入 开发者需要基于智慧农业大棚的 要求创造一个独立的项目 开发中心中预置了快 图6 主控板 Fig 6 Main control board 图7 系统软件结构 Fig 7 Software structure 开始 初始化MCU内部资源 初始化NB Iot 传感器数据采集 开启补光灯 开启电机 将数据上报华为云端 空气温度 土壤湿度 光照强度 光强是否小于阈值 温度是否大于阈值 是 是 否 否 开始 图8 系统整体架构 Fig 8 Overall architecture of the system 华为Iot BoosterWeb界面 NB Iot ARM处理器 应用层 传输层 数据采集层 光照强度 温度 湿度 光照传感器 温度传感器 湿度传感器 图5 NB loT通信模块 Fig 5 NB loT communication module 75 第 59 卷第 5 期 速集成模板 该模板包含产品模型 Profile 和编 解码插件 可以使用智慧农业模板直接进行开发 进行Web界面的开发 基于华为IoT Booster 平台构建应用系统 选择 农业管理 界面 设 置页面组件布局 拖动1个 选择组件 6个 监 控组件 和2个 命令下发 组件至页面中并按 照如图9所示的布局进行摆放 填写NB IoT模组的IMEM号 对该设备进 行注册 从而使上位机和开发板通过NB IoT模 组连接 开发板上电 可以在农业管理界面观察到空 气温度和土壤湿度以及光照强度的变化 在补光 灯界面点击设置参数 点击 on off 能够实现 手动控制紫外线灯的光灭 同理 也可以通过设 置参数来控制电机的运转和停止来模拟农业大棚 内的风扇 5 结语 本文基于NB IoT的多功能智慧农业大棚实 时监测与控制系统 通过各种传感器模块采集到 农业大棚内的温湿度和光照强度等数据 采用了 华为海思的通信模组NB IoT进行无线通信 将 采集到的数据上传到华为云平台上 实现了数据 的实时监测 通过华为IoT Booster平台 Web开 发展示了实时在线大棚内温度 湿度 光照强度 等数据信息 可实现对环境信息的远程采集和实 时检测 满足实时监测的要求 它不仅可以实时 采集农业大棚的温度 湿度和照度 同时减少了 前期传感器传输数据的投入成本 能够进行远程 监测和控制农业大棚的环境 大大提高了农作物 的生长水平 提高了农业的维护性和持久性 参考文献 1 斯丽丽 开彩红 丁大稳 基于NB IoT 的停车监测系统 J 自动化与仪表 2020 35 4 80 85 2 孙磊 张先勇 胡宪华 基于NB IoT 的电力管廊智能监测 系统研究与设计 J 电力信息与通信技术 2019 17 9 42 48 3 陈敏 胡春杰 阮聪 等 基于NB IoT 的水雨情实时监测系 统与设计 J 电子测量技术 2020 43 2 133 138 4 周万禹 胡乃瑞 杨美琪 等 温室大棚环境监测及控制系 统的设计 J 电子测试 2020 5 45 47 5 梁娟 基于单片机的智能温控风扇系统 J 软 件 2019 40 12 146 149 6 陶晨 基于Android 的车辆监控系统设计与实现 J 农业装 备与车辆工程 2018 56 12 75 78 7 杨文宇 章峰 吕旭悦 基于无线数据采集技术的整车控制 系统的设计 J 农业装备与车辆工程 2020 58 2 74 78 8 朱旭东 基于NB IoT 的车辆检测器在智能停车场的应用 J 物联网技术 2020 10 4 87 89 9 马俊 秦娟 姬馨玉 基于NB IoT 的多参数智慧农业大棚 系统设计 J 数字通信世界 2020 3 59 60 作者简介 李睿欣 1997 女 硕士研究生 主 要从事电力系统自动化 物联网 电子设计研究工作 E mail lyglrx 姚 磊 1983 男 博士 讲师 主要研究方向 超导电力应用 电力系统规划与优化运行等 E mail yaolei usst 李睿欣 等 基于 NB IoT 的多功能农业大棚监测及控制系统设计 图9 Web界面布局 Fig 9 Web interface layout