基于NB-IoT技术的智慧牧场环境监测系统设计与实现

关键词：窄带物联网；环境监测；NB-IoT；传感器；实时监测；远程控制

0 引言

随着5G技术、大数据的广泛应用，畜牧业的“智慧化”将是其今后发展的主要目标。在5G技术引领下，基于NB-IoT环境监控系统有着广泛的物联网应用，具有覆盖广、连接多、成本低、功耗低、架构优等优势，能够实现远距离通信，可以为牧场的圈舍、饲料棚、挤奶厅等，牲畜活动场地提供温度、湿度、氨气浓度、光照强度等环境相关数据的实时监测，在NB-IoT 通讯技术支持下，设备终端与云平台可互联、互传，将环境监测数据上传至云平台，经过系统分析处理后，由中心控制系统下发命令来控制圈舍等活动场地的应用设施，便于对环境的监控与管理[1]。

1.总体架构设计

环境监控系统的总体架构包括数据信息采集、数据处理、平台端、应用端等4个部分。该系统总体架构如图1所示。其中数据信息采集单元通过环境温度、湿度、氨气浓度、二氧化碳等传感器模块，采集环境中实时的数据；数据处理单元以STM32嵌入式芯片为主处理器，依托NB-loT技术对数据采集以及平台端之间在基站的基础上进行数据通信；平台端通过云平台实现实时检测、接收环境数据，实时进行数据远程监控，同时完成环境数据的监控、统计等操作，具有消息推送、短信报警等功能，检测设备运行状态，管理云平台具备设备绑定、环境数据监控、统计、预警等功能，便于对数据的处理与管理[2]。应用端可以采用网页端、手机端应用平台、手机App等进行环境数据的实时监测和监控应用。

2 硬件系统设计

硬件系统整体架构如图2，硬件设计是根据数据采集单元，数据处理单元采用一款基于ARM Cortex-M 内核STM32系列的32位的微控制器，数据采集模块主要用于监测环境的温湿度、二氧化碳、氨气、光照等，NB-loT模组作为数据传输部分。NB-loT模组与数据处理单元连接，其功能是环境数据采集、处理，同时完成平台与控制器间的数据通信、预警、控制等相关指令的交互。NB-IoT 是 IoT 领域一种新的技术[3]，NB-loT技术所构建的系统模型应用较简单，只要有移动运营商的网络即可，设备节点通过NB-IoT模组连接其运营商的基站，与服务器建立TCP连接，然后将相关数据上传至云平台。

2.1 STM32最小系统

由于STM32 系列32 位单片机，内核是Cortex-M3，具备了低成本、功能强大、低功耗等高性能的特性，系统选取此单片机，此单片机主处理器型号是STM32F103RCT6，存储容量为128 KB，工作时温度在-40～85℃，电源电压为2～3.6V。最小系统有主控芯片、晶振电路、程序下载口等。由于集成了多种外设接口，可以采集多种传感器数据，并通过选用的NB模组将传感器数据发送到相应的云平台。最小系统STM32的控制器作为整个系统的控制中枢，可以实现对所有模块的调用和控制，实现所有传感器数据采集和传输的功能。

2.2 NB-loT 模块

NB模组采用移远的SIM7000C，此模组的尺寸小、功耗低，通过电信、移动等运营商的基站就可以实施远距离传输，无须搭建中继网关，基站与节点直接交互数据，降低外界因素的干扰。主控制器STM32与通讯模块SIM7000C通过串口通信，SIM7000C的功能很强大，只需要STM32通过串口发送几个简单的AT指令，就可以实现各种应用，其模块电路如图3所示。

数据处理单元的通信串口UART1_RX，UART1_TX 通过电平转换电路与SIM7000C 的通信串口NB_TXD ，NB_RXD进行数据交互，实现对其通讯模组指令、数据的上传和下发。其中物联网卡与通讯模组的30、31引脚连接，天线外置需要与60引脚RFANT相连，数据上传与命令接收主要借助天线部分完成。NB-loT通讯模块需移动运营商的NB物联网卡方能正常使用，每张物联网卡都有自己唯一的身份IMSI 号，运营商通讯网络可有效识别各个节点的IMSI号。

2.3 数据采集单元

温湿度、二氧化碳、氨气浓度、光照强度等变送器模块的通讯方式比较多样化，有UART、485、RS232、LoRa等，使用一个MCU能够兼容采集各种环境数据，依托RS485通信方式，可以把采集的环境实时数据传给数据处理单元、然后通过NB-IoT模组发送给云平台。采集接口电路如图4所示，实物图如图5所示，传感器性能参数如表1所示。

3 软件系统设计

3.1 软件整体化设计

智慧牧场环境监控系统软件的设计主要分为NB-loT通讯模组数据传输程序、数据采集单元程序。整体程序设计运用Keil MDK-ARM软件编译、调试。用标准C作为设计开发语言类型，采用JLink的SWD 方式给芯片烧录HEX文件。在设备上电初始化运行阶段，各个硬件单元会进入工作状态，各硬件单元采用串口中断服务。软件主要有系统鉴权登录、传感器实时数据采集、模式设置。传感器实时数据采集：温湿度、二氧化碳、氨气浓度、光照强度等实时状态。模式设置：人工模式可手动控制，智能模式根据设定阈值智能决策。传感器的数据通过NB模块传到相应的管理云平台。当出现数据触发报警标准的情况，应用端会接收到相关信号。

3.2 数据采集单元软件设计

变送器完成温湿度、二氧化碳、氨气浓度及光照强度等信息数据采集后，向数据节点发送数据，根据编写的控制指令对变送器、灯光状态、风扇转速等进行控制。实施的主要流程如下：首先是初始化相关设备或端口，如对NB-loT模组、串口及定时器等的初始化设置，区分数据的类型，读取串口数据，针对不同传感器类型，使用单总线协议、I/O口设置等相关程序。在程序编写时，重点注意匹配时间，如传感器响应的时间与数据总线 SDA 拉低的时间要符合。针对查询请求的需求，打包传感数据给变送器节点，然后无线发送给NB-loT模块，对于控制指令，需要设置相关端口控制后端继电器，然后定时读取环境数据。

3.3 NB-loT 通讯模块软件设计

NB-loT通讯模块主要用于对变送器节点发送环境数据的接收[4]，然后将接收的数据上传到云平台。通过串口发送的有：设备的注册上线、数据的上传、指令的下发和设备的注销发送 AT 指令控制。为了进一步减轻 CPU 的负担，提升系统运行的速度，采用了直接存储器访问DMA串口中断方式，而且数据采集端变送器节点，数据处理端STM32主控制器、NB-loT模组以及平台端3个部分之间可以实现数据与指令的正向与反向传达，实现了环境数据的可预警性，有效快捷地做出应对措施。

3.4 构建管理云平台

研究构建管理云平台，优势在于能够对多种网络、协议给予支持，各类地貌场景覆盖，在环境监测应用中可以起到数据分发、节点管理等诸多作用。用户可以通过注册方式取得账号，登录进入应用界面，与管理云平台建立通道[5]。关注管理的微信公众号，也可以实现微信报警消息发送功能，绑定终端触发器，达到预警报警功能。

4 系统测试与结果分析

本系统在银川某合作试验牛场进行测试试验，在该牧场内随机挑选一牛舍，牛舍内部安装一套环境监测系统，目前实验数据采集40余万条。各终端供电开机，采集环境数据，应用系统中的NB-IoT通信模块进行环境数据上传至环境数据监测云平台。在应用端App监测温度、光照传感器模块变化情况，并实施跟踪测试。试验开始前，在应用端参数设置界面，将（风扇）触发器的温度参数上限设置为24℃、下限为18℃，如图6所示；将（灯光）触发器的光照强度参数上限设置为100 Lux、下限为50 Lux，如图7所示。上述作为预警标准，当牛舍的温度、光照强度处于预警标准内，电脑云平台WEB、手机App等应用端发出告警信息，并将信息下发给触发器，触发器会根据预定标准执行风扇和灯光的启动或关闭。试验过程中，测试人员在牛舍内，使用应用端监测到当前温度为22.8℃，光照强度为46 Lux，如图8所示，此时手机应用端也通过NBIoT通信模块上传收到相关的环境信息，测试人员在牛舍内观察到通道方向的8路风扇陆续开启，牛舍内总共6路灯光全部开启。如此可见，系统在测试现场能稳定运行，用户能够实时监测环境的实时数据状态，并根据数据智能控制相关触发器，管理相关应用设施。

5 结束语

综上系统设计，结合窄带物联网（NB-IoT）技术、传感器技术、计算机技术等有效地对环境质量进行综合评价。为相关场景管理人员提供实时信息，可辅助决策。基于NB-IoT技术的环境监测系统，可以应用在智慧城市、农业物联网等环境监测的场景，解决布线复杂、传输能力差、人工监测耗时费力等问题，提高智能化、精细化水平和兼容性，有效地对各种环境监测数据进行质量综合分析和评价、监控和预警。随着物联网多样化应用、智能化发展，数据量不断增大，再辅以大数据的分析处理，有着广阔的前景和应用价值。