1、基于 NB-IoT 的农田远程监测系统的设计 王能辉 胡国强 宝鸡文理学院 西北农林科技大学网络与教育技术中心 摘 要： 为了实时了解农作物生长环境信息, 综合运用传感器技术、嵌入式技术和基于蜂窝的窄带物联网 (Narrow Band Internet of Things, NB-IoT) 等先进的信息技术, 设计了基于 NB-IoT 的农田远程监测系统。此系统可对农田空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、二氧化碳浓度、土壤 pH 值进行监测, 并利用 NB-IoT网络将实时采集的农田环境数据上传到后台管理服务器。后台服务器部署的农田环境数据监测平台采用 LNMP (Linux+Nginx+My
2、SQL+PHP) 网站服务器架构实现, 用户可使用浏览器访问农田环境数据监测平台来获取农田环境数据。该系统具有功能实用、操作简单、可大规模部署等特点。关键词： NB-IoT; 农田; 远程监测; 作者简介：王能辉 (1980-) , 男, 陕西安康人, 工程师, 硕士研究方向为计算机网络, 网络安全, 物联网。收稿日期：2017-09-06基金：宝鸡文理学院 2017 年硕博启动科研项目 (ZK2017076) Received： 2017-09-06引言农田环境要素, 如空气温湿度、光照强度、二氧化碳浓度、土壤温湿度、土壤p H 等, 对农作物的品质和产量有着很大的影响。及时掌握农田环境多元
3、信息, 进行科学分析与预测, 从而有针对性地采取措施, 实现对农作物生长环境的智能控制, 有助于实现农业智能化1。为了及时获取农田环境信息, 可建立远程监测系统对农田环境进行监测。目前, 国内外已有学者就农田环境信息监测展开研究, 并取得了一定的成果。殷建军等利用 CMOS 图像传感器和 S3C6410 嵌入式处理器设计了可以实时获取农田图像和视频信息的农田远程监测系统2;辛玉明设计了基于 ARM 的农田气候自动观测系统, 此系统利用 GPRS 传输采集的农田环境信息3;于婷婷等设计并实现了农田环境信息采集与远程监测系统, 该系统利用 STC12C5A60S2 单片机为核心控制器, 通过 GS
4、M (Global System for Mobile Communications) 无线传输网络进行数据上传4;臧贺藏等开发了基于Android 平台的智慧农田远程监控系统5;于泓博等将采集的数据经北斗导航系统定位后, 再由嵌入式系统进行处理和显示, 从而实现对农田环境的实时监测6;余攀等设计并实现了基于 Zigbee 无线传感网络的农田远程监测系统7;马一棉设计并实现了基于 STM32 的嵌入式农田信息采集系统8;左现刚等设计了基于 Arduino 和 VI 的农田信息无线采集系统9;张慧颖利用 Zig Bee 和 3G技术实现了农田环境监测系统10;张波等实现了基于无线传感器网络的无人
5、机农田信息监测系统11;林兰芬等利用 GIS 技术实现了农田小气候环境可视监测系统12, 上述研究采用 GPRS、GSM、3G、4G 等技术上传数据, 查阅资料发现, 迄今为止, 没有采用 NB-Io T 网络上传农田环境数据的研究。NB-Io T 构建于蜂窝网络, 只消耗大约 180KHz 的频段, 可直接部署于 GSM 网络、UMTS 网络或 LTE 网络, NB-Io T 技术是一种第 3 代合作伙伴计划 (3GPP) 标准定义的 LPWA (Low Power Wide Area, 低功耗广域) 解决方案。2016 年 6 月 16日, 在韩国釜山举行的 3GPPRAN 全会第 72
6、次会议上 NB-Io T 所对应的 3GPP 协议获得了 RAN 全会批准, 正式宣告 NB-Io T 标准的研究已全部完成13。NB-Io T 标准的确定不但加速了物联网产业的发展进程, 而且促进了物联网技术在更多领域的大规模使用。鉴于 NB-Io T 技术的优势, 文章采用 RS485 总线将采集的农田环境数据发送到 NB-Io T 模块, NB-Io T 模块接收到农田环境数据后经过 NB-Io T 网络发送给部署了农田环境数据监测平台的后台服务器, 用户或科研人员可通过 NB-Io T 网络直接获取环境数据或通过 TCP/IP 网络访问后台服务器获取环境数据。1 NB-Io T 概述L
7、PWA 是低功耗广域网络, 专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计13, 主要解决物联网末端 1km 的通信问题。LPWA 又可分为两类:一类是工作于未授权频谱的 Lo Ra、Sig Fox 等技术;另一类是工作于授权频谱下, 3GPP 支持的 2/3/4G 蜂窝通信技术, 比如 EC-GSM、Cat-1、LTE Cat-m、NB-Io T 等, 其主要技术指标情况见表 114。NB-Io T 作为 LPWA 的一种, 具有海量设备接入 (单扇区可支持 50 000 个连接) 、低速率小数据分组 (支持单用户上下行至少 160 bit/s) 、模组超低成本 (单个接连模块不超过
8、 5 美元) 、超低功耗 (5Wh 电池可供终端使用 10 年) 、广覆盖 (比现有的网络提升 20 d B 的覆盖能力) 、时延不敏感 (上行时延可放宽到 10s 以上) 、大部分终端处于静止或低速移动等业务特性。NB-Io T 使用License 频段, 可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式, 与现有网络共存。2 系统总体设计方案2.1 系统实现的主要功能(1) 农田环境数据的采集, 包括土壤温湿度、土壤 p H 值、空气温湿度度、二氧化碳浓度、光照强度等环境信息。(2) 通过后台服务器上部署的农田环境数据监测平台可以查询连续或适时的历史环境数据。(3) 农田环境异常时, 后台服务器
9、发送告警信息。2.2 系统的总体架构系统按功能模块划分为三大部分:(1) 农田环境数据采集:由不同功能的传感器和 NB-Io T 模块组成, 传感器用于采集环境数据, 然后通过 RS485 总线将采集的环境数据传输到 NB-Io T 模块;(2) 传输网络:由 NB-Io T 网络和 Internet 网络组成, NB-Io T 模块通过 NB-Io T 网络将环境数据传输至 Internet 网络。(3) 后台服务器和用户终端。后台服务器通过 Internet 网络接收采集的农田环境数据, 用户可以通过 Internet 网络访问后台服务器获取农田环境数据或直接访问 NB-Io T 网络获取
10、农田环境数据。系统具体设计如图 1。表 1 LPWA 主要技术指标14 下载原表 图 1 系统总体架构 下载原图2 系统硬件设计本系统中, 传感器模块负责采集农田环境数据, 采集的数据由 RS485 总线传输至 NB-Io T 模块, NB-Io T 模块通过运营商的 NB-Io T 网络发送至互联网, 最终传输给接入互联网的后台服务器。2.1 传感器模块设计为了降低布线的复杂度, 系统尽可能地选择多功能一体传感器。采集二氧化碳浓度、光照强度、空气温湿度可选用红外二氧化碳、光照照度、温湿度一体传感器 SM3390B。此传感器支持 UART (Universal Asynchronous Rec
11、eiver/Transmitter, 通用异步收发传输器) 和 RS485 通信15;采用总线供电, 工作电压 12V-24V, 电流 1A。采集土壤温湿度的传感器可选用支持 FDR (Frequency Domain Reflectometry, 频域法) 测量土壤温湿度的一体传感器 SM3001B。此类一体化传感器支持 RS485通信, 采用不锈钢探针保证其适用性和广泛性;以环氧树脂密封胶灌封, 可以直接埋入土壤中使用且不受腐蚀, 有着较长的使用寿命16。其运行温度范围-30至 85, 工作电压 DC 7V-24V, 可在野外农田使用。土壤 p H 值传感器选用总线式 SM2120M PH
12、 值传感器, 此传感器采用 RS485 接口, 支持标准 MODBUS-RTU 协议, 可实现多点同时监测。其工作电压 DC 7V-24V, 测量范围 4 到 9, 精度为0.5。2.2 NB-Io T 模块设计NB-Io T 模块采用 USR-NB700 通信模块, USR-NB700 是有人物联网 2017 年推出的 M2M 产品。其支持电信、移动、联通 NB-Io T 网络接入, 支持 RS485 和RS232 接口, 支持两路 UDP 连接。其可以实现串口到网络的双向数据透明传输, 并支持自定义注册包和心跳包功能。支持网络透传模式、Co AP 模模式、UDC 模式三种工作模式17, 文
13、章选用网络透传模式实现 NB-Io T 模块和后台服务器的数据交互。USR-NB700 透传模式示意图如图 2 所示。图 2 NB-Io T 模块透传模式 下载原图3 系统软件设计3.1 NB-Io T 通信模块软件设计NB-Io T 可直接部署于 GSM 网络、UMTS 网络或 LTE 网络, 本系统选用的 USR-NB700 主要用于数据的网络传输, 采用标准的 RS232 接口与单片机进行数据交互, 通过网络发送密码加 AT 指令的方式去设置和查询参数。在网络透传模式下, 用户可以选择让 NB700 设备向后台服务器发送心跳包, 以确保链接的有效性。主要配置的 AT 指令见表 2 所示。
14、3.2 农田环境数据监测平台设计农田环境数据监测平台主要负责接收农田环境数据、显示农田环境数据、存储农田环境数据, 处理农田环境数据等, 并自动绘出农田环境数据变化曲线, 还可以设置农田环境数据阀值并实时报警。用户可随时随地访问监测平台以查询当前农田环境数据和历史环境数据, 同时能够以报表的形式打印数据, 该平台基本功能如图 3 所示。为了方便用户使用和共享采集来的农田环境数据, 系统采用 B/S (浏览器和服务器) 架构, 数据库和应用程序代码均安装于后台服务器, 便于集中管理18。服务器端选择 Linux 系统下 Nginx+My SQL+PHP 这种网站服务器架构, 此架构的最大优势在于
15、快捷、稳定而且免费。3.2.1 Web 服务器Web 服务器可将 PHP 开发的动态网页内容发布出去, 给用户提供信息浏览服务。相比 Apache 而言, Nginx 以高并发和高效率著称。需要注意的是, 文章所用的NB-Io T 模块只支持 UDP 协议, 所以需要配置 Nginx 以实现 UDP 的反向代理。用户通过浏览器完成对 My SQL 数据库的访问, 以获取自己所需的数据。此外, Web 服务器可授予不同用户访问权限来控制农田环境数据的使用。3.2.2 农田环境数据库的设计My SQL 数据库在整个监测平台中的作用是存储采集区域信息、农田环境数据、告警信息、用户账号信息、用户登录日
16、志信息等。先建立数据表, 然后创建PHP 动态站点及数据库连接, 数据表主要有数据库自增 ID 数据表、用户信息数据表、用户登录日志数据表、采集数据时间数据表、采集区域 ID 数据表、土壤温度数据表、土壤湿度数据表、土壤 PH 值数据表、空气温度数据表、空气湿度数据表、光照强度数据表、二氧化碳浓度数据表、告警数据表。表 2 设置的指令和功能 下载原表 图 3 农田数据监测平台功能模块 下载原图4 结论文章借助于 NB-Io T 的优势, 设计了基于 NB-Io T 的农田远程监测系统, 此系统利用 NB-Io T 网络将采集的农田环境数据上传至农田环境数据监测平台, 农田环境数据监测平台采用
17、LNMP 网站服务器架构, 用户可通过浏览器访问农田环境数据监测平台来获取自己所需的农田环境数据。基于 NB-Io T 的农田远程监测系统实现了农田环境数据的实时采集、传输和发布。文章设计的农田环境数据传输方案和农田数据监测平台具有高度的通用性, 可满足农田大规模部署的需要, 为物联网在智慧农业的应用给出了新的思路。参考文献1黄平.智慧城市的应用J.信息通信, 2014, (09) :230-231. 2殷建军, 潘春华, 肖克辉, 叶耀文, 刘小平, 肖德琴.基于无线图像传感器网络的农田远程监测系统J/OL.农业机械学报, 2017, 48 (07) :286-293. 3辛玉明.基于 AR
18、M 的农田气候自动观测系统的设计D.哈尔滨:哈尔滨理工大学, 2017. 4于婷婷, 朱龙图, 闫荆, 黄东岩, 王增辉.农田环境信息采集与远程监测系统J.中国农机化学报, 2016, 37 (06) :220-225. 5臧贺藏, 张杰, 李国强, 胡峰, 赵晴, 郑国清.基于 Android 平台的智慧农田远程监控系统开发J.河南农业科学, 2016, 45 (06) :153-156. 6于泓博, 李静辉, 陶佰睿.基于北斗卫星系统的农田环境监测系统研究J.自动化与仪表, 2016, 31 (06) :31-35. 7余攀, 邹承俊, 张玲, 李雪.基于无线传感网络的农田远程监测系统设计
19、J.中国农机化学报, 2016, 37 (05) :223-226. 8马一棉.基于 STM32 的嵌入式农田信息采集系统设计与实现D.西北农林科技大学, 2016. 9左现刚, 刘艳昌, 王建平.基于 Arduino 和 VI 的农田信息无线采集系统设计J.农机化研究, 2016, 38 (02) :213-217. 10张慧颖.基于 Zig Bee 和 3G 技术的农田环境监测系统设计J.江苏农业科学, 2015, 43 (10) :487-490. 11张波, 罗锡文, 兰玉彬, 黄志宏, 曾鸣, 李继宇.基于无线传感器网络的无人机农田信息监测系统J.农业工程学报, 2015, 31 (
20、17) :176-182. 12林兰芬, 王瑞松, 于鹏华.基于 GIS 的农田小气候环境可视监测系统J/OL.农业机械学报, 2015, 46 (03) :254-260. 13孙科.使用 NB-Io T 物联网技术建设智慧小区J.中国新通信, 2017, (09) :95-96. 14王计艳, 王晓周, 吴倩等.面向 NB-Io T 的核心网业务模型和组网方案J.电信科学, 2017, 33 (4) :148-154. 15刘淼.基于 FPGA 的 ODU 监控系统设计与开发D.电子科技大学, 2009. 16冯筱, 秦文华, 于欣, 周子力.基于控制土壤湿度的智能花卉浇水系统设计J.现代电子技术, 2015, 38 (07) :110-113. 17王耀廷, 郭文成.基于 GPRS 的 DTU 嵌入式软件设计J.仪器仪表用户, 2013, 20 (05) :87-89. 18方韡, 杨婕, 张艺峰, 闫培, 许仪西.引用 JOOMLA 平台快速搭建基于WEBGIS 的流动地震前兆台网信息系统J.震灾防御技术, 2013, 8 (03) :303-310.
