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基于 NB-IoT 的农业生产监控设备开发

kumb 综合案例 2021-05-07 09:47:50 158 0 智慧农业农业物联网

0 引 言

近年来,随着人口的增多,农田土地面积减少,人们越来越重视农作物的生长质量及产量。目前,影响农作物生产质量及产量的主要因素包括干旱、水涝、人为偷盗破坏、食草动物觅食破坏及鸟类采食破坏等。这些农业生产环境及安全问题严重影响农作物产量和品质,防治和监测好该类农田,对于保障农业丰收、农产品质量安全和农民增收具有重要意义。现有技术中相关检测干旱、水涝、火灾及人与动物破坏农作物的主要方法为人工巡查,这不仅费时费力,而且难以及时及早发现农作物被破坏的状况,严重影响农作物的生长质量及产量。


针对难以实时监控干旱、水涝及人与动物破坏农作物的情况,本文介绍了一款基于NB-IoT的农业生产监控设备。该设备使用NB-IoT通信技术完成与云服务中心的数据传输。一方面,NB-IoT可以提供比现有无线技术多50~100倍的无线设备接入数,并降低物联网设备的数据通信费用;另一方面,NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用,设备功耗极低,能够延长电池的使用寿命,有利于该设备在农业生产监控领域的推广


基于NB-IoT的农业生产监控设备主要包括STM32微处理器、环境监测传感器、NB-IoT模块、蜂鸣器、开关电路等。环境监测传感器由温湿度传感器、土壤湿度传感器、烟雾传感器、噪声传感器、红外感应传感器、光照强度传感器组成,用来监测农业生产环境参数。NB-IoT模块用于将农田环境数据传输到云服务中心。通过所开发的微信小程序,用户可实时查看农田安全环境数据,并且能够实现远程浇水及蜂鸣器控制。同时,所研发的NB-IoT农业物联网设备及智能手机客户端可以使农业生产人员无需花费太多时间与金钱,也无需雇佣专业人员即可自己购买设备进行智慧农业生产。农业生产人员可以在任何时间方便地添加NB-IoT硬件设备来扩大智慧农业生产规模。基于NB-IoT的智慧农业系统网络拓扑图如图1所示。所研发的“前端、云端、客户端”软硬件系统运作模式可将位于任何地方的NB-IoT农业物联网设备相关农业生产环境数据及控制数据发送到由企业或政府运营管理的云端农业物联网数据服务中心。


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NB-IoT智慧农业系统可以解决传统智慧农业存在的“信息孤岛”问题。通过数据融合与数据挖掘等智能技术,对云端农业物联网数据服务中心的海量数据进行分析、处理,可为所有农业生产者提供智慧农业信息及决策服务,实现农业生产的智能监测与控制,大幅提升农业生产社会效益与经济效益。


1 设备组成

1.1 STM32F103RET6 处理器

STM32F103RET6处理器是ARM芯片众多型号中的一种,它具有较大的闪存、较好的兼容性及较高的稳定性。该芯片拥有的闪存与RAM容量可满足农业生产监控设备环境数据收集、传输及设备控制的需要。STM32F103RET6实物如图2所示。

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图 2 STM32 处理器实物

1.2 NB-IoT 通信模块

BC95是NB-IoT通信模块的一种,功耗小、成本低、易于续航,适合野外作业,其实物及电子原理如图3所示。BC95模块的VCC3.3引脚接电源正极,GND引脚接地,RESET引脚为复位口。BC95模块的TXD引脚用于发送数据,RI引脚用于模块输出振铃提示。

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图 3 NB-IoT 通信模块实物及电子原理图

1.3 继电器

继电器是一种供电开关设备,被广泛应用于自动控制电路中。在本设备中,继电器通过0和1的高低电位变化实现远程浇水的“开”与“关”功能。本设备所使用的 SRD-05VDC 继电器实物及电子原理如图 4 所示。


图 4 继电器实物及电子原理图

1.4 蜂鸣器

NB-IoT农业生产监控设备利用蜂鸣器进行环境异常警报。蜂鸣器实物及电子原理如图5所示。蜂鸣器的V3脚为数据引脚,接收控制电位的变化,GND 引脚接地。


图 5 继电器实物及电子原理图

1.5 土壤湿度传感器

采用表面进行镀镍处理过的土壤湿度传感器可扩展感应面积,提高导电性,其实物及电子原理如图6所示。利用来自土壤湿度传感器的数据变化,可以判断农田是否存在干旱或水涝情况。该传感器的 1 号引脚为数据口,2 号引脚与电容相连接,3 号引脚接地,4 号引脚连接电源。


图 6 土壤湿度传感器实物及电子原理图

1.6 其他传感器

本设备利用HC-SR501红外传感器对农田附近是否有人或者是否有动物出没进行监测。红外传感器采用红外技术对传感器附近的红外变化进行感应,从而输出0或1电平。本设备利用烟雾传感器监测农田周围的烟雾值来判断是否发生火灾。烟雾传感器电导率随着烟雾值在一定量空气中所占比例的提高而提高,通过转换模块将电导率转化为气体浓度值进行输出。所制作设备的噪声传感器用于监测鸟类及动物的声音,以判断农田中大型动物及鸟类出现的频率。光照传感器用于监测农作物生长环境的光照强度,其内置 16 bit A/D转换器,工作电源电压为3~5 V,可输出数字信号,灵敏度高。

1.7 整体设备制作

PCB板焊接后的设备及封闭组装的太阳能供电设备如图7所示。利用透明的亚克力板将制作的电子设备进行封装后,可提高该设备的抗外界干扰能力,延长设备寿命。太阳能板所产生的电源在经过转化后,可持续为设备提供电力。

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