基于ZigBee和NB-IOT的智慧农业环境监测系统设计
2023-05-23
农业是关系到人民生活的支柱行业，中国农业在实现现代化的进程中，必须解决农业总需求量、改变农业结构、提高农业实用价值、提高农业生产效率，现实存在的问题阻碍了现代农业的可持续发展。因此，研究开发农业的物联网技术是当务之急。本文基于ZigBee和NB-IOT技术，构建了智慧农业环境监测系统，主要针对设施农业种植方面的各种参数监控，从而提升现代农业的科技化、数字化、标准化能力。
1.1系统功能需求
本系统目的是实现对温室环境参数的实时监控和智能调节，以确保作物在大棚中的最佳生长条件。在大棚中设置环境信息采集终端，由协调器组成的无线传感器网络将收集到的环境信息全部传输到协调器，协调器采用串口通信与STM32单片机进行数据交换，由STM32和NB-IOT组成，将整个无线传感器网络的数据传输到云端，由云服务器进行实时监控[1]。另外，系统配有通风、LED灯、加湿器等智能控制装置，其作用是调节室内的温度、湿度及二氧化碳含量。
1)环境数据采集
环境信息采集主要是利用传感器对农业大棚的环境参数进行监测。可以借鉴垂直种植理念，将多个种植温室垂直分布，但这也要求布置较多的传感器，因此在选择传感器时，必须保证能耗低。
2)环境数据传输
3)环境数据储存
数据存储主要是通过云计算来实现。将系统终端所收集的环境资料储存于云服务器，通过云平台的对应功能来实现数据的存储，能够进行数据的查询及处理。
4)环境数据可视化
环境数据的可视化是对系统的环境信息进行展示。环境信息可视化的研究主要包括三个方面。首先，数据采集终端可视化，每个传感器的数据显示在OLED屏幕，屏幕上显示空气温度、湿度、土壤湿度等参数。其次，协调程序数据的可视化，协调程序将各个终端节点的数据汇集起来，并将其显示在OLED屏幕上。最后，云平台可视化，将无线网络中的数据全部显示出来，并能实时监测温室设施的环境数据[3]。
5)环境数据调控
环境参数调整的主要作用是通过调整生态指标来实现作物的最佳生长环境。实现环境参数调节的控制装置有LED灯、模拟窗帘、风扇、水泵、加湿器等。
1.2系统总体构架
基于ZigBee与NB-IOT技术，构建完整的农业生态系统，包括环境数据采集、传输、处理。利用传感器与ZigBee终端装置相连接，形成无线采集节点，以获得内部环境信息；环境数据传送层的主要功能是完成无线传感网路的资料传送及上载。在建立无线传感器网络之后，该系统接收来自环境数据采集层的数据，并将其通过STM32内嵌的网关进行通讯协议传送到NB-IOT模块，NB-IOT模块则利用核心网和基站将环境数据收集到云端；环境数据处理层主要负责数据的存储、显示和处理[4]。同时，本系统还采用了应用程序客户端的方式，以增强用户使用的便捷性。可以使用安卓系统和PC机两种人机交互接口，通过远程、实时地监测种植环境状况，也可以通过发送指令来实现对环境参数的遥控调整。系统总体结构如图1所示。
环境数据采集、传输、处理相互连接且独立运作，它们通过自身操作，确保整个农业物联网系统的稳定有效运转，并在一定程度上改善了农业物联网系统的整体性能。关键技术有ZigBee智能终端节点、ZigBee协调器、网关、智慧农业管理系统等。ZigBee的智能终端和协调模块是在ZigBee协议基础上完成，利用ZigBee无线网络、传感器、执行器等设备之间的互联，实现了对数据的采集、传输和环境参数的控制。一般有ZigBee芯片、天线、传感器、继电器等器件组成，通过建立接口，实现对各节点的控制和监测数据的采集，实现系统动态控制与监测。
系统软件设计是通过数据采集、控制终端、ZigBee通信、NB-IOT通信来实现终端无线网络建立和数据收发。控制器收到数据后，首先对数据类型进行判定，也就是从协调节点或者云平台进行实时处理，然后判定是否超限，从而判定是否报警，并将其显示在OLED屏幕上。最后，利用NB-IOT技术将各个结点的数据打包传输至上位机。
本论文以ZigBee与NB-IOT技术为基础，以STM32为核心，建立了移动通信网络，在系统中预留了传感器插口，使其能够更好地监控周围的环境。未来的研究应注重建立不同作物类型的预测模型，并对其进行领域知识库加以更新，以便为今后的农业物联网设计提供新的监测手段。