CN112087485A - 一种基于nb-iot的农业大棚生产智能辅助系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于NB‑IOT的农业大棚生产智能辅助系统，包括三部分，分别为：以单片机1、树莓派微型电脑2、摄像头8、常用传感器、定制化集成传感器、NB‑IOT模块7和NB‑IOT模块9构成的探测节点；以透传云12、服务器13为核心的远程分析及数据传输系统；以继电器10、电磁阀11构成的控制部分。用户可通过手机查询，了解作物生长全过程的相关环境参数，对整个生长周期有更全面的了解和把握；也可直接通过电脑或手机，实现对风机、空调、水泵等相设备的远程控制，实现智能农业生产。

Description

一种基于NB-IOT的农业大棚生产智能辅助系统
技术领域
本发明涉及一种基于NB-IOT的农业生产智能辅助系统，尤其是针对大棚内的农业生产。
背景技术
传统设施农业主要依靠大量的人力，手工工具和一些简单的机械设备，农民基本依靠经验种植，导致农业所消耗的水资源、农药和化肥等都在飞速增长，但是农业产量仍然很低。国内已形成诸多针对生态农业、智能农业研发的智能农业辅助系统。例如，慧云信息公司的耘小宝智能监控仪，通过使用视频和GPS定位模块实现对农作物的生长环境因素的实时监测。此种设备不具备感应大棚内CO2和有机气体浓度的功能且不提供自动控制系统，需要农民全手动进行农事工作。
而且，当前市场上大部分智慧农业设备是通过WiFi进行节点间通信，但一般温室大棚环境下并不具有良好的WiFi环境，不适合使用。且有些大棚可能距村镇较远，接入网线联网成本高，各节点无法直接通过互联网上传数据，而使用2G/3G/4G技术进行通信则功耗巨大。
另外，现在市面上的智慧农业系统普遍结构复杂，需要安装价格较高的高性能主控器，成本较高，难以推广。
发明内容
为了克服智慧农业中智能化、自动化程度不足，农业环境因素监测不力，信息通信状况不良，使用成本较高，设备使用环境复杂等缺陷，本发明提供一种基于NB-IOT的农业大棚生产智能辅助系统，使用窄带物联网技术，实现监测温室大棚作物的生长情况，远程控制农业机械设备和智能反馈作物生长需求等功能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于 NB-IOT 的农业大棚生产智能辅助系统，包括三部分，分别为：以单片机1、树莓派微型电脑2、摄像头8、常用传感器、定制化集成传感器、NB-IOT模块7和NB-IOT模块9构成的探测节点；以透传云12、服务器13为核心的远程分析及数据传输系统；以继电器10、电磁阀11构成的控制部分；
所述探测节点中单片机1与NB-IOT模块7通过串口总线进行连接；单片机1的接口与常用传感器、定制化集成传感器连接；树莓派微型电脑2通过专用接口与NB-IOT 模块9和摄像头8连接；
所述远程分析及数据传输系统中透传云12和服务器13构成物联网平台14，物联网平台14连接有客户端15，其中透传云12负责数据的远距离传输，服务器13负责存储和数据分析处理；
所述探测节点中单片机1的接口与控制部分连接，可为不同需求提供定制化设计，探测节点和控制系统共同完成系统的感知和控制功能。
进一步的，所述第一部分探测节点的单片机1为U1A，型号为STM32F103C8T6。
进一步的，所述常用传感器包括温湿度传感器3和热敏电阻6，所述定制化集成传感器包括光照度传感器4、二氧化碳传感器5等其他传感器。
进一步的，所述温湿度传感器3的型号为DHT11；
所述光照度传感器4的型号为BH1750；
所述二氧化碳传感器的型号5为CCS811。
进一步的，所述NB-IOT模块7和NB-IOT模块9采用的芯片型号为WH-NB73-BA，NB-IOT模块7中芯片的35脚和36脚连接单片机1的串口，NB-IOT模块9中芯片的35脚和36脚连接树莓派微型电脑2的串口。
进一步的，所述定制化集成传感器接口包括P400接口、NMOS管Q402、电阻R403和电阻R404，所述P400接口包括6个端子，依次为 VCC、D1、D2、GND、OD、AIN，其中，1号端子VCC 为+5V 电源端，2号和3号端子D1、D2 为双向数字信号通信端，4号端子GND为地线端，5号端子OD为漏极开路输出端，6号端子AIN为模拟信号输入端。
进一步的，所述P400接口2号端子D1连接单片机U1A的21脚，P400接口3号端子D2连接单片机U1A的22脚；
进一步的，所述P400接口5号端子OD连接NMOS管Q402的漏极，Q402的源极接地，Q402的栅极连接电阻R403一端，电阻R403另一端连接单片机U1A的30脚；
进一步的，所述P400接口6号端子AIN连接电阻R404的一端，电阻R404的另一端连接单片机U1A的16脚。
本发明的有益效果是，采用NB-IOT进行通信，低功耗、低成本、高覆盖；用户可通过手机远程查询，了解作物生长全过程的相关环境参数，对整个生长周期有更全面的了解和把握。如果需要对相关环境参数进行调整或修正，也可直接在监控页面，通过电脑或手机，实现对风机、空调、水泵等相关设备的远程控制，真正实现智能农业生产，改变农民面朝黄土背朝天的传统生产生活方式。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明实施例中系统框图；
图2为本发明实施例中单片机电路图；
图3为本发明实施例中NB-IOT模块电路图；
图4为本发明实施例中定制化集成传感器接口电路图；
图5为本发明实施例中电源和复位电路图；
图1中，1.单片机，2.树莓派微型电脑，3.温湿度传感器，4.光照传感器，5.二氧化碳浓度传感器，6.热敏电阻，7.NB-IOT模块，8.摄像头，9.NB-IOT模块，10.继电器，11.电磁阀，12.透传云，13.服务器，14.物联网平台，15.客户端。
具体实施方式
实施例
如图1所示，本发明基于NB-IOT的农业生产智能辅助系统，包括以单片机1、树莓派微型电脑2、摄像头8、常用传感器、定制化集成传感器、NB-IOT模块7和NB-IOT 模块9构成的探测节点；以透传云12、服务器13为核心的远程分析及数据传输系统；以继电器10、电磁阀11构成的控制部分。
所述探测节点中单片机1与NB-IOT模块7通过串口总线进行连接，单片机1的接口与常用传感器、定制化集成传感器连接，树莓派微型电脑2通过专用接口与NB-IOT 模块9、摄像头8连接，所述常用传感器包括温湿度传感器3和热敏电阻6，所述定制化集成传感器包括光照度传感器4和二氧化碳传感器5。
所述温湿度传感器3的型号为DHT11。
所述光照度传感器4的型号为BH1750。
所述二氧化碳传感器5的型号为CCS811。
所述远程分析及数据传输系统中透传云12和服务器13构成物联网平台14，物联网平台14连接有客户端15，其中透传云12负责数据的远距离传输，服务器13负责存储和数据分析处理；所述探测节点采集的传感器和图像信息分别通过NB-IOT模块7和NB-IOT 模块9，完成与远程分析及数据传输系统之间的数据和控制信号的传输；所述探测节点中单片机1的接口与所述控制部分连接，可为不同需求提供定制化设计；
所述探测节点和控制部分共同完成系统的感知和控制功能。
图1中单片机1的型号为STM32F103C8T6，作为微控制单元。将每块单片机1与NB-IOT模块7以及传感器接口封装成一个监测“探针”，置于大棚中的监测点处，该监测“探针”将大棚内的空气温湿度传感器3、光照强度传感器4和二氧化碳浓度传感器5等检测的大棚环境实时数据通过NB-IOT模块7上传至透传云12、服务器13构成的物联网平台14，同时摄像头8将大棚中作物生长情况的视频监控信息传给树莓派微型电脑2，树莓派微型电脑2再通过NB-IOT模块9将视频监控信息上传至透传云12、服务器13构成的物联网平台14。物联网平台14具体可实现获取、存储透传云数据并进行相关分析处理，其分析结果发送到客户端15，客户端15发出的相应控制指令通过透传云发回到单片机1，从而控制与单片机1相连接的继电器10和电磁阀11执行相应的动作。所述透传云为物联网云平台，用户借助透传云,可以零编程实现多种形式的数据透传与设备监控功能。
所述客户端15由网页和手机APP组成，手机APP是官方平台，推送最新产品和最新资料，网页可供用户实时查看大棚状态的网页应用。
如图2所示，所述单片机电路采用的芯片U1A，型号为STM32F103C8T6。
如图3所示，所述NB-IOT模块7和NB-IOT模块9采用的芯片型号为WH-NB73-BA，NB-IOT模块7中芯片U2的35脚和36脚连接单片机单片机U1A连接，其中芯片U2的35脚连接单片机U1A的12脚，U2的36脚连接单片机U1A的13脚；芯片U2的复位引脚9脚连接单片机U1A的14脚。NB-IOT模块9中芯片的35脚和36脚连接树莓派微型电脑的串口。
如图4所示，所述定制化集成传感器接口包括P400接口、NMOS管Q402、电阻R403和电阻R404，所述定制化集成传感器接口包括6个端子，依次为 VCC、D1、D2、GND、OD、AIN，其中，1号端子VCC 为+5V 电源端，2号和3号端子D1、D2 为双向数字信号通信端，4号端子GND为地线端，5号端子OD为漏极开路输出端，6号端子AIN为模拟信号输入端；
所述5号端子OD连接电阻R403一端，电阻R403另一端连接NMOS管Q402的栅极，Q402的源极接地，Q402的漏极连接所述P400接口的5号引脚；
所述6号端子AIN连接电阻R404的一端，电阻R404的另一端连接所述P400接口的6号引脚；
所述定制化集成传感器接口兼容 UART、I2C、单总线、SPI 等目前常见的传感器使用的通讯协议或接收传感器的模拟信号，而且可利用内部由NMOS管Q402构成的OD门来输出大电流控制继电器或电磁阀。
如图5所示，所述电源电路包括三端稳压芯片VR1、滤波电容C3和滤波电容C4，三端稳压芯片VR1的型号为AMS1117，芯片VR1的1号引脚接地，芯片VR1的3号引脚为+5V电源输入端，3号引脚通过电容C3接地，芯片VR1的2号引脚为+3.3V电源输出端，2号引脚通过电容C4接地；
所述复位电路包括电阻R3和电容C9，电阻R3一端接+3.3V电源，电阻R3另一端接单片机U1A的7号脚和电容C9的一端，电容C9的另一端接地。
针对农业环境因素监测不力的问题，本发明将设备设计为可装载多种不同传感器的结构：只将常用传感器安装在设备本体上(如：热敏电阻，DHT11温湿度传感器)，其余定制化外置传感器（如：CCS811二氧化碳传感器、BH1750光照度传感器等）通过集成传感器接口接入设备，可以方便的进行更换。
针对信息通信状况不良的问题，本发明使用NB-IOT模块将传感器数据上传至服务器，NB-IOT(窄带物联网)，属于低功耗广域网，只消耗大约180kHz 的带宽，其构建于蜂窝网络，可直接部署于GSM 网络、UMTS 网络或LTE网络，其主要优点在于易组网且功耗极低。可以将数据上传至透传云，且功耗较低。
针对设备使用环境复杂的问题，本发明采用工业级STM32F103C8T6处理器，可在- 40°C至 85°C 之间正常工作。同时对设备进行密封，防止水汽进入。
针对智慧农业中智能化、自动化程度不足的问题，本发明可以提供相应的服务：远程终端视频监控作物生长情况，用户可以随时随地在任意时间查看作物生长状态，随时调整作物生长环境的光照强度等数据；通过后台服务器的数据处理、智能分析等应用，为提升农业技术推广，农业植物病虫害的监测、预报、防治和处置，农业资源、农业生产经营的科学决策提供了有效的支撑；通过分析的结果对大棚进行喷水、通风、控温等自动化控制，从而使大棚环境参数处于神经网络计算出的最佳参数。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于 NB-IOT 的农业大棚生产智能辅助系统，其特征在于：包括三部分，分别为：以单片机1、树莓派微型电脑2、摄像头8、常用传感器、定制化集成传感器、NB-IOT模块7和NB-IOT模块9构成的探测节点；以透传云12、服务器13为核心的远程分析及数据传输系统；以继电器10、电磁阀11构成的控制部分；
所述探测节点中单片机1与NB-IOT模块7通过串口总线进行连接，单片机1的接口与常用传感器、定制化集成传感器连接，树莓派微型电脑2通过专用接口与NB-IOT 模块9和摄像头8连接；
所述远程分析及数据传输系统中透传云12和服务器13构成物联网平台14，物联网平台14连接有客户端15，其中透传云12负责数据的远距离传输，服务器13负责存储和数据分析处理；
所述探测节点中单片机1的接口与控制部分连接，可为不同需求提供定制化设计，探测节点和控制系统共同完成系统的感知和控制功能。
2.根据权利要求1所述的基于NB-IOT 的农业生产智能辅助系统，其特征在于：所述探测节点中单片机1采用的芯片U1A，型号为STM32F103C8T6。
3.根据权利要求3所述的基于NB-IOT的农业生产智能辅助系统，其特征在于：所述常用传感器包括温湿度传感器和热敏电阻，所述定制化集成传感器包括二氧化碳传感器、光照度传感器；
所述温湿度传感器的型号为DHT11；
所述二氧化碳传感器的型号为CCS811；
所述光照度传感器的型号为BH1750。
4. 根据权利要求1所述的基于NB-IOT 的农业生产智能辅助系统，其特征在于：所述NB-IOT模块7和NB-IOT模块9采用的芯片型号为WH-NB73-BA，其中，NB-IOT模块7中芯片的35脚和36脚连接单片机的串口，NB-IOT模块9中芯片的35脚和36脚连接树莓派微型电脑的串口。
5. 根据权利要求1所述的基于NB-IOT 的农业生产智能辅助系统，其特征在于：所述定制化集成传感器接口包括P400接口、NMOS管Q402、电阻R403和电阻R404，所述定制化集成传感器接口包括6个端子，依次为 VCC、D1、D2、GND、OD、AIN，其中，1号端子VCC 为+5V 电源端，2号和3号端子D1、D2 为双向数字信号通信端，4号端子GND为地线端，5号端子OD为漏极开路输出端，6号端子AIN为模拟信号输入端；
所述P400接口2号端子D1连接单片机U1A的21脚，P400接口3号端子D2连接单片机U1A的22脚；
所述P400接口5号端子OD连接NMOS管Q402的漏极，Q402的源极接地，Q402的栅极连接电阻R403一端，电阻R403另一端连接单片机U1A的30脚；
所述P400接口6号端子AIN连接电阻R404的一端，电阻R404的另一端连接单片机U1A的16脚。
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