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李兆雄，張朝陽，劉 暉，羅旭輝
（福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，福建 福州 350013）
摘 要：位于山區(qū)的茶園通常無市電接入，網(wǎng)絡(luò)信號也相對微弱，在茶園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測設(shè)備中，需要利用DTU（Data Transfer Unit）將采集的傳感器數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳到云端服務(wù)器，在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后關(guān)閉各類外接傳感器，以節(jié)約用電。DTU作為茶園生境監(jiān)測設(shè)備的核心至關(guān)重要。本設(shè)計實現(xiàn)的DTU具有定時開閉外接傳感器供電功能，采用NB-IoT無線傳輸技術(shù)，功耗低、覆蓋范圍廣、維護(hù)工作少，適用于位于山區(qū)的茶園。
中圖分類號 ：TP39 ；TN919? ?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ：A? ??
文章編號 ：2095-1302（2022）08-0022-05
0引 言
在茶園生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置中，DTU的主要功能是定時將各外接傳感器獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過通信模塊上傳到位于云端的服務(wù)器，并在發(fā)送數(shù)據(jù)完畢后關(guān)閉外接傳感器、通信模塊，從而達(dá)到節(jié)能的目的。本設(shè)計的DTU由帶有開關(guān)控制的多接口數(shù)據(jù)傳輸單元和NB-IoT（Narrow Band Internet ofThings, NB-IoT）網(wǎng)絡(luò)模組組成，是裝置的核心，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸。DTU的性能影響著整個裝置的可靠性和可用性。
1 LPWAN與NB-IoT
經(jīng)過二十多年的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，RFID、UWB、Bluetooth、ZigBee、WiFi、2G/3G/4G等技術(shù)被廣泛應(yīng)用。以傳輸距離進(jìn)行劃分，RFID、UWB、Bluetooth為近距離傳輸技術(shù)，ZigBee和WiFi為中等距離傳輸技術(shù)。而對于遠(yuǎn)距離廣域覆蓋物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，目前主要是蜂窩物聯(lián)技術(shù)，使用移動通信運(yùn)營商提供的2G/3G/4G實現(xiàn)對因特網(wǎng)的訪問。蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通常是其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)接入互聯(lián)網(wǎng)的入口。值得注意的是，2G/3G/4G本身不是針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來設(shè)計的，其設(shè)計初衷是應(yīng)用于人與人的通信，并非物與物的聯(lián)接，其缺陷是功耗較大。
因此,LPWAN(Low Power Wide Area Network,LPWAN)應(yīng)運(yùn)而生。LPWAN是低功耗廣覆蓋技術(shù)的簡稱，具有通信距離遠(yuǎn)、功耗低、網(wǎng)絡(luò)部署成本低等特點，適合用于大規(guī)模、非實時、低數(shù)據(jù)量的通信場景[1]。
低功耗廣域接入技術(shù)根據(jù)實現(xiàn)方式和使用頻段的不同可以分為兩大陣營，一個是以NB-IoT、eMTC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為代表的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)陣營，使用授權(quán)頻段；另一個則是以LoRa、Sigfox、Ingenu等窄帶技術(shù)為代表的非授權(quán)頻段技術(shù)陣營。其中，NB-IoT和LoRa最具代表性，表1為NB-IoT和LoRa的技術(shù)參數(shù)對比[2]。
從表1可以看出，NB-IoT工作在授權(quán)頻段，相對來說干擾少，安全性高，相同環(huán)境下，NB-IoT覆蓋距離更遠(yuǎn)，且NB-IoT使用運(yùn)營商的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)可直接傳輸，無需網(wǎng)關(guān)設(shè)備。綜合對比，NB-IoT更適合山區(qū)茶園這類使用場景[2]。
2總體設(shè)計本設(shè)計的DTU（數(shù)據(jù)傳輸單元）主要由STM32微處理器、NB-IoT通信模組、控制電路組成，控制電路根據(jù)嵌入程序設(shè)定的時間定時開啟傳感器的電源，提取各項環(huán)境數(shù)據(jù)，所提取的數(shù)據(jù)通過NB-IoT模組傳送到位于云端的服務(wù)器，并將獲取的數(shù)據(jù)存儲在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)采集完畢后，斷開為傳感器供電的電源，同時使NB-IoT網(wǎng)絡(luò)模組進(jìn)入休眠狀態(tài)，達(dá)到降低能耗的目的[3]。環(huán)境監(jiān)測傳感器包括大氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、光照強(qiáng)度傳感器，傳感器接口通信采用Modbus協(xié)議。DTU設(shè)計有本地網(wǎng)絡(luò)接口，可通過RJ 45接口配置DTU[4-5]。茶園環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置實物與結(jié)構(gòu)如圖1所示。
3硬件設(shè)計
3.1主板設(shè)計
針對帶有NB-IoT模組的DTU，進(jìn)行PCB設(shè)計時需注意電源部分的走線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離射頻部分，主電源走線的寬度要保證1A的電流能夠安全通過，電源部分的地平面盡量完整，多打地孔。由于信號不好時，NB-IoT模塊可能存在瞬間大電流的情況，引起開關(guān)噪聲，影響其他電路，為避免出現(xiàn)這種噪聲，在模塊電源和其他電路的電源處做隔離處理，采用LC濾波電路，使用470μH、額定電流大于1.2A的繞線電感[6-7]。DTU主板PCB設(shè)計如圖2所示，DTU主板實物如圖3所示。
3.2 STM32F107VCT6處理器STM32F107VCT6處理器是一款32位ARM芯片，它具有64KB RAM和256 KB的閃存，有較好的兼容性和較高的穩(wěn)定性。同時該芯片內(nèi)部集成以太網(wǎng)10/100 MAC模塊(支持MII和RMII)，連接外部以太網(wǎng)物理層接口芯片DP83848IVVX就能實現(xiàn)一個完整的以太網(wǎng)收發(fā)器，方便通過以太網(wǎng)口對設(shè)備進(jìn)行參數(shù)配置和固件升級。因此該芯片能比較好地滿足茶園生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控設(shè)備對數(shù)據(jù)收集、傳輸與控制的需求[8-9]。STM32F107VCT6處理器實物如圖4所示，STM32F107VCT6處理器引腳功能如圖5所示。
3.3繼電器本設(shè)計中，控制電腦通過繼電器開關(guān)來控制外接傳感器的供電，在嵌入的軟件中可以設(shè)置接通外接傳感器的時間段。在接通時段內(nèi)接通傳感器，并采集傳感器傳回的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)上傳完畢后，關(guān)閉外接傳感器，使DTU進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。繼電器控制電路如圖6所示。
3.4 NB-IoT通信模組本設(shè)計采用移遠(yuǎn)BC95通信模組，這是一款高性能、低功耗的NB-IoT無線通信模組，功耗小、靈敏度高、尺寸緊湊、工作溫度范圍較寬，非常適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測的野外工作環(huán)境。NB-IoT通信模組實物及原理如圖7所示。
3.5電源本設(shè)計的DTU工作在野外，山區(qū)溫差、潮濕等會對硬件電路造成信號干擾，為此DTU主板的電源芯片采用LM2596和AMS1117。AMS1117的工作方式屬于完全負(fù)反饋方式，在電源抑制方面比開關(guān)電源性能更強(qiáng)，尤其在小信號處理電路方面取得了不錯的效果，其快速瞬態(tài)響應(yīng)和噪聲抑制優(yōu)勢突出，片內(nèi)集成過熱保護(hù)和過流保護(hù)模塊，保證芯片和系統(tǒng)可靠運(yùn)行[3-5]。電源模塊電路如圖8所示。
3.6 485通信接口I/O輸入接口采用高精度光耦芯片隔離，減少干擾，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。485通信接口使用MAX1348系列芯片。RS 485通信接口電路如圖9所示。
3.7本地網(wǎng)絡(luò)接口
本地網(wǎng)絡(luò)接口可快速實現(xiàn)本地配置及管理功能。本地以太網(wǎng)接口電路如圖10所示。
4軟件設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸單元的嵌入式軟件在設(shè)備加電后，完成初始化，載入外設(shè)驅(qū)動后啟動主程序，通過控制繼電器啟動外接傳感器和NB-IoT通信模組，通過Modbus接口得到傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器。數(shù)據(jù)傳輸完成后，關(guān)閉傳感器和通信模組，設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時僅時鐘控制部分持續(xù)工作，在下一個預(yù)設(shè)時鐘周期（預(yù)設(shè)時鐘可以根據(jù)需要從1min到2h進(jìn)行調(diào)整）到來時，再次加載外設(shè)驅(qū)動，完成新一輪的數(shù)據(jù)采集和傳送。DTU嵌入式程序流程如圖11所示。
5 DTU數(shù)碼管顯示為方便野外布署時調(diào)試設(shè)備，DTU設(shè)置了5位LED數(shù)碼管，通過數(shù)碼管的顯示可以直觀了解DTU的工作狀態(tài)。5.1狀態(tài)碼狀態(tài)碼見表2所列。
5.2錯誤碼錯誤碼見表3所列。
?6實際應(yīng)用實際應(yīng)用中，DTU線路板安裝在金屬機(jī)殼中，使用接口連接，確保在野外使用的穩(wěn)定性。圖12所示為監(jiān)測裝置的外觀和DTU（數(shù)據(jù)傳輸單元）在機(jī)箱中的安裝圖示。
目前，該系統(tǒng)已在福建武夷山巖茶產(chǎn)區(qū)、寧德白茶產(chǎn)區(qū)安裝使用，可穩(wěn)定持續(xù)地監(jiān)測茶園的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)。?7結(jié) 語
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，三大運(yùn)營商的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)更加成熟。經(jīng)過實地測試，在福建主要茶產(chǎn)區(qū)，大多數(shù)茶園可以接收到NB-IoT信號，尤其以中國電信的信號覆蓋范圍更廣。在4G、5G信號無法覆蓋的山區(qū)，使用NB-IoT技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠在其他監(jiān)測方式不易使用的福建丘陵山區(qū)環(huán)境中，實施對茶園生境數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程持續(xù)監(jiān)控。DTU設(shè)計簡單，具有低功耗、廣覆蓋、少維護(hù)等特點。通過基于NBIoT的DTU設(shè)計，降低了監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的難度，有利于山區(qū)茶園生境監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取，為福建茶葉的種植管理及相關(guān)科學(xué)研究提供了準(zhǔn)確、詳細(xì)、持續(xù)的數(shù)據(jù)資料，對提高茶葉種植的精細(xì)化和數(shù)字化程度具有重要的推動意義[10]。
注：本文通訊作者為劉暉。
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編輯：黃飛
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工商網(wǎng)監(jiān)
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