一种基于NB-IOT的农作物生长环境监测预警方法与装置

技术领域

本发明属于农业信息化管理技术领域，具体为一种基于NB-IOT的农作物生长环境监测预警方法与装置。

背景技术

随着互联网技术的高度发展，将各种系统网络化已经相当成熟。因此，在农业方面，根据需要，通过现场布置多台数据采集器现场采集各种参数，如空气温度、湿度、土壤温度、土壤水分、光照强度以及植物图像等数据，数据采集器将采集的数据通过无线方式传送到指定服务器，并由专门管理软件对数据进行管理，管理软件可实现对授权用户在互联网上任何角落通过浏览器登陆并根据不同权限进行访问，实现远程管理。智慧农业是未来物联网的重要组成部分之一，近几年以来国家对农业的大力投入，让农业成为了新的风口。采用无线网络来测量获得作物生长的条件，可以为温室精准调控提供科学依据，达到增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。

但是目前我国温室大棚的网络化和智能化程度很低，小的温室大棚农户依然没有机会接触到科技进步带来的便利。通过本发明的系统，可以轻松上手温室大棚的自动化、网络化、智能化升级，实现温室大棚大变样。同时减轻农户的劳动强度。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决上述提出的问题，提供一种基于NB-IOT的农作物生长环境监测预警方法与装置。

本发明采用的技术方案如下：一种基于NB-IOT的农作物生长环境监测预警方法与装置，包括数据监测和控制装置；NB-IOT网络，中国电信物联网开发平台、阿里云应用服务器；微信小程序，所述手机微信小程序通过http接入阿里云应用服务器，实时获取大棚环境数据；

所述数据监测和控制装置通过NBI-OT无线网络，采用CoAP协议接入中国电信物联网开发平台，所述数据监测和控制装置包括：数据监测和通讯主机、执行器从机；

所述NB-IOT网络实现对数据监测和控制装置的移动性管理与会话管理；为数据监测和控制装置建立承载，传递上下行业务数据；

所述中国电信物联网开放平台实现对数据监测和控制装置数据的统一管理，同时向阿里云应用服务器开放接口，让阿里云应用服务器的应用能快速构建自己的物联网业务；

所述阿里云应用服务器实现对数据监测和控制装置数据的业务管理，包括业务发放、业务控制和呈现。

在一优选的实施方式中，所述数据监测和通讯主机包括：主机微控制系统模块、主机无线通信模块、主机图像采集模块、主机人体探测模块、主机环境传感器检测模块、主机GPS定位模块、主机数据存储模块、主机用于用户交互的显示按键模块、主机太阳能充电模块、主机提供不同电压幅値的电源模块。

在一优选的实施方式中，所述主机无线通信模块采用NB-lOT无线通讯模块和ZigBee无线通讯模块；NB-lOT无线通讯模块BC95模块,通过STM32L476的串口发送AT指令与中国电信物联网开发平台进行通信,农户可以通过手机监控采集的信息,；ZigBee无线模块通过串口进行驱动,完成通过无线的方式给执行器从机发送控制指令信息。

在一优选的实施方式中，所述主机图像采集模块采用NT99141摄像头，通过获取作物图像，了解作物自身生长情况。

在一优选的实施方式中，所述主机人体探测模块采用热释电红外传感器捕获移动的人体，当温室处于警戒状态时，通过图像采集模块抓拍温室内部人体情况以防止其他人员的偷盗行为；所述主机环境传感器检测模块包括多个数字量传感器和模拟量传感器,用于采集土壤湿度、环境温度和湿度、环境光照强度等信息；环境温度和湿度传感器采用SHT20。

在一优选的实施方式中，所述主机GPS定位模块采用L70-R，通过STM32L476的串口发送AT指令给模块，通过GPS天线和通信卫星交互获取经纬度信息，为农户的农作物的科学种植提供大数据支持。

在一优选的实施方式中，所述主机数据存储模块，存储介质采用，FLASH通过STM32L476的SPI接口来进行驱动,完成对系统图片的储存以及对环境传感器数据信息的存储。

在一优选的实施方式中，所述主机显示按键模块包括断码屏和按键,断码屏采用HT1621进行驱动,通过STM32L476的I2C接口来进行驱动,其用于完成与用户的交互。

在一优选的实施方式中，所述主机太阳能充电模块包括太阳能板，锂电池，太阳能充电芯片CN3063，充电芯片将太阳能转化为电能存储到锂电池中，供主机提供能量；所述主机电源模块均采用SP6205-3.3V和SE5218DLG-LF-1.8V电源转换芯片，从而产生高效稳定的系统供电电压。

在一优选的实施方式中，所述执行器从机包括从机微控制系统模块、从机继电器模块、从机电源模块和从机无线通信模块；所述从机微控制系统模块包括主控芯片、外围电路组成；所述主控芯片采用STM8L051；接收来主机的命令，控制继电器模块的工作，从而智能化调控温室大棚作物的生长环境；所述从机无线通信模块采用ZigBee无线通讯模块；ZigBee无线模块通过串口进行驱动,完成接收主机的命令和反馈执行器状态信息；所述从机继电器模块由保湿被继电器模块、灌溉水泵继电器模块、湿帘继电器模块和风机继电器模块组成，当温室大棚环境生长因子超过对应的设定范围时,阿里云服务器专家系统对当前环境进行综合判断,并发出控制指令给主机微处理器，主机微处理器通过ZigBee无线模块发送指令给从机，从机接收指令之后，通过继电器模块控制对应的执行机构工作。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，本发明将主机和从机设计小型化、模块化，极大的降低了系统的成本；同时降低了农户的使用成本。

2、本发明中，本发明通过使用具有低功耗、广覆盖、低成本等优势的NB-lOT技术的模块实现长时间、远距离信息査询和实时监控，使用户通过手机方便、快捷、实时的获取温室大棚作物信息和控制状态。

3、本发明中，本发明系统主机采用太阳能供电，采用可循环的能源供电。优点在于随意放置，免去施工布线的成本。同时成套系统设计使用寿命5年免维护；本发明系统主机通过NB-IOT接入服务器系统，可以实现远程升级，采用太阳能供电，采用可循环的能源供电。优点在于随意放置，免去施工布线的成本。同时成套系统设计使用寿命5年免维护。

附图说明

图1为本发明的主机微控制器与服务器通信流程图；

图2为本发明的数据监测和通讯主机和从机总体框图；

图3为本发明的主机微控制系统模块；

图4是本发明的主机无线通信模块；

图5是本发明的主机图像采集模块；

图6是本发明的主机人体探测模块；

图7是本发明的主机人体探测模块；

图8是本发明的主机显示按键模块；

图9是本发明的主机电源模块；

图10主机环境传感器检测模块；

图11主机GPS定位模块；

图12主机太阳能充电模块；

图13主机微控制器工作模式流程图；

图14主机传感器检测算法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1-14，

如图1所示，为主机通过NB-iot网络周期性主动与服务器进行数据交互，采用COaP通信方式,把采集的数据信息按一定的数据协议传给远程服务器。主要的交互内部包括：

远程升级功能，嵌入式控制器与远程服务器进行通信，获得升级固件，进行自身程序的升级；周期性的保持与服务器的通信，间歇上传采集的传感器数据

所述手机微信小程序通过http接入阿里云应用服务器，实时获取大棚环境数据；所述数据监测和控制装置通过NBI-OT无线网络，采用CoAP协议接入中国电信物联网开发平台；所述NB-IOT网络实现对数据监测和控制装置的移动性管理与会话管理；为数据监测和控制装置建立承载，传递上下行业务数据；所述中国电信物联网开放平台实现对数据监测和控制装置数据的统一管理，同时向阿里云应用服务器开放接口，让阿里云应用服务器的应用能快速构建自己的物联网业务；所述阿里云应用服务器实现对数据监测和控制装置数据的业务管理，包括业务发放、业务控制和呈现等。

如图2所示，为所述数据监测和控制装置包括：数据监测和通讯主机、执行器从机。

如图3所示，为所述主机微控制系统模块包括主控芯片、外围电路组成；所述主控芯片采用STM32L476；通过预先设定的参数，定时将环境数据上传到中国电信物联网开放平台，实现阿里云应用服务器获取作物的多种生长环境健康因子；接收来自阿里云服务器的命令，控制从机继电器模块的工作，从而智能化调控温室大棚作物的生长环境。

如图4所示，为所述主机无线通信模块采用NB-lOT无线通讯模块和ZigBee无线通讯模块；NB-lOT无线通讯模块BC95模块,通过STM32L476的串口发送AT指令与中国电信物联网开发平台进行通信,农户可以通过手机监控采集的信息,；ZigBee无线模块通过串口进行驱动,完成通过无线的方式给执行器从机发送控制指令信息。

如图5所示，为所述主机图像采集模块采用NT99141摄像头，通过获取作物图像，了解作物自身生长情况,；

如图6所示，为所述主机人体探测模块采用红外传感器D203S和BISS0001芯片实现人体移动探测，在警戒状态时，抓拍移动人体的图片，防止盗窃行为的发生；

如图7所示，为所述主机环境传感器检测模块包括多个数字量传感器和模拟量传感器,用于采集土壤湿度、环境温度和湿度、环境光照强度等信息；环境温度和湿度传感器采用SHT20。

如图8所示，为所述主机GPS定位模块采用L70-R，通过STM32L476的串口发送AT指令给模块，通过GPS天线和通信卫星交互获取经纬度信息，为农户的农作物的科学种植提供大数据支持。

如图9所示，为所述主机数据存储模块，存储介质采用，FLASH通过STM32L476的SPI接口来进行驱动,完成对系统图片的储存以及对环境传感器数据信息的存储,。

如图10所示，为所述主机显示按键模块包括断码屏和按键,断码屏采用HT1621进行驱动,通过STM32L476的I2C接口来进行驱动,其用于完成与用户的交互。

如图11所示，为所述主机太阳能充电模块包括太阳能板，锂电池，太阳能充电芯片CN3063，充电芯片将太阳能转化为电能存储到锂电池中，供主机提供能量。

如图12所示，为所述主机电源模块均采用SP6205-3.3V和SE5218DLG-LF-1.8V电源转换芯片，从而产生高效稳定的系统供电电压。

如图13所示，为传感器检测算法，采用滑动平均滤波算法，既保证了传感器数值的稳定性同时保证了传感器的及时性。

如图14所示，为主机的工作模式。分为2种：自动模式和手动模式。自动模式：根据自动命令进行动作。按照预先设定的工作时间段，定时启动传感器进行监测，把保存的数据保存在Flash，把采集到的数据集中到晚上向服务器汇报一次。其他时间不进行工作，保持停机模式。手动模式：本发明根据手动命令进行动作。手动操作按键之后，控制器，马上采集图片，马上采集各个传感器的数据，通过网络上传到服务器。实现人工手动采集本发明将主机和从机设计小型化、模块化，极大的降低了系统的成本；同时降低了农户的使用成本；本发明通过使用具有低功耗、广覆盖、低成本等优势的NB-lOT技术的模块实现长时间、远距离信息査询和实时监控，使用户通过手机方便、快捷、实时的获取温室大棚作物信息和控制状态；本发明系统主机采用太阳能供电，采用可循环的能源供电。优点在于随意放置，免去施工布线的成本。同时成套系统设计使用寿命5年免维护；本发明系统主机通过NB-IOT接入服务器系统，可以实现远程升级，采用太阳能供电，采用可循环的能源供电。优点在于随意放置，免去施工布线的成本。同时成套系统设计使用寿命5年免维护。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。