1、研究背景

当前，物联网技术的应用非常广泛，涵盖了家庭、城市、工业、农业、医疗等各个领域，成为信息科技产业的第三次革命。而窄带物联网（NB-IoT）技术作为物联网技术的重要分支之一，凭借其功耗低、成本低廉、覆盖广泛和容量大等显著特点^[1]，在智慧农业、畜牧业智能化管理、共享单车、智慧停车以及智能表计等智能民生多个领域中有着广泛的应用场景。如智慧农业中，可通过远距离实时监测土壤、光照、水质等关键信息，能有效帮助农场主做出科学决策，提高农作物的产量和收益^[2]。

NB-IoT技术优势较为明显，如该技术具有较强的链接能力，它能够支持高达10万个连接，满足物联网应用对大量设备连接的需求，同时提供低延时敏感度、低设备功耗和优化的网络架构，确保稳定、高效的网络连接；此外，相比现有网络，NB-IoT技术覆盖能力提升了100倍，特别适用于城市广覆盖区域及厂区、地下车库等对深度覆盖有要求的场景。另外，NB-IoT技术终端模块待机时间超长，维护成本低，其网络架构易优化，且设备成本低，这系列优点为该技术的广泛应用奠定了基础^[3-4]。

但是，NB-IoT技术在具体应用过程中，已存在着诸多困难和挑战^[5]。如为确保顺畅的通信和数据交换，需要解决不同设备间的互操作性和一致性问题；部署网络需要的时间和成本投入，且需考虑全球漫游和终端升级等问题，导致其应用需投入较多人力物力以求其解决方案。此外，NB-IoT技术的应用同时面临其他技术的竞争，如LoRa、Sigfox等，需要在市场中确定自己的定位，还有待其进一步的应用发掘和拓展；同时，如何建立合作伙伴生态圈，探索新的商业模式，以推动该技术应用的发展，以及设计合理的物联网数据计划，以保持与其他技术的竞争力，亦是该技术面临又一挑战。

本文试图通过利用NB-IoT技术，设计并实现一种智能温室监控系统。该系统主要由温室环境检测传感模块、核心处理模块、NB-IoT控制模块、处理执行模块以及其他辅助模块组成；通过设计使得系统达到成本低、功效高的特点，从而较好的适用于温室环境的远程监控与管理。

2、智能温室监控系统主要组成

利用NB-IoT技术，可以实时监测农田环境参数信息，并根据预设参数范围远程调节农田环境，实现精准灌溉、智能施肥等操作，提高农业生产效率和资源利用效率，实现实时监测和智能控制的功能。该技术能够使得管理人员可通过手机或电脑远程监控农田状态，及时了解作物生长情况和环境变化，并对异常数据进行预警，帮助用户提前采取措施减少损失，达到远程监控与异常预警的效果；进一步的，该技术作为成熟的物联网通信手段，对农业物联网建设提供有效支持，推动智慧农业科学建设，促进农业产业健康发展，从而为尽早实现农业数字化建设起到较好的推动作用。

图1 基于NB-IT技术的智能温室控制系统框图

系统的具体框图如图1所示。本设计核心采用STM32F103微控制器，该控制器具有安全、可靠、低功耗、精密等特性，这些特点使得该系统能够出色地满足装置运行状态的监测需求。NB-loT模块则联合该处理器实现较稳定快捷的远程监测功能。另外，电源电路是系统硬件的关键组成部分，对于实现装置运行状态监测系统的稳定运行有着重要影响；鉴于供电存在不稳定性，在电源设计方案中采用双电源供电策略；考虑到NB-loT模块是监测系统的主要功耗来源，为了满足硬件系统对功耗的较高要求，电源电路采用在供电设备及模块不工作时关闭的控制方式。该处理系统中，通信模块同样是系统硬件的重要组成部分，为确保设备远程监控系统的稳定运行，鉴于通信的不稳定性，在通信设计方案中选用多通道通信策略。

3、智能温室监控系统框架及设计流程

3.1系统框架设计

系统设计主要包括数据采集部分、监控处理部分及监控执行部分。其中，数据采集装置主要包括：空气湿度传感器选用DHT11，该传感器可以精确检测温室中的空气湿度状况，为温室环境调控提供关键数据；土壤湿度传感器采用FC-28，可测量土壤湿度水平，确保作物生长所需的水分条件；二氧化碳浓度传感器采用MQ-2，可以监测温室中二氧化碳浓度，为光合作用提供适宜环境；光照传感器采用BH1750，可准确测量温室光照强度，满足作物对光照的需求。

监控处理部分包括监控节点、NB-IoT基站和监控中心。其中，监控节点主要接收数据采集装置采集的信息，并进行二次采集和处理，该部分配备NB-IoT通信模块，将处理后的数据发送给对应的NB-IoT基站；该基站主要接收监控节点发送的数据，并将其传输到监控中心；而监控中心则可以保存和处理接收的数据，并根据处理后的数据做出控制决策，通过用户界面实时展示环境数据信息，方便用户远程监控和控制。此外，控制模块部分主要根据监控中心的决策对温室设备进行控制，从而实现远程实时监测和控制温室环境。

3.2系统硬软件设计

系统硬件设计：本系统底层模块设计基于特定的技术和组件实现。底层模块分为数据采集模块和控制模块两部分，各部分构成部件不同。数据采集模块包含传感器、主控电路、RS485通信模块及电源模块。传感器选用数字型，温度传感器为DS18B20，接口为单总线类型；光照传感器为BH1750，接口为I²C总线类型。主控电路中有单片机最小系统，以STM32F10型号单片机作为主控芯片，设置2.0-3.6V工作电压及72MHz内部时钟。RS485总线作为数据采集模块与监控节点间的通信工具。控制模块分为三部分，一是主控电路，内部有单片机最小系统，同样以STM32F10型号单片机为主控芯片；二是GPRS通信模块，选用SIM800C芯片；三是继电器模块，利用主控芯片的I/O口控制三极管，使继电器运作，实现对执行机构的控制。监控节点设计包括两个部分：首先是主控电路，与底层模块相同；其次是通信模块，由复位电路、SIM卡模块及射频电路构成，选择BC-95芯片作为射频电路。电源模块设计方面，底层模块需电源模块提供3.3V电压，监控节点则需12V电压。一般传感器、主控电路及BC-95芯片接收的电压为3.3V，最初由电源模块的USB接口提供，但不稳定，故加入LM1117-3.3芯片，确保输出稳定的3.3V电压。

系统软件设计：系统软件部分的底层模块设计是基于特定技术和协议的系统架构。底层模块中的光照系统采用BH1750传感器，需在传感器与控制器之间加I²C通信协议。通过Modbus协议内的RTU传输模式，可实现数据采集模块与监控节点之间的数据传输，传输内容包含地址码、功能码、数据位及校验码。对于监控节点通信设计，引入了NB-IoT技术。此次设计通过COAP协议将网络平台连接于NB-IoT通信模块，NB-IoT核心网选择华为IoT平台，接收数据后向云服务器发送。监控中心设计主要通过B/S（浏览器/服务器）完成。在设计监控中心时，设置应用服务器，基于IoT平台直接订阅相应功能，对来自监控节点的JSON格式数据进行识别，并显示在用户端，以此呈现检测数据。用户端通过Socket通信连接服务器，实现数据相互传输。通常监控节点将报警信息发给用户端，客户端处理信息、做出决策后向控制模块发送，以调节环境。一般客户端可在手机上显示，用户不受时间和地点限制，可通过设备号确定设备进行远程监控和操作。

3.3系统控制具体流程

基于以上系统框架和系统的硬、软件等设计，系统控制的具体流程可由如下几个方面进行。系统的具体流程图由图2所示。

图2 智能温室监控系统主要控制流程图

数据采集及数据传输部分包括：（1）数据采集，利用空气湿度传感器DHT11、土壤湿度传感器FC-28、二氧化碳浓度传感器MQ-2和光照传感器BH1750分别对温室空气和土壤湿度、二氧化碳浓度、光照等实时情况进行数据采集，并将采集到的数据以电信号形式输出；（2）二次采集与数据传输，监控节点接收到数据采集装置采集的信息后，进行二次采集，去除噪声和干扰信号，提高数据准确性和可靠性，其中，监控节点通过 NB-IoT通信模块将二次采集后的数据发送给NB- IoT基站；（3）数据传输至监控中心，NB-IoT基站将接收到的数据传输到监控中心。

数据处理与决策部分：通过监控中心对接收的数据进行保存，并采用先进的数据处理算法和技术进行分析和计算；基于处理后的数据，监控中心做出科学合理的控制决策，例如当空气湿度低于设定阈值时开启加湿器等。

系统执行及反馈部分：（1）系统的反馈与控制，监控中心将控制决策反馈给NB-IoT基站，基站将决策传输给控制模块，控制模块根据决策对温室设备进行精确控制，调节温室环境；（2）系统远程监控，监控中心通过用户界面实时展示环境数据信息，用户可随时随地通过电脑、手机等设备访问用户界面，了解温室环境情况，用户可通过用户界面进行远程控制，如开启或关闭温室设备、调整设备运行参数等。

结论

本文主要对基于NB-loT无线通信的智能温室监控系统的工作情况进行具体的描述和分析。该智能温室监控系统具有数据传输高效、环境监测精准以及远程控制便捷等特点，可进一步集成手机APP显示和在线控制等功能，该系列功能的实现对智能温室的实际应用和操作过程具有重要指导意义。

参考文献

[1] 王立新,郭凰,杨佳宇,等.无线通信在结构健康监测系统的应用研究综述[J].科学技术与工程, 2023, 23(6):2229-2241.

[2] 李润林,杨华勇.基于LoRa和NB-IoT技术的智慧农业监测平台[J].智慧农业导刊, 2022, 2(18):14-17.

[3] 陈宇华.NB-IoT技术优势提升智能互联、促生智能建筑的新发展[J].广东通信技术, 2017, 37(11):3.

[4] 郑忠斌,王朝栋,蔡佳浩.NB-IoT的技术优势及在电网中的应用研究[J].通信技术, 2020, 53(7):8.

[5] 鲁娜,朱雪田,张成良.NB-IoT运营商面临的机遇与挑战[J].中兴通讯技术, 2017, 23(1):3.