基于NB-IoT网络的兔舍环境实时监测系统(《智慧农业(中英文)》2023年第1期)

学术   三农   2024-08-23 21:19   北京  

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引用格式:秦英栋, 贾文珅. 基于NB-IoT网络的兔舍环境实时监测系统[J]. 智慧农业(中英文), 2023, 5(1): 155-165. DOI:10.12133/j.smartag.SA202211008

QIN Yingdong, JIA Wenshen. Real-time monitoring system for rabbit house environment based on NB-IoT network[J]. Smart Agriculture, 2023, 5(1): 155-165. DOI:10.12133/j.smartag.SA202211008

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基于NB-IoT网络的兔舍环境实时监测系统

秦英栋1,2, 贾文珅2*

(1.北京农学院 计算机与信息工程学院,北京102206;2.北京市农林科学院质量标准与检测技术研究所,北京 100097)

摘要: 为满足兔舍环境监测调控需求,同时摆脱传统布线网络局限性,缩减网络资费、电路元件和控制系统成本,本研究提出一种基于窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)的兔舍环境实时监测系统。系统基于Arduino开发板,使用移远BC260Y模块与消息队列遥测传输协议(Message Queuing Telemetry Transport,MQTT)实现网络连接,利用SGP30、MQ137、5516光敏电阻传感器等多种传感器实现兔舍内部声、光、水、温、气五方面实时监测。数据在本地、云端存储的同时,系统可根据阈值报警,协助创造兔的最佳生存环境。研究中对比了NB-IoT网络与Wi-Fi、LoRa等其他网络的异同,根据物联网三层架构详细介绍了系统搭建技术与过程,并系统分析了元器件价格,经核算,整机成本不超过400元。设备在空舍测试中,检测到CO2浓度为420~440 ppm;MQ系列传感模组电压比值稳定于1;温度处于22~24 ℃;湿度上下波动10%;日光灯亮灭引起电压差2.6 V。进行了系统的网络与能耗测试,通过不同时间、场地、网络连接方式的对比,验证了本系统传输稳定可靠,能耗合理。系统使用MQTT通信协议的NB-IoT网络,平均每秒消息处理量(Transactions Per Second,TPS)为0.57,每分钟收发34.2条,上下浮动1条。系统运行时,电压约为12.5 V,电流约为0.42 A,平均功率为5.3 W。发生通信时,没有产生额外功耗,适用于实际养殖生产。本研究可为偏远或较大规模的养殖监测设备选取提供设备成本与网络选择参考价值。

关键词: 窄带物联网;兔舍;环境监测;数字农业;低成本;物联网;Arduino;MQTT


文章图片

图1 兔舍环境监测系统架构设计图

Fig. 1  Design drawing of rabbit house environment monitoring system architecture

图2 兔舍环境监测系统接线原理图

Fig. 2  Wiring schematic of rabbit house environment monitoring system

图3 Arduino Uno主控板

Fig. 3  The main control board of Arduino Uno

图4 NB-IoT通信模块BC260Y

Fig. 4  NB-IoT communication module BC260Y

图5 阿里云平台本研究模型定义

Fig. 5  Model definition on Alibaba cloud platform

图6 兔舍环境监测系统组装图

Fig. 6  Assembly drawing of the rabbit house environment monitoring system

图7 青岛市某养兔场实验实际场地选取布设位置

Fig. 7  The selection and layout of experimental sites in a rabbit house in Qingdao

图8 用于系统测试的兔舍平面图

Fig. 8  The rabbit house floor plan for system testing

图9 兔场接收到的MQTT消息量

Fig. 9  The amount of MQTT messages received by rabbit house

图10 市中心消息上行TPS

Fig. 10  News uplink TPS in downtown

图11 市中心接收到MQTT消息量

Fig. 11  Volume of MQTT messages received by the
downtown area 

图12 使用电能表检测相同设备的不同网络模块

Fig. 12  Use electricity meters to detect the same devices in different network modules

图13 空兔舍24小时数据采集

Fig. 13  Empty house 24 hours data acquisition

通信作者简介| 贾文珅 博士




   

贾文珅 副研究员

贾文珅,博士,现任北京市农林科学院副研究员,毕业于吉林大学,获工学博士学位,国家自然科学基金通讯评审专家。主要从事农产品无损检测研究与物联网研发。主持国家自然科学基金,国家重点研发计划课题,北京市留学人员择优资助基金,河北省重点研发课题,北京市农林科学院国际合作项目、农业科技示范推广项目、创新能力建设基金等课题20余项,参与国家科技支撑课题,国家863计划课题,行业(农业)科研专项,国家重点研发计划,北京市科技计划等课题8项。以第一作者/通讯作者发表论文30余篇,授权专利6项(国际专利1项)。以第一完成人,获得河北省科技进步奖2项,获得北京市农业推广奖1项,作为主要完成人获得神农中华科技奖一等奖1项,中国商业联合会科学技术奖特等奖、一等奖各1项,出版著作2部。

来源:《智慧农业(中英文)》2023年第1期

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