CN111526493A - 基于nbiot传输技术的低功耗农田管理方法与*** - Google Patents

基于nbiot传输技术的低功耗农田管理方法与*** Download PDF

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Abstract

一种基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理方法与***，包括如下步骤：低功耗mcu模块接收农田数据；所述NBIOT通信模块把所述农田数据发送出去以供远程观察该农田数据，所述NBIOT通信模组与通信基站之间的数据通信无需时刻连接，而是采用休眠与唤醒方式，以此将所述NBIOT通信模组的工作状态分为Connected连接态、Idle空闲态以及PSM节能模式三种状态。结合其他结构和方法有效避免了现有技术中农田管理者无法远程观察农田信息、或者始终连接在GPS，ZigBee等网络上而对大面积的农田进行监测时设备复杂且能耗很高的缺陷。

Description

基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理方法与***
技术领域
本发明涉及农田管理技术领域，也属于物联网数据传输技术领域，具体涉及一种基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理方法与***。
背景技术
农田又称为耕地，在地理学上是指可以用来种植农作物的土地。农田生产遇到的首要气象灾害有干旱、洪涝、劲风、冰雹、霜冻、雷暴等天然灾害，而要抵御天然灾害，避免这些气象灾害给作物生长构成不良影响，避免由此引起的农业出产丢失，就需要对农田进行更准确的监测，以及早采用方法防备。农田管理方法与***可对农田灾害进行及时监测，对农田灾害预防具有重要意义。目前农田传感器因为农田偏僻的位置原因，只能在农田中自行工作，不能联网，农田管理者无法远程观察农田信息。或者始终连接在GPS，ZigBee等网络上，对大面积的农田进行监测时，设备复杂且能耗很高。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理方法与***，有效避免了现有技术中农田管理者无法远程观察农田信息、或者始终连接在GPS，ZigBee等网络上而对大面积的农田进行监测时设备复杂且能耗很高的缺陷。
为了克服现有技术中的不足，本发明给予了一种基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理方法与***的解决方案，具体如下：
一种基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***的方法，包括如下步骤：
步骤1：低功耗mcu模块接收农田数据；
步骤2：所述NBIOT通信模块把所述农田数据发送出去以供远程观察该农田数据。
进一步的，所述NBIOT通信模组与通信基站之间的数据通信无需时刻连接，而是采用休眠与唤醒方式，以此将所述NBIOT通信模组的工作状态分为Connected连接态、Idle空闲态以及PSM节能模式三种状态。
进一步的，所述Connected连接态、Idle空闲态以及PSM节能模式三种状态的工作模式，具体包括：所述采集模块中的传感器采集农田信息，当传感器采集的数据超过预设的阈值时，所述NBIOT通信模块进入Connected连接态，唤醒与所述通信基站的数据通信后远程登录所述后台服务器，下载事先在后台服务器中预设的控制策略模块，使所述执行模块按照控制策略模块独立运行，使农田质量达标，直到农田中的传感器采集到的数据完全恢复到阈值范围内，启动不活动计时器，在计时器计时到设定的时间后，如果农田中的传感器采集来的数据一直在阈值范围内且所述后台服务器没有向所述NBIOT通信模块发送命令，所述NBIOT通信模块进入Idle空闲态，同时启动定时器Active-Timer，在所述定时器Active-Timer在设定的定时范围内，如果农田中的传感器接收来的数据一直在阈值范围内且所述后台服务器没有向所述NBIOT通信模块发送命令，则定时器Active-Timer超时，所述NBIOT通信模块自动请求与通信基站断开连接进入PSM节能模式。当传感器采集的数据再次超过阈值时，所述NBIOT通信模块就再次进入Connected连接态。
进一步的，当所述NBIOT通信模块处于PSM节能模式时，所述后台服务器也可以主动对执行模块进行控制，只需要向所述NBIOT通信模块发送唤醒命令，使NBIOT通信模块由PSM节能模式进入Connected连接态，而农田的监控者将控制策略模块事先编写在所述后台服务器中。
所述基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***，包括：
低功耗mcu模块，所述低功耗mcu模块用于接收农田数据；
NBIOT通信模块，所述NBIOT通信模块与所述低功耗mcu模块通信连接，所述NBIOT通信模块用于把所述农田数据发送出去以供远程观察该农田数据。
进一步的，所述基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***，还包括：
采集模块，所述采集模块与所述低功耗mcu模块通信连接，所述采集模块用于采集农田数据并传输至所述低功耗mcu模块。
进一步的，所述采集模块包括安装在农田中的传感器，所述传感器包括大气温湿度传感器、大气烟雾传感器、土壤水分传感器、土壤盐分传感器、土壤PH值传感器、二氧化碳传感器或者光照传感器。
进一步的，所述基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***，还包括：
在距所述农田远程设置的通信基站和与该通信基站通信连接的后台服务器；
所述通信基站用于接收从所述NBIOT通信模块发送来的所述农田数据，并把该农田数据转发到所述后台服务器中显示，所述NBIOT通信模块还用于接收从所述通信基站发送来的数据并传递给所述低功耗mcu模块。
进一步的，所述基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***，还包括：
执行模块，所述执行模块与所述低功耗mcu模块电连接；
所述执行模块包括电机组，所述电机组包括灌溉电机、喷洒农药装置的电机或者施肥电机。
进一步的，所述基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***，还包括：
电源模块，所述电源模块与所述低功耗mcu模块、采集模块、执行模块和NBIOT通信模块电连接，所述电源模块用于对所述低功耗mcu模块、采集模块、执行模块和NBIOT通信模块提供电源；
所述电源模块、低功耗mcu模块、采集模块、执行模块和NBIOT通信模块都安置在农田端。
本发明的有益效果为：
(1)实时远程监控农田环境，对农作物的生长提供有利环境；
(2)无需人工实地驻守农田，减少人工；
(3)NBIOT覆盖范围广且具有超大连接量，一个扇区能够支持数万个连接，适合地区宽广的农田；
(4)NBIOT无需重新建网，射频和天线可以复用的，只有当农田环境不达标时，NBIOT才会进行通信，节省了电能，降低了成本。
附图说明
图1为本发明的基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***的总体框图；
图2为本发明的基于NBIOT通信模块通信的流程图；
图3为本发明的实例的农田自动灌溉的流程图；
图4为本发明的实例的农田火灾报警的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。
NBIOT为窄带物联网，窄带物联网(Narrow Band Internet of Things)作为万物互联网络的一个重要分支。NBIOT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。NBIOT是物联网领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NBIOT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。
NBIOT现有的省电技术分为三种：
1、DRX模式，DRX(Discontinuous Reception)即非连续接收，是指终端仅在必要的时间段打开接收机进入激活态，用以接收下行数据，而在剩余时间段关闭接收机进入休眠态，停止接收下行数据的一种节省终端电力消耗的工作模式。
2，eDRX模式，即扩展不连续接收，在每个eDRX周期内，有一个寻呼时间窗口(Paging Time Window，PTW)，UE只在PTW内按DRX周期监听寻呼信道，以便接收下行业务，PTW外的时间处于睡眠态，不监听寻呼信道，不能接收下行业务。
3、PSM模式，PSM(Power Saving Mode)的技术原理非常简单，在PSM该状态下，终端射频关闭，相当于关机状态，终端非业务期间深度休眠，不接收下行数据，只有终端主动发送上行数据(MO Data)时可接收IoT平台缓存的下行数据。
如图1-图2所示，基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***的方法，包括如下步骤：
步骤1：低功耗mcu模块接收农田数据；该低功耗mcu模块能够是STM32 L0型号的mcu。
步骤2：所述NBIOT通信模块把所述农田数据发送出去以供远程观察该农田数据。所述NBIOT通信模块把所述农田数据发送出去以供远程观察该农田数据，使得农田管理者能够远程观察农田信息，并且低功耗mcu模块更为节能。
为了实现低功耗的目的，农田端的所述NBIOT通信模组与通信基站之间的数据通信无需时刻连接，而是采用休眠与唤醒方式，以此将所述NBIOT通信模组的工作状态分为Connected连接态、Idle空闲态以及PSM节能模式三种状态。
所述Connected连接态、Idle空闲态以及PSM节能模式三种状态的工作模式，具体包括：所述采集模块中的传感器采集农田信息，当传感器采集的数据超过预设的阈值时，所述NBIOT通信模块进入Connected连接态，唤醒与所述通信基站的数据通信后远程登录所述后台服务器，下载事先在后台服务器中预设的编写好的控制策略模块，使农田端的所述执行模块按照控制策略模块独立运行，使农田质量达标，直到农田中的传感器采集到的数据完全恢复到阈值范围内，启动不活动计时器，其计时时间默认为20秒，可配置范围为1s～3600s，在计时器计时到设定的时间后，如果农田中的传感器采集来的数据一直在阈值范围内且所述后台服务器没有向所述NBIOT通信模块发送命令，则不活动计时器超时，所述NBIOT通信模块进入Idle空闲态，同时启动定时器Active-Timer，所述定时器的超时时间配置范围为2秒～186分钟，在所述定时器Active-Timer在设定的定时范围内，如果农田中的传感器接收来的数据一直在阈值范围内且所述后台服务器没有向所述NBIOT通信模块发送命令，则定时器Active-Timer超时，所述NBIOT通信模块自动请求与通信基站断开连接进入PSM节能模式。当传感器采集的数据再次超过阈值时，所述NBIOT通信模块就再次进入Connected连接态。
当所述NBIOT通信模块处于PSM节能模式时，所述后台服务器也可以主动对农田端的执行模块进行控制，只需要向所述NBIOT通信模块发送唤醒命令，使NBIOT通信模块由PSM节能模式进入Connected连接态，而农田的监控者将控制策略模块事先编写在所述后台服务器中，所以可以通过修改后台服务器中的程序针对不同的农作物的生产需求对农田传感器阈值进行修改。
上述方法，举例如下：
先在后台服务器中编写好土壤水分阈值范围和大气烟雾阈值范围，并唤醒NBIOT通信模块，将土壤水分阈值范围和大气烟雾阈值范围传输给农田端低功耗mcu模块；事先在后台服务器中编写好当土壤水分值不在土壤水分阈值范围时的控制策略与当大气烟雾值不在大气烟雾阈值范围时的控制策略模块。
本发明专利为了实现低功耗的目的，农田端的NBIOT通信模组与通信基站之间的数据通讯无需时刻连接，而是采用休眠与唤醒方式。将NBIOT工作状态分为Connected连接态、Idle空闲态、PSM节能模式三种状态。
其中采集模块中的土壤水分传感器与大气烟雾传感器采集农田信息，当农田土壤缺水时，农田端低功耗mcu模块判断出土壤水分传感器采集到的数值低于低功耗mcu模块中设定的土壤水分阈值范围，NBIOT通信模块进入Connected连接态，唤醒后远程登录服务器，下载事先在后台服务器中编写好的控制策略模块，使农田端的执行模块按照控制策略模块独立运行，即开启农田端的灌溉电机，增加土壤湿度，直到农田土壤湿度在土壤水分阈值范围的中间值，即农田中的传感器采集到的数据恢复到阈值范围的中间值，灌溉电机停止，同时启动不活动计时器，等待2分钟，在这段时间如果农田中的传感器数据一直在阈值范围内且后台服务器没有向NBIOT通信模块发送命令，则不活动计时器超时，NBIOT通信模块进入Idle空闲态，同时启动定时器Active-Timer，等待2分钟，在这段时间内如果农田中的传感器数据一直在阈值范围内且后台服务器没有向NBIOT通信模块发送命令，则Active-Timer超时，NBIOT通信模块自动请求与通信基站断开连接进入PSM节能模式，以此完成一次农田的自动化灌溉。当土壤水分传感器采集的数据再次超过阈值时，NBIOT通信模块再次进入Connected连接态。
当农田发生火灾时，大气烟雾传感器采集到的数值高于低功耗mcu模块中设定的大气烟雾阈值范围，NBIOT通信模块进入Connected连接态，唤醒后远程登录服务器，下载事先在后台服务器中编写好的控制策略模块，开启报警模式。当火灾解决后，大气烟雾传感器检测到的烟雾值远低于设定的阈值，则启动不活动计时器，等待2分钟，在这段时间如果农田中的传感器数据一直在阈值范围内且后台服务器没有向NBIOT通信模块发送命令，则不活动计时器超时，NBIOT通信模块进入Idle空闲态，同时启动定时器Active-Timer，等待2分钟，在这段时间内如果农田中的传感器数据一直在阈值范围内且后台服务器没有向NBIOT通信模块发送命令，则定时器Active-Timer超时，NBIOT通信模块自动请求与通信基站断开连接进入PSM节能模式，以此完成一次农田火灾报警。当大气烟雾传感器采集的数据再次超过阈值时，NBIOT通信模块再次进入Connected连接态。
所述基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***，包括：
低功耗mcu模块，所述低功耗mcu模块用于接收农田数据；
NBIOT通信模块，所述NBIOT通信模块与所述低功耗mcu模块通信连接，所述NBIOT通信模块用于把所述农田数据发送出去以供远程观察该农田数据。所述NBIOT通信模块用于把所述农田数据发送出去以供远程观察该农田数据，使得农田管理者能够远程观察农田信息，并且低功耗mcu模块更为节能。
所述基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***，还包括：
采集模块，所述采集模块与所述低功耗mcu模块通信连接，所述采集模块用于采集农田数据并传输至所述低功耗mcu模块。
所述采集模块包括安装在农田中的传感器，所述传感器包括大气温湿度传感器、大气烟雾传感器、土壤水分传感器、土壤盐分传感器、土壤PH值传感器、二氧化碳传感器或者光照传感器。所述大气温湿度传感器、大气烟雾传感器、土壤水分传感器、土壤盐分传感器、土壤PH值传感器、二氧化碳传感器或者光照传感器分别采集农田上的大气温湿度、农田上的大气烟雾浓度、农田的土壤水分含量、农田的土壤盐分含量、农田的土壤PH值含量、农田的二氧化碳浓度或者农田所受光照的强度。
所述基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***，还包括：
在距所述农田远程设置的通信基站和与该通信基站通信连接的后台服务器；
所述通信基站用于接收从所述NBIOT通信模块发送来的所述农田数据，并把该农田数据转发到所述后台服务器中显示以供管理者远程查看农田情况，方便管理者根据不同农作物的生长环境需求，对农田大气与土壤环境进行控制，所述NBIOT通信模块还用于接收从所述通信基站发送来的数据并传递给所述低功耗mcu模块。所述通信基站和后台服务器通常设置在农田管理处。
所述基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***，还包括：
执行模块，所述执行模块与所述低功耗mcu模块电连接；
所述执行模块包括电机组，所述电机组包括灌溉电机、喷洒农药装置的电机或者施肥电机。所述低功耗mcu模块也能控制所述执行模块执行，就如控制灌溉电机对农田进行灌溉、控制喷洒农药装置的电机对农田进行喷洒农药或者控制施肥电机对农田进行施肥。
所述基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***，还包括：
电源模块，所述电源模块与所述低功耗mcu模块、采集模块、执行模块和NBIOT通信模块电连接，所述电源模块用于对所述低功耗mcu模块、采集模块、执行模块和NBIOT通信模块提供电源；
所述电源模块、低功耗mcu模块、采集模块、执行模块和NBIOT通信模块都安置在农田端，用于采集农田信息。
以上以用实施例说明的过程对本发明作了描述，本领域的技术人员应当理解，本公开不限于以上描述的实施例，在不偏离本发明的范围的状况下，能够做出每种变动、改变和替换。

Claims (10)

1.一种基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：低功耗mcu模块接收农田数据；
步骤2：所述NBIOT通信模块把所述农田数据发送出去以供远程观察该农田数据。
2.根据权利要求1所述的基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***的方法，其特征在于，所述NBIOT通信模组与通信基站之间的数据通信无需时刻连接，而是采用休眠与唤醒方式，以此将所述NBIOT通信模组的工作状态分为Connected连接态、Idle空闲态以及PSM节能模式三种状态。
3.根据权利要求1所述的基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***的方法，其特征在于，所述Connected连接态、Idle空闲态以及PSM节能模式三种状态的工作模式，具体包括：
所述采集模块中的传感器采集农田信息，当传感器采集的数据超过预设的阈值时，所述NBIOT通信模块进入Connected连接态，唤醒与所述通信基站的数据通信后远程登录所述后台服务器，下载事先在后台服务器中预设的控制策略模块，使所述执行模块按照控制策略模块独立运行，使农田质量达标，直到农田中的传感器采集到的数据完全恢复到阈值范围内，启动不活动计时器，在计时器计时到设定的时间后，如果农田中的传感器采集来的数据一直在阈值范围内且所述后台服务器没有向所述NBIOT通信模块发送命令，所述NBIOT通信模块进入Idle空闲态，同时启动定时器Active-Timer，在所述定时器Active-Timer在设定的定时范围内，如果农田中的传感器接收来的数据一直在阈值范围内且所述后台服务器没有向所述NBIOT通信模块发送命令，则定时器Active-Timer超时，所述NBIOT通信模块自动请求与通信基站断开连接进入PSM节能模式；当传感器采集的数据再次超过阈值时，所述NBIOT通信模块就再次进入Connected连接态。
4.根据权利要求3所述的基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***的方法，其特征在于，当所述NBIOT通信模块处于PSM节能模式时，所述后台服务器也可以主动对执行模块进行控制，只需要向所述NBIOT通信模块发送唤醒命令，使NBIOT通信模块由PSM节能模式进入Connected连接态，而农田的监控者将控制策略模块事先编写在所述后台服务器中。
5.一种基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***，其特征在于，包括：
低功耗mcu模块，所述低功耗mcu模块用于接收农田数据；
NBIOT通信模块，所述NBIOT通信模块与所述低功耗mcu模块通信连接，所述NBIOT通信模块用于把所述农田数据发送出去以供远程观察该农田数据。
6.根据权利要求5所述的基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***，其特征在于，所述基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***，还包括：
采集模块，所述采集模块与所述低功耗mcu模块通信连接，所述采集模块用于采集农田数据并传输至所述低功耗mcu模块。
7.根据权利要求5所述的基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***，其特征在于，所述采集模块包括安装在农田中的传感器，所述传感器包括大气温湿度传感器、大气烟雾传感器、土壤水分传感器、土壤盐分传感器、土壤PH值传感器、二氧化碳传感器或者光照传感器。
8.根据权利要求5所述的基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***，其特征在于，所述基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***，还包括：
在距所述农田远程设置的通信基站和与该通信基站通信连接的后台服务器；
所述通信基站用于接收从所述NBIOT通信模块发送来的所述农田数据，并把该农田数据转发到所述后台服务器中显示，所述NBIOT通信模块还用于接收从所述通信基站发送来的数据并传递给所述低功耗mcu模块。
9.根据权利要求5所述的基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***，其特征在于，所述基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***，还包括：
执行模块，所述执行模块与所述低功耗mcu模块电连接；
所述执行模块包括电机组，所述电机组包括灌溉电机、喷洒农药装置的电机或者施肥电机。
10.根据权利要求5所述的基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***，其特征在于，所述基于NBIOT传输技术的低功耗农田管理***，还包括：
电源模块，所述电源模块与所述低功耗mcu模块、采集模块、执行模块和NBIOT通信模块电连接，所述电源模块用于对所述低功耗mcu模块、采集模块、执行模块和NBIOT通信模块提供电源；
所述电源模块、低功耗mcu模块、采集模块、执行模块和NBIOT通信模块都安置在农田端。
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