基于NB-IoT的土壤离子浓度检测与监控系统及方法

基于nb-iot的土壤离子浓度检测与监控系统及方法
技术领域
1.本发明涉及土壤离子浓度检测技术领域，具体涉及一种基于nb-iot的土壤离子浓度检测装置与远程监控系统，及远程监控方法。


背景技术：

2.土壤是由矿物质、有机质、水分和空气组成，是岩石的风化物在生物、气候、地形等因素综合作用下形成发展的，它能供应和调节植物生长过程中所需水分、养分、空气和热量，人类的农业生产活动对耕地上的土壤起着影响作用，土壤微环境较为复杂，其温湿度、水分、ph、离子浓度都处在不断变化中，微环境的状态信息会直接影响植物体的水分和养分摄取及生长发育，因此实时掌握土壤微环境的变化及状态信息显得尤为重要。
3.检测土壤微环境的常规技术中，x荧光光谱仪可快速分析土壤中的元素含量，虽然测试时间短，仅需几秒到几分钟，但检测步骤十分复杂，需将土壤样本采样制样，对样本状态要求高，且设备不方便携带，而在便携式检测领域，通过前端连接带探针的土壤墒情检测传感器，采集土壤温湿度、水分、电导率、氮磷钾、ph值等参数信息，通过gprs、4g、wi-fi、蓝牙等通信方式传输数据，这种方式的前端传感器采集数据数目少，仅能采集氮磷钾离子浓度参数，对于诸如钾、钙、钠、镁、氯等离子浓度参数无法检测，这些离子的浓度大小往往也会影响植物体的生长发育，且受土壤微环境影响较大，精度不高，后端依靠的通信方式像gprs、4g、wi-fi等功耗和成本较高，对于户外无人监控的检测环境中，无法实现长时间的低耗能检测，需连接外部电源或大电池，不利于便携式检测，且像蓝牙这种短距离无线通信方式又受通信距离的限制，无法实现远距离的实时监控。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供基于nb-iot的土壤离子浓度检测与监控系统及远程监控方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种基于nb-iot的土壤离子浓度检测与监控系统，其包括基于nb-iot的土壤离子浓度检测装置及远程监控系统，包括硬件电路和云端服务器平台，所述硬件电路中包括nb-iot模块，所述nb-iot模块通过移动通信网络与所述云端服务平台进行无线数据通信，所述nb-iot模块连接有低功耗处理器，所述低功耗处理器接收到连接有a/d转换器，所述低功耗处理器接收端信号连接有gps/北斗定位系统，所述低功耗处理器接收端信号连接有温湿度传感器。
7.所述云端服务器平台中包括所述云端数据接口，所述云端数据接口通过移动通信网络与所述硬件电路进行无线数据通信，所述云端数据接口连接至所述数据处理模块，所述数据处理模块连接至所述数据可视化模块。
8.优选的，所述硬件电路中还包括电源管理模块，电源管理模块的输出分别连接至所述低功耗处理器、所述a/d转换器、所述nb-iot模块、所述模拟运放电路等模块，所述电源
管理模块的两个输入端分别连接有所述太阳能电池和所述锂离子电池。
9.优选的，所述a/d转换器接收端信号连接有模拟运放电路，所述模拟运放电路信号连接有ph传感器。
10.优选的，所述a/d转换器接收端信号连接有模拟运放电路，所述模拟运放电路接收端信号连接有na 传感器。
11.优选的，所述a/d转换器接收端信号连接模拟运放电路，所述模拟运放电路接收端连接mg2 传感器。
12.优选的，所述a/d转换器接收端信号连接模拟运放电路，所述模拟运放电路接收端信号连接有ca2 传感器。
13.优选的，所述a/d转换器接收端信号连接模拟运放电路，所述模拟运放电路接收端信号连接有cl-传感器。
14.优选的，所述a/d转换器接收端信号连接模拟运放电路，所述模拟运放电路接收端信号连接有k 传感器。
15.本发明要解决的另一技术问题是提供采用前述系统的基于nb-iot的土壤离子浓度检测的远程监控方法，包括以下步骤：
16.s1、传感器预处理
17.装置部署前，先要对前端传感器预处理，将前端传感器探针部分进行微湿润操作，插入待测土壤中系统上电进行初始化操作，首先将nb-iot模块初始化和入网，nb-iot模块通过at指令将模块复位，信号质量查询，网络状态附着查询，连接云平台，订阅已在云平台上设置的各通道电压、温湿度值、ph值等资源参数信息，此时整个系统进入空闲任务状态，等待前端传感器的信号采集任务；
18.s2、数据采集
19.整体装置作为南向设备，全固态离子选择性电极传感器、ph传感器、温湿度传感器执行土壤模拟量的参数信息采集任务，并经由模拟运放电路及数模转换电路进行信号处理，转换为各通道的离子浓度电位值和温湿度值等数字量，完成数据采集任务，等待向云平台数据上报；
20.s3、数据上报
21.云平台作为北向应用，将采集到的数据上传至云平台，并与云平台订阅的资源关键字一一对应，为了更直观展示数据，云平台将得到的数据转换成数据折线图的形式，实现数据可视化，并且图表随固定时间(默认5s，用户可设置)刷新一次，便于用户实时查看数据点的信息及变化趋势，此时完成数据上报任务，整个系统重新进入空闲任务模式，等待平台下达操作指令或定时执行的数据采集和数据上报任务(默认30分钟执行一次数据采集及上报，定时时间可根据需要灵活调整)；
22.s4、系统唤醒重新采集
23.在系统的空闲任务时间内，没有数据采集和上报任务执行，此时整个系统进入低功耗模式，关闭除mcu与nb-iot通信的串口外的其他外设，微控制器进入低功耗模式，nb-iot开启psm低功耗模式，保持与云平台的连接，使用mcu内部的rtc实时时钟定时唤醒，等待下一次数据采集和上报任务的到来；或是当用户想要采集数据时，在平台上下达数据采集指令，此时系统也会被外部唤醒，重新进行采集任务；
24.s5、供电管理
25.对于电源供电管理，在阳光充足时，切换为太阳能电池供电，太阳能电池可以为整个系统供电，并且还可以同时给锂离子电池充电，以备为特殊情况下储电；在阳光不充足或阴雨天情况下，系统从太阳能电池切换为锂离子电池供电，因此太阳能电池和锂离子电池组成双供电系统，延长设备续航时间。
26.与现有技术相比，本发明提供的基于nb-iot的土壤离子浓度检测与远程监控系统、监控方法。具备以下有益效果：
27.1、该基于nb-iot的土壤离子浓度检测装置及远程监控系统和监控方法，将nb-iot与全固态离子选择性电极传感器相结合，实现了土壤微环境状态的实时监控，相比传统土壤传感器检测，拓宽了离子浓度检测的范围，相较于传统土壤传感器检测氮磷钾等参数，该装置依靠前端的离子选择性电极可检测钾、钙、钠、镁、氯等离子浓度参数，更能全面监控植物体生长发育过程中所需养分的情况，相比于使用gprs、4g、蓝牙、wi-fi等通信方式的传统检测方法，nb-iot拓宽了装置的使用场景，使装置能快速部署，快速联网，且整体装置的功耗和成本都相对较低，更适用于无人看守的户外场景，满足长时间、长距离的实时监控需求。
28.2、该基于nb-iot的土壤离子浓度检测装置及远程监控系统及方法，不仅能做到方便快捷，即插即用，且依靠前端灵敏度和精度高的全固态离子选择性电极传感器，可实现非溶液状态下的离子检测，在离子选择性电极前段加上人工微湿润装置，可实现原位的采集土壤ph值和k 、ca ，na ，mg ，cl-等养分离子的浓度，将全固态离子选择电极传感器探针插入土壤中，其各个探针上的工作电极会产生一个电位，该电位取决于土壤各离子浓度大小，将该电位与参考电极的电位进行比较，工作电极与参比电极之间的电位差就是所测得的电位，这个电位与待测离子的浓度之间的关系符合能斯特方程，做到能够精准地同时检测土壤里离子浓度参数。
29.3、该基于nb-iot的土壤离子浓度检测装置及远程监控系统及方法，通过gps或北斗定位模块，可实时查看装置的位置情况，将分布在各地的装置组成设备网络，更为方便管理设备。经mcu处理的传感器采集数据可通过nb-iot模块发送至云端，实现数据的云存储即实时监控，只要有移动通信网络的地方，就可以随时随地查看数据，更增加了系统的便携性。
附图说明
30.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
31.图1为本发明实施例土壤离子浓度检测与监控系统的整体模块组成结构示意图；
32.图2为本发明实施例远程监控方法的流程示意图。
33.图中：1、低功耗处理器；2、云端数据端口；3、a/d转换器；4、电源管理模块；5、数据处理模块；6、数据可视化模块；7、nb-iot模块；8、gps/北斗定位系统；9、温湿度传感器；10、太阳能电池；11、锂离子电池；12、ph传感器；13、模拟运放电路；14、na 传感器；15、mg2 传感器；16、ca2 传感器；17、cl-传感器；18、k 传感器；19、硬件电路；20、云端服务器平台。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.实施例
36.请参阅图1-2，本发明提供的基于nb-iot的土壤离子浓度检测与监控系统，其包括基于nb-iot的土壤离子浓度检测装置及远程监控系统，具体包括硬件电路19和云端服务器平台20，硬件电路19中包括nb-iot模块7，nb-iot模块7通过移动通信网络与云端服务平台20进行无线数据通信，nb-iot模块7连接有低功耗处理器1，低功耗处理器1接收到连接有a/d转换器3，低功耗处理器1接收端信号连接有gps/北斗定位系统8，低功耗处理器1接收端信号连接有温湿度传感器9。
37.云端服务器平台20中包括云端数据接口2，云端数据接口2通过移动通信网络与硬件电路19进行无线数据通信，云端数据接口2连接至数据处理模块5，数据处理模块5连接至数据可视化模块6，硬件电路19中还包括电源管理模块4，电源管理模块的输出分别连接至低功耗处理器1、a/d转换器3、nb-iot模块7、模拟运放电路13等模块，电源管理模块4的两个输入端分别连接有太阳能电池10和锂离子电池11，a/d转换器3接收端信号连接有模拟运放电路13，模拟运放电路13信号连接有ph传感器12，a/d转换器3接收端信号连接有模拟运放电路13，模拟运放电路13接收端信号连接有na 传感器14，a/d转换器3接收端信号连接模拟运放电路13，模拟运放电路13接收端连接mg2 传感器15，a/d转换器3接收端信号连接模拟运放电路13，模拟运放电路13接收端信号连接有ca2 传感器16，a/d转换器3接收端信号连接模拟运放电路13，模拟运放电路13接收端信号连接有cl-传感器17，a/d转换器3接收端信号连接模拟运放电路13，模拟运放电路13接收端信号连接有k 传感器18。
38.本发明要解决的另一技术问题是提供采用前述系统的基于nb-iot的土壤离子浓度检测的远程监控方法，包括以下步骤：
39.s1、传感器预处理
40.装置部署前，先要对前端传感器预处理，将前端传感器探针部分进行微湿润操作，插入待测土壤中系统上电进行初始化操作，首先将nb-iot模块7初始化和入网，nb-iot模块7通过at指令将模块复位，信号质量查询，网络状态附着查询，连接云平台，订阅已在云平台上设置的各通道电压、温湿度值、ph值等资源参数信息，此时整个系统进入空闲任务状态，等待前端传感器的信号采集任务。
41.s2、数据采集
42.整体装置作为南向设备，全固态离子选择性电极传感器、ph传感器12、温湿度传感器9执行土壤模拟量的参数信息采集任务，并经由模拟运放电路13及数模转换电路进行信号处理，转换为各通道的离子浓度电位值和温湿度值等数字量，完成数据采集任务，等待向云平台数据上报。
43.s3、数据上报
44.云平台作为北向应用，将采集到的数据上传至云平台，并与云平台订阅的资源关键字一一对应，为了更直观展示数据，云平台将得到的数据转换成数据折线图的形式，实现
数据可视化6，并且图表随固定时间默认5s，用户可设置刷新一次，便于用户实时查看数据点的信息及变化趋势，此时完成数据上报任务，整个系统重新进入空闲任务模式，等待平台下达操作指令或定时执行的数据采集和数据上报任务(默认30分钟执行一次数据采集及上报，定时时间可根据需要灵活调整)。
45.s4、系统唤醒重新采集
46.在系统的空闲任务时间内，没有数据采集和上报任务执行，此时整个系统进入低功耗模式，关闭除mcu与nb-iot通信的串口外的其他外设，微控制器进入低功耗模式，nb-iot开启psm低功耗模式，保持与云平台的连接，使用mcu内部的rtc实时时钟定时唤醒，等待下一次数据采集和上报任务的到来；或是当用户想要采集数据时，在平台上下达数据采集指令，此时系统也会被外部唤醒，重新进行采集任务。
47.s5、供电管理
48.对于电源供电管理，在阳光充足时，切换为太阳能电池10供电，太阳能电池10可以为整个系统供电，并且还可以同时给锂离子电池11充电，以备为特殊情况下储电；在阳光不充足或阴雨天情况下，系统从太阳能电池10切换为锂离子电池11供电，因此太阳能电池10和锂离子电池11组成双供电系统，延长设备续航时间。
49.在本实施例的监控系统中，nb-iot模块7与硬件设备之间的连接与通信的指令通过at命令进行指令传输，低功耗处理器1将采集到的数据通过串口以at命令的方式发送给nb-iot模块7，nb-iot模块7也会把从云端接收的指令通过串口以at命令的方式反馈给低功耗处理器1，在指令下达过程中，nb-iot模块7在收到at命令后，会自动封装成coap、mqtt等协议方式发送给云端数据端口2，nb-iot模块7也可接收云端数据端口2下达的指令，其中coap、mqtt协议为针对物联网等小型设备的通信协议。
50.本发明上述实施例提供的基于nb-iot的土壤离子浓度检测装置及远程监控系统，将nb-iot技术与全固态离子选择性电极传感器相结合，实现了土壤微环境状态的远程检测和实时监控，该装置依靠前端的离子选择性电极可检测钾、钙、钠、镁、氯等离子浓度参数，相比传统土壤离子浓度检测方法，拓宽了离子浓度检测的范围，能全面监控植物体生长发育过程中所需养分的情况。
51.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。