2024年8月28日发(作者：燕晟睿)
NB-IoT在畜牧业上的应用
摘要：畜牧业在我国国民经济中有着重要的地位和作用，为我们提供肉、奶、
蛋类等动物性食品。畜牧业主要有放牧和圈养两种方式，而在我国的北部和西部
放牧区，主要还是采用传统的人工放牧方式。人工放牧存在诸多弊端，如人工放
牧的成本高，规模小，牲畜的生长状况只有当事放牧人知道，不利于信息化系统
性管理。随着科技的进步，智慧放牧成为一种趋势。NB-IoT是IoT领域一个新兴
的技术，它给智慧畜牧业的发展提供了新的机遇，本文主要介绍了NB-IoT在智慧
畜牧业上应用的一种解决方案。
关键词：NB-IoT；物联网；畜牧业
1、背景：
要进行科学放牧，首先就要解决牲畜的智能定位和通信问题。常用的定位有GPS定位和
北斗定位两种方式。GPS是Global Positioning System（全球定位系统）的英文缩写，是美国
开发的利用GPS定位卫星，在全球范围内进行实时定位和导航的系统。北斗卫星导航系统，
是我国自主研发的全球卫星导航系统。随着北斗三号最后一颗全球组网卫星的成功发射，已
开启全球范围内全天候、全天时的高精度、高可靠度的定位、导航服务。虽然GPS和北斗卫
星导航系统可以满足牲畜的智能定位需求，但这两者有一个致命的缺点就是功耗大。如果采
用电池供电，可能一两个月电量就被耗尽而使监测终端失去功能。4G、5G通信系统可以解
决通信的问题，但同样存在模块功耗大的问题，不适合电池供电的终端设备应用。
NB-IoT 的全称为 Narrow Band-Internet Of Things，即窄带物联网，是由3GPP标准化组织
定义的一种技术标准，是一种专为物联网设计的可在全球范围内广泛使用的窄带射频技术，
其使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，与现有网络共存。
NB-IoT窄带物联网，具有四大特点：
?广覆盖，相比现有GSM 和 LTE 基站，一个 NB-IoT 基站可以提高 20dB 信号覆盖；
?海量连接，NB-IoT 一个扇区 200kHz 的带宽可以最多支持超 5 万连接；
?更低功耗，NB-IoT 终端模块待机时间可长达 10 年；
?更低成本，各行业的海量运用，让NB-IoT模块的价格非常低。
NB-IoT R14版本，沿用E-UTRAN的定位架构和协议，可以支持E-CID定位和OTDOA定位
两种不同精度的定位方式，定位精度低至50米。NB-IoT技术的出现，不仅解决了牲畜的智
能定位和通信问题，其超低功耗特点，还给电池供电的终端设备应用带来了新的机遇。
2、基于NB-IoT物联网畜牧业应用的系统设计
NB-IoT物联网畜牧业应用系统设计框图如图一所示，该系统主要有NB-IoT监控终端和系
统管理平台两部分构成。NB-IoT监控终端由主控芯片STM32L151、NB-IoT通信模组BC39、温
度传感器Si7051、6轴姿态传感器MPU-6500及电池和电源管理系统组成。NB-IoT监控终端
佩戴于牲畜耳环上，其主要功能包括牲畜的定位、移动侦测及相关的体征数据采集，并把相
关信息上传到系统管理平台。系统管理平台是一个基于HTML5开发的应用软件，不但记录了
牲畜的实时位置、体温、每天活动状况等日常信息，还包括了牲畜的繁殖、售卖、防疫、交
易等信息，并给放养管理人员提供一定的放养指导意见。
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图一 系统设计框图
3、NB-IoT监控终端硬件设计
NB-IoT监控终端硬件主要由电池、电源管理系统、主控芯片、传感器和NB-IoT模组几部
分组成。
3.1 主控芯片
NB-IoT监控终端采用STM32L151单片机作为主控MCU。STM32L151为意法半导体生产
的基于Arm? Cortex?-M3内核的MCU处理器，是一款超低功耗的MCU，超低功耗模式只有
0.28uA。STM32 L系列不仅提供了动态电压调节、超低功耗时钟振荡器、LCD接口、比较器、
DAC及硬件加密功能外，还有不同的功能特性、多种存储容量和封装供选择。STM32L151最
高工作频率可到32MHz，内部最大支持128KByte Flash、32KByte RAM、4KByte EEPROM，丰
富的接口和IO资源可以外接多种型号传感器，其广泛地应用于穿戴式产品、各类手持设备、
遥控器、计量仪表、医疗设备、智能开关、物联网应用等领域。
3.2 NB-IoT通信模块
LTE BC39 NB-IoT模组是上海移远通信技术股份有限公司推出的一款高性能、高安全性、
低功耗、支持GNSS 定位功能和硬件加密的NB-IoT 无线通信模块。BC39模块采用易于焊接的
LCC封装，体积小，其尺寸仅为 23.6mm × 19.9mm × 2.2mm，能最大限度地满足终端设备对小
尺寸模块产品的需求。凭借紧凑的尺寸、精准的卫星定位、国密级别的安全性、超低功耗和
超宽工作温度范围，BC39 成为IoT 应用的理想选择，其主要应用领域为：自行车和摩托车防
盗、宠物追踪、金融财产追踪和行车记录仪等，可提供数据加密、身份认证和有限安全存储
等服务。
3.3 传感器模块
NB-IoT监控终端配备了温度传感器和6轴运动跟踪传感器，用于牲畜体征监测，另外还
预留了一些SPI、UART接口用于扩展其他传感器。未来NB-IoT监控终端还可以外接更多的传
感器，用来监测牲畜的心率、血压、呼吸速度、温度、消化和其他生命体征，饲养管理员可
以及时掌握牲畜的生长、健康及繁殖状况，还可以踪动物的位置，建立和优化放牧模式，进
行科学管理，大节约人力成本。
MPU-6500是Invense公司推出的一颗6轴运动跟踪装置，它将3轴陀螺仪、3轴加速度
计和数字运动处理器集成在一颗芯片上。MPU-6500通过I2C接口与MCU通信，可以检测牲
畜每天的运动量、活动情况等信息。
Si7051是Silicon Labs公司推出的一款数字温度传感器，最大误差仅±0.1℃，而且其功耗
极低，1Hz采样频率的电流仅为195nA，可以实时监测牲畜体温状况。Si7051采用I2C接口与
MCU通信。
NB-IoT监控终端整机功耗非常低，电池可以使用3~5年，不需要频繁换电池。NB-IoT容
量大，不用担心放养的动物多网络容纳不下；NB-IoT网络覆盖广，不用担心没网络信号导致
动物失踪失联。
4、NB-IoT监控终端软件设计
NB-IoT监控终端选用STM32L151作为微控制器和微处理器，不仅因为它硬件资源丰富、
性能优越，意法半导体公司还为STM32系列提供了一整套成熟的软件工具，包括基于传统集
成开发环境（IDE）的编译器和调试器、图形化工具STM32CubeMx、集成开发环境
SMT32CubeIDE、烧写软件ST Visual Programmer等。STM32系列还支持KEIL、IAR等C编译器。
STM32L151采用C语言编程，其软件流程如图二所示。NB-IoT设备终端设备上电后，对
STM32系统进行初始化，包括系统时钟、TIMER、IO口等资源进行配置，然后对温度传感器
SI7051和6轴运动传感器MPU-6500及NB-IoT模组BC39进行初始化配置，监测各模块的状
态。MCU对传感器的数据进行分析处理，可以得到牲畜的位置、体温、每天活动状况、运动
轨迹等体征信息，并可以推断的健康、成长状况是否出现异常。例如牲畜的体温异常，或者
长时间未有活动等异常情况时，会及时将异常数据上报系统管理平台，否则会周期性向平台
上报数据。这样既可以兼顾异常数据的及时性，又可以避免频繁开启通信导致电池耗电过快。
另外，STM32L151还可以对电池电量进行实时检测，管理员可以清楚电池的使用情况，电量
低于阈值还会自动向平台报警，避免因电量耗尽而导致牲畜失联。
图三 物联网软件架构
利用Agent Tiny SDK提供的API，NB-IoT监控终端可以快速的接入平台，完成终端业务上
报和系统下发命令的处理。端云互通组件采用的是CoAP协议接入华为物联网平台的，包含
CoAP软件和CoAP固件。CoAP是一个基于REST模型的网络传输协议，占用极少的内存空间，
对MCU的计算能力要求也很低，非常适用于当前NB-IoT监控终端这样轻量级应用。基础组
件选取的是AT框架，支持常用的AT指令，使用起来简单方便。
系统管理平台主要提供NB-IoT监控终端设备的接入和管理、牲畜成长档案、放养指导三
类服务。
设备接入和管理：系统管理平台只允许认证过的NB-IoT监控终端接入，保证了接入的安
全性，并对接入的设备提供相应的、可靠的服务。系统管理平台可以对接入的NB-IoT监控终
端进行分类分组管理，也可以按放养牲畜的品种、放养区域、年龄等进行分类和信息统计等。
放养牲畜的成长档案：针对放养的牲畜，每个动物都配备一个带有唯一ID码的NB-IoT
监控终端，作为该动物的身份标签。系统管理平台记录了每个放养牲畜的成长档案，每个动
物从出生、生长、售卖到屠宰，每个环节的信息都被记录，可以随时随地查询。每个放养动
物的成长情况也都被记录下来了，如每天的体温、运动量、活动区域、繁殖信息、防疫信息
等信息都被记录，可以供管理员、放养员、市场人员和用户等访问查询。
放养指导：NB-IoT监控终端集成了多路传感器，可以检测放养牲畜的多项体征信息，如
佩戴动物的位置信息、体温信息、活动信息等，未来还可以扩张接入像心率、消化等更多的
传感器。当放养的动物一旦出现异常，NB-IoT监控终会立即将告警信息上报到系统管理平台，
平台将信息下发给放养管理人员，根据动物的定位迅速找到异常的动物，及时进行查看或救
助。当放养的动物，超出设定的放养区域后，系统管理平台会将信息下发给放养管理人员，
指导对放养的牲畜进行人工干预。
6、结语
随着科技的进步，运用先进的物联网技术，对放牧的牲畜进行精细化管理，让管理人员
时刻掌握牲畜的状况，实现科学智慧放牧。不仅节约了人力成本、提高了效率，还大幅提高
了管理人员的水平，有利于畜牧业的大规模化发展。
参考文献：
[1]吴新胜，吴冬梅，谢文康等.NB-IOT物联网森林安防系统研究[J].通化师范学院学报
2019年第10期
[2]董帝烺，许绍松，张力方，等. 基于OTDOA的NB-IoT定位功能研究及实现［J］.邮电
设计技术，2020（1）：32-37.
[3]熊本海，杨亮，郑姗姗 等.我国畜牧业信息化与智能装备技术应用研究进展［J］.中国
农业信息 2008年第1期
[4]韩春雨.中国畜牧业物联网技术应用研究进展［J］.农民致富之友 2017年第23期
2024年8月28日发(作者：燕晟睿)
NB-IoT在畜牧业上的应用
摘要：畜牧业在我国国民经济中有着重要的地位和作用，为我们提供肉、奶、
蛋类等动物性食品。畜牧业主要有放牧和圈养两种方式，而在我国的北部和西部
放牧区，主要还是采用传统的人工放牧方式。人工放牧存在诸多弊端，如人工放
牧的成本高，规模小，牲畜的生长状况只有当事放牧人知道，不利于信息化系统
性管理。随着科技的进步，智慧放牧成为一种趋势。NB-IoT是IoT领域一个新兴
的技术，它给智慧畜牧业的发展提供了新的机遇，本文主要介绍了NB-IoT在智慧
畜牧业上应用的一种解决方案。
关键词：NB-IoT；物联网；畜牧业
1、背景：
要进行科学放牧，首先就要解决牲畜的智能定位和通信问题。常用的定位有GPS定位和
北斗定位两种方式。GPS是Global Positioning System（全球定位系统）的英文缩写，是美国
开发的利用GPS定位卫星，在全球范围内进行实时定位和导航的系统。北斗卫星导航系统，
是我国自主研发的全球卫星导航系统。随着北斗三号最后一颗全球组网卫星的成功发射，已
开启全球范围内全天候、全天时的高精度、高可靠度的定位、导航服务。虽然GPS和北斗卫
星导航系统可以满足牲畜的智能定位需求，但这两者有一个致命的缺点就是功耗大。如果采
用电池供电，可能一两个月电量就被耗尽而使监测终端失去功能。4G、5G通信系统可以解
决通信的问题，但同样存在模块功耗大的问题，不适合电池供电的终端设备应用。
NB-IoT 的全称为 Narrow Band-Internet Of Things，即窄带物联网，是由3GPP标准化组织
定义的一种技术标准，是一种专为物联网设计的可在全球范围内广泛使用的窄带射频技术，
其使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，与现有网络共存。
NB-IoT窄带物联网，具有四大特点：
?广覆盖，相比现有GSM 和 LTE 基站，一个 NB-IoT 基站可以提高 20dB 信号覆盖；
?海量连接，NB-IoT 一个扇区 200kHz 的带宽可以最多支持超 5 万连接；
?更低功耗，NB-IoT 终端模块待机时间可长达 10 年；
?更低成本，各行业的海量运用，让NB-IoT模块的价格非常低。
NB-IoT R14版本，沿用E-UTRAN的定位架构和协议，可以支持E-CID定位和OTDOA定位
两种不同精度的定位方式，定位精度低至50米。NB-IoT技术的出现，不仅解决了牲畜的智
能定位和通信问题，其超低功耗特点，还给电池供电的终端设备应用带来了新的机遇。
2、基于NB-IoT物联网畜牧业应用的系统设计
NB-IoT物联网畜牧业应用系统设计框图如图一所示，该系统主要有NB-IoT监控终端和系
统管理平台两部分构成。NB-IoT监控终端由主控芯片STM32L151、NB-IoT通信模组BC39、温
度传感器Si7051、6轴姿态传感器MPU-6500及电池和电源管理系统组成。NB-IoT监控终端
佩戴于牲畜耳环上，其主要功能包括牲畜的定位、移动侦测及相关的体征数据采集，并把相
关信息上传到系统管理平台。系统管理平台是一个基于HTML5开发的应用软件，不但记录了
牲畜的实时位置、体温、每天活动状况等日常信息，还包括了牲畜的繁殖、售卖、防疫、交
易等信息，并给放养管理人员提供一定的放养指导意见。
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图一 系统设计框图
3、NB-IoT监控终端硬件设计
NB-IoT监控终端硬件主要由电池、电源管理系统、主控芯片、传感器和NB-IoT模组几部
分组成。
3.1 主控芯片
NB-IoT监控终端采用STM32L151单片机作为主控MCU。STM32L151为意法半导体生产
的基于Arm? Cortex?-M3内核的MCU处理器，是一款超低功耗的MCU，超低功耗模式只有
0.28uA。STM32 L系列不仅提供了动态电压调节、超低功耗时钟振荡器、LCD接口、比较器、
DAC及硬件加密功能外，还有不同的功能特性、多种存储容量和封装供选择。STM32L151最
高工作频率可到32MHz，内部最大支持128KByte Flash、32KByte RAM、4KByte EEPROM，丰
富的接口和IO资源可以外接多种型号传感器，其广泛地应用于穿戴式产品、各类手持设备、
遥控器、计量仪表、医疗设备、智能开关、物联网应用等领域。
3.2 NB-IoT通信模块
LTE BC39 NB-IoT模组是上海移远通信技术股份有限公司推出的一款高性能、高安全性、
低功耗、支持GNSS 定位功能和硬件加密的NB-IoT 无线通信模块。BC39模块采用易于焊接的
LCC封装，体积小，其尺寸仅为 23.6mm × 19.9mm × 2.2mm，能最大限度地满足终端设备对小
尺寸模块产品的需求。凭借紧凑的尺寸、精准的卫星定位、国密级别的安全性、超低功耗和
超宽工作温度范围，BC39 成为IoT 应用的理想选择，其主要应用领域为：自行车和摩托车防
盗、宠物追踪、金融财产追踪和行车记录仪等，可提供数据加密、身份认证和有限安全存储
等服务。
3.3 传感器模块
NB-IoT监控终端配备了温度传感器和6轴运动跟踪传感器，用于牲畜体征监测，另外还
预留了一些SPI、UART接口用于扩展其他传感器。未来NB-IoT监控终端还可以外接更多的传
感器，用来监测牲畜的心率、血压、呼吸速度、温度、消化和其他生命体征，饲养管理员可
以及时掌握牲畜的生长、健康及繁殖状况，还可以踪动物的位置，建立和优化放牧模式，进
行科学管理，大节约人力成本。
MPU-6500是Invense公司推出的一颗6轴运动跟踪装置，它将3轴陀螺仪、3轴加速度
计和数字运动处理器集成在一颗芯片上。MPU-6500通过I2C接口与MCU通信，可以检测牲
畜每天的运动量、活动情况等信息。
Si7051是Silicon Labs公司推出的一款数字温度传感器，最大误差仅±0.1℃，而且其功耗
极低，1Hz采样频率的电流仅为195nA，可以实时监测牲畜体温状况。Si7051采用I2C接口与
MCU通信。
NB-IoT监控终端整机功耗非常低，电池可以使用3~5年，不需要频繁换电池。NB-IoT容
量大，不用担心放养的动物多网络容纳不下；NB-IoT网络覆盖广，不用担心没网络信号导致
动物失踪失联。
4、NB-IoT监控终端软件设计
NB-IoT监控终端选用STM32L151作为微控制器和微处理器，不仅因为它硬件资源丰富、
性能优越，意法半导体公司还为STM32系列提供了一整套成熟的软件工具，包括基于传统集
成开发环境（IDE）的编译器和调试器、图形化工具STM32CubeMx、集成开发环境
SMT32CubeIDE、烧写软件ST Visual Programmer等。STM32系列还支持KEIL、IAR等C编译器。
STM32L151采用C语言编程，其软件流程如图二所示。NB-IoT设备终端设备上电后，对
STM32系统进行初始化，包括系统时钟、TIMER、IO口等资源进行配置，然后对温度传感器
SI7051和6轴运动传感器MPU-6500及NB-IoT模组BC39进行初始化配置，监测各模块的状
态。MCU对传感器的数据进行分析处理，可以得到牲畜的位置、体温、每天活动状况、运动
轨迹等体征信息，并可以推断的健康、成长状况是否出现异常。例如牲畜的体温异常，或者
长时间未有活动等异常情况时，会及时将异常数据上报系统管理平台，否则会周期性向平台
上报数据。这样既可以兼顾异常数据的及时性，又可以避免频繁开启通信导致电池耗电过快。
另外，STM32L151还可以对电池电量进行实时检测，管理员可以清楚电池的使用情况，电量
低于阈值还会自动向平台报警，避免因电量耗尽而导致牲畜失联。
图三 物联网软件架构
利用Agent Tiny SDK提供的API，NB-IoT监控终端可以快速的接入平台，完成终端业务上
报和系统下发命令的处理。端云互通组件采用的是CoAP协议接入华为物联网平台的，包含
CoAP软件和CoAP固件。CoAP是一个基于REST模型的网络传输协议，占用极少的内存空间，
对MCU的计算能力要求也很低，非常适用于当前NB-IoT监控终端这样轻量级应用。基础组
件选取的是AT框架，支持常用的AT指令，使用起来简单方便。
系统管理平台主要提供NB-IoT监控终端设备的接入和管理、牲畜成长档案、放养指导三
类服务。
设备接入和管理：系统管理平台只允许认证过的NB-IoT监控终端接入，保证了接入的安
全性，并对接入的设备提供相应的、可靠的服务。系统管理平台可以对接入的NB-IoT监控终
端进行分类分组管理，也可以按放养牲畜的品种、放养区域、年龄等进行分类和信息统计等。
放养牲畜的成长档案：针对放养的牲畜，每个动物都配备一个带有唯一ID码的NB-IoT
监控终端，作为该动物的身份标签。系统管理平台记录了每个放养牲畜的成长档案，每个动
物从出生、生长、售卖到屠宰，每个环节的信息都被记录，可以随时随地查询。每个放养动
物的成长情况也都被记录下来了，如每天的体温、运动量、活动区域、繁殖信息、防疫信息
等信息都被记录，可以供管理员、放养员、市场人员和用户等访问查询。
放养指导：NB-IoT监控终端集成了多路传感器，可以检测放养牲畜的多项体征信息，如
佩戴动物的位置信息、体温信息、活动信息等，未来还可以扩张接入像心率、消化等更多的
传感器。当放养的动物一旦出现异常，NB-IoT监控终会立即将告警信息上报到系统管理平台，
平台将信息下发给放养管理人员，根据动物的定位迅速找到异常的动物，及时进行查看或救
助。当放养的动物，超出设定的放养区域后，系统管理平台会将信息下发给放养管理人员，
指导对放养的牲畜进行人工干预。
6、结语
随着科技的进步，运用先进的物联网技术，对放牧的牲畜进行精细化管理，让管理人员
时刻掌握牲畜的状况，实现科学智慧放牧。不仅节约了人力成本、提高了效率，还大幅提高
了管理人员的水平，有利于畜牧业的大规模化发展。
参考文献：
[1]吴新胜，吴冬梅，谢文康等.NB-IOT物联网森林安防系统研究[J].通化师范学院学报
2019年第10期
[2]董帝烺，许绍松，张力方，等. 基于OTDOA的NB-IoT定位功能研究及实现［J］.邮电
设计技术，2020（1）：32-37.
[3]熊本海，杨亮，郑姗姗 等.我国畜牧业信息化与智能装备技术应用研究进展［J］.中国
农业信息 2008年第1期
[4]韩春雨.中国畜牧业物联网技术应用研究进展［J］.农民致富之友 2017年第23期