基于物聯(lián)網(wǎng)的大田農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

汪姚強 吳名功 霍星

摘要 針對大田農(nóng)業(yè)面積廣、監(jiān)測點多、監(jiān)測設(shè)備布線和供電困難的現(xiàn)狀，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)的大田農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)。感知層選用各類無線傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)；傳輸層的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的通信利用433 MHz無線波段和GPRS網(wǎng)絡(luò)；融合層對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、過濾、存儲等處理；應(yīng)用層的數(shù)據(jù)管理平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時展示和可視化，對外接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能很好地適應(yīng)大田實際環(huán)境，并對大田環(huán)境進(jìn)行有效監(jiān)測，有效降低了人工成本和管理難度，具有良好的實用性。

關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng)；大田；農(nóng)業(yè)；監(jiān)測；系統(tǒng)

中圖分類號 S126 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）21-0197-03

Abstract In view of the fact that the area in the field is too wide，the monitoring points are too many，wiring and power supply of equipments are difficult，considering the advantages of the Internet of Things technology，this paper designs an agricultural monitoring system in filed based on Internet of Things.First，the perception uses various types of wireless sensors to collect environmental data.Then the gateway in transport layer uses 433MHz wireless band and GPRS network.Next the convergence layer analyzes and filters and stores original data.Finally in the application layer，data management platform achieves display of realtime data and visualization，and the external interface achieves data sharing.The experimental results show that，the system can adapt to the field environment well，and monitor the field environment effectively，greatly reducing labor costs and management difficulties，so it has good practicality.

Key words Internet of things；Field；Agriculture；Monitor；System

我國是農(nóng)業(yè)大國，用占世界7%的耕地養(yǎng)活了22%的人口[1]。將先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，可保質(zhì)增產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本。

物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IoT）指一個由信息傳感設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合而成的用于實現(xiàn)萬物互聯(lián)的巨大網(wǎng)絡(luò)[2]。隨著研究的深入，物聯(lián)網(wǎng)被逐漸應(yīng)用于各個領(lǐng)域，包括智能電網(wǎng)、智能交通、智能物流、智能醫(yī)療、智能家居等[3]?？梢姡锫?lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也會有廣闊的發(fā)展前景，國內(nèi)外已有相關(guān)嘗試[4]。我國存在很多的大田環(huán)境，典型的代表有北大荒、大型國有農(nóng)場等。相比于普通農(nóng)田、大棚，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用在大田環(huán)境中會遇到更多的困難，主要體現(xiàn)在以下方面：①大田環(huán)境范圍大、面積廣，農(nóng)作物種植面積動輒數(shù)千畝，需要監(jiān)測的點眾多，人工監(jiān)測工作量巨大。

②鑒于大田環(huán)境面積廣的特點，傳統(tǒng)的可用于大棚環(huán)境下的有線設(shè)備將不再適用，因為布線的成本和維護(hù)難度很高，且布線過長導(dǎo)致的嚴(yán)重電壓下降和信號損失也會影響設(shè)備的性能和壽命，因此，只能采用無線設(shè)備。但即便是無線設(shè)備，要保證幾百米的無線傳輸距離也極具挑戰(zhàn)性。③大田環(huán)境地勢平坦，周圍很少有屏障，因此監(jiān)測設(shè)備經(jīng)常要經(jīng)歷狂風(fēng)暴雨等惡劣天氣，這對設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性提出了很高的要求。④除此之外，設(shè)備的野外長期供電，如何避免大型農(nóng)業(yè)機械作業(yè)時帶來誤傷，都是需要考慮的問題。

針對上述問題，筆者根據(jù)大田環(huán)境下的實際應(yīng)用需求，設(shè)計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的大田農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，并在安徽省蚌埠市懷遠(yuǎn)縣的龍亢農(nóng)場開展了試點工作。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，

根據(jù)需求，基于物聯(lián)網(wǎng)的大田農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)可分為如下4層：①感知層，其主要功能是利用各類傳感器采集自然環(huán)境中的數(shù)據(jù)，如土壤內(nèi)部溫度、土壤內(nèi)部濕度、地表溫度、土壤中鉛離子濃度、土壤中鎘離子濃度等。②傳輸層，其是物聯(lián)網(wǎng)中非常重要的一環(huán)，起著承上啟下的作用，傳輸層的核心組件是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，它負(fù)責(zé)將感知層的數(shù)據(jù)傳輸至融合層。③融合層，其是針對數(shù)據(jù)的處理層，該層的硬件設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，主要工作都是由軟件來完成。④應(yīng)用層，其是頂層，下面3層都是為應(yīng)用層服務(wù)的，應(yīng)用層包含數(shù)據(jù)管理平臺和對外接口兩部分。數(shù)據(jù)管理平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化和各項配置，對外接口則實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

2.1 硬件及通信設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要包括土壤溫濕度傳感器、紅外溫度傳感器、重金屬離子傳感器、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)四類。

土壤溫濕度傳感器的功能是采集土壤內(nèi)部的溫度和濕度數(shù)據(jù)?？紤]到防水和信號傳輸，該傳感器外形采用“三段式”設(shè)計（圖2）。安裝時從下到上分別是探頭、盒體和天線。探頭部分埋在土壤里，其采集到的信息通過屏蔽線傳送到盒體；盒體密閉防水，內(nèi)置的是電路板、鋰電池等電子器件；盒體中的主板程序計算出土壤溫度和濕度數(shù)據(jù)后，經(jīng)由導(dǎo)線通過外置的天線發(fā)射出去。屏蔽線和導(dǎo)線的長度可根據(jù)實際需要增減。紅外溫度傳感器的功能是感知土壤表面的溫度，外形同樣采用“三段式”設(shè)計，區(qū)別是底端由土壤探頭改為紅外探頭。

重金屬離子傳感器的功能是測量土壤中鉛離子（Pb）和鎘離子（Cd）的濃度。由于重金屬離子濃度是不定時抽檢，即重金屬離子傳感器不需要固定部署在田間，因此將該設(shè)備設(shè)計成便攜式。在前述的“三段式”基礎(chǔ)上，盒體上外加了一個LED顯示屏，便于監(jiān)測者現(xiàn)場查看。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點，其外觀仍是“三段式”，接收天線+盒體+發(fā)射天線。接收天線接收各傳感器發(fā)送來的數(shù)據(jù)，交由主板程序做封裝處理，然后通過發(fā)射天線發(fā)出（接收方是融合層的服務(wù)器）。

根據(jù)需求，傳感器到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)之間的最遠(yuǎn)直線距離約有500 m，故傳感器和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)之間的通訊采用433 MHz無線波段。433 MHz技術(shù)使用433 MHz無線頻段，該波段在我國免申請可直接使用。相比于WiFi和Zigbee，433 MHz雖然傳輸速率較慢但已經(jīng)滿足該系統(tǒng)需求。其顯著優(yōu)勢是無線信號的穿透性強、能夠傳播得更遠(yuǎn)。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)向融合層服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)使用的是GPRS網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)常用的傳輸方式還有WiFi、有線寬帶等[5]，但在該系統(tǒng)都不適用。

所有設(shè)備均采用超低功耗的MSP430芯片和6 000 mAh的鋰電池。經(jīng)過實驗室測試，鋰電池能給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)供電10 d左右（這是由于GPRS發(fā)射模塊功率比較大），因此物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)需要外接太陽能板供電；鋰電池可給各類傳感器供電約180 d，因此傳感器無需太陽能板供電，在主板上預(yù)留USB充電接口，定期使用移動電源充電即可。

2.2 設(shè)備部署及防護(hù)設(shè)計

由于野外自然環(huán)境惡劣，所以在大田環(huán)境部署設(shè)備時，側(cè)重考慮的是抗風(fēng)、防水、防盜、防誤傷這4個要素。

現(xiàn)場勘查龍亢農(nóng)場發(fā)現(xiàn)，為了交通和灌溉方便，東西方向每隔100 m都有1條約2.0 m寬的水泥路和約1.5 m寬的水渠。通過空心立柱將傳感器的主體部分布置在水泥路的水渠一側(cè)（圖3），既能防風(fēng)又能防誤傷。

以部署土壤溫濕度傳感器為例，空心立柱以水泥樁+螺絲固定，柱高2.5 m，2.0 m高處固定有帶鎖的防水箱，用于放置傳感器的盒體。防水箱和空心立柱之間開孔，天線的導(dǎo)線穿過孔洞和立柱到達(dá)柱頂。水泥路下埋塑料管道，探頭的屏蔽線經(jīng)由孔洞、立柱和塑料管道到達(dá)大田。

空心立柱堅固牢靠，能抵抗多級大風(fēng)；傳感器盒體放置在帶鎖防水箱內(nèi)，能有效防水、防盜；空心立柱距離大田至少有1.5 m遠(yuǎn)，可確保大型農(nóng)機在田間作業(yè)時不會誤傷。

紅外溫度傳感器和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的部署同上述方法類似。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)沒有探頭，可省去塑料管道；另外，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)需要太陽能供電，需要在空心立柱頂端另外安裝1個太陽能板。

2.3 服務(wù)器IO通信設(shè)計

服務(wù)器位于融合層，承擔(dān)了接收并處理物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)上傳數(shù)據(jù)的任務(wù)。在小范圍試點時，監(jiān)測系統(tǒng)只有1個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和數(shù)十個傳感器，服務(wù)器處理能力足夠。但是，系統(tǒng)實際投入使用時，將會有多個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和大量的傳感器，服務(wù)器將會面臨巨大的IO壓力。

在多個客戶端同時發(fā)送數(shù)據(jù)的情況下，單線程已經(jīng)不能滿足需求。服務(wù)端程序的設(shè)計必須要考慮到并發(fā)，使用多線程。

用傳統(tǒng)的Socket IO實現(xiàn)多線程時，需要為每個連接創(chuàng)建一個線程[6]（圖4）。這種阻塞式的方式，當(dāng)并發(fā)的連接數(shù)量增大時，線程所占用的棧內(nèi)存和CPU線程切換的開銷將非常巨大，會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞、數(shù)據(jù)丟失甚至服務(wù)器死機的嚴(yán)重后果。

非阻塞通信方式NIO（nonblock IO）可以很好地解決上述問題。如圖5所示，NIO的一個明顯好處是不需要為每個Socket分配一個線程，而是設(shè)置一個線程池，根據(jù)需求量在線程池中開啟若干個線程處理客戶端請求。

該方式首先會根據(jù)需要創(chuàng)建通道（socket channel）和選擇器（selector），并將通道注冊到選擇器上，每個通道會被分配唯一的Selection Key。有新的IO事件到來時，也會先到選擇器注冊，選擇器同樣會給IO事件分配key。開始處理IO事件時，選擇器會給該IO事件分配通道和相應(yīng)的線程，通道里的緩沖區(qū)（buffer）用于數(shù)據(jù)的讀寫，而具體處理的細(xì)節(jié)則交由線程來完成。

NIO方式有效地承載了大量的連接請求，而且使服務(wù)器壓力在可控范圍，提高處理效率的同時兼顧了可靠性。

2.4 系統(tǒng)測試

測試實驗在安徽省蚌埠市懷遠(yuǎn)縣的龍亢農(nóng)場進(jìn)行，懷遠(yuǎn)縣的地理坐標(biāo)為116°45′～117°09′E、32°43′～33°19′N，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)農(nóng)業(yè)氣候區(qū)[7]。實驗范圍1 000 m×1 000 m，均勻布置了16個土壤溫濕度傳感器、4個紅外溫度傳感器、1個重金屬離子傳感器和1個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（圖6）。

數(shù)據(jù)管理平臺提供實時狀態(tài)展示、數(shù)據(jù)簡單統(tǒng)計、數(shù)據(jù)查詢下載、采樣點配置等功能，圖7展示的是實時監(jiān)測到的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

該研究提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的大田農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，重點解決了大田農(nóng)業(yè)面積廣、監(jiān)測點多、監(jiān)測設(shè)備布線和供電困難的問題，并在懷遠(yuǎn)縣的龍亢農(nóng)場開展了試點工作。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠性好，具有良好的實用性。

隨著5G時代的到來以及NB-IoT（narrow band internet of things，基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)的推廣使用[8]，該系統(tǒng)的傳輸層將可做出重大改進(jìn)，屆時監(jiān)測系統(tǒng)的成本和電池功耗將會大幅降低，同時系統(tǒng)的穩(wěn)定性也會進(jìn)一步提升。

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