物聯(lián)網(wǎng)科研教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在農(nóng)業(yè)院校中的應(yīng)用

熊少華，陳 支

（湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙410000）

物聯(lián)網(wǎng)是一次新的產(chǎn)業(yè)革命，各行各業(yè)都在基于自身的核心力量建立生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)。就現(xiàn)狀而言，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展還處于較低的階段。針對(duì)農(nóng)業(yè)院校的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一款適合農(nóng)業(yè)專業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)培養(yǎng)農(nóng)業(yè)人才，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)科研教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)特點(diǎn)

傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)基本都是以光載無線交換機(jī)為核心的物聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái)構(gòu)建Wi-Fi無線局域網(wǎng)和，覆蓋物聯(lián)區(qū)域及其周邊區(qū)域；加上有線網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)路由器，融合有線網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)、3G/4G移動(dòng)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵部分網(wǎng)絡(luò)層，及各種傳感器、嵌入式設(shè)備通過Wi-Fi-ZigBee網(wǎng)關(guān)、Wi-Fi設(shè)備服務(wù)器（串口通信RS232或RS485轉(zhuǎn)Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)）無線接入物聯(lián)網(wǎng)工程信息平臺(tái)，構(gòu)成涵蓋物聯(lián)網(wǎng)三個(gè)層次（應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層）。

圖1 傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)

這種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中普遍存在使用不便，線纜布線復(fù)雜，縱橫交錯(cuò)；建設(shè)成本高：Wi-Fi技術(shù)覆蓋范圍小，連接數(shù)量有限，維護(hù)成本高；3G/4G數(shù)據(jù)傳輸易受環(huán)境影響可靠性差，安裝困難，能耗高，系統(tǒng)穩(wěn)定性差等諸多局限性。

2017年8月24日，國務(wù)院發(fā)布了經(jīng)李克強(qiáng)總理簽批的《關(guān)于進(jìn)一步擴(kuò)大和升級(jí)信息消費(fèi)持續(xù)釋放內(nèi)需潛力的指導(dǎo)意見》，明確指出要加快推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施部署（NB-IoT/eMTC），并把此項(xiàng)工作列為“重點(diǎn)任務(wù)”，由工信部、發(fā)改委具體負(fù)責(zé)，2020年時(shí)完成，NB-IoT/eMTC混合組網(wǎng)逐漸為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主流。因此物聯(lián)網(wǎng)科研教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是基于NB-IoT/eMTC混合搭建，同時(shí)各種手持設(shè)備（筆記本電腦、智能手機(jī)等）也能無線接入該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，成為物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的一部分；師生教學(xué)、科研實(shí)踐開發(fā)的其它感知模塊，通過4G/5G無線傳輸或與標(biāo)準(zhǔn)的Wi-Fi設(shè)備服務(wù)器連接，也能輕易接入該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成測(cè)試、驗(yàn)證。同時(shí)開放足夠多的端口和豐富、完善的接口數(shù)據(jù)以及二次開發(fā)包，為教師、學(xué)生提供一個(gè)開放的平臺(tái)學(xué)習(xí)和研究。

圖2 NB-IoT/eMTC物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 物聯(lián)網(wǎng)科研教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要應(yīng)用

2.1 林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)科研教學(xué)實(shí)驗(yàn)子平臺(tái)

基于NB-IoT/eMTC的林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)能夠定時(shí)采集和記錄林區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的溫度、濕度、光照、PM2.5、風(fēng)向級(jí)別、降雨降雪、水文信息、物種統(tǒng)計(jì)、噪音分貝等各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和智能分析，實(shí)現(xiàn)林區(qū)綜合信息的發(fā)布、監(jiān)管和預(yù)警處理。

應(yīng)用場(chǎng)景：（1）通過電腦、手機(jī)遠(yuǎn)程查看林區(qū)的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，包括空氣濕度、空氣溫度、土壤溫度、土壤濕度、光照度、PM2.5等信息。用戶可以直觀實(shí)時(shí)查看林區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)的曲線圖，及時(shí)發(fā)布林業(yè)環(huán)境綜合信息。（2）與煙感傳感器相結(jié)合，克服地形障礙，實(shí)現(xiàn)林業(yè)安全問題的預(yù)警監(jiān)測(cè)。一旦觸發(fā)煙感警報(bào)，系統(tǒng)根據(jù)配置，通過手機(jī)短信、系統(tǒng)消息和遠(yuǎn)程喊話等方式提醒相應(yīng)管理者。（3）采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行苗木溫室管理，通過物聯(lián)網(wǎng)控制平臺(tái)，不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)控溫室內(nèi)空氣溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度以及室外溫度、風(fēng)速等詳細(xì)數(shù)據(jù)，還可以通過安裝在溫室內(nèi)的攝像頭，清晰地觀察每一株苗木的生長情況，實(shí)現(xiàn)苗木病蟲害遠(yuǎn)程診斷，通過模型分析，自動(dòng)控制溫室濕簾風(fēng)機(jī)、噴淋滴灌、內(nèi)外遮陽、溫室窗口開閉、加溫補(bǔ)光等設(shè)備，保證溫室內(nèi)環(huán)境最適宜苗木生長，真正實(shí)現(xiàn)立體化、多功能、全方位的苗木精準(zhǔn)管理。

2.2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)科研教學(xué)實(shí)驗(yàn)子平臺(tái)

種植業(yè)方面利用NB-IoT/eMTC物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可定時(shí)采集和記錄基地種植大棚監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的溫度、濕度、光照、二氧化碳和土壤中的水分、微量元素等指數(shù)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)上傳、分類、處理及分析，對(duì)異常情況告警，并反饋控制指令至燈光、通風(fēng)、遮陽等設(shè)備。

應(yīng)用場(chǎng)景：（1）用戶可以通過電腦或者手機(jī)遠(yuǎn)程查看大棚的環(huán)境指數(shù)，并通過視頻監(jiān)控觀測(cè)大棚內(nèi)作物生長情況，掌握農(nóng)作物生長全過程，為作物成長提供一個(gè)良好的生產(chǎn)環(huán)境。設(shè)置溫室環(huán)境參數(shù)的閥值，通過手機(jī)短信、系統(tǒng)消息等方式實(shí)現(xiàn)環(huán)境異常告警，用戶可實(shí)時(shí)查看溫室監(jiān)控視頻，防止農(nóng)作物異常狀況出現(xiàn)。（2）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，大棚環(huán)境出現(xiàn)異常時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。例如當(dāng)土壤濕度過低時(shí)，大棚灌溉系統(tǒng)自動(dòng)開始澆水；當(dāng)大棚內(nèi)濕度過高時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行通風(fēng)。（3）通過采集信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)可以分析最適合農(nóng)作物成長、有效提高農(nóng)作物產(chǎn)量的環(huán)境參數(shù)，輔助技術(shù)決策和技術(shù)升級(jí)。

畜牧業(yè)基于NB-IoT/eMTC的物聯(lián)網(wǎng)動(dòng)物管理和溯源，將芯片/模組集成于耳標(biāo)中，縮小耳標(biāo)體積，降低功耗和成本，提升追溯系統(tǒng)的可用性。動(dòng)物佩戴耳標(biāo)，通過采集設(shè)備，完成動(dòng)物信息的采集和錄入。管理者可獲取動(dòng)物的基礎(chǔ)信息、流動(dòng)信息和實(shí)施交易信息等。在消費(fèi)環(huán)節(jié)還可以獲取動(dòng)物成長、加工、運(yùn)輸、流通、售賣等信息。

應(yīng)用場(chǎng)景：（1）動(dòng)物日常管理，包括個(gè)體信息維護(hù)、繁殖信息維護(hù)、疫病信息維護(hù)、測(cè)定信息維護(hù)、過戶信息維護(hù)、離開信息維護(hù)等。通過數(shù)據(jù)，查詢到畜牧的基本信息、系譜信息、生長測(cè)定信息、產(chǎn)犢信息等。（2）動(dòng)物產(chǎn)品生長追溯，將耳標(biāo)佩戴、產(chǎn)地檢疫、屠宰檢疫、物流監(jiān)督、倉儲(chǔ)、零售等各個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)起來，全程記錄并跟蹤動(dòng)物和動(dòng)物產(chǎn)品的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)從耳標(biāo)生產(chǎn)、配發(fā)、動(dòng)物飼養(yǎng)、流通、屠宰、銷售的全程監(jiān)管追溯管理。

2.3 環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)科研教學(xué)實(shí)驗(yàn)子平臺(tái)

在項(xiàng)目中的生態(tài)鄉(xiāng)村建設(shè)成果示范點(diǎn)按照網(wǎng)格和環(huán)境熱點(diǎn)部署基于NB-IoT/eMTC的小型監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過高密度布點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)各類污染物的分布狀態(tài)，進(jìn)行環(huán)境監(jiān)管，快速捕捉異常數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)預(yù)警。

應(yīng)用場(chǎng)景：（1）日常環(huán)境監(jiān)測(cè)管理，尋找長期或大范圍存在的污染物和污染源，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行環(huán)境治理；應(yīng)急環(huán)境監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)突發(fā)事件中一氧化碳、硫化氫、二氧化硫、重金屬、農(nóng)藥殘留等風(fēng)險(xiǎn)源，構(gòu)建以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的快速應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制。（2）污染源監(jiān)控：對(duì)各種污染源的排污口等進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和控制，減少污染物的排放。

（3）改進(jìn)評(píng)估，對(duì)環(huán)境污染改進(jìn)措施前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估改進(jìn)措施和技術(shù)的效果，并提供環(huán)保技術(shù)升級(jí)創(chuàng)新的參照。

2.4 智能家居物聯(lián)網(wǎng)科研教學(xué)實(shí)驗(yàn)子平臺(tái)

基于NB-IoT/eMTC的智能家居解決方案主要優(yōu)勢(shì)如下：

（1）更可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸：基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，能給智能家居設(shè)備提供更可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)，同時(shí)，該方案還基于網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)進(jìn)行了傳輸協(xié)議的優(yōu)化，能提升傳輸效率，為用戶帶來更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體驗(yàn)。

（2）更智能的使用體驗(yàn)：智能家居聯(lián)網(wǎng)不再需要用戶配置，而且不同智能家居設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，例如智能溫度計(jì)檢測(cè)到室內(nèi)溫度過高時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)智能空調(diào)，給用戶更智能的使用體驗(yàn)。

（3）更完整的生命周期管理：基于NB-IoT/eMTC進(jìn)行設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)智能家居設(shè)備的“永遠(yuǎn)在線”，方便智能家居企業(yè)對(duì)設(shè)備進(jìn)行從設(shè)備出廠到設(shè)備報(bào)廢的全生命周期的管理。

（4）更高的數(shù)據(jù)運(yùn)營價(jià)值：對(duì)智能家居設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃、管理和控制，實(shí)現(xiàn)不同品牌設(shè)備之間的互聯(lián)互通，提供更智能的生活服務(wù)。同時(shí)，通過數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備和應(yīng)用數(shù)據(jù)的整合分析，最大限度地幫助企業(yè)挖掘數(shù)據(jù)運(yùn)營的價(jià)值；

（5）更低的開發(fā)成本：通過SDK與通信模組或通信芯片深度集成，兼容不同的通信模組或芯片，面向終端應(yīng)用提供統(tǒng)一接口，簡(jiǎn)化智能家居企業(yè)的開發(fā)工作量，使之僅需聚焦上層應(yīng)用開發(fā)，無需關(guān)心底層復(fù)雜的通信技術(shù)。

應(yīng)用場(chǎng)景：（1）智能家電：應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸量較低的智能家電，例如智能冰箱、智能空調(diào)等，可通過NB-IoT/eMTC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集。以智能空調(diào)為例，用戶可通過手機(jī)APP遠(yuǎn)程開啟家中空調(diào)，并實(shí)時(shí)查看空調(diào)運(yùn)行情況，以便回家后直接享受舒適的環(huán)境。（2）家庭安防：在門窗等位置安裝的智能安防設(shè)備，可通過NB-IoT/eMTC網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)有外人入侵時(shí)，立即向用戶發(fā)送報(bào)警信息。類似的，可擴(kuò)展至可燃?xì)怏w泄露、廚衛(wèi)漏水等領(lǐng)域。例如一旦發(fā)現(xiàn)明火煙霧，可立即向用戶發(fā)出警報(bào)，并同時(shí)啟動(dòng)家中滅火裝置。（3）智慧小區(qū)（智能CBD）：①車位管理。NB-IoT/eMTC物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)車位傳感器等設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)車位信息和車輛狀態(tài)收集、處理和推送，實(shí)現(xiàn)交通管理邁向動(dòng)態(tài)化、全局化、自動(dòng)化、智能化，加快區(qū)域內(nèi)停車泊位周轉(zhuǎn)率，充分利用停車資源。②路燈管理。基于NB-IoT/eMTC的智能路燈方案可以實(shí)現(xiàn)路燈遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)和遙視“五遙”的功能，大幅節(jié)約人力維護(hù)成本和電量。③公共設(shè)施管理。城市公共設(shè)施生產(chǎn)廠家通過集成NB-IoT通信模組、傳感器，生成智能公共設(shè)施監(jiān)測(cè)終端，井蓋、地下管網(wǎng)、公交站牌、果皮箱、綠化帶等公共設(shè)施納入物聯(lián)平臺(tái)管理的范疇，對(duì)公共資產(chǎn)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，提前預(yù)測(cè)或及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題，提高人民對(duì)城市公共服務(wù)的滿意度，優(yōu)化城市公共設(shè)施的服務(wù)能力。

3 物聯(lián)網(wǎng)科研教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)

學(xué)生通過該平臺(tái)，能掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)理論、物理信息系統(tǒng)標(biāo)識(shí)與感知、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)和數(shù)據(jù)分析與信息處理技術(shù)等知識(shí)，具備通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)等信息領(lǐng)域?qū)拸V專業(yè)知識(shí)，具備一定的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)、應(yīng)用、實(shí)踐能力和科學(xué)研究能力，能為相關(guān)行業(yè)應(yīng)用提供物聯(lián)網(wǎng)的人才供給實(shí)踐、實(shí)訓(xùn)的平臺(tái)。

教師可利用該平臺(tái)采集項(xiàng)目和課題的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，遠(yuǎn)程掌握監(jiān)控實(shí)驗(yàn)過程，積累教學(xué)資源和資料，更好的進(jìn)行教學(xué)和科研工作。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合農(nóng)業(yè)院校的特點(diǎn)，對(duì)基于NB-IoT/eMTC的技術(shù)構(gòu)架出科研教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為農(nóng)業(yè)專業(yè)的師生提供了一種便捷的教學(xué)工具。該平臺(tái)還可結(jié)合其他專業(yè)進(jìn)行相應(yīng)拓展，以滿足農(nóng)業(yè)院校物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新與發(fā)展要求。