基于EMTC技術的精細化種植監(jiān)測大數據平臺研究

赫宜 雷興民

摘要：基于EMTC技術的精細化種植監(jiān)測大數據研究平臺，利用低功耗MCU采用組內置的lO～it精度的ADC功能采集養(yǎng)植環(huán)境數據，并通過EMTC通訊網絡，將采集的環(huán)境數據上傳到應用服務器，經過云端計算機智能分析模塊，對大量數據存儲和分析后，以友好的圖表方式通過微信公眾號推送到用戶界面，智能提醒用戶在何時澆水，何時使用營養(yǎng)液等多種互動響應;平臺宗旨打造精細化養(yǎng)植的大數據中心，通過數據收集、分析、建模，形成一套標準化的數據模型，可以科學的、有效的指導用戶精細種植，提高產量，提高品質。

關鍵詞：EMTC技術;大數據平臺;微信公眾號

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）01-0236-03

物物相連、人機互通的智能化的實現，隨著信息技術的發(fā)展、通信技術的不斷演進，網絡連接的日益增長，得到了有效的支撐。通過實時消息傳輸機制，對農作物成長的全過程進行數據監(jiān)測，深度數據挖掘，建立種植大數據模型，對用戶種植進行科學的數據支持和指導是新技術服務于用戶的良好應用。

1針對IoT的網絡核心技術

1.1 NB-IOT技術

設計目標是在GSM基礎上覆蓋增強20dB。其主要特點有匹配連接低數據傳輸速率設備、滿足低功耗、深度廣覆蓋和大連接等。

中國電信業(yè)務自2016年10月布局NB-IoT以來，于2017年6月已建成全球覆蓋最廣的NB-IoT網絡，基站達到31萬。

1.2 EMIC技術

3GPPRl3標準針對物聯網業(yè)務的特點，基于LTE進行優(yōu)化演進，設計了專門用于物聯網的FDD e MTC（EnhancedMa.chine Type Communications）技術。其主要特點：降低發(fā)射功耗、降低硬件成本、支持語音技術、覆蓋更廣、移動性支持。

中國電信將eMTC作為2018年重點業(yè)務，計劃2017年進行e MTc網絡測試2018年實現商用部署。

2基于EMTC技術的精細化種植監(jiān)測大數據研究平臺

本系統(tǒng)應用無線通訊技術、種植環(huán)境（土壤溫濕度，酸堿度，空氣溫濕度，光照度）監(jiān)控技術、智能控制調試技術、大型數據庫存儲技術、數據傳輸加密技術、實時消息推送技術和嵌入式操作技術，對農作物生長環(huán)境的進行檢測，采集溫濕度、土壤酸堿度、空氣溫濕度、光照度等數據，通過實時消息傳輸機制上傳云端服務器，對農作物成長的全過程進行數據監(jiān)測，深度數據挖掘，建立種植大數據模型，對新用戶種植進行科學的數據支持和指導。

2.1總體架構

本系統(tǒng)架構分為三層數據采集傳輸層、大數據分析存儲層、用戶應用層。

數據采集傳輸層，采用低功耗主控MCU，采集數據并通過eMTC通訊網絡，將數據傳送到平臺端;采集單元內置電池供電，工作在低功耗模式，為定時工作狀態(tài)，在設定時間內采集數據并執(zhí)行上傳動作，在網絡故障時，可保存在內部的存儲單元內，網絡恢復后，一起將存儲單元的歷史數據上傳。

大數據分析存儲層，采用MQTY消息通訊協(xié)議為媒介，支持大并發(fā)的終端數據處理，可動態(tài)擴展，接受采集數據分析處理后保存在DB云存儲器中，DB云存儲也為彈性設計，根據用戶終端的增加，可以彈性擴張，而不影響業(yè)務，降低前期成本支出，采用云存儲也為數據安全提供了基礎設施。

用戶應用層有APP應用服務器和微信公眾號服務API兩部分組成，其應用服務器負責設備信息維護，用戶信息維護，提醒消息管理，展示數據提取格式封裝等工作;微信公眾號為用戶端直接使用的界面，完成對采集自系統(tǒng)的掃描、設備綁定、設備狀態(tài)查看、設備采集數據展示、提醒消息推送等用戶任務，是整個平臺用戶和系統(tǒng)交互的橋梁，設計原則為友好，便捷，高效，穩(wěn)定性好，兼容性強。

2.2技術方案架構

基于低功耗MCU主控核心的采集傳感單元，采集室內植物種植環(huán)境數據，通過10BIT精度的ADC模數轉換成精確的數字型號，封裝為特定的數據格式，通過MQTT消息通訊協(xié)議上傳至應用服務器，完成數據采集的任務。

MQTr消息服務器采用開源Apache Apollo項目來搭建;配置為MQTr3.1版本通訊協(xié)議，負責整個系統(tǒng)的消息傳遞和通知功能，采集終端將采集的數據通過Apollo服務器上傳到應用服務器，應用服務器中有用戶的提醒消息后，發(fā)送提醒指令到ApoHo消息服務器，消息服務器調用微信公眾號開發(fā)API接口驅動消息并推送到用戶手機微信終端，完成提醒消息的推送任務;用戶微信端綁定設備，查看設備指令到微信公眾號服務器，通過Apollo消息服務器轉發(fā)到應用服務器提取對應數據返回，完成數據交互任務。

APP應用服務器負責數據的存儲和分析，因采用讀寫分離的數據庫訪問機制，存儲和應用獨立分開，存儲可擴展，性能可以彈性變化，應用服務器負責數據分析，用戶消息提醒任務，采集定時任務，管理端web服務任務的調度處理。

用戶端微信公眾號是用戶的唯一交互界面，本著使用方便，無須安裝，操作友好，響應性快捷等特點為用戶提供最為便捷的體驗。

2.3子系統(tǒng)功能分析

2.3.1基于EMTC技術的土壤濕度采集及濕度控制的采集子系統(tǒng)

采集子系統(tǒng)也就是采集終端，用戶直接使用的唯一終端設備，通過微信公眾號和專屬APP掃碼綁定設備，和用戶建立關聯關系，完成綁定操作;第二步按照要求插入土壤中，設備即可以開始正常工作;智能終端設備自動檢測自配電池的電量，當電量低與一定的閥值，系統(tǒng)將通過微信公眾號提醒消息推動到用戶手機端，提醒用戶更換電池，并同時，設備的LED狀態(tài)指示燈也將給予提示。

濕度傳感器，采用兩根金屬探針，深入插入種植土壤中，精確的檢測土壤中的濕度狀況，而不是簡單的檢測周圍空氣的濕度，這樣檢測的數據更為精確可靠，為后期大數據分析收集提供可靠的數據支持;濕度傳感器和主控單元連接，并采用10Bit精度的ADC轉換模塊，采集精度可以達到10mv級別。

設備設計為電池供電，所以采用了低功耗模式，保證了電池供電，設備的使用壽命;采集終端使用高效低功耗電源管理技術，優(yōu)化配置非必需功能的輸出功耗，調節(jié)系統(tǒng)休眠模式與工作模式之間的切換頻率，在休眠模式下，其設計的功耗電流小于30uA，處于網絡連接狀態(tài)時，其輸出功率小于8mW。

單按鍵配置功能：為減少系統(tǒng)操作復雜度，設計精簡便捷，整個智能終端設備設計了一個按鍵和一個LED狀態(tài)指示燈;初始關機狀態(tài)下，長按3s開機，系統(tǒng)指示燈慢閃（每1s閃爍一次）啟動，自動進入網絡連接狀態(tài);當網絡連通，與服務器建立連接，LED指示燈常亮狀態(tài)，成功發(fā)送一筆采集數據后，指示燈快閃（100ms閃爍一次）3次，然后熄滅，整個系統(tǒng)進入深度低功耗模式，沒間隔一定時間后，系統(tǒng)自動快速喚醒，采集數據并完成數據傳輸，一般情況下，這個過程會在1s內完成，繼續(xù)靜茹低功耗狀態(tài);在新設備沒有和用戶綁定前，指示燈一直慢閃，長按5s以上，系統(tǒng)進入用戶綁定狀態(tài)，用戶通過掃碼綁定成功，指示燈停止慢閃，變?yōu)殚L亮，等待傳輸第一步數據后快閃后關閉;長按8s以上，系統(tǒng)將關閉，停止所有動作，關閉各個模塊，進入低功耗待機模式，取消定時喚醒設置，直到長按3s按鍵重新開啟系統(tǒng)。

串口配置：

采集終端提供了一個全雙工的串行接口，本系統(tǒng)作為系統(tǒng)調試的唯一有效的通道，設置為波特率115200，8數據位，1停止位，無檢驗位，用于系統(tǒng)前期狀態(tài)輸出和調試，也可以用戶設備版本升級通道。

SPI Hash：本終端設備采用2MB的flash存儲芯片，具體劃分為1MB的數據存儲去，1MB的數據備份區(qū)，在極端情況下保存采集的用戶數據，網絡通暢后，將用戶區(qū)提取后在上傳。

2.3.2微信端用戶子系統(tǒng)

微信端用戶子系統(tǒng)是用戶和系統(tǒng)之間的交互界面，以微信公眾號為基礎載體，綁定智能設備終端，就可以查看和配置設備，并同時接受系統(tǒng)發(fā)送的提醒信息。

微信公眾賬號是一種更輕量級的APP應用形式，不用記域名，不用下載和安裝客戶端，方便項目快速推廣，快速實現應用與用戶的便捷溝通。

安全頁面授權采用OAuth2.0認證授權方式：

微信OAuth2.0授權模式保證了用戶客戶端登錄的唯一性和不可復制性，首次進入客戶端系統(tǒng)，要求用戶登錄鑒權，成功鑒權后，系統(tǒng)內部自動和用戶的微信ID帳號進行對應關聯，以后在登錄系統(tǒng)則無須重新鑒權，加快登錄速度，優(yōu)化用戶使用體驗。

2.3.3 MTQQ消息服務子系統(tǒng)

Apache Apollo項目搭建;

MQTT協(xié)議安全授權配置;

接收智能設備推送的采集數據，并組織為隊列模式轉發(fā)到應用服務器處理;

推送提醒消息到微信公眾號服務平臺，完成對用戶端的消息提醒。

2.4軟件體系架構

2.4.1多層分布式軟件體系架構

軟件體系架構，目前主流的兩種體系架構，一種是由微軟公司提供的組件式體系架構（cOM模型），另一種是基于J2EE規(guī)范的構件式體系架構，考慮到基于J2EE規(guī)范的體系架構具有更多的先進性，特別是在支持多種計算機網絡環(huán)境等方面，因此我們選擇了基于J2EE規(guī)范的構件式體系結構。

J2EE規(guī)范包括了一整套技術，總體上包括應用服務器技術和應用開發(fā)技術，在應用服務器上經過深入研究和比較，采用了tomcat服務器引擎;在應用開發(fā)技術上，我們全面應用JSP、Servlet、Applet、EJB和WebStaa等多項Java技術，并利用這些技術建立了“構件化”的軟件體系結構，為實現目標系統(tǒng)的擴展性和易維護性打下了堅實的基礎。

基于此原理，管理系統(tǒng)中采用了多層分布式軟件體系架構。

2.4.2平臺總體上分為以下四層

（1）業(yè)務展現層：用戶界面uI，給用戶提供登錄，查詢，報表展示，操作交互等，便捷合理的uI展示，是用戶使用整個系統(tǒng)的門戶;

（2）業(yè)務邏輯層：數據操作業(yè)務流，數據展現邏輯實現，數據進入分析和數據輸出校驗等操作功能的實現，是用戶展現層和數據存儲和管理層的紐帶;

（3）數據管理層：實現數據永久性存儲，數據邏輯優(yōu)化，數據庫連接池等系統(tǒng)底層數據服務功能的實現;

（4）基礎平臺層：操作系統(tǒng)安全性，數據庫進程優(yōu)化，網絡傳輸的穩(wěn)定性和可靠性，為以上三層提供有力的平臺保證。

3結論

平臺宗旨是打造精細化養(yǎng)植的大數據中心，通過數據收集、分析、建模，形成一套標準化的數據模型，可以科學的、有效的指導用戶精細種植，提高產量，提高品質。

本系統(tǒng)推廣應用受限于運營商的eMTC網絡覆蓋范圍，信號覆蓋較弱的地方，帶來的傳感器功耗的增加，設計為1-2年的電池壽命可能會加倍縮短，短期內可以采用大容量電池解決，但隨著運營商網絡覆蓋范圍的擴大和eMTC技術應用的普及，這個問題隨之解決;在未來5G網絡普及和應用推廣，可能有更好的無線傳輸標準適合我們的平臺，我們將緊緊跟隨科技技術發(fā)展的前沿，升級并更新我們的系統(tǒng)，讓用戶體驗達到最好，最優(yōu)。