基于NB-IoT的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

王英強，張衛(wèi)鋼，王紅剛

(西安思源學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710038)

0 引 言

隨著中國農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展，精準農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)逐漸成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的新需求，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)出爆炸式的增加，數(shù)據(jù)從存儲到挖掘應(yīng)用都面臨巨大挑戰(zhàn)。物聯(lián)網(wǎng)、云計算在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)信息技術(shù)發(fā)展的必然趨勢[1-2]。中國也非常重視農(nóng)業(yè)信息化的建設(shè)。2016年12月31日，農(nóng)業(yè)部發(fā)布了《關(guān)于推進農(nóng)業(yè)農(nóng)村大數(shù)據(jù)發(fā)展的實施意見》，在意見中制定了發(fā)展目標：到2020年底前，逐步實現(xiàn)農(nóng)業(yè)部和省級農(nóng)業(yè)行政主管部門數(shù)據(jù)集向社會開放，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村歷史資料的數(shù)據(jù)化、數(shù)據(jù)采集的自動化、數(shù)據(jù)使用的智能化、數(shù)據(jù)共享的便捷化[3]。農(nóng)業(yè)信息化的建設(shè)需要有大量的數(shù)據(jù)作為支撐條件，這些數(shù)據(jù)不單純作為統(tǒng)計數(shù)據(jù)，更重要的是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，例如農(nóng)作物生長環(huán)境的數(shù)據(jù)等。如何收集農(nóng)作物的生長環(huán)境數(shù)據(jù)，對農(nóng)作物的生長環(huán)境進行監(jiān)控，進行數(shù)據(jù)預(yù)警、分析等等，成為當前農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一個重要話題。

目前，大部分地區(qū)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的采集主要集中在數(shù)據(jù)統(tǒng)計方面，也進行了相應(yīng)的信息化建設(shè)，但是在農(nóng)作物的生長環(huán)境的數(shù)據(jù)自動采集上，中國還處于比較落后的階段。目前，國內(nèi)的諸多學(xué)者也對如何采用無線網(wǎng)絡(luò)[4-5]、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實施農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集進行了研究。例如，采用GPRS與LoRa無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對農(nóng)作物進行全天候、全方位、立體化的動態(tài)實時監(jiān)測與采集[6]，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)[7]，農(nóng)業(yè)區(qū)進行自動氣象站監(jiān)測[8]。

在現(xiàn)階段對農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，主要采用GPRS、ZigBee、LoRa等技術(shù)，存在功耗大、開發(fā)成本高、難度大等缺點，而采用物聯(lián)網(wǎng)(IoT)可以有效提高數(shù)據(jù)的采集效率，增強農(nóng)業(yè)的運營效率[9]。同時，國內(nèi)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集的研究主要側(cè)重于采集設(shè)備的研究，缺少對采集設(shè)備的管理及數(shù)據(jù)的管理與分析的研究。針對這種情況，文中設(shè)計了基于NB-IoT的農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)的自動采集，同時對數(shù)據(jù)進行管理、分析，對檢測設(shè)備進行管理維護，對設(shè)備異常、環(huán)境數(shù)據(jù)異常進行提醒報警，為農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。

1 解決方案

為了有效解決數(shù)據(jù)的采集問題，在該系統(tǒng)中，采用NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)的采集過程如下：數(shù)據(jù)采集設(shè)備在采集到數(shù)據(jù)后，通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街袊娦诺奈锫?lián)網(wǎng)平臺，應(yīng)用系統(tǒng)從電信物聯(lián)網(wǎng)平臺上獲取數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)管理及分析[10]。

1.1 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)

NB-IoT是一種全新的基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是3GPP組織定義的國際標準，可在全球范圍內(nèi)廣泛部署，聚焦于低功耗廣域網(wǎng)，基于授權(quán)頻譜的運營，可直接部署于LTE網(wǎng)絡(luò)，具備較低的部署成本和平滑的升級能力[11]，并且具有覆蓋能力強、成本低、功耗低、超強鏈接等特點[12]，可以廣泛應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)、智能設(shè)備、智慧城市、車輛跟蹤、智能計量、環(huán)境檢測等方面[13-14]。目前，國內(nèi)也對NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用進行了一些研究。例如：NB-IoT在云平臺無線數(shù)據(jù)監(jiān)控、智能井蓋終端、農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈、溫室溫度智能調(diào)控、WEBGIS能源管控系統(tǒng)、城市智慧路燈監(jiān)控、監(jiān)測管理系統(tǒng)的應(yīng)用[15-21]。

1.2 系統(tǒng)優(yōu)點

通過與目前的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比較，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

(1)系統(tǒng)擴展性強，采用“插件式”的設(shè)計思路，可與地理信息系統(tǒng)和辦公自動化系統(tǒng)實現(xiàn)無逢連接，為農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的整合打下良好的基礎(chǔ)。

(2)系統(tǒng)對采集設(shè)備進行24小時監(jiān)測，可實時掌握數(shù)據(jù)采集運營情況，為設(shè)備管理提供科學(xué)依據(jù)。

(3)具有預(yù)警提示功能，系統(tǒng)對農(nóng)作物生長環(huán)境進行實時采集，當?shù)蜏?、缺水、缺肥時，管理部門可在第一時間做出處理反應(yīng)，對提高農(nóng)作物的產(chǎn)量具有重要意義。

2 系統(tǒng)設(shè)計

本節(jié)將對基于NB-IoT的農(nóng)作物環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行設(shè)計，主要從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫、編解碼插件、實時數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、Web端管理系統(tǒng)等幾個方面進行闡述。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

文中利用傳感器采集農(nóng)作物環(huán)境的數(shù)據(jù)，例如土壤的溫度、濕度、養(yǎng)分等，通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)上傳到電信的物聯(lián)網(wǎng)平臺，編解碼插件將上傳的數(shù)據(jù)解析為Json數(shù)據(jù)后，接收數(shù)據(jù)系統(tǒng)將Json數(shù)據(jù)存入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)Web端應(yīng)用系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行展示、分析[22]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

下面對系統(tǒng)的各個組成部分進行說明：

(1)傳感器節(jié)點：主要負責采集農(nóng)作物生長的各項環(huán)境數(shù)據(jù)，土壤的溫度、濕度、養(yǎng)分等，按照相應(yīng)的通信協(xié)議生成相應(yīng)格式的二進制數(shù)據(jù)。

(2)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)：主要負責將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娦盼锫?lián)網(wǎng)平臺。

(3)電信物聯(lián)網(wǎng)平臺：通過該平臺的編解碼插件將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Json格式；下發(fā)相應(yīng)的指令到相應(yīng)的傳感器設(shè)備上。

(4)獲取數(shù)據(jù)系統(tǒng)：主要負責將電信物聯(lián)網(wǎng)平臺的Json格式的數(shù)據(jù)存入到Web端應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。

(5)Web端應(yīng)用系統(tǒng)：為用戶的應(yīng)用系統(tǒng)，主要有設(shè)備的管理、數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)分析、預(yù)警、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)字典的維護，例如用戶管理、區(qū)域管理等功能。

2.2 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

在該系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫主要負責數(shù)據(jù)的存儲與管理。在該平臺中，除了要存儲通過NB-IoT采集到的各種數(shù)據(jù)外，為了方便管理，還要存儲設(shè)備信息、區(qū)域信息、預(yù)計信息等。系統(tǒng)中主要包含以下數(shù)據(jù)表：用戶信息(UserInfo)、區(qū)域信息(AreaInfo)、設(shè)備信息(DeviceInfo)、設(shè)備狀態(tài)(DeviceState)、采集數(shù)據(jù)(CollectData)、預(yù)警參數(shù)(WarningPara)等。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)表

2.3 編解碼插件設(shè)計

在該系統(tǒng)中，插件系統(tǒng)與下位傳感器監(jiān)測設(shè)備緊密配合，對農(nóng)作物的土壤各項數(shù)據(jù)進行檢測報警，并對設(shè)備本身狀態(tài)，例如電池電壓等進行監(jiān)測和預(yù)警。下位傳感器在采集數(shù)據(jù)后，通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娦诺奈锫?lián)網(wǎng)平臺。電信的物聯(lián)網(wǎng)平臺則通過編解碼插件按照設(shè)計的格式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的Json數(shù)據(jù)。對于每一種傳感器，都需要根據(jù)相應(yīng)的通信協(xié)議，編寫相應(yīng)的編解碼插件。這為電信的物聯(lián)網(wǎng)平臺提供了非常好的開放性。該系統(tǒng)的編解碼插件由兩部分組成：

(1)Profile說明。描述一款設(shè)備的能力特征，包括設(shè)備類型、廠商、型號、協(xié)議類型名稱以及提供的服務(wù)類型。在該編解碼插件中，主要包括BasicInfo(基礎(chǔ)信息)、Connectivity(連接信息)、DeviceInfo(設(shè)備信息)、DeviceState(設(shè)備狀態(tài))、CollectData(定時上報)等服務(wù)。

(2)編解碼插件，主要實現(xiàn)設(shè)備和應(yīng)用之間的語言轉(zhuǎn)換。在該編解碼插件中，主要實現(xiàn)以下數(shù)據(jù)的解析：

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：主要包括電池的電壓、電量數(shù)據(jù)。

連接信息：主要包括信號強度、信噪比等數(shù)據(jù)。

設(shè)備信息：主要包括設(shè)備ID、設(shè)備類型、設(shè)備SN、心跳時間、報警周期、采樣周期等數(shù)據(jù)。

設(shè)備狀態(tài)：主要包括設(shè)備的報警狀態(tài)、布防狀態(tài)、無線模塊狀態(tài)、電池狀態(tài)、云端應(yīng)答狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

土壤數(shù)據(jù)：主要包括設(shè)備采集到的土壤溫度、濕度、有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含等數(shù)據(jù)。

2.4 實時數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)

實時數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)主要實現(xiàn)從電信物聯(lián)網(wǎng)平臺獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲到平臺數(shù)據(jù)庫中。該系統(tǒng)采用Java編程語言，MySql數(shù)據(jù)庫進行開發(fā)。為了提高數(shù)據(jù)接收效率，采用了多線程的方式來進行。在系統(tǒng)主要使用的線程有：

(1)GetDeviceList：主要負責從電信平臺上實時獲取設(shè)備列表，并在內(nèi)存中維護系統(tǒng)的設(shè)備列表。在獲取設(shè)備時，檢測該設(shè)備在數(shù)據(jù)庫與設(shè)備列表中是否存在。根據(jù)檢測結(jié)果，決定是否將該設(shè)備存入到平臺數(shù)據(jù)庫，以及是否需要更新內(nèi)存中的設(shè)備列表。

(2)GetDeviceData：主要負責從電信平臺上獲取設(shè)備上報的實時數(shù)據(jù)，并將獲取到的實時數(shù)據(jù)(Json格式)解析為平臺數(shù)據(jù)庫的格式，并將數(shù)據(jù)存入到平臺數(shù)據(jù)庫中。因為同時會有多個設(shè)備上報數(shù)據(jù)，為了提高效率，采用批量寫的方式，解決數(shù)據(jù)存儲的效率問題。

2.5 Web應(yīng)用平臺系統(tǒng)設(shè)計

Web應(yīng)用平臺實現(xiàn)的主要功能有：

(1)設(shè)備管理：借助百度地圖實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的添加、修改、刪除等，利用百度地圖獲取設(shè)備安裝的經(jīng)度、緯度和具體的位置名稱，并對設(shè)備的狀態(tài)進行實時監(jiān)控。

(2)數(shù)據(jù)監(jiān)控：該功能負責從電信物聯(lián)網(wǎng)平臺獲取采集到的實時數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存放到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的數(shù)據(jù)表中。

(3)預(yù)警提醒：該功能首先設(shè)置土壤的濕度、溫度、有機質(zhì)含量閾值，如果檢測到的數(shù)據(jù)超出閾值范圍將進行報警，從而提醒進行澆水灌溉、保溫、施肥等措施。

(4)數(shù)據(jù)分析：該功能主要負責對采集到的農(nóng)作物環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析，產(chǎn)生實時動態(tài)曲線變化圖，實時狀態(tài)圖，報表等。

(5)區(qū)域管理：對采集設(shè)備所在的地方進行區(qū)域劃分，方便對設(shè)備的定位與管理，同時為每個區(qū)域分配相應(yīng)的負責人。

(6)用戶管理：實現(xiàn)系統(tǒng)用戶的增加、刪除、修改、更新以及權(quán)限管理。

Web端應(yīng)用平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Web應(yīng)用平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與結(jié)果

在該系統(tǒng)中，編解碼插件與實時數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)采用Java編程語言實現(xiàn)；Web應(yīng)用平臺系統(tǒng)采用Spring MVC+Hibernate+Easyui(UI庫)+Jquery+Ehcache等基礎(chǔ)架構(gòu)，數(shù)據(jù)庫采用Mysql5.7進行開發(fā)。該系統(tǒng)使用的框架是Spring MVC框架，該框架是一個封裝servlet層的框架，具有功能強大、業(yè)務(wù)代碼可重用等特點。

下面以Web應(yīng)用平臺的數(shù)據(jù)實時采集為例，給出實現(xiàn)過程的源代碼及采集數(shù)據(jù)結(jié)果。

public void datagrid(DqjlsjEntitydqjlsj,HttpServletRequest request,HttpServletResponse response,DataGrid dataGrid,Integerpage,IntegerpageSize) {

String sbSn="",sbMc="",qyBh="";

//獲取查詢參數(shù)

pageSize=dataGrid.getRows();

//調(diào)用dqjlsjMimidaoDao類中的方法，獲取數(shù)據(jù)

Integer count=dqjlsjMimidaoDao.getCount(sbSn,sbMc,qyBh);

dataGrid.setTotal(count);

//設(shè)置dataGrid的數(shù)據(jù)源，顯示數(shù)據(jù)

dataGrid.setResults(maplist);

}

通過該系統(tǒng)采集到的部分數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 農(nóng)作物生長環(huán)境部分采集數(shù)據(jù)

通過測試，該平臺能夠有效獲取到農(nóng)作物生長環(huán)境的實時數(shù)據(jù)及檢測設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并且能夠?qū)Ξ惓?shù)據(jù)進行報警提示，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，功能完善。

4 結(jié)束語

針對目前農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集的狀況，提出了基于NB-IoT的農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過物聯(lián)網(wǎng)，采集設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀oT平臺，解決了數(shù)據(jù)實時采集的問題；然后將數(shù)據(jù)實時接收到Web平臺中，解決了采集設(shè)備管理、數(shù)據(jù)實時監(jiān)控、分析與預(yù)警等問題。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，功能完善，為有農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)的自動采集提供了一種有效的解決方案，同時也可以為NB-IoT在其他行業(yè)的應(yīng)用提供參考和借鑒。