基于NB-IoT的智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張吉圭

（貴州城市職業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

我國是農(nóng)業(yè)大國，長期以來農(nóng)業(yè)的高產(chǎn)主要是由于大量農(nóng)藥和化肥的投入使用，這種傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)耕種方式，不僅使資源得到充分的利用，還造成環(huán)境的污染。隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的提出，發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，以物聯(lián)網(wǎng)為載體的新興互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，推動著智慧農(nóng)業(yè)的進(jìn)步，出現(xiàn)了“物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)”。一種用太陽能電板供電，各種農(nóng)作物生長相關(guān)聯(lián)的傳感器，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對農(nóng)作物數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，與各種設(shè)備終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上云端，打通人和物之間的距離壁壘，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的智慧化。傳統(tǒng)的農(nóng)作物遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在環(huán)境因素下，存在光纖達(dá)不到，范圍廣等因素，且功耗高，成本高，維護(hù)實(shí)施難。而基于低功耗的NB-IoT智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠解決這些問題，更有效地實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，能夠?qū)崟r(shí)地完成農(nóng)作物種植環(huán)境參數(shù)的采樣和監(jiān)控，提高種植效率和產(chǎn)能。為農(nóng)業(yè)發(fā)展提高條件，促使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中的融合，推動農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能和電子信息技術(shù)為基礎(chǔ)，由監(jiān)控系統(tǒng)云平臺、智能控制軟件組成。通常分為三個(gè)層次構(gòu)成，感知層，網(wǎng)絡(luò)層，應(yīng)用層。其中感知層通過對監(jiān)測區(qū)域的監(jiān)測，感知空氣溫度、濕度、光照強(qiáng)度、土壤溫度、濕度、土壤鹽導(dǎo)率、土壤養(yǎng)分、土壤重金屬等環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉屑~，把感知層的數(shù)據(jù)匯總，并與農(nóng)業(yè)信息進(jìn)行融合，通過無線或有線的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)主要采用有線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這種方式的組網(wǎng)在實(shí)現(xiàn)的過程中存在諸多問題。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段多年采用無線組網(wǎng)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，是大規(guī)模系統(tǒng)應(yīng)用中最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)方式。應(yīng)用層對網(wǎng)絡(luò)層傳送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，對信息進(jìn)行分類、儲存和挖掘。為智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)提供決策參考，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物信息數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制，提供更為智能化的服務(wù)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法及軟硬件組成

NB-IoT智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，可遠(yuǎn)程監(jiān)控農(nóng)場植物生長環(huán)境質(zhì)量，包括空氣溫濕度，土壤溫濕度，土壤電導(dǎo)率及pH值，溶解氧，雨量，光照強(qiáng)度，氨氣，二氧化碳，風(fēng)速風(fēng)向等。通過對傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測分析，實(shí)現(xiàn)農(nóng)場信息智能化遠(yuǎn)程管理，保證農(nóng)場內(nèi)環(huán)境最適宜作物生長，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的溫室及大田管理，為農(nóng)作物的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、生態(tài)安全創(chuàng)造條件。

2.1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)構(gòu)成

系統(tǒng)主要包括感知層信息數(shù)據(jù)采集，對農(nóng)作物生長的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行感知，采用以STM32L4為核心的處理器，結(jié)合OneOS操作系統(tǒng)，以各種環(huán)境參數(shù)傳感器來采集數(shù)據(jù)，接入處理器，對農(nóng)作物的數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣計(jì)算處理，通過將NB-IoT的無線通信方式和公共網(wǎng)絡(luò)接入云端系統(tǒng)平臺，在用戶設(shè)備終端能實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控農(nóng)場的環(huán)境參數(shù)。其系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)架構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以無線網(wǎng)絡(luò)通信、物聯(lián)網(wǎng)及軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)對大棚種植的遠(yuǎn)程監(jiān)管和控制。智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的拓?fù)浼軜?gòu)如圖2所示，主要包括底層終端設(shè)備（傳感設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、智能網(wǎng)關(guān)）、網(wǎng)絡(luò)傳輸（物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)）、云服務(wù)支撐平臺、智慧農(nóng)業(yè)云平臺以及系統(tǒng)應(yīng)用終端（服務(wù)器、PC終端、移動終端）。

圖2 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的拓?fù)浼軜?gòu)

2.3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選用STM32L475VGT6處理器，主頻達(dá)80MHz，擁有1024KB FLASH非易失存儲和128KB SRAM隨機(jī)儲存器，可滿足系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的要求。以此CPU作為核心來設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其最小系統(tǒng)硬件包括：電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、調(diào)試接口、啟動電路。STM32L475VGT6最小系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 STM32L475VGT6最小系統(tǒng)圖

2.4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)通信硬件設(shè)計(jì)

基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）成為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級。NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯(lián)網(wǎng)（IoT）市場，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。其具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn)。NB-IoT使用License頻段，可采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立載波三種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存。因?yàn)镹B-IoT自身具備低功耗、廣覆蓋、低成本、大容量等優(yōu)勢，使其可以廣泛應(yīng)用于多種垂直行業(yè)，如遠(yuǎn)程抄表、資產(chǎn)跟蹤、智能停車、智慧農(nóng)業(yè)等。系統(tǒng)采用以中國移動M5310-A的NB-IoT模組，M5310-A是一款工業(yè)級NB-IoT模組，工作在頻段Band3/Band5/Band8，M5310-A在支持eSIM和ONENET云平臺協(xié)議的基礎(chǔ)上，支持最新Release14標(biāo)準(zhǔn)，支持更高通信速率，支持基站定位。其NB-IoT硬件原理圖如圖4所示。

圖4 NB-IoT硬件原理圖

2.5 系統(tǒng)傳感器選擇

2.5.1 土壤墑情傳感器

土壤墑情傳感器又名土壤水分傳感器、土壤濕度傳感器、土壤含水量傳感器。主要用來測量土壤容積含水量，做土壤墑情監(jiān)測及農(nóng)業(yè)灌溉和林業(yè)防護(hù)目前常用到的土壤濕度傳感器有FDR型和TDR型，即頻域型和時(shí)域型。目前，比較流行的是FDR型，常用型號HA2001.FDR頻域反射儀是一種用于測量土壤水分的儀器，它具有簡便安全、快速準(zhǔn)確、定點(diǎn)連續(xù)、自動化、寬量程、少標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)。

2.5.2 環(huán)境氣象站傳感器

環(huán)境氣象站主要監(jiān)測空氣溫度、空氣濕度、紫外線強(qiáng)度、太陽總輻射、風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)力、降雨，以及蟲情監(jiān)測捕捉。系統(tǒng)采用多要素氣象環(huán)境監(jiān)測傳感器RS-FSXCS來完成監(jiān)測，傳感器能夠滿足監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的同時(shí)，輸出無線信號，方便系統(tǒng)的搭建。通過現(xiàn)場的氣象設(shè)備，可以實(shí)時(shí)地對農(nóng)業(yè)場景進(jìn)行監(jiān)測。提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對能力，使弱勢的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)成為具有高效率的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)。

2.5.3 土壤肥力傳感器

土壤氮磷鉀三合一肥力傳感器適用于檢測土壤中氮磷鉀的含量，通過檢測土壤中氮鉀的含量來判斷土壤的肥沃程度，進(jìn)而方便系統(tǒng)的評估土壤情況?？砷L期埋入土壤中，耐長期電解，耐腐蝕，抽真空灌封，完全防水。

2.5.4 風(fēng)扇、水泵控制器選擇

智慧農(nóng)業(yè)模塊中的控制設(shè)備有風(fēng)扇、水泵。風(fēng)扇有冷風(fēng)扇和熱風(fēng)扇，可以用來對大棚內(nèi)溫度的高低進(jìn)行控制，還有通風(fēng)的作用；水泵用來灌溉土壤，保證了農(nóng)作物對土壤水分的需求，保持土壤的相對濕度。模塊中的風(fēng)扇和水泵都是由雙向可控硅來實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制功能的，具體的實(shí)現(xiàn)方式為當(dāng)對應(yīng)的控制引腳是高電位的時(shí)候，此時(shí)風(fēng)扇或者是水泵是處于工作狀態(tài)的，控制引腳是低電位的時(shí)候則為關(guān)閉狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)對風(fēng)扇的風(fēng)速以水泵灌溉的水流量為控制的功能，系統(tǒng)為雙向可控硅設(shè)計(jì)了PWM控制的方式，采用的雙向可控硅芯片是BTA06-600B芯片。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過中國移動萬耦NB-IoT開發(fā)板來對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該開發(fā)板集成了溫濕度傳感器，光照傳感器，可對環(huán)境參數(shù)的光照強(qiáng)度、濕度、溫度、水閥進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，NB-IoT通信模組可以實(shí)現(xiàn)與ONENET物聯(lián)網(wǎng)云平臺的無線連接。發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠滿足智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的要求，能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制種植農(nóng)作物土壤的相關(guān)參數(shù)。采用中國移動的ONENET物聯(lián)網(wǎng)平臺和OneOS操作系統(tǒng)，能夠快速地搭建系統(tǒng)，并能實(shí)現(xiàn)云管邊端的管理系統(tǒng)。其硬件實(shí)驗(yàn)平臺如圖5所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖5 硬件實(shí)驗(yàn)平臺

圖6 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)基于精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)進(jìn)行多層次分析，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對能力，使弱勢的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)成為具有高效率的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)。通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)滿足智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)農(nóng)作物生長相關(guān)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的要求，同時(shí)ONENET物聯(lián)網(wǎng)平臺作為一個(gè)開發(fā)的平臺，能夠有效地融合生產(chǎn)數(shù)據(jù)，解決數(shù)據(jù)上云端的問題，提供強(qiáng)大的OneOS操作系統(tǒng)，使得系統(tǒng)的開發(fā)難度降低，為智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供了完整的解決方案和思路，為鄉(xiāng)村振興提供服務(wù)。