基于Zigbee和NB-IoT無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智慧農(nóng)業(yè)

蘇州科技大學(xué) 李哲光

1 研究目的與意義

結(jié)合有線控制溫室大棚技術(shù)，目前國內(nèi)大部分溫室大棚還在依靠有線測量、調(diào)控設(shè)備，采用人工方式進(jìn)行一些簡單、低效、繁瑣的工作。為獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，需要在溫室大棚放置一定數(shù)量的測量儀器，由人工讀取數(shù)據(jù)；判斷、執(zhí)行操控設(shè)備來調(diào)整溫室環(huán)境。這種方法不僅難以布置儀器、測量精度低，而且無法及時獲得溫室的整體數(shù)據(jù)。難以獲得全面、精確數(shù)據(jù)的同時，又耗費(fèi)了大量的人力物力。智慧農(nóng)業(yè)作為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路，必須利用更加高效，更加智能化的生產(chǎn)方式發(fā)展農(nóng)業(yè)。當(dāng)下由于網(wǎng)絡(luò)、電子設(shè)備的普及與進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展，并與生活、生產(chǎn)相結(jié)合，孕育智慧家居、智慧工業(yè)、智慧醫(yī)療等。農(nóng)業(yè)也向著智慧化發(fā)展。將農(nóng)業(yè)與無線傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)相結(jié)合，將低速率、低功耗、低成本的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶入到農(nóng)業(yè)中，中國農(nóng)業(yè)將得到快速、巨大的發(fā)展。

2 研究背景

中國農(nóng)業(yè)信息化起步于20世紀(jì)80年代，但隨著微型系統(tǒng)、無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，目前中國在農(nóng)業(yè)信息化、農(nóng)業(yè)智能化方面已經(jīng)取得了卓越成就。

2010年，孫學(xué)巖開發(fā)了一種基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室測控系統(tǒng)。測控系統(tǒng)由上位PC機(jī)、基于CC2430的中心控制節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)以及傳感器模塊組成。在溫室測控系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。搭建具有1個中心控制節(jié)點(diǎn)和6個無線傳感器節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計了溫度、濕度和光照度傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件電路。在70m*10m溫室中進(jìn)行試驗，溫度、濕度和光照度誤差均在3%之內(nèi)[1]。2019年，青島九天智慧農(nóng)業(yè)集團(tuán)有限公司開發(fā)了“后土云”智慧農(nóng)業(yè)操作系統(tǒng)平臺，“后土云”將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能與農(nóng)業(yè)相結(jié)合，能夠?qū)ν寥缐勄?、氣溫濕度、植物生長狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，綜合分析并作出相應(yīng)決策，目前已在全國多個省份投入使用。

雖然經(jīng)過四十年的發(fā)展，中國農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展已經(jīng)取得重大突破，但與西方國家相比仍然還有很大的差距。2019年12月印發(fā)的《數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展規(guī)劃（2019-2025年）》中指出要加快生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)字化改造、推進(jìn)管理服務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，加強(qiáng)國家農(nóng)業(yè)農(nóng)村大數(shù)據(jù)中心建設(shè)工程、農(nóng)業(yè)農(nóng)村天空地一體化觀測體系建設(shè)工程、國家數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村創(chuàng)新工程，全面提升農(nóng)業(yè)農(nóng)村生產(chǎn)智能化、經(jīng)營網(wǎng)絡(luò)化、管理高效化、服務(wù)便捷化水平[2]。

3 主要技術(shù)概述

3.1 Zigbee

ZigBee是一個仿生詞，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，蜜蜂通過繞Z字飛行的方式通過發(fā)出嗡嗡的聲音通知其同伴發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的距離和方位等信息，因此，該名字的設(shè)計靈感來源于蜜蜂這一類似于ZigZag舞蹈的特殊肢體語言。聯(lián)盟便以ZigBee命名為新的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，又叫作紫峰協(xié)議技術(shù)，統(tǒng)稱為ZigBee[3]。

3.1.1 技術(shù)概述

Zigbee是一種基于IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的無線通信技術(shù)。IEEE802.25.4制定了Zigbee的物理層和MAC層。2002年，Zigbee聯(lián)盟成立，負(fù)責(zé)制定了Zigbee的上層協(xié)議，包括網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和安全服務(wù)。如今，Zigbee聯(lián)盟已經(jīng)有200多家公司加入，包括軟件開發(fā)商、系統(tǒng)集成商、硬件制造商等，如SUMSUNG、Honeywell、Mitsubishi、Freescale以及中國的華為、Telink。在環(huán)境監(jiān)測、家庭控制、工業(yè)、醫(yī)療和汽車電子領(lǐng)域，需要實(shí)時傳輸一些數(shù)據(jù)量較小、實(shí)時性高、終端低功耗的數(shù)據(jù)，wifi、藍(lán)牙由于成本高、功耗大、組網(wǎng)規(guī)模小等各式各樣的缺點(diǎn)不適合投入應(yīng)用。Zigbee很好地滿足了這些要求，適合于傳輸突發(fā)性、數(shù)據(jù)量較小、實(shí)時性高的信息。因此Zigbee技術(shù)在智能家居、智慧醫(yī)療、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都發(fā)展前景較為廣闊。

3.1.2 技術(shù)特點(diǎn)

（1）低成本

Zigbee模塊在最初價格高達(dá)10美元，隨著科技和工藝的不斷進(jìn)步，大幅簡化Zigbee協(xié)議，降低了設(shè)備成本，Zigbee模塊的價格逐步下降到5美元左右，如今部分廠商的Zigbee模塊的價格甚至低至2美元。此外，由于Zigbee協(xié)議是開源的，也無須支付協(xié)議專利費(fèi)用，相較于Wifi、藍(lán)牙技術(shù)有著天然的成本優(yōu)勢。

（2）低功耗

由于Zigbee主要傳輸一些數(shù)據(jù)量小，傳輸速率要求不高，所以Zigbee傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射功率往往只是毫瓦級，因此Zigbee的功耗并不高。其次，Zigbee工作方式是半休眠式，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)并不參加數(shù)據(jù)傳輸時，射頻模塊關(guān)閉，節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，設(shè)備功耗大幅降低。僅兩節(jié)五號干電池就可以支持Zigbee設(shè)備工作6~24個月，休眠模式更是長達(dá)五年之久。而藍(lán)牙最多只能工作幾周，Wifi卻只能工作幾個小時。

（3）低速率

Zigbee擁有三個工作頻段：2.4GHz（全球）、915MHz（美國）、868MHz（歐洲），頻段又分別能夠提供250kbit/s、40kbit/s、20kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。但由于藍(lán)牙、Wifi甚至微波爐都在2.4GHz這一公用頻段工作，因此為合理使用多種技術(shù)，Zigbee數(shù)據(jù)傳輸速率在實(shí)際使用中往往只有25kbit/s，所以Zigbee技術(shù)目前只能滿足低速率的無線傳輸領(lǐng)域。

（4）有效范圍大

Zigbee相鄰節(jié)點(diǎn)室內(nèi)只有10~70m的傳輸距離，室外能達(dá)到100~250m的傳輸距離。如果通過節(jié)點(diǎn)與路由間的通信接力，就能夠擴(kuò)展至幾百米，甚至幾公里。

3.2 NB-IoT

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）技術(shù)，中文名窄帶物聯(lián)網(wǎng)，是一種可移動、范圍大、廣連接的低功耗廣域網(wǎng)。通過組建蜂窩網(wǎng)絡(luò)的方式，僅僅需要使用180KHz左右的帶寬，便可以部署在傳統(tǒng)的GSM和LTE網(wǎng)絡(luò)模式上，從而降低了網(wǎng)絡(luò)部署成本，實(shí)現(xiàn)NB-IoT無線通信技術(shù)平滑升級[4]。

NB-IoT具有超低功耗、成本低、范圍廣、海量連接、易部署的特點(diǎn)。NB-IoT運(yùn)用了與DRX相類似的節(jié)電技術(shù)，在不影響終端系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)連接的情況下，沒有數(shù)據(jù)傳輸時進(jìn)入休眠狀態(tài)。進(jìn)入休眠狀態(tài)，由于無須監(jiān)聽信道便關(guān)閉收發(fā)機(jī)，達(dá)到節(jié)電目的。DRX的下行數(shù)據(jù)延時為1.28s或2.56s。而NB-IoT的eDRX節(jié)電技術(shù)的下行數(shù)據(jù)延時為20.48s，甚至最高為2.92h。由于eDRX較高的尋呼間隔，大大減少了頻繁尋呼所帶來的功耗過高問題。NB-IoT終端模塊的電池甚至可以工作十年之久。

NB-IoT通信協(xié)議的最小偶合路徑損耗（MCL，Minimum CouplingLoss）標(biāo)準(zhǔn)為164dB，相較于GSM通信網(wǎng)絡(luò)區(qū)域覆蓋能力提高了20dB，理論上NB-IoT技術(shù)比GSM/LTE通信技術(shù)區(qū)域覆蓋能力增強(qiáng)了100倍。信號傳輸覆蓋技術(shù)包括上行信號增強(qiáng)技術(shù)和下行信號增強(qiáng)技術(shù)。其中由于NB-IoT技術(shù)的設(shè)備發(fā)射功率為23dBm，而GSM技術(shù)的設(shè)備終端發(fā)射功率為33dBm，高于NB-IoT。為了提高NB-IoT技術(shù)的信號覆蓋強(qiáng)度，上行信號增強(qiáng)技術(shù)通過縮窄信號傳輸帶寬，提高了上行信號發(fā)射功率譜密度。此外，還通過增加上行信號數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)，重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)，最高可以重復(fù)2048次。而下行信號數(shù)據(jù)NB-IoT比GSM的發(fā)射功率更高。從目前技術(shù)實(shí)際應(yīng)用來看，NB-IoT技術(shù)是GSM/LTE信號區(qū)域覆蓋范圍半徑的四倍。NB-IoT強(qiáng)大的覆蓋能力不僅體現(xiàn)在室內(nèi)信號覆蓋上,即使在地下車庫、地下管道等信號難以傳播到達(dá)的地方,NB-IoT也可以覆蓋到,同時也解決了LTE信號難以全方位覆蓋的難題,在地下管道、地下車庫等地方裝配部署電表、氣表等問題也將得到有效解決[5]。

4 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計

4.1 設(shè)計簡介

雖然NB-IoT模塊能夠滿足智慧農(nóng)業(yè)所需要的大容量網(wǎng)絡(luò)、低功耗、強(qiáng)區(qū)域覆蓋能力，但由于NB-IoT模塊目前單價為5美元，而且NB-IoT可以依據(jù)運(yùn)營商基站搭建，信號數(shù)據(jù)傳輸都需要依靠運(yùn)營商流量。所以，NB-IoT目前成本相對于Zigbee較高，農(nóng)業(yè)用地位置往往偏僻，運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)也未能完全覆蓋到，配置基站的成本則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)期。而Zigbee模塊價格已經(jīng)低至2美元，但Zigbee無法接入互聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳入云平臺和移動設(shè)備中。因此，本設(shè)計中采用Zigbee與NB-IoT相結(jié)合，利用Zigbee技術(shù)采集傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端，NB-IoT網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)通過基站傳輸?shù)皆破脚_或者移動設(shè)備上。

4.2 系統(tǒng)設(shè)計框架

5 結(jié)語

目前智慧農(nóng)業(yè)在我國推廣緩慢，大部分地區(qū)依然采用人工勞作，不僅效率低下，對土地利用率不高，沒有精確數(shù)據(jù)的分析參考，水資源在灌溉中浪費(fèi)較多，對化肥、農(nóng)藥使用的不精確，增加了耕作成本，也污染了土地和水資源，加劇了土地鹽堿化、肥力下降。本文通過對Zigbee、NB-IoT、WiFi等技術(shù)的介紹分析，對比多項技術(shù)，最終采用以Zigbee負(fù)責(zé)采集傳輸傳感器數(shù)據(jù)，NB-IoT負(fù)責(zé)上傳云平臺的方案設(shè)計了一款智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。未來，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一體化進(jìn)入信息時代只是時間問題，NB-IoT技術(shù)的飛速崛起彌補(bǔ)了Zigbee技術(shù)在通信方面的缺陷。如今，智能家居已經(jīng)全面推廣，5G橫空出世，智慧農(nóng)業(yè)也將真正實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的科學(xué)化、精確化、智能化生產(chǎn)，全面提高我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平。