基于NB-IOT的大田管理精準農業(yè)系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

李冬?！∏裆忻鳌钌朴?/p>

摘? 要：針對傳統(tǒng)規(guī)模化大田種植缺乏科學監(jiān)測手段，農作物數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在智能化程度不高、管理效率低下，難以實現(xiàn)對大田作物精準灌溉的問題，以及當前成熟商用的物聯(lián)網(wǎng)通信技術存在低功耗與廣覆蓋難以兩全的問題，開發(fā)出一個基于NB-IOT的大田管理精準農業(yè)系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體設計方案，詳細闡釋了系統(tǒng)的硬件與軟件設計方法。該系統(tǒng)利用無線傳感器節(jié)點采集作物的地面氣象信息、土壤信息，以及作物的生長實況信息，通過NB-IOT傳送到云服務器，實現(xiàn)對大田作物生長環(huán)境的遠程監(jiān)控和精準灌溉，在提高大田作物的智能化管理水平方面具有良好的推廣前景。

關鍵詞：NB-IOT;大田管理;精準農業(yè);物聯(lián)網(wǎng);數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TP393.2? ? ?文獻標識碼：A

Design and Implementation of Precision Agriculture System for

Field Management based on NB-IOT

LI Dongrui， QIU Shangming， YANG Shanyou

（School of Computer， Guangdong Agriculture Industry Business Polytechnic， Guangzhou 510507， China）

ldr_1983@126.com; smqiu@gdaib.edu.cn; syyang@gdaib.edu.cn

Abstract： Traditional large-scale field planting has been in shortage of scientific monitoring means， and the collection system of crop data has low intelligence and low management efficiency， which makes it difficult to achieve precise irrigation of field crops. At present， it is also difficult for the mature commercial Internet of things communication technology to achieve both low power consumption and wide coverage at the same time. In view of these problems， this paper proposes to develop a precision agriculture system for field management based on NB-IOT （Narrow Band Internet of Things）. Hardware and software design methods are elaborated in the overall design scheme of the system. Wireless sensor nodes are used in the system to collect the ground meteorological information， soil information and real growth information of crops， which are transmitted to the cloud server through NB-IOT， achieving remote monitoring and precise irrigation of the growing environment of field crops. The proposed system has a good promotion prospect in improving the level of intelligent management of field crops.

Keywords： NB-IOT; field management; precision agriculture; Internet of things; data collection

1? ?引言（Introduction）

大田種植是目前我國農業(yè)最廣泛的種植方式，但此方式缺乏有效的大田環(huán)境監(jiān)測手段，農民無法及時了解大田作物生長環(huán)境并做出及時響應，導致種植效率較低，管理成本過高。目前，國外很多學者在農作物的生長過程監(jiān)測、施肥監(jiān)測、病蟲害監(jiān)測、產量監(jiān)測以及精準灌溉方面進行了深入的研究。美國早在20 世紀80 年代就致力于研究精準農業(yè)[1]并提出了數(shù)字化農業(yè)[2]模式。希臘的TAGARAKIS等[3]學者提出了一個低成本、低功耗、簡單的無線傳感系統(tǒng)，專用于農業(yè)環(huán)境的監(jiān)測。印度的KESWANI等[4]學者研究利用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術實現(xiàn)對農田灌溉的有效控制。然而，我國的精準農業(yè)應用尚處于起步階段，與其他農業(yè)發(fā)達國家相比，還存在一定差距，體現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)技術應用到大田種植中相對較少，信息收集不全面，農業(yè)領域信息的標準不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)精準度不高等。

由于大田種植具有分布廣、監(jiān)測點多、布線和供電困難等特點，而當前成熟商用的物聯(lián)網(wǎng)通信技術中，低功耗與廣覆蓋難以兩全，因此用傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)對大田種植進行監(jiān)測顯得力不從心。本文提出通過NB-IOT的數(shù)據(jù)傳輸方式將無線傳感器節(jié)點采集到的大田作物生長數(shù)據(jù)傳送到云服務器，然后再將移動終端接入云服務器進行數(shù)據(jù)交互，從而實現(xiàn)對大田作物生長環(huán)境的遠程監(jiān)控和精準灌溉。

2? ?NB-IOT簡介（Introduction to NB-IOT）

物聯(lián)網(wǎng)的無線通信技術主要分為兩類：一類是Zigbee、Wifi、藍牙、Z-wave等短距離通信技術;另一類是LPWAN（Low-PowerWide-AreaNetwork，低功耗廣域網(wǎng)），目前應用較多的主要有NB-IOT、Sigfox和LoRa三種技術[5]。NB-IOT（Narrow Band Internet of Things）是基于蜂窩通信3 G/4 G演進的物聯(lián)網(wǎng)通信技術[6]，工作在專用的授權（License）頻段，可采取帶內、保護帶或獨立載波等三種部署方式[7]。與Sigfox和LoRa這兩種LPWAN技術相比，由于NB-IOT網(wǎng)絡是基于授權頻譜組建網(wǎng)絡的，因此它的抗干擾能力、數(shù)據(jù)安全性、技術服務等方面均有高安全性保障[8]。它主要有四個特點：一是覆蓋范圍廣;二是支持海量連接;三是支持低延遲靈敏度;四是具有較低的模塊化成本。這四個特點符合許多無法布線、覆蓋范圍廣的物聯(lián)網(wǎng)通信需求。在大田種植應用場景中，物聯(lián)網(wǎng)終端一般采用電池供電，為防止斷電情況發(fā)生，需要選擇低功耗的物聯(lián)網(wǎng)終端，而普通NB-IOT的物聯(lián)網(wǎng)終端的使用年限能夠達到10 年左右，因此將其與各類傳感器連接更適合大田種植應用場景。

3? 大田管理精準農業(yè)系統(tǒng)的需求（Demand for field management precision agriculture system）

廣東農工商職業(yè)技術學院的熱作科技創(chuàng)新基地位于廣東湛江農墾國家現(xiàn)代農業(yè)示范區(qū)核心區(qū)（以下簡稱“基地”），占地面積 14 hm2[9]。基地主要種植菠蘿和甘蔗等作物，由于種植面積廣，管理人員缺乏，因此急需一個大田作物管理系統(tǒng)來輔助管理員進行管理，使管理員能及時掌握作物的生長環(huán)境和實況信息，并能根據(jù)種植環(huán)境的變化做出相應對策。

大田管理精準農業(yè)系統(tǒng)主要實現(xiàn)對大田作物的精準化管理，能對農情數(shù)據(jù)進行采集，對作物生長環(huán)境進行監(jiān)控以及對農資、農作實施精確定時、定位、定量控制。系統(tǒng)由地面氣象信息采集、土壤信息采集、水肥一體化監(jiān)控和視頻監(jiān)控四個模塊組成，地面氣象信息采集包括對地面溫度、濕度、光照、雨量、風速、風向、大氣壓信息的采集;土壤信息采集包括對土壤溫度、濕度、PH值信息的采集;水肥一體化監(jiān)控主要對大田的水量和化肥量進行監(jiān)控，從而實現(xiàn)自動施水施肥;而視頻監(jiān)控主要對作物的生長實況進行實時監(jiān)控，以圖片和錄像進行記錄。

地面氣象信息采集模塊的溫濕度傳感器，光照傳感器，大氣壓傳感器，風速、風向傳感器，雨量傳感器。土壤信息采集模塊的土壤溫濕度傳感器，土壤PH值傳感器能實時采集傳感器所在位置的空氣溫度、空氣濕度、光照、大氣壓、風速、風向、雨量、土壤溫度、土壤濕度和土壤PH值數(shù)據(jù)。對于布線不方便的大田管理場合，采用NB-IOT無線傳輸?shù)姆绞綄⒉杉降臄?shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)的云服務器進行數(shù)據(jù)處理。當數(shù)值超出范圍時，系統(tǒng)即刻啟動報警，提醒管理人員進行相關的報警處理工作或自啟聯(lián)動處理。

為了便于監(jiān)視觀測作物的生長狀況和管理，同時預防和制止入侵大田的盜竊、破壞等犯罪行為，保障生產與收獲季節(jié)的正常運轉，在大田種植區(qū)安裝高清網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)，管理員可以在客戶端監(jiān)控作物的生長狀況及作物病蟲害狀況。

通過對土壤信息的監(jiān)測，系統(tǒng)自動將土壤的實時數(shù)據(jù)與管理員設置的數(shù)據(jù)閾值進行對比，當監(jiān)測數(shù)據(jù)超出（或低于）固定值時，系統(tǒng)能自動控制水肥灌溉設備，從而使其自動開啟或關閉，以實現(xiàn)對不同監(jiān)測點的精準灌溉。管理員可以通過網(wǎng)頁或移動端進行遠程人工操控，還可以設置控制器在固定時間段進行固定時間、灌溉量的智能運作。

4? 大田管理精準農業(yè)系統(tǒng)的設計（Design of field management precision agriculture system）

系統(tǒng)利用無線傳感器節(jié)點采集作物的地面氣象信息和土壤信息，通過無線攝像頭采集作物的生長實況信息，使用水肥一體化機實現(xiàn)自動精準灌溉。地面氣象信息、土壤信息、視頻監(jiān)控信息，以及水肥一體化監(jiān)控信息均采用NB-IOT的數(shù)據(jù)傳輸方式，系統(tǒng)架構設計如圖1所示。

首先將各個傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸至主控芯片進行處理，然后通過傳感器集成的NB-IOT通信模組將處理后的大田相關農情數(shù)據(jù)通過NB-IOT基站信號發(fā)送到IOT網(wǎng)關，IOT網(wǎng)關獲取的數(shù)據(jù)與應用服務平臺的數(shù)據(jù)可進行雙向交互，應用服務器獲得數(shù)據(jù)后，再將數(shù)據(jù)通過4 G、5 G或Wifi通信方式及時推送到遠程監(jiān)控端。管理人員、農戶、農業(yè)專家等用戶通過電腦、手機或其他手持終端可實時監(jiān)測農作物現(xiàn)場的環(huán)境狀態(tài)信息，當大田地面氣象信息閾值超出正常值時，用戶可通過短信、電話、郵件、APP或B/S客戶端實時接收遠程警告，從而及時采取措施，減輕自然災害帶來的損失。而系統(tǒng)通過對土壤信息的監(jiān)測，能實現(xiàn)自動精準灌溉。通過對系統(tǒng)中的作物生長實況進行觀察，可讓用戶了解作物生長情況和發(fā)現(xiàn)病蟲害等信息，從而使用戶能迅速進行農事活動。

系統(tǒng)除了具有監(jiān)測報警、實時數(shù)據(jù)顯示、設備控制、作物生長情況監(jiān)控功能外，還為用戶提供查看農情信息的歷史數(shù)據(jù)功能，通過歷史數(shù)據(jù)曲線圖可以了解過去某段時間內大田地面環(huán)境狀態(tài)信息的變化和土壤信息的變化，從而掌握農作物的生長與環(huán)境變化規(guī)律，為大田種植的管理提供決策支持。

5? 大田管理精準農業(yè)系統(tǒng)的實現(xiàn)（Implementation of field management precision agriculture system）

大田管理精準農業(yè)系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分，硬件部分部署在基地，目前部署了四個數(shù)據(jù)采集點;軟件部分包括網(wǎng)站后臺管理和APP管理兩部分。

5.1? ?系統(tǒng)硬件部署

數(shù)據(jù)采集模塊都配有GPS，通過定位能精準獲取每個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)。監(jiān)控設備采用低功耗ARM芯片和嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件平臺，芯片選材采用工業(yè)級產品，具有防水、防雷功能，保證在現(xiàn)場惡劣環(huán)境下的系統(tǒng)穩(wěn)定性。水肥一體機的硬件采用嵌入式SOC技術，可靠性高，穩(wěn)定性好，具有故障自動恢復功能。其中，圖2為地面氣象信息采集器。

5.2? ?系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

本系統(tǒng)的服務器操作系統(tǒng)為Linux CentOS 8.1，數(shù)據(jù)庫服務器為SQL Server 2018 R2，采用Spring Boot框架開發(fā)Web端，移動端APP有Android和IOS兩個版本。本系統(tǒng)使用中國電信的NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)卡進行數(shù)據(jù)傳輸，因此應用系統(tǒng)要與IOT網(wǎng)關對接才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

（1）NB-IOT參數(shù)配置

在進行NB-IOT參數(shù)配置時，中國電信物聯(lián)網(wǎng)開放平臺提供三種模式選擇，分別為DRX模式（Discontinuous Reception， 不連續(xù)接收模式）、EDRX模式（Extended Idle Mode DRX， 擴展不連續(xù)接收模式）及PSM模式（Power Saving Mode， 省電模式）。本系統(tǒng)設置為PSM模式，同時設置PSM模式的Active Timer為2 s，在設備端設置一個定時60 s的自動上報功能，實現(xiàn)應用系統(tǒng)與IOT網(wǎng)關數(shù)據(jù)的雙向交互。

（2）Profile文件的定義

設備的Profile文件是用來描述一款設備的用途、功能和控制方式的文件。設備的Profile文件為json格式的文件。每款設備都有一個Profile文件。一個Profile文件主要包括屬性信息和服務信息，屬性信息包括manufacturerId（設備ID）、manufacturerName（設備名字）、deviceType（設備類型）、model（設備型號）和protocolType（協(xié)議類型）等;服務信息用于說明設備的業(yè)務數(shù)據(jù)，包括設備上報的上行數(shù)據(jù)和廠商服務器下發(fā)給設備的下行數(shù)據(jù)。

由于本系統(tǒng)有溫度、濕度、光照度、風速、風向、大氣壓等傳感器，因此，必須對每個傳感器都要編寫Profile文件，其中，溫度傳感器的屬性信息devicetype-capability.json文件代碼如下：

{

"devices"：[

{

"manufacturerId"："NGS"，

"manufacturerName"："NGS" ，

"model"："NBIoTDevice" ，

"protocolType"："CoAP"，

"deviceType"："TemperatureMonitor"，

"serviceTypeCapabilities"：[

{

"serviceId"： "Temperature"，

"serviceType"： "Temperature"，

"option"： "Master"

}

]

}

]

}

溫度傳感器的服務信息servicetype-capability.json文件代碼如下：

{

"services"： [

{

"serviceType"："Temperature"，

"description"："Temperature"，

"commands"：null，

"properties"：[

{

"propertyName"："temperature"，

"dataType"："decimal"，

"required"：true，

"min"：0，

"max"：100，

"step"：0，

"maxLength"：null，

"method"："R"，

"unit"："C"，

"enumList"：null

}

]

}

]

}

Profile寫作完成后，需要按如圖3所示的Profile文件的目錄層級結構打包，然后將Profile導入中國電信物聯(lián)網(wǎng)開放實驗室進行部署。

（3）編解碼插件開發(fā)

由于NB-IOT設備對省電要求通常較高，且NB-IOT設備和中國電信物聯(lián)網(wǎng)開放平臺之間的應用層采用COAP協(xié)議通信，因此，應用層數(shù)據(jù)一般采用十六進制。而應用層數(shù)據(jù)為json格式，要實現(xiàn)十六進制消息與json格式消息的轉換功能，中國電信物聯(lián)網(wǎng)開放平臺需要使用設備廠商提供的編解碼插件，一款設備對應一個編解碼插件，一個profile文件對應一個編解碼插件。編解碼插件中的參數(shù)名稱必須和對應profile文件定義的完全一致。

實現(xiàn)對溫度傳感器數(shù)值進行編碼的關鍵代碼如下：

int temperaturelevel = paras.get（"value"）.asInt（）;

byte[] byteRead = new byte[5];

byteRead[0] = （byte）0xAA;

byteRead[1] = （byte）0x72;

byteRead[2] = （byte）temperaturelevel;

實現(xiàn)對溫度傳感器數(shù)值進行解碼的關鍵代碼如下：

//對serviceld = Temperature的數(shù)據(jù)進行封裝

ObjectNode temperatureNode = mapper.createObjectNode（）;

temperatureNode.put（"serviceId"， "Temperature"）;

ObjectNode temperatureData = mapper.createObjectNode（）;

temperatureData.put（"temperature"， this.temperature）;

temperatureData.put（"serviceData"， temperatureData）;

arraynode.add（temperatureNode）;

編解碼插件開發(fā)完成后，將Profile和編解碼插件建立映射關系則可正常通信。

6? ?系統(tǒng)運行（System operation）

6.1? ?系統(tǒng)網(wǎng)站端

（1）網(wǎng)站主界面

大田種植綜合管理平臺網(wǎng)站的主界面中央?yún)^(qū)域能直觀看到設備監(jiān)測的內容，其中包括監(jiān)測數(shù)目、報警數(shù)、控制路數(shù)、實時告警信息及告警分析等。大田種植綜合管理平臺網(wǎng)站主界面如圖4所示。

在水肥一體化監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)站主界面中可觀察到水肥一體化設備的狀態(tài)，可以在界面中對設備進行遠程操作，可設置手動控制或自動控制功能。手動控制可以對進水閥和出水閥進行遠程控制，而選擇為自動控制功能后，系統(tǒng)會將當前采集到的土壤相關數(shù)據(jù)與設定好的數(shù)據(jù)閾值進行對比，如果滿足施水施肥條件則會自動控制進水閥和出水閥的開關操作，從而實現(xiàn)自動精準灌溉的功能。水肥一體化監(jiān)控系統(tǒng)遠程命令下發(fā)網(wǎng)站界面如圖5所示。

（2）歷史數(shù)據(jù)查詢網(wǎng)站界面

在歷史數(shù)據(jù)查詢網(wǎng)站界面中選擇監(jiān)測點后，網(wǎng)站會自動列出該監(jiān)測點的所有傳感器供用戶選擇，當用戶選擇了相應的傳感器以及查詢時間范圍后，會以折線圖的形式顯示對應傳感器的數(shù)據(jù)，如圖6所示。

（3）大田作物生長情況網(wǎng)站界面

在網(wǎng)站中選擇不同監(jiān)測點對應的攝像頭即可顯示當前攝像頭所在位置的大田作物生長實況。大田作物生長情況網(wǎng)站界面如圖7所示。

6.2? ?系統(tǒng)移動端

（1）大田氣象數(shù)據(jù)移動端界面

在大田氣象數(shù)據(jù)移動端界面中可查看溫度、濕度、風速的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，如圖8所示。

（2）水肥一體化控制移動端界面

水肥一體化控制的移動端界面可以設置手動灌溉或自動灌溉，并且可以設置自動灌溉的條件，如圖9所示。

（3）監(jiān)控攝像頭列表移動端界面

監(jiān)控攝像頭列表移動端界面如圖10所示，在界面中能選擇對應的攝像頭進行大田作物實況環(huán)境視頻顯示。

7? ?結論（Conclusion）

針對傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)通信技術存在低功耗與廣覆蓋難以兩全，無法滿足大田環(huán)境監(jiān)測要求的問題，開發(fā)了一個基于NB-IOT的大田管理精準農業(yè)系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠程采集作物的地面氣象信息、土壤信息以及生長實況信息。系統(tǒng)具有監(jiān)測報警、實時和歷史數(shù)據(jù)顯示、設備控制、作物生長情況監(jiān)控等功能，并能根據(jù)土壤信息的情況實現(xiàn)自動精準灌溉，用戶在使用過程中能及時掌握作物的生長環(huán)境和實況信息，并能根據(jù)信息情況實施相應對策。目前系統(tǒng)應用于廣東湛江農墾國家現(xiàn)代農業(yè)示范區(qū)核心區(qū)，取得了一定成效，作物的產量和質量有了較大幅度的提高，對傳統(tǒng)大田種植業(yè)改造升級起到積極推動作用，為廣東農墾的精準農業(yè)服務體系提供堅實的技術支撐和保障。

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作者簡介：

李冬睿（1983-），男，碩士，副教授.研究領域：圖形圖像處理，人工智能.

邱尚明（1980-），男，碩士，講師.研究領域：圖形圖像處理，人工智能.

楊善友（1980-），男，碩士，講師.研究領域：嵌入式開發(fā)，人工智能.