基于異構(gòu)網(wǎng)絡的智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

熊剛 胡啟迪 馬安良 閔衛(wèi)峰 韓講周 李旭珍

摘要 傳統(tǒng)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)多存在傳輸效率低、兼容性差、抗干擾能力差等問題。文章針對當前智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測技術中的部分問題，基于異構(gòu)網(wǎng)絡設計了一種可廣泛應用于農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集、農(nóng)作物模型分析等環(huán)節(jié)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng);該系統(tǒng)以LoraWAN搭配 NB-ioT技術為核心，搭建智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)中的信息傳輸鏈路，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、傳輸與監(jiān)測，與一般監(jiān)測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定、功能完善、兼容性強等優(yōu)點。

關鍵詞 異構(gòu)網(wǎng)絡;LoraWAN; NB-ioT;智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號 S126???? 文獻標識碼 A????? DOI：10.12008/j.issn.1009-2196.2022.03.018

Design and Implementation of Intelligent Agricultural Environmental Information Monitoring System Based on Heterogeneous Network

XIONG Gang? HUQidi? MA Anliang? MIN WeifengHAN Jiangzhou? LI Xuzhen

（Yangling Vocational and Technical College， Yangling， Shaanxi 712100， China）

Abstract? The traditional smart agriculture monitoring system has many problems， such as low transmission efficiency， and poor compatibility and anti-interference ability. A smart agriculture monitoring system was designed based on the heteroge- neous network targeting some problems arising from the current smart agriculture monitoring technology. This system can be widely used in agricultural environment data collection， crop model analysis and other links. The information transmission link was established in the intelligent agricultural monitoring system with LoRaWAN and NB-IoT technology as the core to realize the collection， transmission and monitoring of agricultural environmental data. Compared with the general monitoring system， this system is stable in operation， perfect in function and strong in compatibility.

Keywords? heterogeneous network; LoRaWAN; NB - IoT; smart agriculture monitoring system

智慧農(nóng)業(yè)是一種集智慧生產(chǎn)、智慧經(jīng)營、智慧服務等于一體的新型農(nóng)業(yè)發(fā)展業(yè)態(tài)，是未來我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要趨勢。利用先進的物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)以及傳感技術等開展環(huán)境數(shù)據(jù)采集、信息傳輸以及決策分析等，是智慧農(nóng)業(yè)體系中監(jiān)測系統(tǒng)主要承擔的任務。傳統(tǒng)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)多以 Zigbee （即又稱紫蜂協(xié)議）技術等為核心，具有低功耗、低成本等優(yōu)勢;然而，隨著現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)性能的提升，以一般 Zigbee 技術為核心的系統(tǒng)逐漸暴露出傳輸效率低、安全性差、帶寬狹窄等問題，同時智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的海量應用，也使得 Zigbee 技術的低成本優(yōu)勢逐漸喪失，其通信穩(wěn)定性差、自組網(wǎng)能力差等劣勢越發(fā)凸顯[1-3]。異構(gòu)網(wǎng)絡是由不同制造商生產(chǎn)的計算機、網(wǎng)絡設備和系統(tǒng)組成，大部分情況下運行在不同的協(xié)議上，支持不同的功能或應用。異構(gòu)網(wǎng)絡與智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的融合，能夠更好地提升檢測系統(tǒng)的兼容性，從而提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率和安全性。本文以傳統(tǒng)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為依托，以LoraWAN（LoRa 遠距離通信網(wǎng)絡設計的一套通訊協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)）、NB-ioT（Narrow Band Internet of Things，以下簡稱 NB-IoT ）等異構(gòu)網(wǎng)絡技術為核心，重新設計了一種智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)穩(wěn)定的、兼容性更強的、可以遠距離通信的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體方案設計

1.1 系統(tǒng)需求分析

智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)精細化管理的重要工具，其能夠在大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、種植環(huán)節(jié)，對影響農(nóng)作物生長的各項環(huán)境參數(shù)（例如溫度、濕度、光照強度、各項氣體含量等）進行精準的監(jiān)測和控制，能夠為農(nóng)作物提供一個最為理想的生長環(huán)境[4]。通常情況下，一套完整的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)處理功能、數(shù)據(jù)傳輸功能、智能控制功能等。本研究構(gòu)建的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)待實現(xiàn)的主要功能見圖1。

數(shù)據(jù)處理功能，用以采集、傳輸和處理農(nóng)作物周圍各項自然環(huán)境參數(shù)，包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、海量歷史數(shù)據(jù)存儲等模塊;無線傳輸功能，主要將監(jiān)測環(huán)節(jié)所使用的各類型傳感器采集的數(shù)據(jù)通過無線形式進行傳輸，為監(jiān)控中心用戶提供遠距離數(shù)據(jù)傳導;參數(shù)配置功能，主要負責接收監(jiān)控中心用戶指令，對農(nóng)業(yè)作物生長環(huán)境參數(shù)進行人為干預，使農(nóng)作物長期處于最理想的生產(chǎn)環(huán)境中;智能控制則是并列于參數(shù)配置功能的重要農(nóng)作物參數(shù)調(diào)節(jié)模塊，該模塊以智能補光、智能灌溉等為核心，可在人工不參與的情況下自動對農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境下的各項指標進行調(diào)節(jié);智能告警功能，在農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)不符合最理想條件時對監(jiān)測人員進行預警，從而提醒用戶及時進行人為干預。

圖1? 系統(tǒng)待實現(xiàn)主要功能

1.2 系統(tǒng)總體設計

農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)通常包括感知層、傳輸層、應用層3個層次（圖2）[5-7]。感知層主要包含各類型傳感器，用以進行氣象、土壤等數(shù)據(jù)的獲取以及控制節(jié)點的數(shù)據(jù)收集;傳輸層包括終端節(jié)點以及網(wǎng)關等，是實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱鼍?應用層主要包括服務器以及檢測軟件等，是直觀呈現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)或進行參數(shù)配置以及智能控制的環(huán)節(jié)。

系統(tǒng)工作時，感知層的終端節(jié)點可通過各類型傳感器將農(nóng)作物所處環(huán)境的光照強度、空氣溫濕度、二氧化碳濃度等以及所處土壤環(huán)境的 pH、土壤溫濕度等數(shù)據(jù)傳輸至LoRaWAN網(wǎng)關節(jié)點;網(wǎng)關節(jié)點在LoRaWAN網(wǎng)關協(xié)議的保護下將數(shù)據(jù)進行傳輸，最終達到用戶服務器端;服務器端一方面可以不斷接收并存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)，另一方面可以根據(jù)傳輸來的數(shù)據(jù)進行人工或智能分析，挖掘和農(nóng)作物生長高度相關的數(shù)據(jù)，通過觀察向LoRaWAN網(wǎng)關節(jié)點發(fā)送指令，按照逆向數(shù)據(jù)傳輸將各項指令傳回感知層的控制節(jié)點，從而人為干預農(nóng)作物生長環(huán)境中的灌溉、照明、通風裝置等。

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.1 硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件功能的實現(xiàn)主要是對終端節(jié)點以及網(wǎng)關兩部分進行設計。在終端節(jié)點硬件設計方面，本研究主要參考了當前智慧農(nóng)業(yè)領域較為成熟的結(jié)構(gòu)設計[8]（圖3），將環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、土壤監(jiān)測節(jié)點以及控制節(jié)點三部分分別與 MCU 微控制器進行橋接，該微控制器具有功耗小、運算速度快等優(yōu)勢，同時還可以為用戶提供多種外設接口，用戶可以根據(jù)后續(xù)實際需求添加不同的傳感器設備; MCU 微控制器通過LoRaWAN通信協(xié)議實現(xiàn)感知層與網(wǎng)關節(jié)點的通信。

本研究將網(wǎng)關板的設計作為整個網(wǎng)關硬件設計方面的核心，其硬件結(jié)構(gòu)主要包括蒂森 MC3核心板、 SX1302LoRa 網(wǎng)關模塊以及 BC95模塊等。其中，蒂森 MC3核心板為網(wǎng)關板的核心，其他模塊包括網(wǎng)口等主要圍繞該硬件設備展開工作。本次網(wǎng)關硬件設計結(jié)構(gòu)見圖4。

2.2 軟件設計

2.2.1 終端節(jié)點軟件設計終端節(jié)點的工作主要是負責對農(nóng)作物生長環(huán)境中的各項參數(shù)進行采集、傳輸或人為干預。工作流程如圖5所示。開始工作以后，終端節(jié)點需要首先入網(wǎng)進行自組織組網(wǎng)，入網(wǎng)成功以后開啟收發(fā)數(shù)據(jù)定時器進行數(shù)據(jù)交互，當沒有數(shù)據(jù)交互時終端節(jié)點會進行休眠，此時其數(shù)據(jù)交互功能將會處于暫時關閉狀態(tài)，待系統(tǒng)重新出現(xiàn)數(shù)據(jù)交互時喚醒。

2.2.2 網(wǎng)關軟件設計圖6所示為網(wǎng)關軟件工作流程。系統(tǒng)通電以后，網(wǎng)關軟件會首先進行自組織組網(wǎng)，組網(wǎng)完成以后LoRaWAN根據(jù)系統(tǒng)分配，采用128AES 進行雙重加密后入網(wǎng)，若網(wǎng)關接收到數(shù)據(jù)，系統(tǒng)首先判斷該數(shù)據(jù)是否為串口數(shù)據(jù)，若是則開啟 SPI 接口發(fā)送數(shù)據(jù)至 SX1302核心模塊， SX1302核心模塊則將數(shù)據(jù)繼續(xù)傳送至服務器;若網(wǎng)關接收到的數(shù)據(jù)并不是串口數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)會開啟串口發(fā)送數(shù)據(jù)至 BC95模塊，通過 BC95模塊傳送至服務器。

2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

圖7 所示為本次設計的基于異構(gòu)網(wǎng)絡智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)最終的 WEB 端效果圖。從該界面上可以看到詳細的地塊種植農(nóng)作物情況，包括氣候、光照條件、待進行的作業(yè)等;系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)等能夠直觀地對某一地塊的溫濕度、二氧化碳濃度等進行監(jiān)測;用戶可以通過參數(shù)設置以及預警參數(shù)設置模塊對農(nóng)作物的生長環(huán)境條件進行人為控制。

3 結(jié)語

智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，通常采用有線、無線或有線+無線等形式通信。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展對智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)傳輸距離要求的提高，采用有線形式開展數(shù)據(jù)通信以及指令交互已經(jīng)逐漸無法滿足用戶需求。因此，當前的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)多以 Zigbee、wifi等為依托，以無線通信的方式開展數(shù)據(jù)傳輸。LoraWAN是在 LoRa 物理層傳輸技術基礎之上的以 MAC 層為主的一套協(xié)議標準，對應產(chǎn)品包括LoRaWAN節(jié)點、LoRaWAN網(wǎng)關和LoRaWAN的協(xié)議和數(shù)據(jù)云平臺; NB-ioT是ioT領域新興的技術之一，構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡，是一種非常典型的低功耗廣域網(wǎng)[9-10]。利用LoraWAN搭配 NB-ioT進行異構(gòu)組網(wǎng)，具有三項主要優(yōu)勢。

3.1 關鍵設備成熟度高

在農(nóng)業(yè)信息采集方面，本研究構(gòu)建的用于農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和動植物生長監(jiān)測的傳感設備種類全面，功能完善，精確度和靈敏度高，且體積小，能適應生產(chǎn)的需要。對于某些設備接入技術成本限制較為嚴格的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主體而言，這種關鍵設備成熟度高的系統(tǒng)搭建原則能夠很好地降低其技術融入成本，同時極大地加快其系統(tǒng)應用速度。3.2 關鍵設備價格低廉

本研究應用的物聯(lián)網(wǎng)技術的軟、硬件相關知識產(chǎn)權(quán)均在國內(nèi)，并且技術的兼容性和靈活性很高，具有較強的可拓展性。用戶在使用該系統(tǒng)一段時間以后，如果需要在自身的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系中接入其他的傳感器等設備，系統(tǒng)提供的各種端口可以較好地為用戶提供“即插即用”服務[11-12]。

3.3? 能夠解決一般物聯(lián)網(wǎng)多網(wǎng)絡協(xié)調(diào)性差的問題

智慧農(nóng)業(yè)中常用的物聯(lián)網(wǎng)技術多為 ZigBee 技術，在使用過程中存在無法和用戶wifi網(wǎng)絡中的智能終端設備直接通信的問題，本研究搭建的異構(gòu)網(wǎng)絡很好地解決了這一問題，自組網(wǎng)中和用戶wifi網(wǎng)絡中的智能終端設備可以直接進行通信，提高了系統(tǒng)監(jiān)測與預警的效率[13-15]。

與傳統(tǒng)的無線通信技術相比，采用LoraWAN搭配 NB-ioT進行異構(gòu)組網(wǎng)，能夠完成物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術（ Zigbee 技術）的功能，但兼容性更好，不受制于特定的硬件系統(tǒng)，打破硬件選擇上的唯一性;同時靈活度更高，通過結(jié)合不同的硬件能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)有無線網(wǎng)絡無法完成的監(jiān)測任務，降低系統(tǒng)的軟硬件成本，對進一步推廣智慧農(nóng)業(yè)具有非常重大的意義。

參考文獻

[1]? 陳明霞， 王曉文， 張寒.基于WSNs 的無線可視化智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)[J].農(nóng)機化研究， 2021， 43（7）：207-211.

[2]? 張震.大數(shù)據(jù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應用[J].農(nóng)村經(jīng)濟與科技，2020， 31（17）：339-340.

[3]? 宋俊慷， 黃秀梅， 楊秀增.物聯(lián)網(wǎng)開放平臺在智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)中的應用[J].農(nóng)村經(jīng)濟與科技， 2020， 31（18）：89-91.

[4]? 楊秀增， 韋樹貢.基于太陽能的 LED 食用菌補光控制系統(tǒng)設計[J].農(nóng)業(yè)工程， 2020， 10（9）：38-41.

[5]? 呂寶乾， 郭安平， 盧輝， 等.南繁作物有害生物監(jiān)測預警體系構(gòu)建[J].熱帶農(nóng)業(yè)科學， 2021， 41（1）：106-112.

[6]? 宋俊慷， 譚佩文， 朱冬妹， 等.農(nóng)業(yè)溫室大棚遠程監(jiān)測平臺設計[J].民營科技， 2018（7）：147-149.

[7]? 劉浩， 武止戈.區(qū)塊鏈技術突破智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展瓶頸的應用方向研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學， 2021， 60（20）：10-15+61.

[8]? 宋俊慷， 臧翔.基于 ZigBee 承載ModBus-RTU 的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡設計[J].智能計算機與應用， 2020， 10（7）：247-249.

[9]? 劉萬元， 黃連清， 黃方連， 等.基于OneNET物聯(lián)網(wǎng)開放平臺的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].農(nóng)業(yè)科技與信息 ，2021（5）：82-85.

[10] 龔瑞昆， 田野.模糊控制在 ZigBee 物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)大棚中的應用[J].現(xiàn)代電子技術， 2020， 43（8）：93-96+100.

[11] 馮健敏， 呂寶乾， 盧輝， 等.南繁有害生物監(jiān)測數(shù)據(jù)庫研發(fā)的思考[J].熱帶農(nóng)業(yè)科學， 2020， 40（S1）：43-47.

[12] 謝錚輝.海南農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展綜述[J].熱帶農(nóng)業(yè)科學 ，2019， 39（1）：103-112.

[13] 胡開明， 劉薇， 付志堅.基于物聯(lián)網(wǎng)智能溫室大棚控制系統(tǒng)的設計[J].自動化技術與應用， 2021， 40（10）：64-67.

[14] 馬凱.基于 ZigBee 的智慧農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].江蘇通信， 2021， 37（5）：85-88.

[15] 陳慧， 歐陽兵， 孫麗娟， 等.數(shù)據(jù)融合及模糊控制在溫室大棚的應用研究[J].浙江科技學院學報 ， 2020， 32（3）：197-202.

（責任編輯 林海妹）