基于NB-IoT的農田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構建與應用

劉哲輝 楊曉磊 石稱華 黃科力*

（1上海勁牛信息技術有限公司，上海 200333；2上海市農業(yè)技術推廣服務中心，上海 201103）

農作物的生長、發(fā)育、產(chǎn)量、品質與農田環(huán)境因素息息相關，故有效獲取農田環(huán)境信息，有助于科學指導農業(yè)生產(chǎn)[1]。在傳統(tǒng)的農業(yè)生產(chǎn)中，由于缺乏有效的農田環(huán)境監(jiān)測方法，無法及時對農作物的生長環(huán)境作出調整，所以僅根據(jù)經(jīng)驗進行農事操作，生產(chǎn)效率較低。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術作為一種新興的數(shù)據(jù)采集和信息處理方法被廣泛運用于農業(yè)生產(chǎn)中（主要內容包括：通過利用各類傳感器設備進行農田環(huán)境因素數(shù)據(jù)采集，利用傳感器網(wǎng)絡、電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等傳輸通道進行信息傳輸，對獲取的數(shù)據(jù)進行融合、處理，通過智能終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)展現(xiàn)）。雖然將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于農田環(huán)境監(jiān)測已成為當下的熱點，一些產(chǎn)品也已可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程采集，但是，物聯(lián)網(wǎng)技術仍存在感知節(jié)點安裝復雜、功能單一、數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定等缺點［2］。然而，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）具有功耗低、成本低、通信距離遠、可海量連接等特性[3］，其構建于蜂窩網(wǎng)絡，只消耗大約180 kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡、UMTS網(wǎng)絡或LTE網(wǎng)絡，在非實時、低頻次的數(shù)據(jù)傳輸應用場景中優(yōu)勢顯著。鑒于此，筆者構建了基于NB-IoT技術和云服務的農田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)），并在上海市寶山區(qū)和嘉定區(qū)的試驗基地進行了試點應用，以期促進農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術的進一步推廣應用?，F(xiàn)將該系統(tǒng)的構建和應用情況介紹如下。

1 系統(tǒng)構建

1.1 系統(tǒng)總體架構設計

系統(tǒng)總體架構包括數(shù)據(jù)采集端（感知層）、數(shù)據(jù)傳輸端（網(wǎng)絡層）和數(shù)據(jù)觀測端（應用層），具體架構設計見圖1。其中，數(shù)據(jù)采集端由多種傳感器構成，主要負責采集農田環(huán)境因素數(shù)據(jù)（例如，傳感器感知模塊采集農田的土壤溫度、濕度、pH、離子含量等信息），然后通過ModBus-RTU傳輸協(xié)議將信息匯集到云終端；數(shù)據(jù)傳輸端將匯集的信息通過NBIoT傳送到遠端云平臺，再發(fā)送給應用層軟件，在數(shù)據(jù)觀測端，系統(tǒng)管理員通過應用層軟件，即可進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時觀測和導出等[4］。

圖1 系統(tǒng)架構設計

1.2 傳感器結點硬件設計

系統(tǒng)的傳感器結點硬件采用可擴展性設計理念，將感知層的終端根據(jù)農田環(huán)境監(jiān)測指標分解成多個傳感器單元（包括土壤溫濕度傳感器、pH傳感器、金屬離子傳感器等），各傳感器單元通過連接線與云終端進行數(shù)據(jù)傳輸。云終端是連接傳感器與云平臺的樞紐，最多支持6路RS485傳感器，不同的傳感器可即插即用，操作方便、配置靈活[5］。接入云終端的傳感器會遵守統(tǒng)一的數(shù)據(jù)封裝和傳輸協(xié)議，將云終端匯集到的數(shù)據(jù)信息通過NB-IoT通信上傳至云平臺供應用層，同時將云平臺的配置要求發(fā)送給傳感器節(jié)點。系統(tǒng)還配置了太陽能電池板和儲電裝置，可適應野外的農田工作環(huán)境。系統(tǒng)具體的硬件裝配見圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件裝配設計

同時，系統(tǒng)的傳感器硬件設計應遵循以下原則：（1）精度高。系統(tǒng)采用的傳感器是高精度電化學電極，通過應用電化學測量原理，傳感器的靈敏度和精度較高、量程大、線性好、穩(wěn)定可靠，適用于農業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。（2）功耗低。由于傳感器節(jié)點通過太陽能供電，電量有限，采用功耗低的節(jié)點設計，有利于系統(tǒng)長期穩(wěn)定的運行。（3）模塊化。不同農田需要檢測的環(huán)境因素不同，且在系統(tǒng)實際運行過程中，可能會出現(xiàn)新的需求，故系統(tǒng)采用模塊化設計，可按需求增減不同傳感器[6］。

1.3 應用層軟件設計

系統(tǒng)的應用層主要是基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺和微信小程序設計的云平臺軟件（簡稱微信“農田衛(wèi)士”小程序），其主要功能包括前端數(shù)據(jù)展示模塊（包括溫度、濕度、pH、EC值等）、傳感器結點分組管理、小程序管理設置（主要包括平臺成員及監(jiān)測基地管理）和歷史數(shù)據(jù)查詢模塊等。該云平臺軟件將物聯(lián)網(wǎng)+云服務+微信小程序有機融合，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)庫的實時讀取和人機交互[4］，易于操作。具體表現(xiàn)為：（1）設備接入方便，用戶可根據(jù)農業(yè)生產(chǎn)需要，自主選擇不同的傳感器，并通過傳感器連接的云終端的ID碼在后臺完成綁定；（2）感知層采集的農田環(huán)境數(shù)據(jù)通過NB-IoT通信傳輸至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的云服務器；（3）通過互聯(lián)網(wǎng)用戶即可直接利用微信“農田衛(wèi)士”小程序進行數(shù)據(jù)的訪問和傳感器的遠程控制。

2 系統(tǒng)應用分析

2.1 應用概況

系統(tǒng)在《上海市受污染耕地土壤精準安全利用技術研究與示范》課題研究中進行了試點應用，即于2021年1月，分別在寶山區(qū)(31°22′N，121°27′E，青菜大棚環(huán)境）和嘉定區(qū)（31°23′N，121°10′E，水稻大田環(huán)境）的試驗基地內進行了物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設備的部署安裝。具體為：根據(jù)課題需要測量的土壤指標，系統(tǒng)組合配置了土壤溫度、濕度、EC值、pH及Cd離子含量監(jiān)測傳感器；采用太陽能電池板供電；利用NB-IoT進行數(shù)據(jù)傳輸；在用戶端，通過微信“農田衛(wèi)士”小程序進行監(jiān)測數(shù)據(jù)查看。

系統(tǒng)在相關試驗基地安裝應用后，運行穩(wěn)定，成功采集了大量農田土壤環(huán)境實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，取得了一定的應用效果。經(jīng)試點應用，系統(tǒng)的應用優(yōu)勢在于：（1）監(jiān)測數(shù)據(jù)可實現(xiàn)以“min”為單位進行刷新；（2）可在微信“農田衛(wèi)士”小程序直觀查看系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)（如土壤溫度、濕度、EC值、pH及Cd離子含量等），同時可查看各傳感器的運行情況；（3）歷史數(shù)據(jù)能以1 d、7 d、30 d或自定義的時間段生成動態(tài)監(jiān)測曲線；（4）系統(tǒng)存儲的數(shù)據(jù)可根據(jù)需要以5、15、30 min等梯度頻率進行導出，用于課題后續(xù)的研究分析；（5）相比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集手段，系統(tǒng)在軟硬件運行穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)獲取連續(xù)性、數(shù)據(jù)采集便捷性等方面具有較大優(yōu)勢，數(shù)據(jù)采集達到精準高效的水平，可清晰展現(xiàn)試驗小區(qū)不同處理間的差異，節(jié)省了課題研究的人力、物力、財力[7］。

2.2 系統(tǒng)評價

2.2.1 提高了農業(yè)精細化管理水平

系統(tǒng)通過監(jiān)測農作物生長過程中的土壤溫度、濕度、pH和重金屬離子含量等環(huán)境參數(shù)的實時動態(tài)變化，不僅可為智慧農業(yè)提供數(shù)據(jù)基礎，還可使農業(yè)生產(chǎn)者能隨時了解農作物所處的環(huán)境狀態(tài)，實行按需用水、用肥，從而使得農業(yè)生產(chǎn)活動更具客觀性、科學性，減少了農業(yè)生產(chǎn)活動對個人經(jīng)驗的依賴程度，提升了農業(yè)精細化管理水平。

2.2.2 提升了農業(yè)科研試驗效率

系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術與土壤環(huán)境監(jiān)測的結合，系統(tǒng)的成功構建與應用，進一步證明了物聯(lián)網(wǎng)技術在農田環(huán)境監(jiān)測研究方面的可行性和可靠性。例如，將物聯(lián)網(wǎng)技術應用在土壤環(huán)境遠程監(jiān)測中，不僅有助于克服傳統(tǒng)土壤采樣分析和原位測試方法帶來的滯后和誤差，還能提高大田科研試驗獲取數(shù)據(jù)的效率和準確性[7］。但是，系統(tǒng)還處于試點應用階段，軟硬件等也有待進一步調優(yōu)，從而實現(xiàn)更多的農田環(huán)境因素納入物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管中。

2.2.3 物聯(lián)網(wǎng)傳感器的維護難度大

農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器是一種相對精密的設備，而其運行環(huán)境較為惡劣，且需要長期暴露在自然環(huán)境下，這對其穩(wěn)定性、準確度和壽命都產(chǎn)生了一定影響，尤其是一些離子類傳感器，需要定期進行養(yǎng)護、校準。若物聯(lián)網(wǎng)傳感器的平時養(yǎng)護工作沒有做好，會導致部分傳感器的穩(wěn)定性差，從而頻繁進行校準，故系統(tǒng)在獲取精確數(shù)據(jù)的同時，也增加了物聯(lián)網(wǎng)傳感器的維護難度和成本。

2.2.4 農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設施的使用成本高

目前，農業(yè)作為國民經(jīng)濟的基礎性產(chǎn)業(yè)，整體經(jīng)濟效益不高，且以小農戶分散經(jīng)營為主。相比普通農業(yè)生產(chǎn)投入品，物聯(lián)網(wǎng)設備的價格偏高，例如，系統(tǒng)包含的土壤溫度、濕度、EC值、pH及Cd離子含量監(jiān)測傳感器的設備與配套系統(tǒng)，市場價格約為1萬元/套，普通小農戶難以承擔。同時，盡管各級政府對多種農業(yè)投入品制訂了一系列補貼政策，例如，上海市制定了《上海市市級財政農業(yè)綜合補貼資金管理辦法》《上海市2021—2023年農業(yè)機械購置補貼實施方案》等，對水稻、麥子、油菜等農作物良種、農藥、農機具等實行了物化補貼，但目前針對農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備與系統(tǒng)建設并沒有統(tǒng)一的補貼政策。此外，一些規(guī)模較大的農業(yè)經(jīng)營主體可通過申報市（區(qū)）級項目的形式開展一定程度的農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用，但大部分中小農戶無法申報，從而未享受到相關補貼政策。這些均制約了農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的普及。

3 結 語

基于NB-IoT技術和云服務構建的農田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，在上海市寶山區(qū)和嘉定區(qū)的土壤面源污染改良實驗田中成功試點應用，表現(xiàn)為基本功能運行穩(wěn)定、土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)返回良好，初步表明了該系統(tǒng)的合理性和可行性。同時，系統(tǒng)的試點應用，說明農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術不僅可協(xié)助農業(yè)生產(chǎn)者更好地掌握農田環(huán)境實時情況，還能為農業(yè)土壤干旱預警、水土流失及面源污染控制提供技術支撐，輔助科研人員高效開展試驗工作[7］。但是，系統(tǒng)的試點應用并不代表真正實現(xiàn)了農業(yè)產(chǎn)業(yè)化，農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術在農業(yè)領域的大規(guī)模商業(yè)化應用還需要一定的時間，相信隨著技術的進步和農業(yè)補貼政策的完善，農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術在農業(yè)生產(chǎn)上的應用將會越來越廣泛，其發(fā)揮的價值也會越來越大，屆時農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術將會成為農民的“新農具”。