5G環(huán)境下冬小麥麥情監(jiān)測系統(tǒng)研究

姚建斌，劉建華，王 森，翟文勝

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046）

冬小麥作為我國主要糧食作物，麥田的現(xiàn)代化管理不斷提上日程，在5G 技術(shù)不斷推進(jìn)的今天，冬小麥田間管理更具有“智能化”。5G即第五代移動通信技術(shù)，是多種新型無線接入技術(shù)和現(xiàn)有無線接入技術(shù)（4G 后向演進(jìn)技術(shù)）集成后的解決方案總稱。5G 技術(shù)具有超高速率、超低時延、超大寬帶等特點(diǎn)，可以滿足高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)等超大數(shù)據(jù)量的傳輸，對冬小麥苗情大數(shù)據(jù)、生長環(huán)境大數(shù)據(jù)、病蟲害防治大數(shù)據(jù)以及灌溉物聯(lián)網(wǎng)等具有很好的獲取、指導(dǎo)、利用作用，使廣大農(nóng)民可以根據(jù)獲取的信息精準(zhǔn)計算出澆水、施肥、打藥的時間及用量，避免過量使用水、肥、藥而產(chǎn)生浪費(fèi)造成污染，實(shí)現(xiàn)麥田管理的智能化和標(biāo)準(zhǔn)化。為進(jìn)一步提升5G 技術(shù)的應(yīng)用效果，本文提出了一種5G 環(huán)境下智慧農(nóng)業(yè)WSN 通信節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署策略，并以河南省冬小麥大田作為試驗環(huán)境，設(shè)計可編程通信系統(tǒng)和傳感器技術(shù)融合方案及硬件電路，采用433 MHz 頻段對傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行測試。結(jié)果顯示，本文所提策略，既有利于冬小麥大田投入標(biāo)準(zhǔn)化，制定各種投入要素的數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)、養(yǎng)分標(biāo)準(zhǔn)和投入時間標(biāo)準(zhǔn)，提高要素投入的邊際效率；又有利于冬小麥大田管理標(biāo)準(zhǔn)化，使冬小麥管理真正進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化時代。

1 農(nóng)業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)

1.1 5G網(wǎng)絡(luò)平臺

從某種程度上講，5G 是一個真正意義上的融合網(wǎng)絡(luò)，是傳輸速率可以達(dá)到10 Gb/s的移動通信技術(shù)。5G 為用戶帶來更為豐富的數(shù)據(jù)速率傳輸體驗，會自動根據(jù)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量情況連接到體驗最佳的網(wǎng)絡(luò)之中，真正實(shí)現(xiàn)無縫切換。既為實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)提供了支撐平臺，也為冬小麥田間的監(jiān)測管理提供了可靠的保障。

1.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

傳感器網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)、無線通信技術(shù)、現(xiàn)代傳感器、嵌入式計算機(jī)與人工智能等新興技術(shù)的發(fā)展和融合的產(chǎn)物，使得傳感器技術(shù)向微型無線化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化方向迅速發(fā)展。目前，傳感器分為有線傳感器和無線傳感器，根據(jù)需要可以靈活地選用數(shù)據(jù)傳輸方式。傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，就是將傳感器在需要提取信息的環(huán)境中合理布置，相互聯(lián)系形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即為傳感網(wǎng)。把非電量信息轉(zhuǎn)換為電信號有利于微處理的處理和控制。在監(jiān)測節(jié)點(diǎn)分布數(shù)量較密集的環(huán)境中，考慮了可編程通信控制技術(shù)，把傳感器各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)有效集中收集并分時傳輸，其完成傳感器網(wǎng)與5G 網(wǎng)絡(luò)平臺對接單元，提高了管理效率。同時無人機(jī)方式可以通過攝像完成對麥田的整體長勢的數(shù)據(jù)采集。

1.3 可編程智能監(jiān)測電路及波段的選擇

為了改善傳統(tǒng)農(nóng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性不夠高、傳輸效果不好等問題，選用無線射頻芯片RF1100 和微處理器AT89C52 等技術(shù)，以微處理器AT89S52A 為主控芯片設(shè)計了智能監(jiān)測電路，可編程性提高了對傳感器網(wǎng)絡(luò)訪問的靈活性，改善了傳感器網(wǎng)絡(luò)和5G 網(wǎng)絡(luò)的融合度，提高了系統(tǒng)的可靠性，增加了對麥田管理的標(biāo)準(zhǔn)化。2020 年10 月，選擇河南省冬小麥大田作為試驗環(huán)境，采用433 MHz 頻段對傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行了測試與分析。結(jié)果表明，433 MHz 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸性能相比于其他頻段有一定的優(yōu)勢。通過中心監(jiān)測計算機(jī)管理軟件可實(shí)現(xiàn)分節(jié)點(diǎn)的查詢、圖形圖像的顯示和數(shù)據(jù)分析等。

2 冬小麥苗情監(jiān)測整體設(shè)計

2.1 冬小麥苗情監(jiān)測指標(biāo)

冬小麥的生長主要受到溫度、濕度、土壤pH 值、土壤氮磷鉀元素含量等因素的影響。一般來講，冬小麥適宜生長溫度16℃～18℃，土壤中氮磷鉀元素含量比例為2.8∶1∶3，土壤pH 值為6.0～7.0。因此，在冬小麥苗情監(jiān)測設(shè)計中將冬小麥生長環(huán)境的溫濕度、土壤pH 值、土壤氮磷鉀元素含量等作為主要監(jiān)測指標(biāo)。

2.2 麥田監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

麥田監(jiān)測整體方案如圖所示。由圖1 可知，信息化監(jiān)測整體系統(tǒng)主要包括感知層、傳輸層和應(yīng)用層。感知層由傳感器采樣網(wǎng)絡(luò)組成，傳輸層由可編程控制通信單元和5G 網(wǎng)絡(luò)平臺組成，應(yīng)用層由監(jiān)控管理中心組成。傳感器信息采樣網(wǎng)絡(luò)完成對麥田的各參數(shù)的實(shí)時采樣，把非電量轉(zhuǎn)換成電信號，可靈活選擇無線傳輸或有線傳輸?shù)哪Ｊ絹韺?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸?？删幊炭刂仆ㄐ艈卧墓δ芡瓿蓴?shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)格式的處理轉(zhuǎn)換，然后有效地和5G 網(wǎng)絡(luò)平臺完成無縫鏈接。利用監(jiān)控管理中心軟件來實(shí)現(xiàn)對圖形數(shù)據(jù)的監(jiān)測和分析，提出合理的麥田管理方案和標(biāo)準(zhǔn)，提高麥田的管理效率。

圖1 麥田監(jiān)測整體方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of wheat field monitoring scheme

2.3 可編程系統(tǒng)框圖設(shè)計

控制電路和信息采集系統(tǒng)見圖2。

圖2 控制電路和信息采集系統(tǒng)框圖Fig.2 Control circuit and information acquisition system block diagram

由圖2 可知，麥田監(jiān)測電路主要包括可編程控制模塊和傳感信息采集模塊。其中，可編程控制單元完成對信息的處理和5G 網(wǎng)絡(luò)的融合，接口電路完成信號模式的轉(zhuǎn)換，有利于微處理器的識別和處理。

冬小麥苗情監(jiān)測系統(tǒng)采用分布式節(jié)點(diǎn)輪詢的工作方式，各分立節(jié)點(diǎn)通過傳感器采集數(shù)據(jù)，上行鏈路數(shù)據(jù)傳輸或者下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸可靈活選擇有線傳輸（RS-485）或者無線傳輸（RF1100 無線）方式接入到5G 網(wǎng)絡(luò)平臺，然后監(jiān)控中心可以通過PC 平臺來訪問傳感器節(jié)點(diǎn)。中心監(jiān)控軟件可通過輪詢的方式定時或手動監(jiān)測分立節(jié)點(diǎn)參數(shù)變化，來監(jiān)測冬小麥的生長環(huán)境參數(shù)變化。

3 可編程控制通信模塊硬件設(shè)計

面對單位面積內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)分布密集的情況下，考慮電路的靈活性，可編程完成數(shù)據(jù)傳輸速率的控制和格式的轉(zhuǎn)換，設(shè)計了微處理為核心的可編制通信模塊電路。其實(shí)現(xiàn)方式的結(jié)構(gòu)簡單，無需向網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商付費(fèi)。

3.1 無線RF1100收發(fā)模塊

采用國際通用的頻段433 MHz 的無線RF1100 微功率收發(fā)模式，組網(wǎng)方式采用分集分思路方式。傳感器節(jié)點(diǎn)采集的信息經(jīng)過微處理器處理，經(jīng)過可編程完成信號速率和格式加工處理，信號通過SPI接口與RF1100的收發(fā)模塊完成信號發(fā)射或者接收。

3.2 可編程控制電路單元

發(fā)射電路控制單元電路情況如圖3 所示。由圖3 可以看出，微處理器控制電路單元核心器件是AT89S52A 為主控芯片。該電路主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)速率和格式的變換，完成收發(fā)單元電路匹配，提高系統(tǒng)可靠性。

圖3 發(fā)射電路控制單元電路圖Fig.3 Transmitting circuit control unit circuit diagram

3.3 無線收發(fā)模塊電路硬件設(shè)計

3.3.1 收發(fā)芯片CC100硬件設(shè)計

圖4 為發(fā)射模塊單元前端電路圖。由圖4 可知，該發(fā)射電路的核心元件是CC100 芯片。CC100 具有功耗低，可靠性高的特點(diǎn)，其收發(fā)器集成了調(diào)制解調(diào)器，并支持不同的調(diào)制格式。CC100 芯片為數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸和清晰信道評估提供廣泛的硬件支持。

圖4 發(fā)射模塊單元前端電路圖Fig.4 Transmitting module unit front-end circuit diagram

3.3.2 RF1100收發(fā)模塊特點(diǎn)及數(shù)據(jù)速率計算

433 MHz 免費(fèi)ISM 頻段免許可證使用，最高工作速率10 Mb/s，可修改波特率參數(shù)，靈活滿足客戶的使用要求。較低的電流消耗（RX 中，8 mA，433 MHz），模塊地址可編程，單獨(dú)的64 字節(jié)RX 和TX 數(shù)據(jù)FIFO。根據(jù)現(xiàn)場需要，可以修改數(shù)據(jù)傳輸速率和通信模式，有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。

4 監(jiān)控管理中心軟件

監(jiān)控管理軟件流程見圖5。由圖5可知，中心監(jiān)測系統(tǒng)軟件由查詢軟件、數(shù)據(jù)瀏覽軟件和圖像瀏覽軟件3部分組成。

圖5 監(jiān)控中心軟件流程圖Fig.5 Flow chart of monitoring center software

查詢軟件主要完成手動查詢分立節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的任務(wù)，查詢軟件包括指令控制、初始化設(shè)置，頻率轉(zhuǎn)換數(shù)值設(shè)置等。本軟件開發(fā)使用IAR Embedded Workbench 嵌入式應(yīng)用開發(fā)編程工具，其編程界面見圖6。

圖6 IAR編程界面Fig.6 IAR programming interface

5 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量評價

為了驗證傳感網(wǎng)絡(luò)和智能通信控制模塊單元的可靠性，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量主要針對系統(tǒng)丟包率、網(wǎng)絡(luò)帶寬、網(wǎng)絡(luò)時延指標(biāo)做出定量分析。根據(jù)本文選取的無線傳感網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)平臺，測試各項網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)。測試結(jié)果見圖7、圖8、圖9。

圖7 網(wǎng)絡(luò)帶寬值變化曲線Fig.7 Network bandwidth change curve

圖8 網(wǎng)絡(luò)延時變化曲線Fig.8 Network delay curve

圖9 丟包率變化曲線Fig.9 Packet loss rate change curve

由圖7、圖8、圖9 可知，系統(tǒng)在0 時—22 時內(nèi)帶寬值穩(wěn)定在16～23 Mb/s，且相鄰時刻波動值不超過±1；網(wǎng)絡(luò)延時變化穩(wěn)定在0.1～0.65 ms，相鄰時刻波動值在±0.05 范圍內(nèi)；系統(tǒng)丟包率穩(wěn)定在2.6%～3.5%，相鄰時刻波動值在±0.3%?？傮w系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬值、網(wǎng)絡(luò)延時和丟包率均趨于穩(wěn)定且量化結(jié)果較好，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量在3個指標(biāo)內(nèi)的表現(xiàn)較為優(yōu)秀

6 結(jié)語

為了提高麥田管理的信息化和標(biāo)準(zhǔn)化，隨著5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)完成對苗情的監(jiān)測?？删幊讨悄芡ㄐ趴刂颇K單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分配和格式轉(zhuǎn)換，避免數(shù)據(jù)的沖突和丟包情況；監(jiān)控管理中心可以靈活完成對節(jié)點(diǎn)的訪問，完成對數(shù)據(jù)的采集分析,使得冬小麥苗情管理信息化和標(biāo)準(zhǔn)化不斷推進(jìn)。