基于物聯網的大田農業監測系統設計

汪姚強 吳名功 霍星

摘要 針對大田農業面積廣、監測點多、監測設備布線和供電困難的現狀，結合物聯網技術的優勢，設計一種基于物聯網的大田農業監測系統。感知層選用各類無線傳感器采集環境數據；傳輸層的物聯網網關的通信利用433 MHz無線波段和GPRS網絡；融合層對原始數據進行解析、過濾、存儲等處理；應用層的數據管理平臺實現數據實時展示和可視化，對外接口實現數據共享。實驗結果表明，該系統能很好地適應大田實際環境，并對大田環境進行有效監測，有效降低了人工成本和管理難度，具有良好的實用性。

關鍵詞 物聯網；大田；農業；監測；系統

中圖分類號 S126 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）21-0197-03

Abstract In view of the fact that the area in the field is too wide，the monitoring points are too many，wiring and power supply of equipments are difficult，considering the advantages of the Internet of Things technology，this paper designs an agricultural monitoring system in filed based on Internet of Things.First，the perception uses various types of wireless sensors to collect environmental data.Then the gateway in transport layer uses 433MHz wireless band and GPRS network.Next the convergence layer analyzes and filters and stores original data.Finally in the application layer，data management platform achieves display of realtime data and visualization，and the external interface achieves data sharing.The experimental results show that，the system can adapt to the field environment well，and monitor the field environment effectively，greatly reducing labor costs and management difficulties，so it has good practicality.

Key words Internet of things；Field；Agriculture；Monitor；System

我國是農業大國，用占世界7%的耕地養活了22%的人口[1]。將先進的科學技術應用于傳統農業，可保質增產，降低生產成本。

物聯網（internet of things，IoT）指一個由信息傳感設備和互聯網結合而成的用于實現萬物互聯的巨大網絡[2]。隨著研究的深入，物聯網被逐漸應用于各個領域，包括智能電網、智能交通、智能物流、智能醫療、智能家居等[3]。可見，物聯網在農業領域也會有廣闊的發展前景，國內外已有相關嘗試[4]。我國存在很多的大田環境，典型的代表有北大荒、大型國有農場等。相比于普通農田、大棚，物聯網技術運用在大田環境中會遇到更多的困難，主要體現在以下方面：①大田環境范圍大、面積廣，農作物種植面積動輒數千畝，需要監測的點眾多，人工監測工作量巨大。

②鑒于大田環境面積廣的特點，傳統的可用于大棚環境下的有線設備將不再適用，因為布線的成本和維護難度很高，且布線過長導致的嚴重電壓下降和信號損失也會影響設備的性能和壽命，因此，只能采用無線設備。但即便是無線設備，要保證幾百米的無線傳輸距離也極具挑戰性。③大田環境地勢平坦，周圍很少有屏障，因此監測設備經常要經歷狂風暴雨等惡劣天氣，這對設備的穩定性、可靠性提出了很高的要求。④除此之外，設備的野外長期供電，如何避免大型農業機械作業時帶來誤傷，都是需要考慮的問題。

針對上述問題，筆者根據大田環境下的實際應用需求，設計了一套基于物聯網的大田農業監測系統，并在安徽省蚌埠市懷遠縣的龍亢農場開展了試點工作。

1 系統總體架構

監測系統的結構如圖1所示，

根據需求，基于物聯網的大田農業監測系統可分為如下4層：①感知層，其主要功能是利用各類傳感器采集自然環境中的數據，如土壤內部溫度、土壤內部濕度、地表溫度、土壤中鉛離子濃度、土壤中鎘離子濃度等。②傳輸層，其是物聯網中非常重要的一環，起著承上啟下的作用，傳輸層的核心組件是物聯網網關，它負責將感知層的數據傳輸至融合層。③融合層，其是針對數據的處理層，該層的硬件設備是網絡服務器，主要工作都是由軟件來完成。④應用層，其是頂層，下面3層都是為應用層服務的，應用層包含數據管理平臺和對外接口兩部分。數據管理平臺實現數據可視化和各項配置，對外接口則實現數據共享。

2 系統詳細設計

2.1 硬件及通信設計

系統硬件主要包括土壤溫濕度傳感器、紅外溫度傳感器、重金屬離子傳感器、物聯網網關四類。

土壤溫濕度傳感器的功能是采集土壤內部的溫度和濕度數據?？紤]到防水和信號傳輸，該傳感器外形采用“三段式”設計（圖2）。安裝時從下到上分別是探頭、盒體和天線。探頭部分埋在土壤里，其采集到的信息通過屏蔽線傳送到盒體；盒體密閉防水，內置的是電路板、鋰電池等電子器件；盒體中的主板程序計算出土壤溫度和濕度數據后，經由導線通過外置的天線發射出去。屏蔽線和導線的長度可根據實際需要增減。紅外溫度傳感器的功能是感知土壤表面的溫度，外形同樣采用“三段式”設計，區別是底端由土壤探頭改為紅外探頭。

重金屬離子傳感器的功能是測量土壤中鉛離子（Pb）和鎘離子（Cd）的濃度。由于重金屬離子濃度是不定時抽檢，即重金屬離子傳感器不需要固定部署在田間，因此將該設備設計成便攜式。在前述的“三段式”基礎上，盒體上外加了一個LED顯示屏，便于監測者現場查看。物聯網網關是物聯網網絡的關鍵節點，其外觀仍是“三段式”，接收天線+盒體+發射天線。接收天線接收各傳感器發送來的數據，交由主板程序做封裝處理，然后通過發射天線發出（接收方是融合層的服務器）。

根據需求，傳感器到物聯網網關之間的最遠直線距離約有500 m，故傳感器和物聯網網關之間的通訊采用433 MHz無線波段。433 MHz技術使用433 MHz無線頻段，該波段在我國免申請可直接使用。相比于WiFi和Zigbee，433 MHz雖然傳輸速率較慢但已經滿足該系統需求。其顯著優勢是無線信號的穿透性強、能夠傳播得更遠。

物聯網網關向融合層服務器發送數據使用的是GPRS網絡。物聯網網關常用的傳輸方式還有WiFi、有線寬帶等[5]，但在該系統都不適用。

所有設備均采用超低功耗的MSP430芯片和6 000 mAh的鋰電池。經過實驗室測試，鋰電池能給物聯網網關供電10 d左右（這是由于GPRS發射模塊功率比較大），因此物聯網網關需要外接太陽能板供電；鋰電池可給各類傳感器供電約180 d，因此傳感器無需太陽能板供電，在主板上預留USB充電接口，定期使用移動電源充電即可。

2.2 設備部署及防護設計

由于野外自然環境惡劣，所以在大田環境部署設備時，側重考慮的是抗風、防水、防盜、防誤傷這4個要素。

現場勘查龍亢農場發現，為了交通和灌溉方便，東西方向每隔100 m都有1條約2.0 m寬的水泥路和約1.5 m寬的水渠。通過空心立柱將傳感器的主體部分布置在水泥路的水渠一側（圖3），既能防風又能防誤傷。

以部署土壤溫濕度傳感器為例，空心立柱以水泥樁+螺絲固定，柱高2.5 m，2.0 m高處固定有帶鎖的防水箱，用于放置傳感器的盒體。防水箱和空心立柱之間開孔，天線的導線穿過孔洞和立柱到達柱頂。水泥路下埋塑料管道，探頭的屏蔽線經由孔洞、立柱和塑料管道到達大田。

空心立柱堅固牢靠，能抵抗多級大風；傳感器盒體放置在帶鎖防水箱內，能有效防水、防盜；空心立柱距離大田至少有1.5 m遠，可確保大型農機在田間作業時不會誤傷。

紅外溫度傳感器和物聯網網關的部署同上述方法類似。物聯網網關沒有探頭，可省去塑料管道；另外，物聯網網關需要太陽能供電，需要在空心立柱頂端另外安裝1個太陽能板。

2.3 服務器IO通信設計

服務器位于融合層，承擔了接收并處理物聯網網關上傳數據的任務。在小范圍試點時，監測系統只有1個物聯網網關和數十個傳感器，服務器處理能力足夠。但是，系統實際投入使用時，將會有多個物聯網網關和大量的傳感器，服務器將會面臨巨大的IO壓力。

在多個客戶端同時發送數據的情況下，單線程已經不能滿足需求。服務端程序的設計必須要考慮到并發，使用多線程。

用傳統的Socket IO實現多線程時，需要為每個連接創建一個線程[6]（圖4）。這種阻塞式的方式，當并發的連接數量增大時，線程所占用的棧內存和CPU線程切換的開銷將非常巨大，會出現網絡擁塞、數據丟失甚至服務器死機的嚴重后果。

非阻塞通信方式NIO（nonblock IO）可以很好地解決上述問題。如圖5所示，NIO的一個明顯好處是不需要為每個Socket分配一個線程，而是設置一個線程池，根據需求量在線程池中開啟若干個線程處理客戶端請求。

該方式首先會根據需要創建通道（socket channel）和選擇器（selector），并將通道注冊到選擇器上，每個通道會被分配唯一的Selection Key。有新的IO事件到來時，也會先到選擇器注冊，選擇器同樣會給IO事件分配key。開始處理IO事件時，選擇器會給該IO事件分配通道和相應的線程，通道里的緩沖區（buffer）用于數據的讀寫，而具體處理的細節則交由線程來完成。

NIO方式有效地承載了大量的連接請求，而且使服務器壓力在可控范圍，提高處理效率的同時兼顧了可靠性。

2.4 系統測試

測試實驗在安徽省蚌埠市懷遠縣的龍亢農場進行，懷遠縣的地理坐標為116°45′～117°09′E、32°43′～33°19′N，屬暖溫帶半濕潤季風農業氣候區[7]。實驗范圍1 000 m×1 000 m，均勻布置了16個土壤溫濕度傳感器、4個紅外溫度傳感器、1個重金屬離子傳感器和1個物聯網網關（圖6）。

數據管理平臺提供實時狀態展示、數據簡單統計、數據查詢下載、采樣點配置等功能，圖7展示的是實時監測到的數據。

3 結論

該研究提出了一種基于物聯網的大田農業監測系統，重點解決了大田農業面積廣、監測點多、監測設備布線和供電困難的問題，并在懷遠縣的龍亢農場開展了試點工作。實驗結果表明，該系統性能穩定、可靠性好，具有良好的實用性。

隨著5G時代的到來以及NB-IoT（narrow band internet of things，基于蜂窩的窄帶物聯網）技術的推廣使用[8]，該系統的傳輸層將可做出重大改進，屆時監測系統的成本和電池功耗將會大幅降低，同時系統的穩定性也會進一步提升。

參考文獻

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[8] 楊姍，陳鵬，韓斌.NB-IoT：核心標準完成在即，商用還遠嗎？[J].通信世界，2016（14）：35-36.