基于NB-IOT技術(shù)的智能農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

季文文

（銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 貴州省銅仁市 554300）

農(nóng)業(yè)作為現(xiàn)階段世界范圍農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵趨勢，中國是農(nóng)業(yè)大國，更是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵性需求，如何經(jīng)濟(jì)與合理的降低投入，獲得更多的回報(bào)，不但是可持續(xù)性發(fā)展的主要關(guān)鍵需求，更是社會(huì)不斷進(jìn)步的重要體現(xiàn)。農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測作為對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)支撐的關(guān)鍵力量，進(jìn)行便捷、實(shí)時(shí)以及有效的農(nóng)田環(huán)境參數(shù)采集作為農(nóng)業(yè)深入發(fā)展的關(guān)鍵性基礎(chǔ)。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是將多種類別技術(shù)融合的復(fù)合型系統(tǒng)，能夠?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)人和物進(jìn)行識(shí)別與管理，從而實(shí)現(xiàn)人與物、人與人、物與物間的數(shù)據(jù)信息交換功能。對(duì)此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被較為廣泛運(yùn)用在社會(huì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中。物聯(lián)網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息的一個(gè)載體，也是當(dāng)前我國較為前沿的信息技術(shù)手段，能夠連接普通實(shí)物，并和普通實(shí)物互聯(lián)互通，因此物聯(lián)網(wǎng)也可以稱為“物物聯(lián)合的互聯(lián)網(wǎng)”。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍十分廣泛，能夠幫助工作人員實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的整合管理與整合控制。在農(nóng)田監(jiān)測系統(tǒng)中運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的時(shí)候，主要用到的技術(shù)有幾種：

1.1 感知技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)主要是運(yùn)用傳感器技術(shù)、RFID 技術(shù)、RS 技術(shù)、GPS技術(shù)以及條碼技術(shù)等在任何地點(diǎn)和時(shí)間對(duì)農(nóng)田中環(huán)境的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取與采集。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中信息感知技術(shù)包括：傳感器設(shè)備的感知技術(shù)，在對(duì)農(nóng)田進(jìn)行種植的環(huán)節(jié)中，環(huán)境中的溫度因素、濕度因素、光照因素、CO2濃度因素、水分因素與其他類別養(yǎng)分等各類自然性因素將會(huì)一同對(duì)農(nóng)作物生長造成影響。加之，農(nóng)作物生長的時(shí)候不能夠與四周環(huán)境相脫離，都隸屬農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的要素，及時(shí)的獲得農(nóng)業(yè)要素?cái)?shù)據(jù)信息至關(guān)重要。而農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中傳感器設(shè)備能夠運(yùn)用在采集各類農(nóng)業(yè)要素的信息。其次，條碼技術(shù)，該種技術(shù)作為光電技術(shù)、集條碼理論、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及條碼印制技術(shù)作為一個(gè)整體類自動(dòng)識(shí)別性技術(shù)，可以廣泛運(yùn)用在農(nóng)產(chǎn)品的追溯環(huán)節(jié)中，讓消費(fèi)者清楚的知道所購買的農(nóng)產(chǎn)品出自何處，有利于農(nóng)產(chǎn)品的銷售。再次，RFID 技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)主要是使用射頻信號(hào)經(jīng)過系統(tǒng)的空間耦合，以便于開展無接觸性的數(shù)據(jù)信息傳輸，從而達(dá)到對(duì)數(shù)據(jù)信息自動(dòng)性識(shí)別的目標(biāo)，可以廣泛應(yīng)用在農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)管理中。此外，GPS 技術(shù)，即全球定位系統(tǒng)，主要是利用衛(wèi)星，在世界范圍內(nèi)進(jìn)行定位，以及導(dǎo)航技術(shù)，這一技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，具有很高的導(dǎo)航效能。最后，RS 技術(shù)，還可以被稱作是遙感技術(shù)，運(yùn)用遙感器設(shè)備獲取地球之上的各種物體所傳播出的電磁波相關(guān)數(shù)據(jù)信息，還可以將其當(dāng)做是依照實(shí)施遠(yuǎn)程的識(shí)別與控制檢測，將其運(yùn)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，主要可以運(yùn)用在監(jiān)測農(nóng)作物的水分狀況、長勢狀況以及產(chǎn)量狀況。

圖1：NB-IOT 技術(shù)的智能農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)示意圖

1.2 傳輸技術(shù)

該種技術(shù)主要是把涉及到農(nóng)作物，運(yùn)用感知性設(shè)備將其接入傳輸網(wǎng)絡(luò)之中，使用有線通信網(wǎng)絡(luò)亦或是無線的通信網(wǎng)絡(luò)，可以隨時(shí)的對(duì)高精準(zhǔn)度的數(shù)據(jù)信息實(shí)施共享與交互。傳輸技術(shù)關(guān)鍵包含以下幾點(diǎn)：

（1）無線傳感器設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，一般將會(huì)被設(shè)計(jì)成為穩(wěn)定性能較好、性能較強(qiáng)、功耗較低以及成本投入較低的多跳性自組織網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)對(duì)被感知的對(duì)象數(shù)據(jù)信息開展感知、處理采集工作。該種傳感網(wǎng)絡(luò)會(huì)廣泛運(yùn)用在農(nóng)業(yè)資源的監(jiān)測、大田的灌溉、水產(chǎn)品的養(yǎng)殖以及農(nóng)產(chǎn)品的追溯等工作。

（2）移動(dòng)通信技術(shù)。伴隨著農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中數(shù)字化與信息化的水準(zhǔn)顯著提升，這一技術(shù)已經(jīng)逐步的變成了農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中實(shí)施遠(yuǎn)距離進(jìn)行傳輸?shù)闹饕夹g(shù)，對(duì)移動(dòng)通信技術(shù)進(jìn)行開發(fā)和運(yùn)用的時(shí)候，可以推動(dòng)農(nóng)業(yè)科技朝著現(xiàn)代化方向飛速發(fā)展。

1.3 處理技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)主要是將農(nóng)業(yè)相關(guān)信息知識(shí)內(nèi)容當(dāng)做是基礎(chǔ)，運(yùn)用各類智能化計(jì)算模式與手段，促使物體具有較高的智能性，可以被動(dòng)亦或是主動(dòng)的與用戶進(jìn)行溝通。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中處理技術(shù)主要包含以下幾點(diǎn)：

（1）預(yù)警與預(yù)測技術(shù)，開展農(nóng)業(yè)信息預(yù)測可以將環(huán)境信息、土壤信息、氣象資料信息、作物信息亦或是農(nóng)作物生產(chǎn)條件信息、化肥農(nóng)藥信息、飼料信息、航拍信息、衛(wèi)星影像等實(shí)時(shí)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息資料當(dāng)做是依據(jù)，將理論當(dāng)成是基礎(chǔ)，將數(shù)學(xué)的基本模型作為手段，研究未來發(fā)展的趨勢與可能性，實(shí)施估計(jì)與推測。農(nóng)田預(yù)警作為農(nóng)業(yè)發(fā)展?fàn)顟B(tài)測度的技術(shù)，對(duì)各種不確定性狀況時(shí)空范圍進(jìn)行預(yù)報(bào)，還會(huì)預(yù)報(bào)出危害的具體程度和具體性防范對(duì)策。

（2）智能決策技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于農(nóng)田生產(chǎn)中，它的內(nèi)容包括商務(wù)智能技術(shù)、人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)、知識(shí)管理系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)。

（3）還會(huì)運(yùn)用診斷推理技術(shù)，若是農(nóng)田生產(chǎn)出現(xiàn)病蟲害的時(shí)候，農(nóng)作物將會(huì)有一系列特征，農(nóng)業(yè)診斷作為農(nóng)業(yè)專家依照農(nóng)作物表現(xiàn)特征，知識(shí)理論與經(jīng)驗(yàn)開展識(shí)別與判斷，找出解決方法，實(shí)施改變與預(yù)防。

2 NB-IOT技術(shù)的智能農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)

在物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)之上，實(shí)時(shí)的智能化農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)（圖1 為 NB-IOT 技術(shù)的智能農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)示意圖）主要利用物聯(lián)網(wǎng)的感知層、傳輸層和應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。感知層根據(jù)需求部署多個(gè)NB-IOT 采集終端設(shè)備，完成數(shù)據(jù)信息的采集與處理。對(duì)農(nóng)田數(shù)據(jù)信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)采集功能實(shí)現(xiàn)作為網(wǎng)絡(luò)組建與采集感知數(shù)據(jù)的重點(diǎn)一環(huán)。每個(gè)NB-IOT 采集終端主要由傳感器采集模塊、單片機(jī)控制模塊、電源模塊、NB-IOT 通訊模塊等外圍電路組成。在此硬件基礎(chǔ)上，利用 NB-IOT 無線通信技術(shù)，從傳感器采集的濕度參數(shù)、溫度參數(shù)、光照強(qiáng)度參數(shù)以及二氧化碳參數(shù)等，經(jīng)過運(yùn)營商的NB-IOT 基站和核心網(wǎng)上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和管理采集到的農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)，以此方便用戶利用手機(jī)APP 和瀏覽器進(jìn)行及時(shí)查看。

首先，需要負(fù)責(zé)對(duì)所接收到的信息數(shù)據(jù)實(shí)施顯示、存儲(chǔ)，把信息數(shù)據(jù)繪制成為動(dòng)態(tài)化的曲線開展針對(duì)性分析，而后對(duì)環(huán)境中參數(shù)信息實(shí)施閾值設(shè)置，若是所采集出的信息數(shù)據(jù)并不在其設(shè)置的氛圍中，就會(huì)出現(xiàn)報(bào)警與提示，以便于對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)全過程進(jìn)行監(jiān)測。最后，將信息數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)布，方便系統(tǒng)可以接入Internet 內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)出“傳感器-網(wǎng)絡(luò)一遠(yuǎn)程監(jiān)控”結(jié)構(gòu)，可以將整體系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)信息精準(zhǔn)發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)中，對(duì)整體互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)訪問。

2.2 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)傳輸層系統(tǒng)

在對(duì)農(nóng)業(yè)的傳感器設(shè)備網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建設(shè)的時(shí)候，能夠運(yùn)用射頻技術(shù)進(jìn)行自組網(wǎng)絡(luò)，電信網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)以及互聯(lián)網(wǎng)等都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的長距離傳輸與短距離傳輸。下面對(duì)幾種模式細(xì)致分析：

（1）WSN(無線傳感網(wǎng)絡(luò)) 作為將無線通信模式產(chǎn)出的一種自組織性的多跳性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中存在部署性檢測的區(qū)域中存在較多的傳感器節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)對(duì)被感知的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行感知、處理以及采集，而后將數(shù)據(jù)信息傳輸給觀察人員。短距離類無線通信技術(shù)內(nèi)，藍(lán)牙技術(shù)、Wi-Fi 技術(shù)、ZigBee 技術(shù)等都可以運(yùn)用在WSN，而這些技術(shù)均存在覆蓋面積小、高功耗、終端設(shè)備連接數(shù)量有限等問題。本設(shè)計(jì)為了解決這些問題，采用具有覆蓋范圍廣、低功耗、海量連接的NB-IOT 技術(shù)，可以被較為廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)中。通過NB-IOT無線技術(shù)與各類傳感器相連接，靈活部署于山間、農(nóng)田、水域，為智能化農(nóng)田生產(chǎn)提供了有力保障。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)作為移動(dòng)終端，包含：手機(jī)設(shè)備、筆記本設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)專用設(shè)備，運(yùn)用移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行訪問，靈活運(yùn)用農(nóng)業(yè)中互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)業(yè)務(wù)。本系統(tǒng)的目標(biāo)設(shè)計(jì)，由于我國農(nóng)田面積大、多山地、勞動(dòng)力不足等因素，所以終端部署采用NB-IOT 技術(shù)進(jìn)行深度覆蓋，通過傳感器采集的數(shù)據(jù)由物聯(lián)網(wǎng)專用SIM 卡通過NB-IoT 無線傳輸?shù)交荆偻ㄟ^核心網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。因此在本系統(tǒng)中，NB-IoT 無線通信技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸層起到至關(guān)重要作用，是感知層和應(yīng)用層的橋梁。

（2）WSN 作為融合分布類信息處理技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及傳感器技術(shù)，可以協(xié)助多方進(jìn)行感知，對(duì)環(huán)境與對(duì)象的信息開展監(jiān)測，對(duì)數(shù)據(jù)信息實(shí)施分析與計(jì)算，而后運(yùn)送入用戶平臺(tái)中。WSN 由許多傳感器節(jié)點(diǎn)組成，每一個(gè)傳感器由數(shù)據(jù)處理裝置，數(shù)據(jù)采集裝置以及控制模塊，NB-IOT 通訊模塊與供電裝置等共同組成。作為數(shù)據(jù)采集裝置，數(shù)據(jù)采集裝置采集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)信息。NB-IOT 通訊模塊通過無線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)傳給遠(yuǎn)方的基站。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)⑥r(nóng)業(yè)發(fā)展環(huán)節(jié)中各種環(huán)境問題解決，運(yùn)用傳感器設(shè)備，將環(huán)境內(nèi)大氣、水、土壤、養(yǎng)分等狀況精準(zhǔn)記錄，分析出最適合農(nóng)作物生長的環(huán)境指數(shù)，從而減少水資源、肥料的浪費(fèi)，又避免了過度施肥等帶來的環(huán)境污染，從而助力相關(guān)部門解決環(huán)境問題，構(gòu)建起優(yōu)質(zhì)的農(nóng)業(yè)環(huán)境。

2.3 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層

應(yīng)用層的目標(biāo)設(shè)計(jì)涵蓋：物聯(lián)網(wǎng)管理云平臺(tái)和APP 應(yīng)用開發(fā)。本系統(tǒng)采用華為公司開發(fā)的為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供統(tǒng)一設(shè)備管理的OceanConnect 開放云平臺(tái)，此平臺(tái)已在智慧城市、智能抄表系統(tǒng)等多方面得到廣泛應(yīng)用。此平臺(tái)功能強(qiáng)大，提供完全開放的接入能力。針對(duì)設(shè)備層，用戶可以將不同類型的設(shè)備按照平臺(tái)提供的不同接入方式接入到云平臺(tái)。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)層，OceanConnect 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)提供適配功能，能夠方便使用戶將不同網(wǎng)絡(luò)接入到此平臺(tái)。針對(duì)應(yīng)用層，此平臺(tái)提供豐富的接口，開發(fā)者可以通過接口接入平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。目前安卓手機(jī)用戶較多，智能農(nóng)田系統(tǒng)多是農(nóng)民用戶，所以APP 應(yīng)用開發(fā)主要指安卓開發(fā)。此APP 開發(fā)需要接入OceanConnect 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)上的設(shè)備數(shù)據(jù)等進(jìn)行開發(fā)，完成用戶登錄、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)預(yù)警、智能控制等模塊功能。此APP 的開發(fā)，將大大減少勞動(dòng)力，提高農(nóng)田種植效率，為增產(chǎn)增收提供一定的保障。

3 結(jié)束語

綜上，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)一般都是利用有線組網(wǎng)模式亦或是直接在實(shí)地對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，存在的局限性較多。而將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入其中構(gòu)建出精準(zhǔn)與全面的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，保障監(jiān)測人員可以隨時(shí)隨地就能夠?qū)r(nóng)田開展實(shí)施的監(jiān)控，依照光照強(qiáng)度、空氣濕度與溫度、土壤pH 值與濕度等信息精準(zhǔn)決策，從而滿足農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)化、自動(dòng)化以及精準(zhǔn)化需求，值得推廣。