基于LoRa和NB-IoT技術的智慧農業監測平臺

李潤林，楊華勇

（武漢城市學院，武漢 430000）

1 智慧農業的優點和發展

1.1 傳統農業

我國是農業大國，傳統農業的快速發展得益于幅員遼闊人口眾多，自然資源的豐富和勞動力的低廉使得我國農業在國際上處于優勢地位[2]。但是傳統的農業種植方式存在著諸多限制，首先便是天氣原因。自然環境作為農作物主要影響因素，人為控制很難產生影響，土壤條件、天氣、降雨量、溫度和霜期等，這些都直接影響了農業生產的產量，靠天吃飯已經成為了農業的行規。其次，靠低廉勞動力來發展農業的農民增收動力在不斷衰減。在互聯網公司大力發展社區團購的情況下，農產品價格走低，利潤被不斷壓縮。農民的主要收入來源于農產品的生產出售，如果收入難以維持生活，便不得不通過外出打工等其他渠道獲得收入，進而使農業生產勞動力越來越少，人力成本提高。在諸多因素的共同影響下，傳統農業的發展已經陷入瓶頸，農業生產需要更為科學化的發展。

1.2 智慧農業概述

物聯網技術近十年迎來爆發式發展，根據Juniper Research的數據，2015年物聯網中有超過1340億臺設備接入互聯網，2022年將增長185%，達到3850億臺設備。物聯網的用途幾乎涉及到現代社會的所有領域。其中主要領域包括智能醫療保健、智能城市、智能工業、自動駕駛汽車、智能農業、精準農業和智能家居等。物聯網具有巨大的潛力，是未來互聯網服務發展的關鍵領域之一。目前主要的IT公司和大多數國家都致力于研究物聯網應用問題，智慧農業就是其中一種。

在實際農業生產應用中物聯網技術具有諸多功能，通過融合大數據、物聯網、AI、智能算法和云平臺等技術，配合智能終端、無線傳輸節點及傳感器及控制器，實現農業生產監測功能和遠程操控功能。實現農業生產和操作的數據可視化、精準感知化、遠程控制化和智能管理化。物聯網技術相較于傳統農業生產技術采用更為科學的種植方法，利用其萬物互聯的特性將農業生產模塊相連，拓展了農業的發展空間，從而將傳統農業轉變為現代化信息化的智慧農業，推動農業的持續發展。

1.3 智慧農業的架構

基于物聯網技術的智慧農業的大概主體架構由感知層、傳輸層和應用層組成。如圖1所示。

圖1 物聯網智慧農業主體架構

感知層的主要作用是獲取農田的數據信息，控制農田的控制器完成指定操作；網絡層的主要功能是將感知層獲取到的數據信息通過無線傳輸、互聯網傳輸至應用層，或通過互聯網傳輸應用層的操作信息到感知層完成相應操作；應用層的主要功能是將感知層獲取的信息進行提取、分類處理、保存和匯總等，并建立相應數據庫，將農田的相關信息以數據形式直觀地展現給管理員。

1.4 智慧農業的通信技術

隨著物聯網的發展，電子標簽、近場通信和蜂窩網絡等越來越多的物聯網技術應用到智慧農業中，但智慧農業的發展依然面臨著一定的問題。傳統的方式已無法滿足農業生產中遠距離、低功耗的通信需求。因此，低功耗廣域網絡近些年逐漸成為智慧農業行業主流。考慮到本平臺實際應用場景和成本因素，選擇低功耗廣域網中的LoRa和NB-IoT 2種技術作為物聯網通信技術。

2 LoRa

2.1 技術概述

LoRa是一種低功耗廣域網，通信機制是Lo－RaWAN協議的物理層，由LoRa聯盟定義。與其他現有技術相比，LoRa是一種調制技術，可以在數十公里的范圍內傳輸信息。LoRa的物理層的調制為Semtech公司的專利，這種調制在由傳感器工作的地理區域定義的ISM頻帶中運行。LoRa協議的優勢在于可在ISM免許可帶寬中運行，因此無需額外的許可費用[3]。相比其他技術，LoRa相關產業鏈更為成熟，在同時期的傳輸技術中更早進入商業化應用。在過去數年里，LoRa聯盟面向全世界推廣，使其成為物聯網傳輸協議中的主流協議[4]。

2.2 技術特點

LoRa傳輸技術具有連接穩定、低功耗和傳輸距離遠等特點。LoRa是一種低功耗協議，可將傳感器連接到Internet，從而確保盡可能低的能耗[5]。理論上一節五號電池可以為LoRa芯片供電10年之久，在農田的電力配置上能省去不必要的資源浪費。同時，LoRa使用線性調頻闊頻技術，使用較寬的信號帶寬傳輸，明顯增加了通信距離的同時保證低功耗，并具有一定的抗多徑衰落能力和多普勒效應能力[6]，提高網絡效率并消除干擾。LoRa在傳輸范圍、功耗和傳輸速率上具有明顯綜合優勢。在城市環境條件下，通信距離可長達15 km，而在農村環境條件下則更長[7]。

繆斯是希臘神話中文藝和科學女神的通稱。她們以音樂和詩歌之神阿波羅為首領，分別掌管著歷史、悲劇、喜劇、抒情詩、舞蹈、史詩、愛情詩、頌歌和天文。古希臘的詩人、歌手都向繆斯呼告，祈求靈感。

LoRa的網絡拓撲結構為星型結構，具有網絡結構簡單和低延遲等特點。在農田網絡搭建中，LoRa可以通過簡單的網關搭建局域網，在農田的實際應用中可以節省不必要的人力損耗、資源浪費。

3 NB-IoT

3.1 技術概述

NB-IoT的全稱為窄寬帶物聯網技術，也被稱為低功率廣域網，在3GPP第三代全球伙伴計劃中提出，屬于新興網絡技術。與傳統物聯網通信技術相比，在保證可以進行GMS、UMTS、LTE網絡設計和搭建的前提下，NB-IoT只需要消耗180 kHz左右的帶寬[8]，便能實現物聯網傳輸的低速率、低功耗、高覆蓋。能夠極大程度控制通信傳輸系統的搭建成本，減少非必要的人力成本和資源浪費。

3.2 技術特點

NB-IoT具有通信覆蓋優勢，現階段4G、5G網絡雖然基本滿足移動網絡的信息數據交互，但從本次物聯網智慧農業平臺搭建的角度來看，其網絡覆蓋范圍難以滿足大面積的農田運行。3GPP于2016年完成了第一個NB-IoT規范，并且正在針對加強移動性和減少傳輸延遲的方案進行標準化。雖然NB-IoT出現在LoRa和SIGFOX之后，但其通過使用許可頻段解決了擁塞問題，從而為關鍵任務應用提供更可靠的服務。此外，NBIoT可以與已經成功部署的GSM和LTE網絡共存，可以利用現有網絡硬件，降低部署成本[9]。考慮其他3GPP技術，NB-IoT的最大數據速率有所降低，但其覆蓋范圍有所增強，硬件復雜度與LTE Cat-1相比降低了90%，因此，NB-IoT可以降低成本和能耗。NB-IoT采用eDRX節電技術，eDRX是一種在與基站協商的特定時間段內停用UE調制解調器的技術。UE僅在指定時間內打開調制解調器并監視下行鏈路信道，以達到節電的目的。eDRX的下行數據延遲最高為2.92 h，由于較高的尋呼間隔，使得功耗顯著降低。同LoRa技術一樣，理論上NB-IoT模塊的電池可以連續工作10年之久。

4 LoRa和NB-IoT融合技術在智慧農業監測系統的應用

4.1 系統架構設計

NB-IoT模塊具有低功耗、高傳輸速率和覆蓋區域大等特點，足夠滿足智慧農業監測系統的網絡傳輸要求。但考慮到目前NB-IoT模塊價格較高，并且數據需要使用運營商授權帶寬，會產生額外資費。如果全部傳輸模塊都采用NB-IoT模塊，則會產生大量流量資費及模塊成本。且實驗農田可能處于農村偏遠地區，運營商網絡未必能全覆蓋。而LoRa模塊成本僅為NB-IoT模塊成本的一半，且能夠通過網關組成在免許可帶寬內的局域網，從而避免了流量資費問題及運營商網絡覆蓋問題。因此，在本平臺設計中，采用LoRa技術與NB-IoT技術相結合的方案，利用LoRa技術采集傳感器數據到網關，網關通過NB-IoT將數據通過基站上傳至互聯網。

本系統由遠程數據采集節點、遠程控制節點、網絡通信模塊和管理監測平臺等幾部分組成。系統運作原理：首先由遠程數據采集節點通過各種數據傳感器實時獲取農田中農作物生長環境的相關數據，通過LoRa與NB-IoT組建的傳輸網絡將數據傳輸至云服務器，再由服務器進行相關數據的分類、儲存，以優化算法對云服務器存儲的歷史參數及預設參數進行對比和分析處理，并通過遠程控節點對環境參數進行實施校正調整，使農田環境參數達到最佳狀態。最后將相關數據抄送至客戶端中，以數字化或圖表的形式展示田內農作物環境狀態及農作物生長狀態。從而實現農田的精細化監測和管理，達到科學種植、節約成本等目的。系統結構如圖2所示。

圖2 智慧農業監測系統結構

4.2 系統主要功能

（1）數據采集以及存儲：通過采集節點對農田內土壤溫度、土壤含水量、土壤微量元素、空氣濕度、空氣溫度、二氧化碳濃度及光照度等數據進行實時采集。同時遞送給云服務器進行分類、歸納處理并存儲，并形成相關數據庫。管理員可通過終端實時查看相關數據信息。

（2）視頻監控：管理員可以在終端客戶端上實時查看由農田內攝像頭采集的種植現場圖像，遠程監測農作物生長情況。

（3）遠程控制管理：以管理員身份登錄后，可以在連接互聯網的客戶端上對農田內各種設備進行操作。能遠程手動控制田內水肥灌溉、驅蟲和控制空氣濕度等。

（4）數據分類處理：系統能將采集到的數據信息以數值和圖表的形式直觀向管理員展示，根據用戶需求可以導出日報、月報等。

（5）智能預警服務：系統實時監測田內各項數據，根據用戶設置的數據范圍設定閾值，超過閾值即向客戶端發送預警信息。同時關聯本地氣象信息，利用農田內氣象數據傳感器依據算法推測是否出現極端天氣。

（6）統一認證管理：管理人員信息的錄入后，經過登錄認證后即可對系統進行統一控制管理，包括用戶管理、設備管理和設備權限管理等。

（7）自動管理：通過識別田內農作物，從系統內置專家數據庫中調取數據，通過智能算法計算出生物生長模型和不同生育周期的生長環境參數。將農作物生長環境參數動態保持在最佳范圍內。

（8）專家遠程診斷：當生產種植過程中出現問題時，可以通過平臺遠程聯系專家診斷，基于實時采集圖像、農田環境參數，即可遠程給予解決方案。

（9）水肥一體化管理：通過實時監測田內數據，通過智能算法動態分配灌溉時間、水量及營養液的比例。充分利用智能化管理降低人力資源浪費、節約成本并提高工作效率。

4.3 系統主要特點

該智慧農業監測平臺集多種功能為一體，高集成度使農業種植更加直觀化、科學化。提供了人機交互接口，管理員可通過智能終端在監測管理云平臺上發送控制指令，遠程操作田內的農業生產設備。該平臺基于BS，具有兼容性強、維護方便等優點，管理員只需在任意帶有瀏覽器的終端上即可訪問該平臺。同時系統具有良好兼容性，市面上大部分自動化農機器械只需加裝LoRa模塊即可接入系統。可根據用戶需要模塊化添加不同的設備，以更好地適應不同植物的生長環境，告別傳統農業的靠天吃飯。

現有的智慧農業設計基本能夠實現自動灌溉、水肥一體化，利用物聯網技術實現對農業大棚內大氣和土壤相關數據的實時檢測，掌握棚內種植環境的變化并做出調整。系統在現有功能的基礎上進行整合和利用互聯網大數據技術進行升級。實現農田分布管理、人員設備統一管理和數據智能分析。其中存儲在云服務器中的數據可以作為后續大數據分析的數據支撐。系統內嵌算法，周期性分析植物生長趨勢和對應時間的環境數據，通過深度學習來不斷優化算法，以調整環境因素達到增產的目的。

5 結束語

目前我國的農業數字化、智能化推廣程度不高，多數地區仍采用傳統人工勞作的種植方式，人工工作效率低下，土地資源得不到充分利用。將物聯網技術應用到農業中能夠極大提升農業生產效率，農戶可以做到足不出戶即可掌握農田的基本信息及控制農田內裝置完成農業生產種植操作。本文介紹一種利用物聯網搭建的智慧農業監測平臺，分析了智慧農業中的實時采集、云服務器存儲、數據分析和無線傳輸等技術對傳統農業轉型的重要作用。設計并探究該平臺在農業生產中的運用，其易操作、低成本和易維護等優點，解決生產種植中的諸多痛點。中國農業的發展還有很長的路要走，希望本平臺的構建能夠為后續農業科學研究提供算法研究的接口和平臺，實現智慧農業的全面推廣。