摘要：針對傳統(tǒng)規(guī)�；�大田種植缺乏科學(xué)監(jiān)測手段，農(nóng)作物數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在智能化程度不高、管理效率低下，難以實(shí)現(xiàn)對大田作物精準(zhǔn)灌溉的問題，以及當(dāng)前成熟商用的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)存在低功耗與廣覆蓋難以兩全的問題，開發(fā)出一個基于NB-IOT的大田管理精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡釋了系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)利用無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集作物的地面氣象信息、土壤信息，以及作物的生長實(shí)況信息，通過NB-IOT傳送到云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對大田作物生長環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控和精準(zhǔn)灌溉，在提高大田作物的智能化管理水平方面具有良好的推廣前景。

　　關(guān)鍵詞：NB-IOT;大田管理;精準(zhǔn)農(nóng)業(yè);物聯(lián)網(wǎng);數(shù)據(jù)采集

　　1引言(Introduction)

　　大田種植是目前我國農(nóng)業(yè)最廣泛的種植方式，但此方式缺乏有效的大田環(huán)境監(jiān)測手段，農(nóng)民無法及時了解大田作物生長環(huán)境并做出及時響應(yīng)，導(dǎo)致種植效率較低，管理成本過高。目前，國外很多學(xué)者在農(nóng)作物的生長過程監(jiān)測、施肥監(jiān)測、病蟲害監(jiān)測、產(chǎn)量監(jiān)測以及精準(zhǔn)灌溉方面進(jìn)行了深入的研究。美國早在20世紀(jì)80年代就致力于研究精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)[1]并提出了數(shù)字化農(nóng)業(yè)[2]模式。希臘的TAGARAKIS等[3]學(xué)者提出了一個低成本、低功耗、簡單的無線傳感系統(tǒng)，專用于農(nóng)業(yè)環(huán)境的監(jiān)測。印度的KESWANI等[4]學(xué)者研究利用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田灌溉的有效控制。然而，我國的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用尚處于起步階段，與其他農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，還存在一定差距，體現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到大田種植中相對較少，信息收集不全面，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域信息的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度不高等。

　　由于大田種植具有分布廣、監(jiān)測點(diǎn)多、布線和供電困難等特點(diǎn)，而當(dāng)前成熟商用的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)中，低功耗與廣覆蓋難以兩全，因此用傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)對大田種植進(jìn)行監(jiān)測顯得力不從心。本文提出通過NB-IOT的數(shù)據(jù)傳輸方式將無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的大田作物生長數(shù)據(jù)傳送到云服務(wù)器，然后再將移動終端接入云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而實(shí)現(xiàn)對大田作物生長環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控和精準(zhǔn)灌溉。

　　2NB-IOT簡介(IntroductiontoNB-IOT)

　　物聯(lián)網(wǎng)的無線通信技術(shù)主要分為兩類：一類是Zigbee、Wifi、藍(lán)牙、Z-wave等短距離通信技術(shù);另一類是LPWAN(Low-PowerWide-AreaNetwork，低功耗廣域網(wǎng))，目前應(yīng)用較多的主要有NB-IOT、Sigfox和LoRa三種技術(shù)[5]。

　　NB-IOT(NarrowBandInternetofThings)是基于蜂窩通信3G/4G演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)[6]，工作在專用的授權(quán)(License)頻段，可采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立載波等三種部署方式[7]。與Sigfox和LoRa這兩種LPWAN技術(shù)相比，由于NBIOT網(wǎng)絡(luò)是基于授權(quán)頻譜組建網(wǎng)絡(luò)的，因此它的抗干擾能力、數(shù)據(jù)安全性、技術(shù)服務(wù)等方面均有高安全性保障[8]。它主要有四個特點(diǎn)：一是覆蓋范圍廣;二是支持海量連接;三是支持低延遲靈敏度;四是具有較低的模塊化成本。這四個特點(diǎn)符合許多無法布線、覆蓋范圍廣的物聯(lián)網(wǎng)通信需求。在大田種植應(yīng)用場景中，物聯(lián)網(wǎng)終端一般采用電池供電，為防止斷電情況發(fā)生，需要選擇低功耗的物聯(lián)網(wǎng)終端，而普通NB-IOT的物聯(lián)網(wǎng)終端的使用年限能夠達(dá)到10年左右，因此將其與各類傳感器連接更適合大田種植應(yīng)用場景。

　　3大田管理精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的需求(Demandforfieldmanagementprecisionagriculturesystem)

　　廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院的熱作科技創(chuàng)新基地位于廣東湛江農(nóng)墾國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)核心區(qū)(以下簡稱“基地”)，占地面積14hm2[9]�；�地主要種植菠蘿和甘蔗等作物，由于種植面積廣，管理人員缺乏，因此急需一個大田作物管理系統(tǒng)來輔助管理員進(jìn)行管理，使管理員能及時掌握作物的生長環(huán)境和實(shí)況信息，并能根據(jù)種植環(huán)境的變化做出相應(yīng)對策。

　　大田管理精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對大田作物的精準(zhǔn)化管理，能對農(nóng)情數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對作物生長環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控以及對農(nóng)資、農(nóng)作實(shí)施精確定時、定位、定量控制。系統(tǒng)由地面氣象信息采集、土壤信息采集、水肥一體化監(jiān)控和視頻監(jiān)控四個模塊組成，地面氣象信息采集包括對地面溫度、濕度、光照、雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓信息的采集;土壤信息采集包括對土壤溫度、濕度、PH值信息的采集;水肥一體化監(jiān)控主要對大田的水量和化肥量進(jìn)行監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)自動施水施肥;而視頻監(jiān)控主要對作物的生長實(shí)況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，以圖片和錄像進(jìn)行記錄。

　　地面氣象信息采集模塊的溫濕度傳感器，光照傳感器，大氣壓傳感器，風(fēng)速、風(fēng)向傳感器，雨量傳感器。土壤信息采集模塊的土壤溫濕度傳感器，土壤PH值傳感器能實(shí)時采集傳感器所在位置的空氣溫度、空氣濕度、光照、大氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、土壤溫度、土壤濕度和土壤PH值數(shù)據(jù)。對于布線不方便的大田管理場合，采用NB-IOT無線傳輸?shù)姆绞綄⒉杉�到的�?shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)的云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)數(shù)值超出范圍時，系統(tǒng)即刻啟動報(bào)警，提醒管理人員進(jìn)行相關(guān)的報(bào)警處理工作或自啟聯(lián)動處理。

　　為了便于監(jiān)視觀測作物的生長狀況和管理，同時預(yù)防和制止入侵大田的盜竊、破壞等犯罪行為，保障生產(chǎn)與收獲季節(jié)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在大田種植區(qū)安裝高清網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，管理員可以在客戶端監(jiān)控作物的生長狀況及作物病蟲害狀況。通過對土壤信息的監(jiān)測，系統(tǒng)自動將土壤的實(shí)時數(shù)據(jù)與管理員設(shè)置的數(shù)據(jù)閾值進(jìn)行對比，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超出(或低于)固定值時，系統(tǒng)能自動控制水肥灌溉設(shè)備，從而使其自動開啟或關(guān)閉，以實(shí)現(xiàn)對不同監(jiān)測點(diǎn)的精準(zhǔn)灌溉。管理員可以通過網(wǎng)頁或移動端進(jìn)行遠(yuǎn)程人工操控，還可以設(shè)置控制器在固定時間段進(jìn)行固定時間、灌溉量的智能運(yùn)作。

　　4大田管理精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(Designoffieldmanagementprecisionagriculturesystem)

　　系統(tǒng)利用無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集作物的地面氣象信息和土壤信息，通過無線攝像頭采集作物的生長實(shí)況信息，使用水肥一體化機(jī)實(shí)現(xiàn)自動精準(zhǔn)灌溉。地面氣象信息、土壤信息、視頻監(jiān)控信息，以及水肥一體化監(jiān)控信息均采用NB-IOT的數(shù)據(jù)傳輸方式。

　　首先將各個傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸至主控芯片進(jìn)行處理，然后通過傳感器集成的NB-IOT通信模組將處理后的大田相關(guān)農(nóng)情數(shù)據(jù)通過NB-IOT基站信號發(fā)送到IOT網(wǎng)關(guān)，IOT網(wǎng)關(guān)獲取的數(shù)據(jù)與應(yīng)用服務(wù)平臺的數(shù)據(jù)可進(jìn)行雙向交互，應(yīng)用服務(wù)器獲得數(shù)據(jù)后，再將數(shù)據(jù)通過4G、5G或Wifi通信方式及時推送到遠(yuǎn)程監(jiān)控端。管理人員、農(nóng)戶、農(nóng)業(yè)專家等用戶通過電腦、手機(jī)或其他手持終端可實(shí)時監(jiān)測農(nóng)作物現(xiàn)場的環(huán)境狀態(tài)信息，當(dāng)大田地面氣象信息閾值超出正常值時，用戶可通過短信、電話、郵件、APP或B/S客戶端實(shí)時接收遠(yuǎn)程警告，從而及時采取措施，減輕自然災(zāi)害帶來的損失。而系統(tǒng)通過對土壤信息的監(jiān)測，能實(shí)現(xiàn)自動精準(zhǔn)灌溉。

　　通過對系統(tǒng)中的作物生長實(shí)況進(jìn)行觀察，可讓用戶了解作物生長情況和發(fā)現(xiàn)病蟲害等信息，從而使用戶能迅速進(jìn)行農(nóng)事活動。系統(tǒng)除了具有監(jiān)測報(bào)警、實(shí)時數(shù)據(jù)顯示、設(shè)備控制、作物生長情況監(jiān)控功能外，還為用戶提供查看農(nóng)情信息的歷史數(shù)據(jù)功能，通過歷史數(shù)據(jù)曲線圖可以了解過去某段時間內(nèi)大田地面環(huán)境狀態(tài)信息的變化和土壤信息的變化，從而掌握農(nóng)作物的生長與環(huán)境變化規(guī)律，為大田種植的管理提供決策支持。

　　5大田管理精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)(Implementationoffieldmanagementprecisionagriculturesystem)

　　大田管理精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分，硬件部分部署在基地，目前部署了四個數(shù)據(jù)采集點(diǎn);軟件部分包括網(wǎng)站后臺管理和APP管理兩部分。

　　5.1系統(tǒng)硬件部署

　　數(shù)據(jù)采集模塊都配有GPS，通過定位能精準(zhǔn)獲取每個監(jiān) 測點(diǎn)的數(shù)據(jù)。監(jiān)控設(shè)備采用低功耗ARM芯片和嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件平臺，芯片選材采用工業(yè)級產(chǎn)品，具有防水、防雷功能，保證在現(xiàn)場惡劣環(huán)境下的系統(tǒng)穩(wěn)定性。水肥一體機(jī)的硬件采用嵌入式SOC技術(shù)，可靠性高，穩(wěn)定性好，具有故障自動恢復(fù)功能。

　　5.2系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)的服務(wù)器操作系統(tǒng)為LinuxCentOS8.1，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為SQLServer2018R2，采用SpringBoot框架開發(fā)Web端，移動端APP有Android和IOS兩個版本。本系統(tǒng)使用中國電信的NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此應(yīng)用系統(tǒng)要與IOT網(wǎng)關(guān)對接才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。(1)NB-IOT參數(shù)配置在進(jìn)行NB-IOT參數(shù)配置時，中國電信物聯(lián)網(wǎng)開放平臺提供三種模式選擇，分別為DRX模式(DiscontinuousReception,不連續(xù)接收模式)、EDRX模式(ExtendedIdleModeDRX,擴(kuò)展不連續(xù)接收模式)及PSM模式(PowerSavingMode,省電模式)。

　　本系統(tǒng)設(shè)置為PSM模式，同時設(shè)置PSM模式的ActiveTimer為2s，在設(shè)備端設(shè)置一個定時60s的自動上報(bào)功能，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)與IOT網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)的雙向交互。(2)Profile文件的定義設(shè)備的Profile文件是用來描述一款設(shè)備的用途、功能和控制方式的文件。設(shè)備的Profile文件為json格式的文件。每款設(shè)備都有一個Profile文件。一個Profile文件主要包括屬性信息和服務(wù)信息，屬性信息包括manufacturerId(設(shè)備ID)、manufacturerName(設(shè)備名字)、deviceType(設(shè)備類型)、model(設(shè)備型號)和protocolType(協(xié)議類型)等;服務(wù)信息用于說明設(shè)備的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，包括設(shè)備上報(bào)的上行數(shù)據(jù)和廠商服務(wù)器下發(fā)給設(shè)備的下行數(shù)據(jù)。由于本系統(tǒng)有溫度、濕度、光照度、風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓等傳感器。

　　6系統(tǒng)運(yùn)行(Systemoperation)

　　6.1系統(tǒng)網(wǎng)站端

　　(1)網(wǎng)站主界面大田種植綜合管理平臺網(wǎng)站的主界面中央?yún)^(qū)域能直觀看到設(shè)備監(jiān)測的內(nèi)容，其中包括監(jiān)測數(shù)目、報(bào)警數(shù)、控制路數(shù)、實(shí)時告警信息及告警分析等。在水肥一體化監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)站主界面中可觀察到水肥一體化設(shè)備的狀態(tài)，可以在界面中對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，可設(shè)置手動控制或自動控制功能。手動控制可以對進(jìn)水閥和出水閥進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，而選擇為自動控制功能后，系統(tǒng)會將當(dāng)前采集到的土壤相關(guān)數(shù)據(jù)與設(shè)定好的數(shù)據(jù)閾值進(jìn)行對比，如果滿足施水施肥條件則會自動控制進(jìn)水閥和出水閥的開關(guān)操作，從而實(shí)現(xiàn)自動精準(zhǔn)灌溉的功能。

　　7結(jié)論(Conclusion)

　　針對傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)存在低功耗與廣覆蓋難以兩全，無法滿足大田環(huán)境監(jiān)測要求的問題，開發(fā)了一個基于NB-IOT的大田管理精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程采集作物的地面氣象信息、土壤信息以及生長實(shí)況信息。系統(tǒng)具有監(jiān)測報(bào)警、實(shí)時和歷史數(shù)據(jù)顯示、設(shè)備控制、作物生長情況監(jiān)控等功能，并能根據(jù)土壤信息的情況實(shí)現(xiàn)自動精準(zhǔn)灌溉，用戶在使用過程中能及時掌握作物的生長環(huán)境和實(shí)況信息，并能根據(jù)信息情況實(shí)施相應(yīng)對策。目前系統(tǒng)應(yīng)用于廣東湛江農(nóng)墾國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)核心區(qū)，取得了一定成效，作物的產(chǎn)量和質(zhì)量有了較大幅度的提高，對傳統(tǒng)大田種植業(yè)改造升級起到積極推動作用，為廣東農(nóng)墾的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)服務(wù)體系提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐和保障。

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　　作者：李冬睿，邱尚明，楊善友