基于NB-IoT與智能手機(jī)的智慧蔬菜棚室管理系統(tǒng)

張凡 萬(wàn)雪芬 鄭濤 崔劍 李雪冬 楊義

摘 ?要： NB?IoT低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)有望成為未來(lái)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中海量終端互聯(lián)的主干支撐技術(shù)之一，智能手機(jī)方便易用的特點(diǎn)使其有望成為適宜廣大農(nóng)戶日常使用的農(nóng)業(yè)信息終端平臺(tái)。為同時(shí)滿足傳統(tǒng)棚室農(nóng)業(yè)集總式管理模式與日常棚室生產(chǎn)情境中的分布式管理的需求，基于NB?IoT技術(shù)及智能手機(jī)，設(shè)計(jì)一套可用于蔬菜棚室的智慧管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有功能伸縮性強(qiáng)、部署便捷、穩(wěn)定可靠、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜?jiǎn)單、使用方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以有效地完成對(duì)于蔬菜棚室的種植參數(shù)監(jiān)測(cè)與設(shè)備管理等工作，實(shí)現(xiàn)面向智慧棚室的遠(yuǎn)程集總式管理與現(xiàn)場(chǎng)分布式管理。

關(guān)鍵詞： 智慧蔬菜棚; NB?IoT; 智能手機(jī); 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 設(shè)備管理; 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)： TN926?34; S126 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）12?0170?06

Abstract： The LPWAN based on NB?IoT is expected to be one of the backbone support technologies to realize the mass terminal interconnection in the future IoT， and the convenience of Smartphone is expected to make it an agricultural information terminal platform suitable for the daily use of farmers. In order to meet the demand of traditional agricultural lumped management mode and distributed management in daily agricultural production scenarios， a smart vegetable greenhouse management system is designed based on NB?IoT and Smartphone. The system has the advantages of strong function scalability， convenient to deploy， strong stability and reliability， easy to use， low cost and so on. The testing results show that the planting parameter monitoring and equipment management of vegetable greenhouse can be effectively completed by the designed system， and the remote lumped management and field distributed management for intelligent greenhouses can be realized.

Keywords： smart vegetable greenhouse; NB?IoT; Smartphone; system design; equipment management; remote monitoring

0 ?引 ?言

我國(guó)農(nóng)業(yè)棚室生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者多為以家庭為單位的中小型個(gè)體農(nóng)戶，生產(chǎn)管理受到棚室空間位置分散、農(nóng)業(yè)投入受限、信息化知識(shí)水平有待提高等因素的影響。而隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中精細(xì)化管理的不斷深入，棚室物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)模式與終端間數(shù)據(jù)通道需要進(jìn)一步優(yōu)化[1?3]。為適應(yīng)這一現(xiàn)狀，需要實(shí)現(xiàn)能夠在較大的空間范圍之內(nèi)支持海量棚室物聯(lián)網(wǎng)終端接入的低成本、低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度、高運(yùn)行可靠性的有效無(wú)線互聯(lián)手段[4?6]。

由LTE（Long Term Evolution）技術(shù)發(fā)展而來(lái)的NB?IoT技術(shù)可為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域海量終端無(wú)線互聯(lián)提供有效的支持。其具有覆蓋性優(yōu)異、終端模組成本低廉、日常維護(hù)簡(jiǎn)單、支持海量終端接入及能耗較低等優(yōu)勢(shì)[7]。農(nóng)業(yè)環(huán)境中數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)也與NB?IoT數(shù)據(jù)傳輸頻次低、時(shí)延較高、數(shù)據(jù)量有限等特性相符合。NB?IoT上述優(yōu)點(diǎn)特別適用于在我國(guó)廣大農(nóng)村地區(qū)進(jìn)行廣覆蓋、低成本、海量接入的無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的需求[8?9]。

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)集總式管理模式與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者日常生產(chǎn)習(xí)慣及農(nóng)業(yè)情境中的分布式管理需求不完全契合[10?11]。如能在保證集總式管理功能的前提下同時(shí)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)情境中的分布式管理則可在較大的程度上提高農(nóng)業(yè)宏觀管理者與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的管理效能與服務(wù)效果[12?13]。若能依托智能手機(jī)等在農(nóng)戶中廣泛使用的移動(dòng)智能設(shè)備為分布式農(nóng)業(yè)管理提供支持，則可在易用性、建設(shè)與使用成本、分布式支持等方面適應(yīng)我國(guó)棚室生產(chǎn)的現(xiàn)狀[14?16]。

本文提出一種基于NB?IoT與智能手機(jī)的智慧蔬菜棚室管理系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在較大范圍內(nèi)的蔬菜棚室物聯(lián)網(wǎng)信息終端互聯(lián)互通，同時(shí)支持農(nóng)業(yè)棚室經(jīng)營(yíng)者通過(guò)智能手機(jī)在各農(nóng)業(yè)情境中進(jìn)行分布式管理，以及獲得由云端平臺(tái)提供的智慧農(nóng)業(yè)信息服務(wù)對(duì)較大范圍內(nèi)蔬菜棚室進(jìn)行集總式中心化管理。

1 ?系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由基于NB?IoT的現(xiàn)場(chǎng)終端節(jié)點(diǎn)、基于Android的分布式現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)APP及適配NB?IoT的云端平臺(tái)組成?，F(xiàn)場(chǎng)終端節(jié)點(diǎn)用于采集棚室種植環(huán)境中的日常數(shù)據(jù)，并為農(nóng)業(yè)機(jī)電設(shè)備提供相應(yīng)的控制信號(hào)?，F(xiàn)場(chǎng)終端節(jié)點(diǎn)的感知與控制信息通過(guò)NB?IoT數(shù)據(jù)通道與蔬菜棚室管理系統(tǒng)的云端平臺(tái)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)有效交互。云端平臺(tái)服務(wù)器對(duì)通過(guò)NB?IoT運(yùn)營(yíng)商平臺(tái)對(duì)應(yīng)接口獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在部署于云服務(wù)器上的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，為集總模式下的網(wǎng)頁(yè)管理端提供數(shù)據(jù)支持。網(wǎng)頁(yè)管理端為核心管理員（如棚室農(nóng)業(yè)園區(qū)管理者或農(nóng)業(yè)管理部門人員）提供用戶管理、節(jié)點(diǎn)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、設(shè)備控制、告警管理以及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)棚室的集總式管理。該集總式服務(wù)面向農(nóng)業(yè)集總式宏觀管理，不受地塊、區(qū)域限制。

為同時(shí)滿足蔬菜棚室農(nóng)業(yè)情境下的分布式管理需求，采用Android智能手機(jī)APP為農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員（如負(fù)責(zé)特定棚室的雇工等）提供現(xiàn)場(chǎng)棚室管理服務(wù)。該服務(wù)為局域管理服務(wù)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員可通過(guò)該服務(wù)APP實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊棚室蔬菜種植管理所需的終端節(jié)點(diǎn)接入、棚室環(huán)境監(jiān)測(cè)、棚室設(shè)備控制以及數(shù)據(jù)管理等功能。該APP還可在NB?IoT網(wǎng)絡(luò)突發(fā)問(wèn)題時(shí)提供應(yīng)急管理操作。上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)同時(shí)滿足了集總式管理與現(xiàn)場(chǎng)分布式管理的需求，并通過(guò)功能結(jié)構(gòu)劃分不同的管理層次。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 ?現(xiàn)場(chǎng)終端節(jié)點(diǎn)

為了提高蔬菜棚室中感知終端與執(zhí)行終端密度與精細(xì)化程度，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜農(nóng)業(yè)環(huán)境下終端節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)程控制端及手機(jī)APP的可靠通信，設(shè)計(jì)了適用于蔬菜棚室中監(jiān)測(cè)管理的終端節(jié)點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)終端節(jié)點(diǎn)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 ?傳感器模塊

節(jié)點(diǎn)的MCU采用基于ARM 32 bit Cortex??M3內(nèi)核的STM32F103ZET6芯片。其較高的工作頻率、較低的功耗特性、較寬的工作溫度范圍及豐富的接口為復(fù)雜棚室農(nóng)業(yè)環(huán)境下節(jié)點(diǎn)功能的有效實(shí)現(xiàn)提供了有力支持。由于棚室蔬菜種植對(duì)溫濕度有較高要求，節(jié)點(diǎn)采用具有較好耐候耐噴淋特性的單總線（1?Wire）數(shù)字式溫濕度傳感器AM2306對(duì)棚室內(nèi)外環(huán)境溫度進(jìn)行采集。該傳感器溫度測(cè)量范圍在-40～125 ℃，誤差在±0.3 ℃之間，濕度測(cè)量范圍在0～99.9%，誤差在±2%之間，可滿足絕大多數(shù)蔬菜棚室種植環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)的需求。為評(píng)估日光透射玻璃或大棚薄膜后在棚室內(nèi)的光照分布，節(jié)點(diǎn)通過(guò)BH1750FVI光照強(qiáng)度傳感器獲取日光輻照數(shù)據(jù)。BH1750FVI較低的成本有助于在棚室內(nèi)多個(gè)位置包括蔬菜的冠層及根部等處布設(shè)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從而能夠更為可靠地形成對(duì)棚室蔬菜光照因素的宏觀觀測(cè)。為在棚室遭遇強(qiáng)風(fēng)時(shí)提供告警，節(jié)點(diǎn)采用支持ModBus?RTU協(xié)議的SM5385B和SM5384B風(fēng)速與風(fēng)向傳感器監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。MCU通過(guò)采用SP3485構(gòu)建的RS 485總線獲得上述傳感器數(shù)據(jù)。土壤水分與溫度傳感器SM2802亦可通過(guò)該RS 485通路接入MCU。為了對(duì)棚室水泵、排風(fēng)扇等進(jìn)行可靠控制，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到云端服務(wù)器或智能手機(jī)發(fā)來(lái)的指令后，MCU產(chǎn)生邏輯控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)4路使用EL817C光耦隔離的繼電器G5LA?14通路。

2.2 ?NB?IoT與藍(lán)牙通信模塊

節(jié)點(diǎn)采用NB?IoT與低功耗藍(lán)牙技術(shù)分別滿足遠(yuǎn)程集總式管理與現(xiàn)場(chǎng)分布式管理的數(shù)據(jù)傳輸需求。節(jié)點(diǎn)采集的棚室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與云端遠(yuǎn)程控制信息經(jīng)由NB?IoT數(shù)據(jù)通道進(jìn)行傳輸。智能手機(jī)與節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)通信由藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)。為了便于通信與數(shù)據(jù)處理，棚室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集完畢后被封裝成8位字節(jié)數(shù)組的數(shù)據(jù)幀。節(jié)點(diǎn)NB?IoT模組選用基于華為Boudica芯片的WH?NB75?B5。模組與MCU通過(guò)波特率為9 600 b/s的串行接口進(jìn)行通信。WH?NB75?B5工作于850 MHz頻段，適配電信NB?IoT物聯(lián)網(wǎng)卡。該模組峰值功耗 0.3 A/3.8 V，無(wú)數(shù)據(jù)時(shí)休眠功耗可低至5 μA/3.8 V。模組支持UDP/CoAP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。系統(tǒng)中使用基于請(qǐng)求/響應(yīng)模型的CoAP通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。CoAP通信協(xié)議以UDP作為傳輸層協(xié)議，通信開銷的顯著減小使其適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中。使用中擴(kuò)展不連續(xù)接收模式的取值為5 min。上電后，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)NB?IoT網(wǎng)絡(luò)接入。在NB?IoT通信中，周期性采集到的棚室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)由MCU封裝并結(jié)合CRC?8校驗(yàn)，通過(guò)NB?IoT信息通路上傳到遠(yuǎn)程云端服務(wù)器，同時(shí)接收云端發(fā)來(lái)的控制指令并進(jìn)行完整性判斷，進(jìn)而執(zhí)行控制操作。通過(guò)上述過(guò)程實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)與云端服務(wù)器的可靠通信。NB?IoT信息交互周期通過(guò)MCU定時(shí)器設(shè)定。節(jié)點(diǎn)藍(lán)牙模組選用基于CC2540芯片、支持藍(lán)牙4.0低功耗通信協(xié)議的HC?08無(wú)線藍(lán)牙通信模組。微控制器通過(guò)串口方式與藍(lán)牙模組進(jìn)行通信（波特率為9 600 b/s）。HC?08工作電壓為3.2～6 V，在低功耗模式下休眠電流低至0.4 μA，在空曠環(huán)境下?lián)碛凶罡呖蛇_(dá)80 m的通信距離，滿足節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間工作及智能手機(jī)與終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高可靠性通信的需求。

3 ?分布式現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)APP

農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員使用的分布式現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)APP基于Android開發(fā)，其可應(yīng)用于Android 5.0版本以上的智能手機(jī)。主要面向在棚室田間地頭工作的農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)者，為其提供分布式管理服務(wù)。分布式現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)APP的主要功能為手機(jī)/節(jié)點(diǎn)間藍(lán)牙通信管理、棚室監(jiān)測(cè)、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理及用戶UI。APP功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。終端節(jié)點(diǎn)對(duì)接APP的流程圖如圖4所示。

3.1 ?藍(lán)牙通信管理

藍(lán)牙通信管理功能用于構(gòu)建智能手機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)終端節(jié)點(diǎn)間穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)通道。手機(jī)/節(jié)點(diǎn)間的低功耗藍(lán)牙通信基于GATT （Generic Attribute Profile）協(xié)議。APP啟動(dòng)后查詢藍(lán)牙狀態(tài)，在手機(jī)藍(lán)牙功能未開啟時(shí)執(zhí)行使能操作。在用戶發(fā)出節(jié)點(diǎn)掃描請(qǐng)求后執(zhí)行掃描過(guò)程，掃描到節(jié)點(diǎn)設(shè)備后獲取該設(shè)備的物理地址、設(shè)備名稱與信號(hào)強(qiáng)度等信息，并添加在藍(lán)牙管理頁(yè)面的設(shè)備列表中呈現(xiàn)給用戶。用戶可根據(jù)節(jié)點(diǎn)管理需求接入任一合規(guī)節(jié)點(diǎn)。接入后APP對(duì)藍(lán)牙狀態(tài)進(jìn)行管理，通過(guò)定時(shí)查詢接入設(shè)備的信號(hào)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)弱連接閾值預(yù)警。如中途斷開則依情況進(jìn)行重連或提示重新掃描。

3.2 ?棚室監(jiān)測(cè)與設(shè)備管理

棚室監(jiān)測(cè)與設(shè)備管理功能包括對(duì)棚室環(huán)境種植參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及向節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令對(duì)棚室設(shè)備進(jìn)行控制。APP在智能手機(jī)與節(jié)點(diǎn)間建立穩(wěn)定的連接后，根據(jù)用戶指令，向節(jié)點(diǎn)發(fā)送讀取棚室環(huán)境信息的控制命令。當(dāng)收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)發(fā)送的完整監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包后，APP根據(jù)預(yù)定格式進(jìn)行校驗(yàn)、解析，進(jìn)而獲得棚室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。當(dāng)用戶需要對(duì)節(jié)點(diǎn)上連接的設(shè)備進(jìn)行控制時(shí)，通過(guò)APP向節(jié)點(diǎn)發(fā)出控制指令，并接收節(jié)點(diǎn)發(fā)回的設(shè)備工作狀態(tài)信息以便確認(rèn)操作是否成功。APP還對(duì)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行記錄，以便用戶進(jìn)行查閱。

3.3 ?APP數(shù)據(jù)管理

在分布式管理中，需要對(duì)局部信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分散式存儲(chǔ)，以便支持現(xiàn)場(chǎng)管理者的使用需求。APP對(duì)來(lái)自終端節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ)，并提供對(duì)已存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的條件查詢功能。所有的節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)均已通過(guò)NB?IoT上傳至云端服務(wù)器中進(jìn)行存儲(chǔ)，因此無(wú)需在智能手機(jī)端存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，在實(shí)現(xiàn)中選擇使用SQLite輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)，基于Android SDK完成數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建、訪問(wèn)與操作。

3.4 ?用戶UI

APP的整體用戶界面由導(dǎo)航欄與對(duì)應(yīng)標(biāo)簽頁(yè)組成。導(dǎo)航欄中共有三個(gè)圖標(biāo)分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)管理頁(yè)面、實(shí)時(shí)監(jiān)控頁(yè)面與藍(lán)牙管理頁(yè)面，用戶通過(guò)點(diǎn)擊導(dǎo)航欄圖標(biāo)完成各標(biāo)簽頁(yè)的切換。數(shù)據(jù)管理頁(yè)面向用戶展示APP中已存儲(chǔ)信息。實(shí)時(shí)監(jiān)控頁(yè)面向用戶展示監(jiān)測(cè)棚室的實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)，并提供對(duì)已連接節(jié)點(diǎn)設(shè)備的控制管理操作。藍(lán)牙管理頁(yè)面對(duì)終端節(jié)點(diǎn)接入情況及接入成功后手機(jī)/節(jié)點(diǎn)之間的藍(lán)牙連接進(jìn)行管理。

4 ?適配NB?IoT的云端平臺(tái)

云端平臺(tái)主要面向農(nóng)業(yè)宏觀管理服務(wù)，其主要由NB?IoT數(shù)據(jù)接口、云端數(shù)據(jù)管理、節(jié)點(diǎn)管理、用戶管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、設(shè)備控制、告警管理等功能組成。云端平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。終端節(jié)點(diǎn)對(duì)接云端平臺(tái)的流程如圖6所示。

4.1 ?NB?IoT數(shù)據(jù)接口

云端平臺(tái)利用MQTT （Message Queue Telemetry Transport）協(xié)議通過(guò)構(gòu)建在電信云平臺(tái)上的第三方云服務(wù)商提供的數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)棚室內(nèi)終端節(jié)點(diǎn)與云端平臺(tái)間的數(shù)據(jù)傳輸。云端平臺(tái)啟動(dòng)時(shí)，完成與MQTT服務(wù)器的連接，并訂閱全部節(jié)點(diǎn)設(shè)備，訂閱成功后可與已成功部署的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)基于NB?IoT的遠(yuǎn)程透明數(shù)據(jù)傳輸。MQTT協(xié)議的消息報(bào)文由固定頭部、可變頭部以及有效載荷組成。實(shí)施中在收到每一個(gè)有效MQTT報(bào)文后，根據(jù)存儲(chǔ)于可變頭部中的節(jié)點(diǎn)ID對(duì)承載于有效載荷中的節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立處理（校驗(yàn)、解析等）。需要注意的是，在有效載荷中承載的節(jié)點(diǎn)感知信息和控制信息格式與藍(lán)牙數(shù)據(jù)容器中承載的相應(yīng)信息格式保持一致。

4.2 ?云端數(shù)據(jù)管理

云端平臺(tái)的數(shù)據(jù)管理功能面向管理員用戶信息、終端節(jié)點(diǎn)信息、節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境信息、節(jié)點(diǎn)設(shè)備操作信息以及告警信息提供存儲(chǔ)管理工作，并為云端平臺(tái)其他功能提供數(shù)據(jù)支持。節(jié)點(diǎn)所采集的環(huán)境信息和設(shè)備操作信息根據(jù)節(jié)點(diǎn)ID進(jìn)行分表存儲(chǔ)。在本系統(tǒng)中使用MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行分表存儲(chǔ)管理，基于Spring Data JPA框架完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)與操作。

4.3 ?云端網(wǎng)頁(yè)管理

云端平臺(tái)的設(shè)計(jì)基于Browser/Server （瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)，采用網(wǎng)頁(yè)作為管理系統(tǒng)的應(yīng)用層軟件。由于平臺(tái)架設(shè)在云端，只要有可靠的互聯(lián)網(wǎng)接入手段，棚室集總管理者即可通過(guò)電腦或智能手機(jī)等設(shè)備遠(yuǎn)程訪問(wèn)云端平臺(tái)。管理者可通過(guò)云端平臺(tái)提供的網(wǎng)頁(yè)完成用戶管理、節(jié)點(diǎn)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、設(shè)備控制、告警管理與歷史數(shù)據(jù)查詢等操作。

用戶管理功能為使用云端平臺(tái)的棚室管理員用戶提供賬號(hào)注冊(cè)、登錄以及資料修改等用戶管理操作。節(jié)點(diǎn)管理功能面向終端節(jié)點(diǎn)完成遠(yuǎn)程管理，通過(guò)其進(jìn)行對(duì)棚室內(nèi)終端節(jié)點(diǎn)的增刪、屬性設(shè)置等遠(yuǎn)程管理操作。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能通過(guò)實(shí)時(shí)繪制環(huán)境信息折線圖展示終端節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各棚室環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。設(shè)備控制功能面向與終端節(jié)點(diǎn)相連接的棚室設(shè)備，管理員通過(guò)其向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令，完成對(duì)設(shè)備的控制操作。告警管理功能實(shí)時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)終端節(jié)點(diǎn)回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷數(shù)據(jù)包中各環(huán)境變量/設(shè)備參數(shù)是否正常，若存在異常則將終端節(jié)點(diǎn)ID、上報(bào)時(shí)間、異常變量及告警原因記錄并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中的警報(bào)信息表中，在用戶UI發(fā)出告警提示。歷史查詢功能提供對(duì)云端數(shù)據(jù)庫(kù)中已存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的查詢。

5 ?系統(tǒng)測(cè)試

在位于上海市松江區(qū)的某組棚室內(nèi)模擬蔬菜種植環(huán)境，部署終端節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)ID為0x00～0x0D。設(shè)定終端節(jié)點(diǎn)的采集周期為5 min。云端平臺(tái)部署于阿里云服務(wù)器，服務(wù)器系統(tǒng)為Window 2012 R2版本，配置為單核1 GB內(nèi)存以及40 GB的SSD云盤。APP測(cè)試機(jī)型Android版本為9.0，藍(lán)牙版本為BT 4.2及BT 5.0，CPU為驍龍660，HiSilicon Kirin970，HiSilicon Kirin980。系統(tǒng)測(cè)試時(shí)長(zhǎng)覆蓋番茄發(fā)芽期全程（約14天）。節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)所得的棚室環(huán)境數(shù)據(jù)如圖7所示。

測(cè)試中首先對(duì)終端節(jié)點(diǎn)蔬菜棚室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，通過(guò)將節(jié)點(diǎn)采集到的蔬菜種植參數(shù)與人工采集的種植參數(shù)進(jìn)行比較，二者具有較高的一致性。此外在測(cè)試中，未發(fā)現(xiàn)因終端節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)讀取異常以及數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤帶來(lái)的異常監(jiān)測(cè)記錄。結(jié)果表明通過(guò)節(jié)點(diǎn)可以有效對(duì)棚室蔬菜種植過(guò)程參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。使用中還驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制的有效性。測(cè)試中將節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制端口與外部設(shè)備連接，并進(jìn)行了云端遠(yuǎn)程控制及現(xiàn)場(chǎng)手機(jī)端控制測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，終端節(jié)點(diǎn)可以有效地受云端或智能手機(jī)控制，為外部設(shè)備提供可靠的邏輯控制信號(hào)。在測(cè)試中，各終端節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期工作穩(wěn)定未發(fā)生故障。終端節(jié)點(diǎn)未受到邏輯控制輸出接口所連接棚室機(jī)電設(shè)備的電氣干擾。上述測(cè)試結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)可長(zhǎng)期有效地部署于棚室內(nèi)部，支撐管理者進(jìn)行遠(yuǎn)程或現(xiàn)場(chǎng)的精準(zhǔn)管理。

終端節(jié)點(diǎn)在部署后，絕大多數(shù)情況下可以在5 s內(nèi)完成NB?IoT網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)接入，實(shí)現(xiàn)云端平臺(tái)與終端節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包上傳與控制命令的接收均無(wú)異常。在網(wǎng)絡(luò)狀況良好時(shí)，云端平臺(tái)網(wǎng)頁(yè)端功能使用正常，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多棚室的集中式環(huán)境監(jiān)測(cè)與設(shè)備控制。測(cè)試期間，阿里云服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)良好，云端平臺(tái)數(shù)據(jù)管理功能正常。在數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)超過(guò)10萬(wàn)條記錄時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)依舊保持性能良好，查詢速度未有明顯下降。在無(wú)明顯遮擋的情況下，手機(jī)端APP可以在3 s內(nèi)完成與終端節(jié)點(diǎn)的連接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包與控制命令的可靠傳輸。APP在不同測(cè)試手機(jī)中功能使用正常，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊棚室的現(xiàn)場(chǎng)管理。測(cè)試時(shí)，未出現(xiàn)閃退等異?，F(xiàn)象，APP數(shù)據(jù)存儲(chǔ)正常。

為評(píng)價(jià)遠(yuǎn)程及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸效果，以系統(tǒng)中以終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率[ρ]作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，[ρ]計(jì)算公式為：

式中：[ps]是傳輸過(guò)程中丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量;[pr]是終端節(jié)點(diǎn)向云端平臺(tái)或手機(jī)APP端發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量。在測(cè)試過(guò)程中，因?yàn)楦鞴?jié)點(diǎn)工作狀態(tài)不同，所以各節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)包數(shù)量有所差異。測(cè)試中，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)NB?IoT網(wǎng)絡(luò)最少上傳4 000個(gè)數(shù)據(jù)包，平均上傳4 032個(gè)數(shù)據(jù)包，傳輸過(guò)程中平均每個(gè)節(jié)點(diǎn)丟失4個(gè)數(shù)據(jù)包，平均丟包率0.099 2%。每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)藍(lán)牙最少發(fā)送1 000個(gè)數(shù)據(jù)包，平均發(fā)送1 015個(gè)數(shù)據(jù)包，傳輸過(guò)程中平均每個(gè)節(jié)點(diǎn)丟失3個(gè)數(shù)據(jù)包，平均丟包率為0.295 5%，滿足了棚室管理系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸高穩(wěn)定性的要求。

針對(duì)系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理者與現(xiàn)場(chǎng)管理者的回訪調(diào)查顯示，云端平臺(tái)的管理網(wǎng)頁(yè)與手機(jī)APP界面布局簡(jiǎn)潔，功能豐富。管理網(wǎng)頁(yè)在電腦與手機(jī)平臺(tái)各瀏覽器中支持良好，手機(jī)APP在主流機(jī)型中正常運(yùn)行。網(wǎng)頁(yè)與APP的操作簡(jiǎn)捷，用戶無(wú)需長(zhǎng)時(shí)間使用培訓(xùn)后即可正常操作，并擁有較好的用戶體驗(yàn)。

6 ?結(jié) ?論

為同時(shí)滿足智慧蔬菜棚室種植中集總式遠(yuǎn)程管理與分布式現(xiàn)場(chǎng)管理的需求，設(shè)計(jì)基于NB?IoT與智能手機(jī)的蔬菜棚室智慧管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)由棚室現(xiàn)場(chǎng)終端節(jié)點(diǎn)、適配NB?IoT的云端平臺(tái)和基于Android的現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)APP組成。通過(guò)本系統(tǒng)可以有效對(duì)蔬菜棚室種植參數(shù)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)棚室農(nóng)業(yè)機(jī)電設(shè)備的控制。利用NB?IoT數(shù)據(jù)通道可以實(shí)現(xiàn)從棚室到云端的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)服務(wù)于遠(yuǎn)程管理者的云端集總式蔬菜棚室管理。在現(xiàn)場(chǎng)管理中，作業(yè)者可以使用安裝APP的智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)局域環(huán)境內(nèi)的分布式管理功能操作。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可以有效支持智慧農(nóng)業(yè)棚室管理的需求。

注：本文通訊作者為萬(wàn)雪芬。

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