基于NB-IoT的農(nóng)作物種植測控系統(tǒng)的研究

唐婷 彭仁杰 王爍

摘要：現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)以提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量、降低人力資源投入、科學(xué)種植為基本目標(biāo)，但農(nóng)作物種植過程的測控水平依然亟待提高。NB-IoT技術(shù)具有深覆蓋、海量連接、能耗低、所占帶寬小的技術(shù)特征，配備各類傳感器能夠非常方便地獲取第一手?jǐn)?shù)據(jù)，適用于終端設(shè)備量大，對網(wǎng)絡(luò)傳輸速率要求低，尤其是不宜網(wǎng)絡(luò)布線的場景。研究創(chuàng)建基于NB-IoT技術(shù)的農(nóng)作物智能測控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸、智能處理、用戶應(yīng)用四層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)從農(nóng)田到客戶端的農(nóng)作物種植全過程測控。

關(guān)鍵詞：NB-IoT;物聯(lián)網(wǎng);農(nóng)作物種植;測控;數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TN929.5;TP391.44? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）15-0006-03

Abstract： The basic goal of modern agriculture is to increase the yield and quality of crops， reduce human resource input， and scientific planting. However， the level of measurement and control in the process of crop planting still needs to be improved urgently. NB-IoT technology has the technical characteristics of deep coverage， massive connection， low energy consumption and small bandwidth. Equipped with various sensors， it is very convenient to obtain first-hand data. It is suitable for the scene with large amount of terminal equipment and low requirements for network transmission rate， especially for the scene where network wiring is not suitable. This research creates a crop intelligent measurement and control system based on NB-IoT technology， and designs a four-layer structure of data perception， network transmission， intelligent processing， and user application to realize the measurement and control of the whole process of crop planting from farmland to client.

Key words： NB-IoT; Internet of Things; crop planting; measurement and control; data acquisition

1 背景

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)逐步興起，NB-IOT技術(shù)在數(shù)字化系統(tǒng)溫室大棚、智能水表、智慧停車、冷鏈物流、智能穿戴、畜牧業(yè)養(yǎng)殖等方面得到了深入研究與廣泛應(yīng)用[1]。相比之下，我國農(nóng)作物種植地域分布廣，種類豐富，但農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，散戶種植依舊居多，對農(nóng)田的耕種依賴于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，缺乏科學(xué)指導(dǎo)，不恰當(dāng)?shù)姆N植還會引發(fā)環(huán)境問題。構(gòu)建基于NB-IOT技術(shù)的農(nóng)作物種植測控系統(tǒng)，促進(jìn)各類農(nóng)作物大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)，構(gòu)建農(nóng)情檢測、種植技術(shù)體系，進(jìn)一步加快農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，加速農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。

2 NB-IoT技術(shù)概述

2.1 NB-IoT技術(shù)簡介

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things），譯為窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)，屬于工作于授權(quán)頻譜下，3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)的無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被稱作低功耗廣域網(wǎng)（LPWA）[2]，其設(shè)備連接形式與常見的藍(lán)牙、WIFI等類似。2016年6月NB-IoT核心標(biāo)準(zhǔn)正式在3GPP-R13確定，為滿足更多的技術(shù)研發(fā)和市場需求，2017年6月3GPP在Re-14中對NB-IoT進(jìn)行了一系列增強(qiáng)技術(shù)并于完成了核心規(guī)范。此后，NB-IoT在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域大顯身手，2017年被業(yè)界稱為NB-IoT“商用元年”。

2.2 NB-IoT技術(shù)特點(diǎn)

以NB-IoT技術(shù)為核心的物聯(lián)網(wǎng)，因其眾多優(yōu)點(diǎn)在智慧城市、智能家居、智能交通、智慧農(nóng)業(yè)等方面具有較高的應(yīng)用與推廣價值。

2.2.1 穩(wěn)定性

NB-IoT可直接部署于各運(yùn)營商現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)之上，無須額外建設(shè)基站，部署成本降低。NB-IoT只需消耗大約180KHz的帶寬，可采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立載波等三種部署方式，不影響傳統(tǒng)業(yè)務(wù)和其他物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的穩(wěn)定，并能實(shí)現(xiàn)平滑升級。

2.2.2 深覆蓋

NB-IoT通過提升功率譜密度和重復(fù)傳輸兩種方法擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，與同頻的其他網(wǎng)絡(luò)相比，NB-IoT具有接近20dB的增益，即使在地下室、地下車庫等場所也能實(shí)現(xiàn)信號深度覆蓋。

2.2.3 低功耗

NB-IoT技術(shù)聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應(yīng)用。目前，受蓄電技術(shù)的制約，物聯(lián)網(wǎng)中的各類終端通常采用降低功耗來延長待機(jī)時間和壽命。在NB-IoT中利用PSM技術(shù)和eDRX技術(shù)控制終端設(shè)備的休眠與激活，使耗電量降低200倍，平均功耗可達(dá)12.5年[3]，特別適用于山林荒野等不便于經(jīng)常更換電池和充電的各類監(jiān)測傳感器，可以保障電池5年以上的使用壽命。

2.2.4 安全性

NB-IOT工作于3GPP授權(quán)頻譜下，可避免干擾，采用4G加密技術(shù)，數(shù)據(jù)安全性得到保證。

2.2.5 海量連接

與藍(lán)牙、WIFI等無線網(wǎng)絡(luò)不同，NB-IoT屬于運(yùn)營商授權(quán)網(wǎng)絡(luò)，終端連接量大，200kHz的帶寬可以提供10萬個連接，一個基站覆蓋范圍可達(dá)10km。

2.3 NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)

基于NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)的基本框架主要分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層，包括感知終端、基站、物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理平臺、應(yīng)用系統(tǒng)等重要組成部分。其中，感知層依照實(shí)際需求部署相應(yīng)數(shù)量的各類NB-IoT感知終端，負(fù)責(zé)收集相關(guān)數(shù)據(jù)并實(shí)施檢測;基站、物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理平臺屬于傳輸層，基站由運(yùn)營商搭建，現(xiàn)成基站數(shù)量眾多，可滿足NB-IoT終端的接入需求，物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)包含各類傳輸控制方案，提供物聯(lián)網(wǎng)管理服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)管理平臺主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸、存儲和分析，感知層所獲得的信息通過網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行傳遞，該層還負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)安全管理;應(yīng)用層面向用戶，提供專門開發(fā)的解決某一問題的應(yīng)用程序，用戶可通過指令控制智能終端完成相應(yīng)的功能[3-5]。

3 基于NB-IoT的農(nóng)作物種植測控系統(tǒng)

3.1 農(nóng)作物種植測控的困境

農(nóng)作物種植受光照、濕度、溫度、土壤酸堿度等環(huán)境條件的影響，在生長過程中還要進(jìn)行澆水、施肥、滅蟲等人工干預(yù)以保證產(chǎn)量與質(zhì)量。目前，農(nóng)作物種植過程中的各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集依然依賴于人工錄入，耗時久、延時長、數(shù)據(jù)量有限，數(shù)據(jù)基礎(chǔ)總體薄弱，數(shù)據(jù)精度不高，實(shí)時性較差，為此投入的人力資源過多，農(nóng)作物種植過度依賴經(jīng)驗(yàn)，數(shù)據(jù)分析與預(yù)測的欠缺不利于市場流通與監(jiān)管。農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)需要大量的數(shù)據(jù)作為支撐條件，為獲取農(nóng)作物種植的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，農(nóng)村農(nóng)業(yè)部出臺了相關(guān)政策推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村大數(shù)據(jù)的發(fā)展，部分專家學(xué)者就農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了深入研究，建設(shè)了以GPRS、LoRa等技術(shù)為核心的農(nóng)業(yè)種植測控系統(tǒng)，雖取得了一定成效，但該類技術(shù)存在傳輸距離短、信號覆蓋范圍小、設(shè)備連接量有限、終端待機(jī)時間短等劣勢，不利于農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)化發(fā)展。為有效解決數(shù)據(jù)采集和分析問題，引入NB-IoT技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)，發(fā)揮NB-IoT低功耗、廣覆蓋、海量連接等優(yōu)勢，幫助人們獲得更加及時、準(zhǔn)確、全面和清晰的數(shù)據(jù)信息[6]。

3.2 基于NB-IoT的農(nóng)作物種植測控系統(tǒng)功能分析

以NB-IoT為技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一款農(nóng)作物種植測控系統(tǒng)，監(jiān)測農(nóng)作物生長的環(huán)境數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析進(jìn)而完成生長預(yù)測和科學(xué)種植指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)對不同遠(yuǎn)程執(zhí)行設(shè)備的控制，建立農(nóng)作物信息庫，系統(tǒng)功能設(shè)置為數(shù)據(jù)采集、展示與查詢、智能預(yù)測、遠(yuǎn)程控制、自動控制、系統(tǒng)穩(wěn)定與功能擴(kuò)展。

1）數(shù)據(jù)采集、展示、查詢：收集農(nóng)作物種植的環(huán)境數(shù)據(jù)并上傳至服務(wù)器，通過WEB端或手機(jī)App向用戶提供歷史數(shù)據(jù)，可將數(shù)據(jù)生成不同圖形以方便查看與比較，用戶使用指令即可完成查詢操作，WEB端提供數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。

2）智能預(yù)測：根據(jù)農(nóng)作物生長數(shù)據(jù)與科學(xué)指導(dǎo)數(shù)據(jù)的比較，預(yù)測農(nóng)作物生長趨勢，分析農(nóng)藥、化肥等對環(huán)境的影響度，提醒用戶做好種植前的預(yù)備工作。

3）遠(yuǎn)程控制：用戶根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，決定是否通過WEB端或手機(jī)App開啟遠(yuǎn)程智能設(shè)備。

4）自動控制：根據(jù)不同農(nóng)作物生長需求，提前設(shè)置好各類參數(shù)的閾值，當(dāng)感知終端獲取的實(shí)時數(shù)據(jù)達(dá)到閾值時，智能終端自動開始工作，減少種植戶的工作量。

5）系統(tǒng)穩(wěn)定與功能擴(kuò)展：農(nóng)作物種植的田間地頭大部分遠(yuǎn)離城市，網(wǎng)絡(luò)信號不穩(wěn)定，設(shè)備安裝與維護(hù)都存在一定困難，但該系統(tǒng)是NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，最底層的數(shù)據(jù)來源依賴于物聯(lián)網(wǎng)終端，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性便首當(dāng)其沖。此外，要預(yù)留相應(yīng)的接口供未來新設(shè)備的安裝和軟件模塊升級，以適應(yīng)不斷發(fā)展的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化需求[7]。

3.3 基于NB-IoT的農(nóng)作物種植測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)上述功能，本系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)，設(shè)置數(shù)據(jù)感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、智能處理層、平臺應(yīng)用層，如圖1所示。

3.3.1數(shù)據(jù)感知層

該層位于系統(tǒng)的最底層，是所有數(shù)據(jù)的來源，主要布置各類傳感器與智能終端。通過調(diào)試，在適當(dāng)?shù)奈恢貌贾酶黝惢贜B-IoT技術(shù)的傳感器，用來完成種植過程中的環(huán)境數(shù)據(jù)采集，例如土壤傳感器、光照傳感器、空氣傳感器、化學(xué)傳感器等，獲取農(nóng)作物生長過程中的土壤、光照、空氣、化肥、農(nóng)藥等數(shù)據(jù)，可根據(jù)需求設(shè)置數(shù)據(jù)讀取和上傳的時間間隔，以便在空閑時開啟傳感器的休眠狀態(tài)，減少功耗，延長傳感器待機(jī)時長。根據(jù)實(shí)際在農(nóng)田中布置結(jié)合NB-IoT技術(shù)的智能控制終端，例如灌溉設(shè)備、保溫設(shè)備、農(nóng)藥噴灑設(shè)備等，當(dāng)獲取應(yīng)用層的指令后，能自動完成灌溉、保溫、施肥等工序。

3.3.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

該層負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)感知層的NB-IoT設(shè)備接入Internet，是信息傳輸與控制過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。網(wǎng)絡(luò)連接分為有線連接和無線連接，有線連接由移動、聯(lián)通、電信三大運(yùn)營商提供，各運(yùn)營商都有現(xiàn)成的基站，極大降低了NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)的入網(wǎng)成本;無線連接以NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，首要的是配備嵌入式網(wǎng)關(guān)，將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單分析處理后，經(jīng)過NB-IOT與運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器的數(shù)據(jù)庫中存儲，并為控制智能終端的電磁閥開關(guān)提供通信服務(wù)[7]。

3.3.3 智能處理層

智能處理層主要包含了數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢、大數(shù)據(jù)分析等數(shù)據(jù)處理功能，將采集的信息上傳至云服務(wù)器，用戶應(yīng)用層提供的可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全防御功能，通過PC端檢測系統(tǒng)和手機(jī)App為提供查詢接口，實(shí)時比對農(nóng)作物生長所需條件的指標(biāo)范圍，為用戶自行開啟與關(guān)閉智能終端電磁閥開關(guān)提供依據(jù)。對傳感器所采集的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評估，預(yù)測農(nóng)作物生長態(tài)勢并實(shí)現(xiàn)對土壤、水資源等污染風(fēng)險的管控，已達(dá)到節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的目的。

3.3.4 用戶應(yīng)用層

用戶應(yīng)用層位于系統(tǒng)的最上層，是用戶與檢測系統(tǒng)進(jìn)行交互的接口層。設(shè)計(jì)適用于PC端的農(nóng)作物種植檢測系統(tǒng)或手機(jī)端App，監(jiān)測的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果將直接呈現(xiàn)給用戶，為種植戶、農(nóng)業(yè)專家、管理者提供訪問監(jiān)測系統(tǒng)的界面，幫助用戶實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物種植管理的數(shù)字化和可視化。

4 結(jié)論與展望

基于NB-IoT的農(nóng)作物種植測控系統(tǒng)能夠加強(qiáng)農(nóng)作物種植過程中數(shù)據(jù)采集的真實(shí)性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性，數(shù)據(jù)管理的智能化，提高了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化設(shè)備的使用與管理水平。該系統(tǒng)還可以結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)更進(jìn)一步研發(fā)，以提高數(shù)據(jù)的安全性。成熟的農(nóng)作物種植測控系統(tǒng)可在農(nóng)田、茶園、棉田、藥田等進(jìn)行推廣，配以各類農(nóng)用終端產(chǎn)品，真正實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。

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