赫宜 雷興民

摘要：基于EMTC技術(shù)的精細(xì)化種植監(jiān)測大數(shù)據(jù)研究平臺，利用低功耗MCU采用組內(nèi)置的lO～it精度的ADC功能采集養(yǎng)植環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過EMTC通訊網(wǎng)絡(luò)，將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到應(yīng)用服務(wù)器，經(jīng)過云端計(jì)算機(jī)智能分析模塊，對大量數(shù)據(jù)存儲和分析后，以友好的圖表方式通過微信公眾號推送到用戶界面，智能提醒用戶在何時(shí)澆水，何時(shí)使用營養(yǎng)液等多種互動響應(yīng);平臺宗旨打造精細(xì)化養(yǎng)植的大數(shù)據(jù)中心，通過數(shù)據(jù)收集、分析、建模，形成一套標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)模型，可以科學(xué)的、有效的指導(dǎo)用戶精細(xì)種植，提高產(chǎn)量，提高品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：EMTC技術(shù);大數(shù)據(jù)平臺;微信公眾號

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）01-0236-03

物物相連、人機(jī)互通的智能化的實(shí)現(xiàn)，隨著信息技術(shù)的發(fā)展、通信技術(shù)的不斷演進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)連接的日益增長，得到了有效的支撐。通過實(shí)時(shí)消息傳輸機(jī)制，對農(nóng)作物成長的全過程進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，深度數(shù)據(jù)挖掘，建立種植大數(shù)據(jù)模型，對用戶種植進(jìn)行科學(xué)的數(shù)據(jù)支持和指導(dǎo)是新技術(shù)服務(wù)于用戶的良好應(yīng)用。

1針對IoT的網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)

1.1 NB-IOT技術(shù)

設(shè)計(jì)目標(biāo)是在GSM基礎(chǔ)上覆蓋增強(qiáng)20dB。其主要特點(diǎn)有匹配連接低數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)備、滿足低功耗、深度廣覆蓋和大連接等。

中國電信業(yè)務(wù)自2016年10月布局NB-IoT以來，于2017年6月已建成全球覆蓋最廣的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，基站達(dá)到31萬。

1.2 EMIC技術(shù)

3GPPRl3標(biāo)準(zhǔn)針對物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，基于LTE進(jìn)行優(yōu)化演進(jìn)，設(shè)計(jì)了專門用于物聯(lián)網(wǎng)的FDD e MTC（EnhancedMa.chine Type Communications）技術(shù)。其主要特點(diǎn)：降低發(fā)射功耗、降低硬件成本、支持語音技術(shù)、覆蓋更廣、移動性支持。

中國電信將eMTC作為2018年重點(diǎn)業(yè)務(wù)，計(jì)劃2017年進(jìn)行e MTc網(wǎng)絡(luò)測試2018年實(shí)現(xiàn)商用部署。

2基于EMTC技術(shù)的精細(xì)化種植監(jiān)測大數(shù)據(jù)研究平臺

本系統(tǒng)應(yīng)用無線通訊技術(shù)、種植環(huán)境（土壤溫濕度，酸堿度，空氣溫濕度，光照度）監(jiān)控技術(shù)、智能控制調(diào)試技術(shù)、大型數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸加密技術(shù)、實(shí)時(shí)消息推送技術(shù)和嵌入式操作技術(shù)，對農(nóng)作物生長環(huán)境的進(jìn)行檢測，采集溫濕度、土壤酸堿度、空氣溫濕度、光照度等數(shù)據(jù)，通過實(shí)時(shí)消息傳輸機(jī)制上傳云端服務(wù)器，對農(nóng)作物成長的全過程進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，深度數(shù)據(jù)挖掘，建立種植大數(shù)據(jù)模型，對新用戶種植進(jìn)行科學(xué)的數(shù)據(jù)支持和指導(dǎo)。

2.1總體架構(gòu)

本系統(tǒng)架構(gòu)分為三層數(shù)據(jù)采集傳輸層、大數(shù)據(jù)分析存儲層、用戶應(yīng)用層。

數(shù)據(jù)采集傳輸層，采用低功耗主控MCU，采集數(shù)據(jù)并通過eMTC通訊網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳送到平臺端;采集單元內(nèi)置電池供電，工作在低功耗模式，為定時(shí)工作狀態(tài)，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)采集數(shù)據(jù)并執(zhí)行上傳動作，在網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，可保存在內(nèi)部的存儲單元內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，一起將存儲單元的歷史數(shù)據(jù)上傳。

大數(shù)據(jù)分析存儲層，采用MQTY消息通訊協(xié)議為媒介，支持大并發(fā)的終端數(shù)據(jù)處理，可動態(tài)擴(kuò)展，接受采集數(shù)據(jù)分析處理后保存在DB云存儲器中，DB云存儲也為彈性設(shè)計(jì)，根據(jù)用戶終端的增加，可以彈性擴(kuò)張，而不影響業(yè)務(wù)，降低前期成本支出，采用云存儲也為數(shù)據(jù)安全提供了基礎(chǔ)設(shè)施。

用戶應(yīng)用層有APP應(yīng)用服務(wù)器和微信公眾號服務(wù)API兩部分組成，其應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)設(shè)備信息維護(hù)，用戶信息維護(hù)，提醒消息管理，展示數(shù)據(jù)提取格式封裝等工作;微信公眾號為用戶端直接使用的界面，完成對采集自系統(tǒng)的掃描、設(shè)備綁定、設(shè)備狀態(tài)查看、設(shè)備采集數(shù)據(jù)展示、提醒消息推送等用戶任務(wù)，是整個(gè)平臺用戶和系統(tǒng)交互的橋梁，設(shè)計(jì)原則為友好，便捷，高效，穩(wěn)定性好，兼容性強(qiáng)。

2.2技術(shù)方案架構(gòu)

基于低功耗MCU主控核心的采集傳感單元，采集室內(nèi)植物種植環(huán)境數(shù)據(jù)，通過10BIT精度的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換成精確的數(shù)字型號，封裝為特定的數(shù)據(jù)格式，通過MQTT消息通訊協(xié)議上傳至應(yīng)用服務(wù)器，完成數(shù)據(jù)采集的任務(wù)。

MQTr消息服務(wù)器采用開源Apache Apollo項(xiàng)目來搭建;配置為MQTr3.1版本通訊協(xié)議，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的消息傳遞和通知功能，采集終端將采集的數(shù)據(jù)通過Apollo服務(wù)器上傳到應(yīng)用服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器中有用戶的提醒消息后，發(fā)送提醒指令到ApoHo消息服務(wù)器，消息服務(wù)器調(diào)用微信公眾號開發(fā)API接口驅(qū)動消息并推送到用戶手機(jī)微信終端，完成提醒消息的推送任務(wù);用戶微信端綁定設(shè)備，查看設(shè)備指令到微信公眾號服務(wù)器，通過Apollo消息服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)到應(yīng)用服務(wù)器提取對應(yīng)數(shù)據(jù)返回，完成數(shù)據(jù)交互任務(wù)。

APP應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和分析，因采用讀寫分離的數(shù)據(jù)庫訪問機(jī)制，存儲和應(yīng)用獨(dú)立分開，存儲可擴(kuò)展，性能可以彈性變化，應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析，用戶消息提醒任務(wù)，采集定時(shí)任務(wù)，管理端web服務(wù)任務(wù)的調(diào)度處理。

用戶端微信公眾號是用戶的唯一交互界面，本著使用方便，無須安裝，操作友好，響應(yīng)性快捷等特點(diǎn)為用戶提供最為便捷的體驗(yàn)。

2.3子系統(tǒng)功能分析

2.3.1基于EMTC技術(shù)的土壤濕度采集及濕度控制的采集子系統(tǒng)

采集子系統(tǒng)也就是采集終端，用戶直接使用的唯一終端設(shè)備，通過微信公眾號和專屬APP掃碼綁定設(shè)備，和用戶建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，完成綁定操作;第二步按照要求插入土壤中，設(shè)備即可以開始正常工作;智能終端設(shè)備自動檢測自配電池的電量，當(dāng)電量低與一定的閥值，系統(tǒng)將通過微信公眾號提醒消息推動到用戶手機(jī)端，提醒用戶更換電池，并同時(shí)，設(shè)備的LED狀態(tài)指示燈也將給予提示。

濕度傳感器，采用兩根金屬探針，深入插入種植土壤中，精確的檢測土壤中的濕度狀況，而不是簡單的檢測周圍空氣的濕度，這樣檢測的數(shù)據(jù)更為精確可靠，為后期大數(shù)據(jù)分析收集提供可靠的數(shù)據(jù)支持;濕度傳感器和主控單元連接，并采用10Bit精度的ADC轉(zhuǎn)換模塊，采集精度可以達(dá)到10mv級別。

設(shè)備設(shè)計(jì)為電池供電，所以采用了低功耗模式，保證了電池供電，設(shè)備的使用壽命;采集終端使用高效低功耗電源管理技術(shù)，優(yōu)化配置非必需功能的輸出功耗，調(diào)節(jié)系統(tǒng)休眠模式與工作模式之間的切換頻率，在休眠模式下，其設(shè)計(jì)的功耗電流小于30uA，處于網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)時(shí)，其輸出功率小于8mW。

單按鍵配置功能：為減少系統(tǒng)操作復(fù)雜度，設(shè)計(jì)精簡便捷，整個(gè)智能終端設(shè)備設(shè)計(jì)了一個(gè)按鍵和一個(gè)LED狀態(tài)指示燈;初始關(guān)機(jī)狀態(tài)下，長按3s開機(jī)，系統(tǒng)指示燈慢閃（每1s閃爍一次）啟動，自動進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài);當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連通，與服務(wù)器建立連接，LED指示燈常亮狀態(tài)，成功發(fā)送一筆采集數(shù)據(jù)后，指示燈快閃（100ms閃爍一次）3次，然后熄滅，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入深度低功耗模式，沒間隔一定時(shí)間后，系統(tǒng)自動快速喚醒，采集數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)傳輸，一般情況下，這個(gè)過程會在1s內(nèi)完成，繼續(xù)靜茹低功耗狀態(tài);在新設(shè)備沒有和用戶綁定前，指示燈一直慢閃，長按5s以上，系統(tǒng)進(jìn)入用戶綁定狀態(tài)，用戶通過掃碼綁定成功，指示燈停止慢閃，變?yōu)殚L亮，等待傳輸?shù)谝徊綌?shù)據(jù)后快閃后關(guān)閉;長按8s以上，系統(tǒng)將關(guān)閉，停止所有動作，關(guān)閉各個(gè)模塊，進(jìn)入低功耗待機(jī)模式，取消定時(shí)喚醒設(shè)置，直到長按3s按鍵重新開啟系統(tǒng)。

串口配置：

采集終端提供了一個(gè)全雙工的串行接口，本系統(tǒng)作為系統(tǒng)調(diào)試的唯一有效的通道，設(shè)置為波特率115200，8數(shù)據(jù)位，1停止位，無檢驗(yàn)位，用于系統(tǒng)前期狀態(tài)輸出和調(diào)試，也可以用戶設(shè)備版本升級通道。

SPI Hash：本終端設(shè)備采用2MB的flash存儲芯片，具體劃分為1MB的數(shù)據(jù)存儲去，1MB的數(shù)據(jù)備份區(qū)，在極端情況下保存采集的用戶數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)通暢后，將用戶區(qū)提取后在上傳。

2.3.2微信端用戶子系統(tǒng)

微信端用戶子系統(tǒng)是用戶和系統(tǒng)之間的交互界面，以微信公眾號為基礎(chǔ)載體，綁定智能設(shè)備終端，就可以查看和配置設(shè)備，并同時(shí)接受系統(tǒng)發(fā)送的提醒信息。

微信公眾賬號是一種更輕量級的APP應(yīng)用形式，不用記域名，不用下載和安裝客戶端，方便項(xiàng)目快速推廣，快速實(shí)現(xiàn)應(yīng)用與用戶的便捷溝通。

安全頁面授權(quán)采用OAuth2.0認(rèn)證授權(quán)方式：

微信OAuth2.0授權(quán)模式保證了用戶客戶端登錄的唯一性和不可復(fù)制性，首次進(jìn)入客戶端系統(tǒng)，要求用戶登錄鑒權(quán)，成功鑒權(quán)后，系統(tǒng)內(nèi)部自動和用戶的微信ID帳號進(jìn)行對應(yīng)關(guān)聯(lián)，以后在登錄系統(tǒng)則無須重新鑒權(quán)，加快登錄速度，優(yōu)化用戶使用體驗(yàn)。

2.3.3 MTQQ消息服務(wù)子系統(tǒng)

Apache Apollo項(xiàng)目搭建;

MQTT協(xié)議安全授權(quán)配置;

接收智能設(shè)備推送的采集數(shù)據(jù)，并組織為隊(duì)列模式轉(zhuǎn)發(fā)到應(yīng)用服務(wù)器處理;

推送提醒消息到微信公眾號服務(wù)平臺，完成對用戶端的消息提醒。

2.4軟件體系架構(gòu)

2.4.1多層分布式軟件體系架構(gòu)

軟件體系架構(gòu)，目前主流的兩種體系架構(gòu)，一種是由微軟公司提供的組件式體系架構(gòu)（cOM模型），另一種是基于J2EE規(guī)范的構(gòu)件式體系架構(gòu)，考慮到基于J2EE規(guī)范的體系架構(gòu)具有更多的先進(jìn)性，特別是在支持多種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等方面，因此我們選擇了基于J2EE規(guī)范的構(gòu)件式體系結(jié)構(gòu)。

J2EE規(guī)范包括了一整套技術(shù)，總體上包括應(yīng)用服務(wù)器技術(shù)和應(yīng)用開發(fā)技術(shù)，在應(yīng)用服務(wù)器上經(jīng)過深入研究和比較，采用了tomcat服務(wù)器引擎;在應(yīng)用開發(fā)技術(shù)上，我們?nèi)鎽?yīng)用JSP、Servlet、Applet、EJB和WebStaa等多項(xiàng)Java技術(shù)，并利用這些技術(shù)建立了“構(gòu)件化”的軟件體系結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)的擴(kuò)展性和易維護(hù)性打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

基于此原理，管理系統(tǒng)中采用了多層分布式軟件體系架構(gòu)。

2.4.2平臺總體上分為以下四層

（1）業(yè)務(wù)展現(xiàn)層：用戶界面uI，給用戶提供登錄，查詢，報(bào)表展示，操作交互等，便捷合理的uI展示，是用戶使用整個(gè)系統(tǒng)的門戶;

（2）業(yè)務(wù)邏輯層：數(shù)據(jù)操作業(yè)務(wù)流，數(shù)據(jù)展現(xiàn)邏輯實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)進(jìn)入分析和數(shù)據(jù)輸出校驗(yàn)等操作功能的實(shí)現(xiàn)，是用戶展現(xiàn)層和數(shù)據(jù)存儲和管理層的紐帶;

（3）數(shù)據(jù)管理層：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)永久性存儲，數(shù)據(jù)邏輯優(yōu)化，數(shù)據(jù)庫連接池等系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)服務(wù)功能的實(shí)現(xiàn);

（4）基礎(chǔ)平臺層：操作系統(tǒng)安全性，數(shù)據(jù)庫進(jìn)程優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，為以上三層提供有力的平臺保證。

3結(jié)論

平臺宗旨是打造精細(xì)化養(yǎng)植的大數(shù)據(jù)中心，通過數(shù)據(jù)收集、分析、建模，形成一套標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)模型，可以科學(xué)的、有效的指導(dǎo)用戶精細(xì)種植，提高產(chǎn)量，提高品質(zhì)。

本系統(tǒng)推廣應(yīng)用受限于運(yùn)營商的eMTC網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，信號覆蓋較弱的地方，帶來的傳感器功耗的增加，設(shè)計(jì)為1-2年的電池壽命可能會加倍縮短，短期內(nèi)可以采用大容量電池解決，但隨著運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的擴(kuò)大和eMTC技術(shù)應(yīng)用的普及，這個(gè)問題隨之解決;在未來5G網(wǎng)絡(luò)普及和應(yīng)用推廣，可能有更好的無線傳輸標(biāo)準(zhǔn)適合我們的平臺，我們將緊緊跟隨科技技術(shù)發(fā)展的前沿，升級并更新我們的系統(tǒng)，讓用戶體驗(yàn)達(dá)到最好，最優(yōu)。