江濤

摘 要：為了適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求，需要依托先進(jìn)的信息技術(shù)打造全新的智慧農(nóng)業(yè)。本文中，以農(nóng)業(yè)大棚的智慧化建設(shè)為目標(biāo)，探討了在農(nóng)業(yè)大棚中構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的思路和基本方案。針對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，提出了體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體策略，并依托NB-LoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案完成物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)。在這一物聯(lián)網(wǎng)中，溫度傳感器、濕度傳感器、CO2氣體傳感器、光照傳感器等多種傳感器被使用，增強(qiáng)了農(nóng)業(yè)生長(zhǎng)過程的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)能力。相應(yīng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)方案，為農(nóng)業(yè)大棚的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)提供了技術(shù)上的支撐。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)；智慧農(nóng)業(yè)；農(nóng)業(yè)大棚；物聯(lián)網(wǎng)；體系結(jié)構(gòu)

在我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)體系構(gòu)成中，農(nóng)業(yè)作為第一產(chǎn)業(yè)占有舉足重輕的重要地位。只有穩(wěn)定的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、充足的糧食供給，才能保證第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)持續(xù)的快速發(fā)展[1]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國(guó)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)也在逐步向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，與各種科技手段結(jié)合、提高生產(chǎn)效率、創(chuàng)造更大的農(nóng)產(chǎn)品附加值，已經(jīng)成為我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的未來發(fā)展方向。農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)種植區(qū)域大、經(jīng)營(yíng)周期長(zhǎng)，農(nóng)戶和經(jīng)營(yíng)者很難做到全年無休、二十四小時(shí)的監(jiān)督和管理。在這種情況下，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，成為確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全和高效產(chǎn)出的重要技術(shù)保障[2]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使用了多種類型的傳感器，可以對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中作物生長(zhǎng)狀態(tài)、生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)期的穩(wěn)定監(jiān)測(cè)，甚至可以達(dá)到自動(dòng)灌溉、自動(dòng)給藥等智能化操作，是大面積高效種植的未來發(fā)展方向[3]。因此，本文中以農(nóng)業(yè)大棚為研究對(duì)象，探討物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在其中應(yīng)用的可行性，在進(jìn)行農(nóng)業(yè)大棚物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)相關(guān)的硬件和軟件配置進(jìn)行探討。

一、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智慧農(nóng)業(yè)

以農(nóng)業(yè)大棚為對(duì)象，在其中構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)作物生長(zhǎng)狀態(tài)的監(jiān)控，本質(zhì)上屬于智慧農(nóng)業(yè)的范疇。因此，本文中首先給出物聯(lián)網(wǎng)和智慧農(nóng)業(yè)的概念，以便于開展后續(xù)研究。

（一）物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)指的是將無處不在的末端設(shè)備和設(shè)施，包括具備“內(nèi)在智能”的傳感器、移動(dòng)終端、工業(yè)系統(tǒng)、樓控系統(tǒng)、家庭智能設(shè)施、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等和“外在使能”的，如貼上RFID的各種資產(chǎn)、攜帶無線終端的個(gè)人與車輛等等“智能化物件或動(dòng)物”或“智能塵?！保ㄟ^各種無線和/或有線的長(zhǎng)距離和/或短距離通信網(wǎng)絡(luò)連接物聯(lián)網(wǎng)域名實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通、應(yīng)用大集成以及基于云計(jì)算的SaaS營(yíng)運(yùn)等模式，在內(nèi)網(wǎng)、專網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，采用適當(dāng)?shù)男畔踩Ｕ蠙C(jī)制，提供安全可控乃至個(gè)性化的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、定位追溯、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、調(diào)度指揮、預(yù)案管理、遠(yuǎn)程控制、安全防范、遠(yuǎn)程維保、在線升級(jí)、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、決策支持、領(lǐng)導(dǎo)桌面等管理和服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)“萬物”的高效、節(jié)能、安全、環(huán)保的“管、控、營(yíng)”一體化。

（二）智慧農(nóng)業(yè)

智慧農(nóng)業(yè)就是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中去，運(yùn)用傳感器和軟件通過移動(dòng)平臺(tái)或者電腦平臺(tái)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行控制，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)更具有“智慧”。除了精準(zhǔn)感知、控制與決策管理外，從廣泛意義上講，智慧農(nóng)業(yè)還包括農(nóng)業(yè)電子商務(wù)、食品溯源防偽、農(nóng)業(yè)休閑旅游、農(nóng)業(yè)信息服務(wù)等方面的內(nèi)容。

智慧農(nóng)業(yè)是云計(jì)算、傳感網(wǎng)、3S等多種信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)中綜合、全面的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)更完備的信息化基礎(chǔ)支撐、更透徹的農(nóng)業(yè)信息感知、更集中的數(shù)據(jù)資源、更廣泛的互聯(lián)互通、更深入的智能控制、更貼心的公眾服務(wù)?！爸腔坜r(nóng)業(yè)”與現(xiàn)代生物技術(shù)、種植技術(shù)等科學(xué)技術(shù)融合于一體，對(duì)建設(shè)世界水平農(nóng)業(yè)具有重要意義。

二、基于NB-LoT通信技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控的農(nóng)業(yè)大棚，是具有濃厚智慧屬性的智慧農(nóng)業(yè)典型實(shí)現(xiàn)途徑。農(nóng)業(yè)大棚的智慧特征實(shí)現(xiàn)，主要是通過數(shù)量眾多、類型豐富的傳感器來實(shí)現(xiàn)的。這些傳感器替代了人的感知能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)和生長(zhǎng)過程的監(jiān)測(cè)。但是，這些傳感器要互聯(lián)成一個(gè)整體，就需要依托先進(jìn)的通信技術(shù)。這里，采用的是NB-LoT通信技術(shù)來完成農(nóng)業(yè)大棚的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。

（一）農(nóng)業(yè)大棚物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無論是何種形式的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)，都離不開通信技術(shù)。在各種通信技術(shù)中，能夠適用于物聯(lián)網(wǎng)的，必須考慮有效通信、低功耗的要求。因?yàn)檗r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)必須注重低成本、高性價(jià)比，這就使得NB-LoT成為農(nóng)業(yè)大棚物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)的首選。因?yàn)镹B-LoT組網(wǎng)過程中，不僅實(shí)現(xiàn)的技術(shù)流程簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，而且功耗低、成本低。

基于上述分析，本文中構(gòu)建的農(nóng)業(yè)大棚物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

在圖1中，一個(gè)上位主機(jī)可以同時(shí)控制多個(gè)農(nóng)業(yè)大棚，在圖中是分別采用序號(hào)來標(biāo)記的，如1號(hào)大棚、2號(hào)大棚、3號(hào)大棚等等。每一個(gè)大棚內(nèi)都含有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都可以配置一個(gè)傳感器，例如：在1號(hào)大棚中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)A可以配置溫度傳感器，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)B可以配置濕度傳感器，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)C可以配置氣體傳感器，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)D可以配置光照傳感器。2號(hào)大棚和3號(hào)大棚，可以按照同樣的方式進(jìn)行傳感器的配置，也可以根據(jù)棚內(nèi)農(nóng)作物種植的具體情況，進(jìn)行自己的傳感器配置。

每一個(gè)大棚內(nèi)的傳感器配置完成后，整體組網(wǎng)后通過NB-LoT和上位機(jī)進(jìn)行通信聯(lián)系，上位機(jī)起到總體的監(jiān)控和任務(wù)調(diào)度的作用。因此，對(duì)于一個(gè)農(nóng)戶而言，對(duì)于多個(gè)農(nóng)業(yè)大棚的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，只需要1臺(tái)計(jì)算機(jī)即可。當(dāng)然，前提是這些大棚必須和上位機(jī)建立有效的通信。

（二）農(nóng)業(yè)大棚網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳感器配置

從前面的分析和研究可知，農(nóng)業(yè)大棚的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)，依賴于一個(gè)個(gè)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)上配置的傳感器。所以，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件配置是非常關(guān)鍵的。在本文中，采用成本最低、技術(shù)最為成熟的51單片機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的控制器，其下可以配置不同類型的傳感器，用于大棚內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)和環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳感器配置如圖2所示。

在圖2中，以51單片機(jī)為核心，形成了農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件配置。圍繞著51單片機(jī)，溫度傳感器、濕度傳感器、氣體傳感器（CO2傳感器）、光照傳感器，形成了豐富的傳感器組，可以實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)、氣體數(shù)據(jù)、光照數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。另外，51單片機(jī)通過NB-LoT無線通信單元，和上位機(jī)以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線通信，以便于將節(jié)點(diǎn)采集到的溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)、氣體數(shù)據(jù)、光照數(shù)據(jù)及時(shí)上傳，也便于將上位機(jī)的各種指令接收并實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)各節(jié)點(diǎn)傳感器的重新調(diào)度。

（三）農(nóng)業(yè)大棚網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無線通信過程

在農(nóng)業(yè)大棚的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都配置了NB-LoT模塊，這個(gè)NB-LoT模塊承擔(dān)著無線通信的任務(wù)。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的NB-LoT模塊，都可以和臨近的其他NB-LoT模塊進(jìn)行通信，既包括上位機(jī)上的NB-LoT模塊，也包括臨近節(jié)點(diǎn)上的NB-LoT模塊。

在和臨近節(jié)點(diǎn)NB-LoT模塊進(jìn)行無線通信時(shí)，主要的流程如下：

第一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)參與無線通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，要配置不同的角色。為了確保通信過程的順利進(jìn)行，一個(gè)節(jié)點(diǎn)要設(shè)置為源通信節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)要設(shè)置為目標(biāo)通信節(jié)點(diǎn)。

第二個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)參與無線通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，依據(jù)源通信節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)通信節(jié)點(diǎn)的角色不同，分別配置相應(yīng)的通信資格。

第三個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)參與無線通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，依據(jù)源通信節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)通信節(jié)點(diǎn)的角色不同，分別設(shè)置通信頻率?？紤]到彼此之間要進(jìn)行通信信道的建立，這兩個(gè)通信頻率應(yīng)該設(shè)置為同樣的大小。

第四個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)參與無線通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，依據(jù)源通信節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)通信節(jié)點(diǎn)的角色不同，分別設(shè)置各自的計(jì)數(shù)器。

第五個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)參與無線通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，依據(jù)源通信節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)通信節(jié)點(diǎn)的角色不同，為源通信節(jié)點(diǎn)設(shè)置發(fā)送狀態(tài)，為目標(biāo)通信節(jié)點(diǎn)設(shè)置接收狀態(tài)。

第六個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)于農(nóng)業(yè)大棚的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)參與無線通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)源通信節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)通信節(jié)點(diǎn)之間的指示燈輪流閃爍時(shí)，通信過程已經(jīng)建立。

三、農(nóng)業(yè)大棚物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的各種信息采集

在前面的工作中，針對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，分別進(jìn)行了體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳感器配置和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信過程設(shè)計(jì)，接下來以某一個(gè)大棚內(nèi)的四類傳感器數(shù)據(jù)采集為對(duì)象，給出結(jié)果。

從下表1中記錄了一個(gè)大棚內(nèi)，通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的4個(gè)節(jié)點(diǎn)共16個(gè)傳感器在不同位置測(cè)定的溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)、光照數(shù)據(jù)、氣體數(shù)據(jù)的平均值。通過上述這組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，從當(dāng)日的9點(diǎn)06分開始記錄，一直到下午1點(diǎn)56分為止，溫度、濕度、光照、氣體都有了不同程度的變化。如果這種變化存在異常，在上位機(jī)負(fù)責(zé)總體監(jiān)控的農(nóng)戶，就可以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行處理，如表1所示。

結(jié)語

我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)正在逐步進(jìn)行現(xiàn)代化改革，智慧農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為提高生產(chǎn)效率、提升農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)品質(zhì)的必由之路。本文中，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行智慧化改造。研究過程中，依托NB-LoT通信技術(shù)，構(gòu)建了農(nóng)業(yè)大棚的傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括了溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、氣體傳感器。在給出農(nóng)業(yè)大棚物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步給出了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳感器配置和通信流程設(shè)計(jì)，并給出了最終的多傳感器采集結(jié)果，證實(shí)了對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的有效性。

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