基于NB-IOT技術的智能農田生態系統的設計與實現

季文文

（銅仁職業技術學院 貴州省銅仁市 554300）

農業作為現階段世界范圍農業發展的關鍵趨勢，中國是農業大國，更是精準農業的關鍵性需求，如何經濟與合理的降低投入，獲得更多的回報，不但是可持續性發展的主要關鍵需求，更是社會不斷進步的重要體現。農田環境監測作為對精準農業支撐的關鍵力量，進行便捷、實時以及有效的農田環境參數采集作為農業深入發展的關鍵性基礎。

1 物聯網技術

物聯網技術是將多種類別技術融合的復合型系統，能夠對系統內人和物進行識別與管理，從而實現人與物、人與人、物與物間的數據信息交換功能。對此，物聯網技術被較為廣泛運用在社會生產環節中。物聯網作為網絡數據信息的一個載體，也是當前我國較為前沿的信息技術手段，能夠連接普通實物，并和普通實物互聯互通，因此物聯網也可以稱為“物物聯合的互聯網”。物聯網的應用范圍十分廣泛，能夠幫助工作人員實現對系統的整合管理與整合控制。在農田監測系統中運用物聯網技術的時候，主要用到的技術有幾種：

1.1 感知技術

該項技術主要是運用傳感器技術、RFID 技術、RS 技術、GPS技術以及條碼技術等在任何地點和時間對農田中環境的信息數據進行獲取與采集。農業領域中信息感知技術包括：傳感器設備的感知技術，在對農田進行種植的環節中，環境中的溫度因素、濕度因素、光照因素、CO2濃度因素、水分因素與其他類別養分等各類自然性因素將會一同對農作物生長造成影響。加之，農作物生長的時候不能夠與四周環境相脫離，都隸屬農業領域中的要素，及時的獲得農業要素數據信息至關重要。而農業領域中傳感器設備能夠運用在采集各類農業要素的信息。其次，條碼技術，該種技術作為光電技術、集條碼理論、通信技術、計算機技術以及條碼印制技術作為一個整體類自動識別性技術，可以廣泛運用在農產品的追溯環節中，讓消費者清楚的知道所購買的農產品出自何處，有利于農產品的銷售。再次，RFID 技術，該項技術主要是使用射頻信號經過系統的空間耦合，以便于開展無接觸性的數據信息傳輸，從而達到對數據信息自動性識別的目標，可以廣泛應用在農產品的生產管理中。此外，GPS 技術，即全球定位系統，主要是利用衛星，在世界范圍內進行定位，以及導航技術，這一技術應用于農業領域，具有很高的導航效能。最后，RS 技術，還可以被稱作是遙感技術，運用遙感器設備獲取地球之上的各種物體所傳播出的電磁波相關數據信息，還可以將其當做是依照實施遠程的識別與控制檢測，將其運用在農業領域中，主要可以運用在監測農作物的水分狀況、長勢狀況以及產量狀況。

圖1：NB-IOT 技術的智能農田生態系統示意圖

1.2 傳輸技術

該種技術主要是把涉及到農作物，運用感知性設備將其接入傳輸網絡之中，使用有線通信網絡亦或是無線的通信網絡，可以隨時的對高精準度的數據信息實施共享與交互。傳輸技術關鍵包含以下幾點：

（1）無線傳感器設備網絡，一般將會被設計成為穩定性能較好、性能較強、功耗較低以及成本投入較低的多跳性自組織網絡，主要負責對被感知的對象數據信息開展感知、處理采集工作。該種傳感網絡會廣泛運用在農業資源的監測、大田的灌溉、水產品的養殖以及農產品的追溯等工作。

（2）移動通信技術。伴隨著農業領域中數字化與信息化的水準顯著提升，這一技術已經逐步的變成了農業領域中實施遠距離進行傳輸的主要技術，對移動通信技術進行開發和運用的時候，可以推動農業科技朝著現代化方向飛速發展。

1.3 處理技術

該項技術主要是將農業相關信息知識內容當做是基礎，運用各類智能化計算模式與手段，促使物體具有較高的智能性，可以被動亦或是主動的與用戶進行溝通。農業領域中處理技術主要包含以下幾點：

（1）預警與預測技術，開展農業信息預測可以將環境信息、土壤信息、氣象資料信息、作物信息亦或是農作物生產條件信息、化肥農藥信息、飼料信息、航拍信息、衛星影像等實時農業數據信息資料當做是依據，將理論當成是基礎，將數學的基本模型作為手段，研究未來發展的趨勢與可能性，實施估計與推測。農田預警作為農業發展狀態測度的技術，對各種不確定性狀況時空范圍進行預報，還會預報出危害的具體程度和具體性防范對策。

（2）智能決策技術可以廣泛應用于農田生產中，它的內容包括商務智能技術、人工智能技術、專家系統、知識管理系統和決策支持系統。

（3）還會運用診斷推理技術，若是農田生產出現病蟲害的時候，農作物將會有一系列特征，農業診斷作為農業專家依照農作物表現特征，知識理論與經驗開展識別與判斷，找出解決方法，實施改變與預防。

2 NB-IOT技術的智能農田生態系統的設計與實現

2.1 設計和實現傳感器節點

在物聯網相關技術之上，實時的智能化農田生態系統（圖1 為 NB-IOT 技術的智能農田生態系統示意圖）主要利用物聯網的感知層、傳輸層和應用層三層結構進行設計。感知層根據需求部署多個NB-IOT 采集終端設備，完成數據信息的采集與處理。對農田數據信息進行網絡采集功能實現作為網絡組建與采集感知數據的重點一環。每個NB-IOT 采集終端主要由傳感器采集模塊、單片機控制模塊、電源模塊、NB-IOT 通訊模塊等外圍電路組成。在此硬件基礎上，利用 NB-IOT 無線通信技術，從傳感器采集的濕度參數、溫度參數、光照強度參數以及二氧化碳參數等，經過運營商的NB-IOT 基站和核心網上傳到物聯網云平臺。物聯網云平臺負責存儲和管理采集到的農田環境數據，以此方便用戶利用手機APP 和瀏覽器進行及時查看。

首先，需要負責對所接收到的信息數據實施顯示、存儲，把信息數據繪制成為動態化的曲線開展針對性分析，而后對環境中參數信息實施閾值設置，若是所采集出的信息數據并不在其設置的氛圍中，就會出現報警與提示，以便于對農作物生產全過程進行監測。最后，將信息數據進行發布，方便系統可以接入Internet 內，從而實現出“傳感器-網絡一遠程監控”結構，可以將整體系統內的數據信息精準發布到互聯網中，對整體互聯網實時訪問。

2.2 設計和實現傳輸層系統

在對農業的傳感器設備網絡進行建設的時候，能夠運用射頻技術進行自組網絡，電信網絡、移動網絡以及互聯網等都可以實現數據信息的長距離傳輸與短距離傳輸。下面對幾種模式細致分析：

（1）WSN(無線傳感網絡) 作為將無線通信模式產出的一種自組織性的多跳性網絡系統，其中存在部署性檢測的區域中存在較多的傳感器節點，主要負責對被感知的數據信息進行感知、處理以及采集，而后將數據信息傳輸給觀察人員。短距離類無線通信技術內，藍牙技術、Wi-Fi 技術、ZigBee 技術等都可以運用在WSN，而這些技術均存在覆蓋面積小、高功耗、終端設備連接數量有限等問題。本設計為了解決這些問題，采用具有覆蓋范圍廣、低功耗、海量連接的NB-IOT 技術，可以被較為廣泛應用于現代物聯網應用技術中。通過NB-IOT無線技術與各類傳感器相連接，靈活部署于山間、農田、水域，為智能化農田生產提供了有力保障。農業領域移動互聯網作為移動終端，包含：手機設備、筆記本設備與物聯網專用設備，運用移動通信的網絡對互聯網進行訪問，靈活運用農業中互聯網的相關業務。本系統的目標設計，由于我國農田面積大、多山地、勞動力不足等因素，所以終端部署采用NB-IOT 技術進行深度覆蓋，通過傳感器采集的數據由物聯網專用SIM 卡通過NB-IoT 無線傳輸到基站，再通過核心網將數據傳輸至物聯網云平臺。因此在本系統中，NB-IoT 無線通信技術在數據傳輸層起到至關重要作用，是感知層和應用層的橋梁。

（2）WSN 作為融合分布類信息處理技術、嵌入式技術以及傳感器技術，可以協助多方進行感知，對環境與對象的信息開展監測，對數據信息實施分析與計算，而后運送入用戶平臺中。WSN 由許多傳感器節點組成，每一個傳感器由數據處理裝置，數據采集裝置以及控制模塊，NB-IOT 通訊模塊與供電裝置等共同組成。作為數據采集裝置，數據采集裝置采集周圍環境的數據信息。NB-IOT 通訊模塊通過無線傳輸技術將數據傳給遠方的基站。物聯網技術能夠將農業發展環節中各種環境問題解決，運用傳感器設備，將環境內大氣、水、土壤、養分等狀況精準記錄，分析出最適合農作物生長的環境指數，從而減少水資源、肥料的浪費，又避免了過度施肥等帶來的環境污染，從而助力相關部門解決環境問題，構建起優質的農業環境。

2.3 設計和實現應用層

應用層的目標設計涵蓋：物聯網管理云平臺和APP 應用開發。本系統采用華為公司開發的為物聯網應用提供統一設備管理的OceanConnect 開放云平臺，此平臺已在智慧城市、智能抄表系統等多方面得到廣泛應用。此平臺功能強大，提供完全開放的接入能力。針對設備層，用戶可以將不同類型的設備按照平臺提供的不同接入方式接入到云平臺。針對網絡層，OceanConnect 物聯網云平臺提供適配功能，能夠方便使用戶將不同網絡接入到此平臺。針對應用層，此平臺提供豐富的接口，開發者可以通過接口接入平臺，從而實現對設備的控制。目前安卓手機用戶較多，智能農田系統多是農民用戶，所以APP 應用開發主要指安卓開發。此APP 開發需要接入OceanConnect 物聯網云平臺上的設備數據等進行開發，完成用戶登錄、數據分析、數據預警、智能控制等模塊功能。此APP 的開發，將大大減少勞動力，提高農田種植效率，為增產增收提供一定的保障。

3 結束語

綜上，傳統農業監測系統的實現一般都是利用有線組網模式亦或是直接在實地對環境數據進行采集，存在的局限性較多。而將物聯網技術引入其中構建出精準與全面的農業環境監測系統，保障監測人員可以隨時隨地就能夠對農田開展實施的監控，依照光照強度、空氣濕度與溫度、土壤pH 值與濕度等信息精準決策，從而滿足農業經濟化、自動化以及精準化需求，值得推廣。