基于NB-IOT技術的智能農田生態系統應用

季文文

（銅仁職業技術學院 貴州省銅仁市 554300）

物聯網技術是現代化農業生產中的一項重要技術，同時也是現代化農業中的一項基礎項目。在現代化農業生產中，已經融入了眾多的物聯網技術，能夠通過在農業生產現場中布置的各項傳感器來收集農業生產中的種植環境、溫度、濕度、光照等數據信息，建立監控網絡，對農業生產環境進行實時的監控與管理，輔助現代化農業的生產過程，為現代化的農業生產制定決策，從而實現農業生產中的精準化與可視化種植管理。物聯網技術能夠促進我國的農業轉型，為我國的現代化農業提供生產理念以及條件，具有重要的研究與推廣意義。傳統的農田系統監測中，在測量環境溫度時，多數是使用水銀式溫度計與機械式濕度計來測量農田內的溫度與濕度。這種傳統的測量方式存在著測量準確度低，測量時間長的問題，在農田的生產過程中，會浪費大量的人力物力以及時間，為農田的生產效率產生了眾多的限制。我國的互聯網技術與物聯網技術的在近些年得到了迅猛的發展，也廣泛的應用在了現代化農業的生產過程當中，在農業生產中使用物聯網技術，能夠極大地提升生產效率，實現全程的精準化農業生產控制與管理，為我國的農業轉型提供幫助。我國農作物產品多樣，不同地區的農作物生長環境差別較大，如山地，氣候變化大，地形復雜。如何實現遠距離數據采集和傳輸仍是當下一個重要的問題。本文結合我國當前的農業生產情況，利用了物聯網技術與網絡信息技術的優勢，采用目前流行的具有傳輸距離遠、低功耗等優點的NB-IOT技術，探究設計與實現出一套結合了智能監測、智能決策以及實時控制技術的智能農田生態系統。

1 智能農田生態系統功能以及需求分析

1.1 環境參數數據收集

智能農田生態系統不僅要實時地收集農田內的溫度、濕度以及光照強度，同時也要對農田內的土壤濕度、土壤含水量、土壤養分以及二氧化碳含量等進行采集，將各項數據上傳到系統的顯示器中。在設計系統時使用無線網絡傳輸線技術，將傳感器連接到無線網絡中，實現智能農田的全程聯網[1]。

1.2 智能控制生產設備

在智能農田生態系統中要監控農田中的各項生產設備，系統能夠根據農田內的環境數據以及設計系統時所設定的參數來進行生產設備的智能化控制，可以用來調節農田土壤內濕度以及土壤養分，實現自動灌溉與施肥。例如針對于智能農田可以自動地控制農田中的各項設備，當農田內的溫度濕度以及光照不適應農作物生長時，系統就能夠將當前農田內的環境溫度與系統內設定的標準環境濕度光照等參數進行對比，自動地調整農田內的溫度，濕度以及光照等因素，來滿足農作物的生長需求，實現農田的全程自動化智能化管理。

1.3 系統軟件平臺

系統軟件平臺主要是滿足用戶的權限設置，獲取實時數據以及分析病蟲害等需求。操作人員在登錄系統時，能夠給不同的操作人員賦予不同的操作權限，使系統的主要管理人員能夠擁有全部的管理權限。用戶通過系統能夠觀察到農作物的生長環境，將生長過程中的溫濕度及光照強度直觀的顯示出來。另外還能系統能夠觀察農田內的作物生長情況，診斷作物是否遭受病蟲害，并為管理人員提供預警，使用正確的方式對病蟲害進行防控。

2 智能農田生態系統的總體設計方案

智能農田生態系統能夠實時地監測農田中的溫度濕度以及土壤環境等數據。也能夠全天候的監控農田內的工作人員出入情況以及農作物的生長狀態，通過數據分析與對比，自動地進行灌溉與告警提示，通過網絡的互聯，能夠實現大范圍的智能農田實時監控與管理。在系統設計的邏輯層面中，能夠將整個系統分為三個層面。分別為感知層，傳輸層與應用層，感知層負責實時獲取前端的感知信息，通過利用設置在農田中的各項傳感器，來實時的監測農田中的大氣與土壤環境。傳輸層能夠將獲得的各項信息數據，通過NBIOT網絡上傳到數據處理中心[2]。應用層能夠收集并處理接收到的各項數據，結合傳感器所收集的大氣與土壤信息來自動的控制水泵，進行農業灌溉，也能夠處理視頻信息與多種信息來生成農田監測報告，將收集到的數據與預設閾值進行對比，生成告警提示（如圖1所示）。整體的智能農田生態系統由農田環境感知系統、實時視頻監控系統、無線網絡傳輸系統以及數據處理中心4個系統所組成[3]。農田環境感知系統使用了新型的傳感器，能夠實時地監測農田中的空氣濕度、環境溫度、二氧化碳含量以及光照強度等信息，也能夠監測農田內土壤的濕度，以及土壤中的pH值等參數。視頻監控系統使用了高清監控設備，來對農田環境進行全天候的監控。在智能農田生態系統使用了先進的物聯網技術，在傳輸數據時使用了NBIOT網絡，將傳感器收集到的所有數據，通過NB-IOT核心網絡上傳到數據中心，并且由數據中心集中地進行處理與反饋。用戶可以使用移動終端能夠實時地訪問數據中心，并且控制整體的農田生產情況。

圖1

3 系統實現方案

3.1 監控系統整體設計

智能農田生態系統中的監控系統使用了WSN技術的信息采集功能，結合無線傳感器網絡，通過上傳與處理數據[4]，來實時的監控農田中的溫度、濕度以及光照強度與土壤信息等參數。無線數據傳輸平臺使用了NB-IOT技術來實現遠距離的數據傳播。生產監控管理平臺主要使用了數據監控，數據分析以及參數設置等功能。

3.2 空氣濕度與溫度傳感器

智能農田生態系統中設計的空氣濕度溫度傳感器使用的是集成電路芯片，測量的準確度與靈敏度都很高。上述傳感器使用的信息傳輸方式是NB-IOT無線傳輸方式，這種傳輸方式具有非常廣的數據傳輸距離，能夠實現遠距離的信息數據傳遞，系統通過傳感器收集的空氣溫度與濕度數據上傳到數據處理中心來分析結果，當農田內的溫度過高時，系統會控制農田中的排風設備來降低空氣中的溫度，當農田內的空氣濕度過低時，能夠控制農田內的加濕設備來增加空氣中的濕度.

3.3 二氧化碳含量傳感器

在智能農田生態系統中使用CO2含量傳感器，能夠適時的檢測農田中的CO2含量。這種傳感器的靈敏度非常高，并且測量結果準確。一旦傳感器檢測到農田中的CO2含量超標時，就可以自動的起動農田內的排風設備，降低農田內的CO2含量[5]。

3.4 光照強度傳感器

主要利用光敏元件能夠將光信號轉換為電信號的原理，將電信號上傳到系統中，分析電信號中蘊含的光照強度，當農田中的光照強度超過了預設值時，能夠自動的控制農田中的遮陽設備降低作物受到的光照，減少農作物受到的光照強度。

3.5 軟件設計

在開發智能農田生態系統時，使用Eclipse作為開發平臺，使用Java語言來開發系統，系統軟件使用B/S架構，設計了三層結構的用戶工作界面模式，主要由www瀏覽器、Brower、server構成，使用B/S架構，能夠將系統中的所有業務管理功能都在服務器中進行集中，能夠簡化系統的使用流程。瀏覽器能夠通過Web來實現數據的交互，簡化電腦的運行負載，也能降低開發與使用的成本[6]。

3.6 前臺管理模塊

智能農田生態系統中的前臺管理模塊是能夠正常使用登錄系統的基礎。前臺管理模塊能夠實現用戶的快速登錄、查詢信息、瀏覽網頁，也能夠收集農田中的環境、濕度、溫度、光線強度以及二氧化碳濃度等參數，同時也可以進行歷史信息查詢，實現智能化的農田監控管理。

3.7 服務端模塊

服務端主要完成客戶端的請求，實現用戶通過客戶端查看數據等功能。服務端能夠連接農田內的各項傳感器等設備，服務器能夠整合來自各個方面的數據信息。

3.8 數據庫設計

數據庫中收集了農田中的所有數據信息，主要有農田內的光線強度，空氣的濕度與溫度，土壤的濕度與溫度，農田內的空氣二氧化碳含量等數據。監控單元的具體功能是記錄農田中所有監控點位所上傳的信息，并保持信息的真實性。管理農田中用戶信息等參數。

4 系統功能

4.1 登錄系統

為了保證系統具有較高的安全性，用戶在使用之前需要登錄系統中才能夠獲取相應的權限。用戶想要進入系統時，需要進行權限確認，輸入自己的用戶名與密碼，系統會將用戶輸入的信息與數據庫中的信息相對比，當用戶輸入的信息與數據庫中記錄的信息相匹配時，用戶能夠順利地進入到系統中，并且獲得一系列的權限。在登錄系統中主要設計以下4個模塊：校驗模塊、匹配模塊、報錯模塊以及權限模塊。當用戶登錄系統時，輸入的信息需要與以下4個模塊相匹配，才能夠成功地登錄到系統中。

4.2 決策支持

在系統中不僅能查看到當前農作物的生長環境，系統還負責提供相應的功能支持，主要包括風機決策與補光決策。當農田內的溫度過低時，就會開啟風機，當溫度達到了預設的標準時，就會自動地關閉風機。當農田內的光照強度沒有到達預計的數值時，就會自動地開啟生物效應燈，當農作物受到充分的光照時，就會自動地關閉生物效應燈。

4.3 病蟲害診斷

農田中會種植不同種類的農作物，本文主要以番茄為例來介紹系統診斷病蟲害的全過程。番茄主要分為根葉，花，果實4個部分。在番茄的病蟲害診斷中，將各種病蟲害數據融入根部決策樹中，視頻監控設備能夠通過分析采集到的番茄生長形態圖片來匹配番茄可能遭受的病蟲害，在客戶端中為管理人員顯示結論，并且提供診斷措施。

5 結束語

在智能農田生態系統中，結合物聯網技術，安裝各類傳感器收集各項數據，并且通過系統中不同的功能來實現農田中設備的自由調節以及全程的生產管理。本文主要介紹了利用物聯網中的無線傳感器、無線數據傳輸網絡以及視頻監控等技術，實現了對農田中各項因素的實時監測，使農業種植人員能夠及時地掌握農田中的各項信息，并且進行調整，為現代化農業的發展提供技術支持，實現我國農業種植業的智能化科學化。