基于異構網絡的智慧農業環境信息監測系統設計與實現

2022-04-29 12:45:41熊剛胡啟迪馬安良閔衛峰韓講周李旭珍

熱帶農業科學 2022年3期

熊剛胡啟迪馬安良閔衛峰韓講周李旭珍

摘要傳統的智慧農業監測系統多存在傳輸效率低、兼容性差、抗干擾能力差等問題。文章針對當前智慧農業監測技術中的部分問題，基于異構網絡設計了一種可廣泛應用于農業環境數據采集、農作物模型分析等環節的智慧農業監測系統;該系統以LoraWAN搭配 NB-ioT技術為核心，搭建智慧農業監測系統中的信息傳輸鏈路，實現農業環境數據的采集、傳輸與監測，與一般監測系統相比，該系統具有運行穩定、功能完善、兼容性強等優點。

關鍵詞異構網絡;LoraWAN; NB-ioT;智慧農業監測系統

中圖分類號 S126???? 文獻標識碼 A????? DOI：10.12008/j.issn.1009-2196.2022.03.018

Design and Implementation of Intelligent Agricultural Environmental Information Monitoring System Based on Heterogeneous Network

XIONG Gang? HUQidi? MA Anliang? MIN WeifengHAN Jiangzhou? LI Xuzhen

（Yangling Vocational and Technical College， Yangling， Shaanxi 712100， China）

Abstract? The traditional smart agriculture monitoring system has many problems， such as low transmission efficiency， and poor compatibility and anti-interference ability. A smart agriculture monitoring system was designed based on the heteroge- neous network targeting some problems arising from the current smart agriculture monitoring technology. This system can be widely used in agricultural environment data collection， crop model analysis and other links. The information transmission link was established in the intelligent agricultural monitoring system with LoRaWAN and NB-IoT technology as the core to realize the collection， transmission and monitoring of agricultural environmental data. Compared with the general monitoring system， this system is stable in operation， perfect in function and strong in compatibility.

Keywords? heterogeneous network; LoRaWAN; NB - IoT; smart agriculture monitoring system

智慧農業是一種集智慧生產、智慧經營、智慧服務等于一體的新型農業發展業態，是未來我國農業發展的重要趨勢。利用先進的物聯網、互聯網以及傳感技術等開展環境數據采集、信息傳輸以及決策分析等，是智慧農業體系中監測系統主要承擔的任務。傳統的智慧農業監測系統多以 Zigbee （即又稱紫蜂協議）技術等為核心，具有低功耗、低成本等優勢;然而，隨著現代智慧農業監測系統性能的提升，以一般 Zigbee 技術為核心的系統逐漸暴露出傳輸效率低、安全性差、帶寬狹窄等問題，同時智慧農業監測系統的海量應用，也使得 Zigbee 技術的低成本優勢逐漸喪失，其通信穩定性差、自組網能力差等劣勢越發凸顯[1-3]。異構網絡是由不同制造商生產的計算機、網絡設備和系統組成，大部分情況下運行在不同的協議上，支持不同的功能或應用。異構網絡與智慧農業監測系統的融合，能夠更好地提升檢測系統的兼容性，從而提高系統數據傳輸效率和安全性。本文以傳統的智慧農業監測系統結構為依托，以LoraWAN（LoRa 遠距離通信網絡設計的一套通訊協議和系統架構）、NB-ioT（Narrow Band Internet of Things，以下簡稱 NB-IoT ）等異構網絡技術為核心，重新設計了一種智慧農業監測系統，以實現穩定的、兼容性更強的、可以遠距離通信的農業生產監測。

1 系統總體方案設計

1.1 系統需求分析

智慧農業監測系統是實現農業精細化管理的重要工具，其能夠在大規模農業生產、種植環節，對影響農作物生長的各項環境參數（例如溫度、濕度、光照強度、各項氣體含量等）進行精準的監測和控制，能夠為農作物提供一個最為理想的生長環境[4]。通常情況下，一套完整的智慧農業監測系統包含數據處理功能、數據傳輸功能、智能控制功能等。本研究構建的智慧農業監測系統待實現的主要功能見圖1。

數據處理功能，用以采集、傳輸和處理農作物周圍各項自然環境參數，包含數據采集、數據顯示、海量歷史數據存儲等模塊;無線傳輸功能，主要將監測環節所使用的各類型傳感器采集的數據通過無線形式進行傳輸，為監控中心用戶提供遠距離數據傳導;參數配置功能，主要負責接收監控中心用戶指令，對農業作物生長環境參數進行人為干預，使農作物長期處于最理想的生產環境中;智能控制則是并列于參數配置功能的重要農作物參數調節模塊，該模塊以智能補光、智能灌溉等為核心，可在人工不參與的情況下自動對農作物生產環境下的各項指標進行調節;智能告警功能，在農作物生長環境參數不符合最理想條件時對監測人員進行預警，從而提醒用戶及時進行人為干預。

圖1? 系統待實現主要功能

1.2 系統總體設計

農業監測系統通常包括感知層、傳輸層、應用層3個層次（圖2）[5-7]。感知層主要包含各類型傳感器，用以進行氣象、土壤等數據的獲取以及控制節點的數據收集;傳輸層包括終端節點以及網關等，是實現監測系統數據傳輸的場景;應用層主要包括服務器以及檢測軟件等，是直觀呈現檢測數據或進行參數配置以及智能控制的環節。

系統工作時，感知層的終端節點可通過各類型傳感器將農作物所處環境的光照強度、空氣溫濕度、二氧化碳濃度等以及所處土壤環境的 pH、土壤溫濕度等數據傳輸至LoRaWAN網關節點;網關節點在LoRaWAN網關協議的保護下將數據進行傳輸，最終達到用戶服務器端;服務器端一方面可以不斷接收并存儲系統數據，另一方面可以根據傳輸來的數據進行人工或智能分析，挖掘和農作物生長高度相關的數據，通過觀察向LoRaWAN網關節點發送指令，按照逆向數據傳輸將各項指令傳回感知層的控制節點，從而人為干預農作物生長環境中的灌溉、照明、通風裝置等。

2 系統功能實現

2.1 硬件系統

系統硬件功能的實現主要是對終端節點以及網關兩部分進行設計。在終端節點硬件設計方面，本研究主要參考了當前智慧農業領域較為成熟的結構設計[8]（圖3），將環境監測節點、土壤監測節點以及控制節點三部分分別與 MCU 微控制器進行橋接，該微控制器具有功耗小、運算速度快等優勢，同時還可以為用戶提供多種外設接口，用戶可以根據后續實際需求添加不同的傳感器設備; MCU 微控制器通過LoRaWAN通信協議實現感知層與網關節點的通信。

本研究將網關板的設計作為整個網關硬件設計方面的核心，其硬件結構主要包括蒂森 MC3核心板、 SX1302LoRa 網關模塊以及 BC95模塊等。其中，蒂森 MC3核心板為網關板的核心，其他模塊包括網口等主要圍繞該硬件設備展開工作。本次網關硬件設計結構見圖4。

2.2 軟件設計

2.2.1 終端節點軟件設計終端節點的工作主要是負責對農作物生長環境中的各項參數進行采集、傳輸或人為干預。工作流程如圖5所示。開始工作以后，終端節點需要首先入網進行自組織組網，入網成功以后開啟收發數據定時器進行數據交互，當沒有數據交互時終端節點會進行休眠，此時其數據交互功能將會處于暫時關閉狀態，待系統重新出現數據交互時喚醒。

2.2.2 網關軟件設計圖6所示為網關軟件工作流程。系統通電以后，網關軟件會首先進行自組織組網，組網完成以后LoRaWAN根據系統分配，采用128AES 進行雙重加密后入網，若網關接收到數據，系統首先判斷該數據是否為串口數據，若是則開啟 SPI 接口發送數據至 SX1302核心模塊， SX1302核心模塊則將數據繼續傳送至服務器;若網關接收到的數據并不是串口數據，則系統會開啟串口發送數據至 BC95模塊，通過 BC95模塊傳送至服務器。

2.3 系統實現

圖7 所示為本次設計的基于異構網絡智慧農業監測系統最終的 WEB 端效果圖。從該界面上可以看到詳細的地塊種植農作物情況，包括氣候、光照條件、待進行的作業等;系統的傳感器數據等能夠直觀地對某一地塊的溫濕度、二氧化碳濃度等進行監測;用戶可以通過參數設置以及預警參數設置模塊對農作物的生長環境條件進行人為控制。

3 結語

智慧農業監測系統，通常采用有線、無線或有線+無線等形式通信。隨著現代農業發展對智慧農業監測系統傳輸距離要求的提高，采用有線形式開展數據通信以及指令交互已經逐漸無法滿足用戶需求。因此，當前的智慧農業監測系統多以 Zigbee、wifi等為依托，以無線通信的方式開展數據傳輸。LoraWAN是在 LoRa 物理層傳輸技術基礎之上的以 MAC 層為主的一套協議標準，對應產品包括LoRaWAN節點、LoRaWAN網關和LoRaWAN的協議和數據云平臺; NB-ioT是ioT領域新興的技術之一，構建于蜂窩網絡，是一種非常典型的低功耗廣域網[9-10]。利用LoraWAN搭配 NB-ioT進行異構組網，具有三項主要優勢。

3.1 關鍵設備成熟度高

在農業信息采集方面，本研究構建的用于農業生態環境和動植物生長監測的傳感設備種類全面，功能完善，精確度和靈敏度高，且體積小，能適應生產的需要。對于某些設備接入技術成本限制較為嚴格的農業生產主體而言，這種關鍵設備成熟度高的系統搭建原則能夠很好地降低其技術融入成本，同時極大地加快其系統應用速度。3.2 關鍵設備價格低廉

本研究應用的物聯網技術的軟、硬件相關知識產權均在國內，并且技術的兼容性和靈活性很高，具有較強的可拓展性。用戶在使用該系統一段時間以后，如果需要在自身的農業生產體系中接入其他的傳感器等設備，系統提供的各種端口可以較好地為用戶提供“即插即用”服務[11-12]。

3.3? 能夠解決一般物聯網多網絡協調性差的問題

智慧農業中常用的物聯網技術多為 ZigBee 技術，在使用過程中存在無法和用戶wifi網絡中的智能終端設備直接通信的問題，本研究搭建的異構網絡很好地解決了這一問題，自組網中和用戶wifi網絡中的智能終端設備可以直接進行通信，提高了系統監測與預警的效率[13-15]。

與傳統的無線通信技術相比，采用LoraWAN搭配 NB-ioT進行異構組網，能夠完成物聯網關鍵技術（ Zigbee 技術）的功能，但兼容性更好，不受制于特定的硬件系統，打破硬件選擇上的唯一性;同時靈活度更高，通過結合不同的硬件能夠實現現有無線網絡無法完成的監測任務，降低系統的軟硬件成本，對進一步推廣智慧農業具有非常重大的意義。

參考文獻

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