基于LoRa和NB-IoT技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)平臺(tái)

李潤(rùn)林，楊華勇

（武漢城市學(xué)院，武漢 430000）

1 智慧農(nóng)業(yè)的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展

1.1 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展得益于幅員遼闊人口眾多，自然資源的豐富和勞動(dòng)力的低廉使得我國(guó)農(nóng)業(yè)在國(guó)際上處于優(yōu)勢(shì)地位[2]。但是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植方式存在著諸多限制，首先便是天氣原因。自然環(huán)境作為農(nóng)作物主要影響因素，人為控制很難產(chǎn)生影響，土壤條件、天氣、降雨量、溫度和霜期等，這些都直接影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量，靠天吃飯已經(jīng)成為了農(nóng)業(yè)的行規(guī)。其次，靠低廉勞動(dòng)力來發(fā)展農(nóng)業(yè)的農(nóng)民增收動(dòng)力在不斷衰減。在互聯(lián)網(wǎng)公司大力發(fā)展社區(qū)團(tuán)購(gòu)的情況下，農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格走低，利潤(rùn)被不斷壓縮。農(nóng)民的主要收入來源于農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)出售，如果收入難以維持生活，便不得不通過外出打工等其他渠道獲得收入，進(jìn)而使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)力越來越少，人力成本提高。在諸多因素的共同影響下，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)陷入瓶頸，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要更為科學(xué)化的發(fā)展。

1.2 智慧農(nóng)業(yè)概述

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)近十年迎來爆發(fā)式發(fā)展，根據(jù)Juniper Research的數(shù)據(jù)，2015年物聯(lián)網(wǎng)中有超過1340億臺(tái)設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，2022年將增長(zhǎng)185%，達(dá)到3850億臺(tái)設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)的用途幾乎涉及到現(xiàn)代社會(huì)的所有領(lǐng)域。其中主要領(lǐng)域包括智能醫(yī)療保健、智能城市、智能工業(yè)、自動(dòng)駕駛汽車、智能農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和智能家居等。物聯(lián)網(wǎng)具有巨大的潛力，是未來互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。目前主要的IT公司和大多數(shù)國(guó)家都致力于研究物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用問題，智慧農(nóng)業(yè)就是其中一種。

在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有諸多功能，通過融合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、AI、智能算法和云平臺(tái)等技術(shù)，配合智能終端、無線傳輸節(jié)點(diǎn)及傳感器及控制器，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)功能和遠(yuǎn)程操控功能。實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和操作的數(shù)據(jù)可視化、精準(zhǔn)感知化、遠(yuǎn)程控制化和智能管理化。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相較于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)采用更為科學(xué)的種植方法，利用其萬物互聯(lián)的特性將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模塊相連，拓展了農(nóng)業(yè)的發(fā)展空間，從而將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代化信息化的智慧農(nóng)業(yè)，推動(dòng)農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

1.3 智慧農(nóng)業(yè)的架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)的大概主體架構(gòu)由感知層、傳輸層和應(yīng)用層組成。如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)主體架構(gòu)

感知層的主要作用是獲取農(nóng)田的數(shù)據(jù)信息，控制農(nóng)田的控制器完成指定操作；網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是將感知層獲取到的數(shù)據(jù)信息通過無線傳輸、互聯(lián)網(wǎng)傳輸至應(yīng)用層，或通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸應(yīng)用層的操作信息到感知層完成相應(yīng)操作；應(yīng)用層的主要功能是將感知層獲取的信息進(jìn)行提取、分類處理、保存和匯總等，并建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，將農(nóng)田的相關(guān)信息以數(shù)據(jù)形式直觀地展現(xiàn)給管理員。

1.4 智慧農(nóng)業(yè)的通信技術(shù)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，電子標(biāo)簽、近場(chǎng)通信和蜂窩網(wǎng)絡(luò)等越來越多的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到智慧農(nóng)業(yè)中，但智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展依然面臨著一定的問題。傳統(tǒng)的方式已無法滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中遠(yuǎn)距離、低功耗的通信需求。因此，低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)近些年逐漸成為智慧農(nóng)業(yè)行業(yè)主流。考慮到本平臺(tái)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和成本因素，選擇低功耗廣域網(wǎng)中的LoRa和NB-IoT 2種技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。

2 LoRa

2.1 技術(shù)概述

LoRa是一種低功耗廣域網(wǎng)，通信機(jī)制是Lo－RaWAN協(xié)議的物理層，由LoRa聯(lián)盟定義。與其他現(xiàn)有技術(shù)相比，LoRa是一種調(diào)制技術(shù)，可以在數(shù)十公里的范圍內(nèi)傳輸信息。LoRa的物理層的調(diào)制為Semtech公司的專利，這種調(diào)制在由傳感器工作的地理區(qū)域定義的ISM頻帶中運(yùn)行。LoRa協(xié)議的優(yōu)勢(shì)在于可在ISM免許可帶寬中運(yùn)行，因此無需額外的許可費(fèi)用[3]。相比其他技術(shù)，LoRa相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈更為成熟，在同時(shí)期的傳輸技術(shù)中更早進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用。在過去數(shù)年里，LoRa聯(lián)盟面向全世界推廣，使其成為物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議中的主流協(xié)議[4]。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

LoRa傳輸技術(shù)具有連接穩(wěn)定、低功耗和傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。LoRa是一種低功耗協(xié)議，可將傳感器連接到Internet，從而確保盡可能低的能耗[5]。理論上一節(jié)五號(hào)電池可以為L(zhǎng)oRa芯片供電10年之久，在農(nóng)田的電力配置上能省去不必要的資源浪費(fèi)。同時(shí)，LoRa使用線性調(diào)頻闊頻技術(shù)，使用較寬的信號(hào)帶寬傳輸，明顯增加了通信距離的同時(shí)保證低功耗，并具有一定的抗多徑衰落能力和多普勒效應(yīng)能力[6]，提高網(wǎng)絡(luò)效率并消除干擾。LoRa在傳輸范圍、功耗和傳輸速率上具有明顯綜合優(yōu)勢(shì)。在城市環(huán)境條件下，通信距離可長(zhǎng)達(dá)15 km，而在農(nóng)村環(huán)境條件下則更長(zhǎng)[7]。

繆斯是希臘神話中文藝和科學(xué)女神的通稱。她們以音樂和詩(shī)歌之神阿波羅為首領(lǐng)，分別掌管著歷史、悲劇、喜劇、抒情詩(shī)、舞蹈、史詩(shī)、愛情詩(shī)、頌歌和天文。古希臘的詩(shī)人、歌手都向繆斯呼告，祈求靈感。

LoRa的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型結(jié)構(gòu)，具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和低延遲等特點(diǎn)。在農(nóng)田網(wǎng)絡(luò)搭建中，LoRa可以通過簡(jiǎn)單的網(wǎng)關(guān)搭建局域網(wǎng)，在農(nóng)田的實(shí)際應(yīng)用中可以節(jié)省不必要的人力損耗、資源浪費(fèi)。

3 NB-IoT

3.1 技術(shù)概述

NB-IoT的全稱為窄寬帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，也被稱為低功率廣域網(wǎng)，在3GPP第三代全球伙伴計(jì)劃中提出，屬于新興網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。與傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)相比，在保證可以進(jìn)行GMS、UMTS、LTE網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和搭建的前提下，NB-IoT只需要消耗180 kHz左右的帶寬[8]，便能實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)牡退俾省⒌凸摹⒏吒采w。能夠極大程度控制通信傳輸系統(tǒng)的搭建成本，減少非必要的人力成本和資源浪費(fèi)。

3.2 技術(shù)特點(diǎn)

NB-IoT具有通信覆蓋優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)階段4G、5G網(wǎng)絡(luò)雖然基本滿足移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的信息數(shù)據(jù)交互，但從本次物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)搭建的角度來看，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍難以滿足大面積的農(nóng)田運(yùn)行。3GPP于2016年完成了第一個(gè)NB-IoT規(guī)范，并且正在針對(duì)加強(qiáng)移動(dòng)性和減少傳輸延遲的方案進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。雖然NB-IoT出現(xiàn)在LoRa和SIGFOX之后，但其通過使用許可頻段解決了擁塞問題，從而為關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用提供更可靠的服務(wù)。此外，NBIoT可以與已經(jīng)成功部署的GSM和LTE網(wǎng)絡(luò)共存，可以利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)硬件，降低部署成本[9]。考慮其他3GPP技術(shù)，NB-IoT的最大數(shù)據(jù)速率有所降低，但其覆蓋范圍有所增強(qiáng)，硬件復(fù)雜度與LTE Cat-1相比降低了90%，因此，NB-IoT可以降低成本和能耗。NB-IoT采用eDRX節(jié)電技術(shù)，eDRX是一種在與基站協(xié)商的特定時(shí)間段內(nèi)停用UE調(diào)制解調(diào)器的技術(shù)。UE僅在指定時(shí)間內(nèi)打開調(diào)制解調(diào)器并監(jiān)視下行鏈路信道，以達(dá)到節(jié)電的目的。eDRX的下行數(shù)據(jù)延遲最高為2.92 h，由于較高的尋呼間隔，使得功耗顯著降低。同LoRa技術(shù)一樣，理論上NB-IoT模塊的電池可以連續(xù)工作10年之久。

4 LoRa和NB-IoT融合技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

NB-IoT模塊具有低功耗、高傳輸速率和覆蓋區(qū)域大等特點(diǎn)，足夠滿足智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸要求。但考慮到目前NB-IoT模塊價(jià)格較高，并且數(shù)據(jù)需要使用運(yùn)營(yíng)商授權(quán)帶寬，會(huì)產(chǎn)生額外資費(fèi)。如果全部傳輸模塊都采用NB-IoT模塊，則會(huì)產(chǎn)生大量流量資費(fèi)及模塊成本。且實(shí)驗(yàn)農(nóng)田可能處于農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)，運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)未必能全覆蓋。而LoRa模塊成本僅為NB-IoT模塊成本的一半，且能夠通過網(wǎng)關(guān)組成在免許可帶寬內(nèi)的局域網(wǎng)，從而避免了流量資費(fèi)問題及運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題。因此，在本平臺(tái)設(shè)計(jì)中，采用LoRa技術(shù)與NB-IoT技術(shù)相結(jié)合的方案，利用LoRa技術(shù)采集傳感器數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過NB-IoT將數(shù)據(jù)通過基站上傳至互聯(lián)網(wǎng)。

本系統(tǒng)由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)程控制節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和管理監(jiān)測(cè)平臺(tái)等幾部分組成。系統(tǒng)運(yùn)作原理：首先由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)通過各種數(shù)據(jù)傳感器實(shí)時(shí)獲取農(nóng)田中農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過LoRa與NB-IoT組建的傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至云服務(wù)器，再由服務(wù)器進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的分類、儲(chǔ)存，以優(yōu)化算法對(duì)云服務(wù)器存儲(chǔ)的歷史參數(shù)及預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比和分析處理，并通過遠(yuǎn)程控節(jié)點(diǎn)對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)施校正調(diào)整，使農(nóng)田環(huán)境參數(shù)達(dá)到最佳狀態(tài)。最后將相關(guān)數(shù)據(jù)抄送至客戶端中，以數(shù)字化或圖表的形式展示田內(nèi)農(nóng)作物環(huán)境狀態(tài)及農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)。從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)田的精細(xì)化監(jiān)測(cè)和管理，達(dá)到科學(xué)種植、節(jié)約成本等目的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.2 系統(tǒng)主要功能

（1）數(shù)據(jù)采集以及存儲(chǔ)：通過采集節(jié)點(diǎn)對(duì)農(nóng)田內(nèi)土壤溫度、土壤含水量、土壤微量元素、空氣濕度、空氣溫度、二氧化碳濃度及光照度等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。同時(shí)遞送給云服務(wù)器進(jìn)行分類、歸納處理并存儲(chǔ)，并形成相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)。管理員可通過終端實(shí)時(shí)查看相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

（2）視頻監(jiān)控：管理員可以在終端客戶端上實(shí)時(shí)查看由農(nóng)田內(nèi)攝像頭采集的種植現(xiàn)場(chǎng)圖像，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)情況。

（3）遠(yuǎn)程控制管理：以管理員身份登錄后，可以在連接互聯(lián)網(wǎng)的客戶端上對(duì)農(nóng)田內(nèi)各種設(shè)備進(jìn)行操作。能遠(yuǎn)程手動(dòng)控制田內(nèi)水肥灌溉、驅(qū)蟲和控制空氣濕度等。

（4）數(shù)據(jù)分類處理：系統(tǒng)能將采集到的數(shù)據(jù)信息以數(shù)值和圖表的形式直觀向管理員展示，根據(jù)用戶需求可以導(dǎo)出日?qǐng)?bào)、月報(bào)等。

（5）智能預(yù)警服務(wù)：系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)田內(nèi)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶設(shè)置的數(shù)據(jù)范圍設(shè)定閾值，超過閾值即向客戶端發(fā)送預(yù)警信息。同時(shí)關(guān)聯(lián)本地氣象信息，利用農(nóng)田內(nèi)氣象數(shù)據(jù)傳感器依據(jù)算法推測(cè)是否出現(xiàn)極端天氣。

（6）統(tǒng)一認(rèn)證管理：管理人員信息的錄入后，經(jīng)過登錄認(rèn)證后即可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制管理，包括用戶管理、設(shè)備管理和設(shè)備權(quán)限管理等。

（7）自動(dòng)管理：通過識(shí)別田內(nèi)農(nóng)作物，從系統(tǒng)內(nèi)置專家數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取數(shù)據(jù)，通過智能算法計(jì)算出生物生長(zhǎng)模型和不同生育周期的生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)。將農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)動(dòng)態(tài)保持在最佳范圍內(nèi)。

（8）專家遠(yuǎn)程診斷：當(dāng)生產(chǎn)種植過程中出現(xiàn)問題時(shí)，可以通過平臺(tái)遠(yuǎn)程聯(lián)系專家診斷，基于實(shí)時(shí)采集圖像、農(nóng)田環(huán)境參數(shù)，即可遠(yuǎn)程給予解決方案。

（9）水肥一體化管理：通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)田內(nèi)數(shù)據(jù)，通過智能算法動(dòng)態(tài)分配灌溉時(shí)間、水量及營(yíng)養(yǎng)液的比例。充分利用智能化管理降低人力資源浪費(fèi)、節(jié)約成本并提高工作效率。

4.3 系統(tǒng)主要特點(diǎn)

該智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)平臺(tái)集多種功能為一體，高集成度使農(nóng)業(yè)種植更加直觀化、科學(xué)化。提供了人機(jī)交互接口，管理員可通過智能終端在監(jiān)測(cè)管理云平臺(tái)上發(fā)送控制指令，遠(yuǎn)程操作田內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備。該平臺(tái)基于BS，具有兼容性強(qiáng)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，管理員只需在任意帶有瀏覽器的終端上即可訪問該平臺(tái)。同時(shí)系統(tǒng)具有良好兼容性，市面上大部分自動(dòng)化農(nóng)機(jī)器械只需加裝LoRa模塊即可接入系統(tǒng)。可根據(jù)用戶需要模塊化添加不同的設(shè)備，以更好地適應(yīng)不同植物的生長(zhǎng)環(huán)境，告別傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的靠天吃飯。

現(xiàn)有的智慧農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)基本能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)灌溉、水肥一體化，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)大氣和土壤相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，掌握棚內(nèi)種植環(huán)境的變化并做出調(diào)整。系統(tǒng)在現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行整合和利用互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行升級(jí)。實(shí)現(xiàn)農(nóng)田分布管理、人員設(shè)備統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)智能分析。其中存儲(chǔ)在云服務(wù)器中的數(shù)據(jù)可以作為后續(xù)大數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)支撐。系統(tǒng)內(nèi)嵌算法，周期性分析植物生長(zhǎng)趨勢(shì)和對(duì)應(yīng)時(shí)間的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過深度學(xué)習(xí)來不斷優(yōu)化算法，以調(diào)整環(huán)境因素達(dá)到增產(chǎn)的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前我國(guó)的農(nóng)業(yè)數(shù)字化、智能化推廣程度不高，多數(shù)地區(qū)仍采用傳統(tǒng)人工勞作的種植方式，人工工作效率低下，土地資源得不到充分利用。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中能夠極大提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，農(nóng)戶可以做到足不出戶即可掌握農(nóng)田的基本信息及控制農(nóng)田內(nèi)裝置完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植操作。本文介紹一種利用物聯(lián)網(wǎng)搭建的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，分析了智慧農(nóng)業(yè)中的實(shí)時(shí)采集、云服務(wù)器存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析和無線傳輸?shù)燃夹g(shù)對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的重要作用。設(shè)計(jì)并探究該平臺(tái)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的運(yùn)用，其易操作、低成本和易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，解決生產(chǎn)種植中的諸多痛點(diǎn)。中國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展還有很長(zhǎng)的路要走，希望本平臺(tái)的構(gòu)建能夠?yàn)楹罄m(xù)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究提供算法研究的接口和平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的全面推廣。