智慧農業監測系統設計

張志娟張德鳳

(1.常州信息職業技術學院，江蘇 常州 213000；2.蘇州大學，江蘇 蘇州 215000)

引言

我國作為農業大國，農業在國民經濟中有著舉足輕重的地位，但是我國仍未成為一個農業強國。國內農村人口占據了較高的比例，已經達到總人口的36%左右，然而在農業生產領域仍然處于滯后的水平，農業產值占比未達到20%。總體來看，在農業發展領域仍然存在諸多問題，土地較為分散，依然依賴于傳統的種植模式，效率較低；由于大量的農村人口進城務工，缺乏有知識的年輕人參與到農業發展中，制約了農業的現代化發展。除了上述問題之外，由于農藥等不合理的應用，污染了環境，土壤質量下降，最終將對作物生長發育產生諸多不利的影響，而且威脅到了消費者的健康[1]。2004—2022年，連續19a我國都發布以“三農”為主題的中央一號文件，體現了“三農”問題在中國的重要地位。

黨和政府始終高度重視農業的發展，在《中共中央 國務院關于抓好“三農”領域重點工作 確保如期實現全面小康的意見》中明確提到：在農業發展領域中應該充分利用物聯網、人工智能等先進的技術，依托于此類技術來實現農業轉型發展，提高作業的效率，逐步擺脫傳統的農業生產模式[2]。

在《中共中央 國務院關于全面推進鄉村振興加快農業農村現代化的意見》中指出，民族要復興，鄉村必振興，要舉全黨全社會之力加快推進農業現代化[2]。

隨著5G通信技術、大數據等技術的發展，智慧農業成為必然的發展趨勢，農業現代化不再是“紙上談兵”[3]。為了實現農業現代化，我國不斷學習發達國家的農業種植技術，如溫室大棚智能控制[4]、采摘機器人[5]等。但國外的技術設備存在一系列的弊端，如價格昂貴、維修費用高，我國開始自主研發現代化農業相關技術設備。

1 智慧農業概述

智慧農業是指利用5G移動通信、物聯網、人工智能、大數據等現代信息技術與農業生產進行深度融合，將農業生產整個過程的信息進行感知，并對這個信息進行精準管理和智能控制農業設備的一種嶄新的農業生產方式[6]。智慧農業的作用在于改變了傳統的生產模式，提高了農業發展的效率，將更多的新技術應用到農業種植中，精細化以及高效化成為必然的發展趨勢，有助于改善種植的效率，減少病蟲害的發生，提高產量和品質，從而達到更高的綜合效益[7]。

智慧農業系統有感知層、傳輸層和應用層3層結構模型。

1.1 感知層

感知層主要是通過各類傳感器實現各種農業生產信息的采集，采集的信息有pH、濕度、光照以及溫度等，還有土壤養分、重金屬探測、氣象探測等傳感器，由此可以獲得與作物生長密切相關的信息[1]。

1.2 傳輸層

傳輸層主要是用于傳輸采集的各種信息，常用的方式有無線以及有線方式，可以將感知層的信息傳輸到其他層次，便于繼續進行后續的處理與應用，可以將一些信息發布在農業信息平臺中[1]。隨著無線傳輸技術的不斷發展，傳統的有線通信方式已經很少用于農業物聯網，現在大多采用無線組網的方式來建設智慧農業系統。無線傳輸方式主要有短距離通信和長距離通信技術。Wi-Fi、ZigBee、藍牙等是常用的短距離通信技術，無線廣域網和低功耗廣域網LoRa和NB-IOT屬于使用較多的通信技術，此類技術的優勢在于傳輸距離大，適合于應用到長距離通信領域。二者仍然存在一定的差異性，其中NB-IOT對于運營商的依賴性較高，獨立性不強，而LoRa技術能夠保證通信過程的獨立性[8]。

1.3 應用層

應用層是分析和處理傳輸過來的信息，并依靠這些數據作出為農業決策，遠程控制農業生產設備。

2 LoRa

2.1 LoRa(LongRangeRadio)的中文意思

遠距離無線電，是一種低功耗廣域網通信技術[1]。LoRa是屬于美國Semtech公司的一種常用的超遠距離通信技術。LoRa主要利用了CSS(ChirpSpreadSpectrum，CSS)調制技術，該技術的優勢在于具備了較強的抗干擾能力，而且可以傳輸較長的距離，功耗較小。

2.2 LoRa的特點

可以達到較長的傳輸距離，對于郊區、城區分別可以達到15km、2～5km的距離；利用了擴頻技術等，而且可以實現前向糾錯(FEC)；支持IEEE802.15.4g；工作頻率主要有433MHz以及915MHz等；可以達到較高的傳輸速率，甚至可以達到kB·s-1；功耗低，無需專用的供電，只需要普通的電池即可達到10a以上的壽命；具備了較高的安全性，采用了AES128加密方式；支持連接大量的LoRa節點[1]。

3 NB-IOT

NB-IOT技術有功耗低、覆蓋廣以及穿透強等優勢，廣泛用于不同的場景中，基本可以達到10km的傳輸距離。更重要的是，支持通過云端來存儲相關的數據[8]。

雖然NB-IOT與LoRa沒有太大差異，但NB-IOT更適合在運營商級網絡中大規模部署。因為從組網方面，LoRa網絡部署需要建設全套設備。NB-IOT則可以通過4G進行部署，難度較小，效率較高，一般可以通過軟件升級方式構建NB、LTE雙模網絡[9]。

4 系統結構

本系統基于LoRa技術設計了智慧農業大棚監測系統平臺，如圖1所示。該系統通過對無線覆蓋區域范圍內的終端節點即各個農業大棚中的數據的全自動采集，并將采集到的數據匯聚到LoRa集中器，實現了各個農業大棚中的各種類型的環境數據的遠距離、低功耗的無線傳輸，最后通過MCU和NB-IOT模塊將LoRa集中器采集到的數據上傳到云平臺，遠程監控中心則訪問云平臺存儲的信息獲取農業大棚中的環境數據，從而通過云平臺對終端設備進行管理[10]。

圖1 智慧農業大棚監測系統框圖

5 硬件設計

本系統中的硬件設計主要有終端節點、LoRa集中器模塊、NB-IOT模塊。終端節點由土壤濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器、光照強度傳感器、CO2濃度傳感器、電源模塊、STM32單片機、LoRa通信終端(本設計采用SX1268)等組成，如圖2所示。采集到的各種參數如土壤參數、環境參數等都會通過終端節點上傳到LoRa集中器。

圖2 終端節點結構圖

植物生長中水的作用是至關重要的，土壤濕度的檢測也尤其重要。本系統中土壤濕度傳感器采用了FC-28土壤濕度傳感器來檢測土壤的濕度值，然后將當前土壤下檢測到的濕度值傳遞給單片機完成數據的分析。該傳感器表面通過鍍鎳處理解決了傳感器長時間接觸土壤水分帶來的生銹困擾，極大地延長了使用壽命。

本系統中空氣溫濕度傳感器主要使用了成熟的SHT10，該器件廣泛用于溫度以及濕度檢測場景中，其使用的難度較小，效率較高，可以通過轉換輸出數字信號。除了上述基本功能之外，其優勢還體現在穩定性高、支持校準功能以及功耗低等方面[7]。該器件的量程較大，適合于應用到不同的測溫場景中，其中溫度測量范圍為-40～120℃，精度為±0.5℃；濕度測量范圍為0～100%RH，精度為±4.5%RH。

光照是農作物進行光合作用必不可少的條件，與農作物的生長密不可分[11]。光照強度傳感器采用TSL2561，該器件配置靈活度較高，功耗較低，效率較好。TSL2561的特征主要體現在如下方面：支持對光強度閾值進行設置；功耗低，體積小；可編程控制模擬增益；支持I2C等常用的協議；可以對50Hz/60Hz的光照波動進行有效地抑制[12]。植物生長過程中何時需要補光，補光一般是農業大棚內的光強未達到1000lx時才進行的。

二氧化碳傳感器采用煒盛科技的利用非紅色散紅外(NDIR)原理對空氣中的CO2濃度進行測量的MH-Z14，其工作電壓為4.5～5.5V，測量范圍為0～5%VOL，該傳感器具有較高無氧依賴性和靈敏度，還內置溫度補償[13]。

本系統的核心控制部分采用的是意法半導體(ST)公司的STM32F103RBT6芯片，其最小系統由電源供電模塊、微控制器芯片、復位模塊、時鐘控制模塊、電路啟動模塊等組成。

本系統的重要環節是無線通信模塊設計，考慮到傳輸距離、低功耗、小型化、通信可靠性等因素，在設計過程中采用了高可靠的SX1278和NB-IOT模塊BC35-G[7]。SX1278的應用具有多方面的優勢，其靈活度較高，在配置資源方面可以直接采用軟件方式，由此降低了配置的難度。另外，還包括470MHz等中心頻點。通信距離較長，基本可以達到5km[7]。除了上述特性之外，還具備了較高的兼容性，如對于GFSK等常用的模式提供了必要的支持[7]。LoRa集中器的信息通過STM32的串口傳輸至NB-IOT模塊BC35-G，由BC35-G網絡發送至云服務器，從而實現云端的監測和控制。

6 軟件設計

本系統軟件設計由終端節點軟件設計、客戶端設計2部分組成。各個終端節點的軟件設計主要是完成各溫室大棚中環境因子數據的采集，要先進行初始化設置，隨后單片機向FC-28土壤濕度傳感器、SHT10溫濕度傳感器、TSL2561光敏傳感器、MH-Z14二氧化碳傳感器發送初試化脈沖；數據采集單元采集并監測對各個參數。STM32會與傳感器上采集的數據進行交互，經LoRa無線通信模塊將采集的數據發送至LoRa采集器，LoRa采集器可以向STM32傳輸采集到的數據，然后通過NB-IOT模塊進一步發送給基站，最終通過IOT連接管理平臺來完成對數據的解碼操作，處理之后的數據進一步通過平臺進行展示，便于結合采集到的數據信息進行管理和控制[8]。

本系統的終端節點軟件設計選擇使用Keil MDK-ARM作為軟件開發環境，該工具廣泛用于單片機開發領域中，集成了編譯器以及調試器等基本的部件，針對不同類型的處理器提供了完美的支持，如Cortex-M、ARM9等。正是由于具備了這些優勢，在此次研究中主要通過該工具來實現對終端節點軟件的設計與開發[14]。

設計的客戶端是為了讓用戶能通過安卓手機App可以隨時查看數據。AndriodStudio是APP的開發環境，該APP需要聯網并通過Ocean Connect物聯網云平臺進行信息交互。此APP可以實時監測并能手動與智能控制農業大棚設備：本平臺不僅可以全自動獲取各農業大棚內監測點的光照、溫度等環境數據的精確信息，讓用戶通過手機就能遠程掌握農作物生長的環境；還可以通過設置環境參數的閾值，自動開啟智能控制，以及通過手動控制繼電器通道的開與關，實現對噴灑、遮陽、通風等設備的控制[10]。

7 小結

智慧農業能有效地改善農業生態環境，加快現代農業的發展，推動著中國農業向現代化、信息化和智能化演進，構建精細化的農業生態系統，提升農業發展的效率和質量，從而為廣大消費者提供更多優質的農產品[15]，提高農業生產水平，促進中國農業發展。當下，隨著大量的現代科技應用在農業中，智慧農業系統的應用范圍將更大，與此同時也會促進中國農業農村數字化、信息化跨越式發展。