農業大棚物聯網體系結構設計

江濤

摘 要：為了適應現代農業經濟的發展需求，需要依托先進的信息技術打造全新的智慧農業。本文中，以農業大棚的智慧化建設為目標，探討了在農業大棚中構建物聯網的思路和基本方案。針對農業大棚的物聯網建設，提出了體系結構設計的具體策略，并依托NB-LoT網絡架構方案完成物聯網的組網。在這一物聯網中，溫度傳感器、濕度傳感器、CO2氣體傳感器、光照傳感器等多種傳感器被使用，增強了農業生長過程的自動化監測能力。相應的硬件和軟件設計方案，為農業大棚的物聯網設計提供了技術上的支撐。

關鍵詞：現代農業；智慧農業；農業大棚；物聯網；體系結構

在我國的國民經濟體系構成中，農業作為第一產業占有舉足重輕的重要地位。只有穩定的農業生產、充足的糧食供給，才能保證第二產業、第三產業持續的快速發展[1]。經過幾十年的發展，我國的農業經濟也在逐步向現代化農業進行轉變，與各種科技手段結合、提高生產效率、創造更大的農產品附加值，已經成為我國農業經濟的未來發展方向。農業經濟種植區域大、經營周期長，農戶和經營者很難做到全年無休、二十四小時的監督和管理。在這種情況下，依托物聯網技術進行自動化監測，成為確保農業生產安全和高效產出的重要技術保障[2]。物聯網技術使用了多種類型的傳感器，可以對農業生產過程中作物生長狀態、生長環境進行長期的穩定監測，甚至可以達到自動灌溉、自動給藥等智能化操作，是大面積高效種植的未來發展方向[3]。因此，本文中以農業大棚為研究對象，探討物聯網技術在其中應用的可行性，在進行農業大棚物聯網體系結構設計的基礎上，對相關的硬件和軟件配置進行探討。

一、物聯網技術和智慧農業

以農業大棚為對象，在其中構建物聯網以實現大棚內作物生長狀態的監控，本質上屬于智慧農業的范疇。因此，本文中首先給出物聯網和智慧農業的概念，以便于開展后續研究。

（一）物聯網

物聯網指的是將無處不在的末端設備和設施，包括具備“內在智能”的傳感器、移動終端、工業系統、樓控系統、家庭智能設施、視頻監控系統等和“外在使能”的，如貼上RFID的各種資產、攜帶無線終端的個人與車輛等等“智能化物件或動物”或“智能塵?！?，通過各種無線和/或有線的長距離和/或短距離通信網絡連接物聯網域名實現互聯互通、應用大集成以及基于云計算的SaaS營運等模式，在內網、專網、互聯網環境下，采用適當的信息安全保障機制，提供安全可控乃至個性化的實時在線監測、定位追溯、報警聯動、調度指揮、預案管理、遠程控制、安全防范、遠程維保、在線升級、統計報表、決策支持、領導桌面等管理和服務功能，實現對“萬物”的高效、節能、安全、環保的“管、控、營”一體化。

（二）智慧農業

智慧農業就是將物聯網技術運用到傳統農業中去，運用傳感器和軟件通過移動平臺或者電腦平臺對農業生產進行控制，使傳統農業更具有“智慧”。除了精準感知、控制與決策管理外，從廣泛意義上講，智慧農業還包括農業電子商務、食品溯源防偽、農業休閑旅游、農業信息服務等方面的內容。

智慧農業是云計算、傳感網、3S等多種信息技術在農業中綜合、全面的應用，實現更完備的信息化基礎支撐、更透徹的農業信息感知、更集中的數據資源、更廣泛的互聯互通、更深入的智能控制、更貼心的公眾服務?！爸腔坜r業”與現代生物技術、種植技術等科學技術融合于一體，對建設世界水平農業具有重要意義。

二、基于NB-LoT通信技術的農業大棚物聯網體系結構設計

采用物聯網進行自動監控的農業大棚，是具有濃厚智慧屬性的智慧農業典型實現途徑。農業大棚的智慧特征實現，主要是通過數量眾多、類型豐富的傳感器來實現的。這些傳感器替代了人的感知能力，實現對農作物生長狀態和生長過程的監測。但是，這些傳感器要互聯成一個整體，就需要依托先進的通信技術。這里，采用的是NB-LoT通信技術來完成農業大棚的物聯網架構。

（一）農業大棚物聯網系統的體系結構設計

無論是何種形式的物聯網組網，都離不開通信技術。在各種通信技術中，能夠適用于物聯網的，必須考慮有效通信、低功耗的要求。因為農業經濟必須注重低成本、高性價比，這就使得NB-LoT成為農業大棚物聯網組網的首選。因為NB-LoT組網過程中，不僅實現的技術流程簡單、容易實現，而且功耗低、成本低。

基于上述分析，本文中構建的農業大棚物聯網系統的體系結構，如圖1所示。

在圖1中，一個上位主機可以同時控制多個農業大棚，在圖中是分別采用序號來標記的，如1號大棚、2號大棚、3號大棚等等。每一個大棚內都含有多個網絡節點，每個網絡節點都可以配置一個傳感器，例如：在1號大棚中，網絡節點A可以配置溫度傳感器，網絡節點B可以配置濕度傳感器，網絡節點C可以配置氣體傳感器，網絡節點D可以配置光照傳感器。2號大棚和3號大棚，可以按照同樣的方式進行傳感器的配置，也可以根據棚內農作物種植的具體情況，進行自己的傳感器配置。

每一個大棚內的傳感器配置完成后，整體組網后通過NB-LoT和上位機進行通信聯系，上位機起到總體的監控和任務調度的作用。因此，對于一個農戶而言，對于多個農業大棚的自動化監測，只需要1臺計算機即可。當然，前提是這些大棚必須和上位機建立有效的通信。

（二）農業大棚網絡節點的傳感器配置

從前面的分析和研究可知，農業大棚的物聯網監測實現，依賴于一個個的網絡節點以及節點上配置的傳感器。所以，每一個網絡節點的硬件配置是非常關鍵的。在本文中，采用成本最低、技術最為成熟的51單片機作為網絡節點的控制器，其下可以配置不同類型的傳感器，用于大棚內農作物生長狀態和環境信息的監測，網絡節點的傳感器配置如圖2所示。

在圖2中，以51單片機為核心，形成了農業大棚內網絡節點的硬件配置。圍繞著51單片機，溫度傳感器、濕度傳感器、氣體傳感器（CO2傳感器）、光照傳感器，形成了豐富的傳感器組，可以實現大棚內環境溫度數據、濕度數據、氣體數據、光照數據的監測。另外，51單片機通過NB-LoT無線通信單元，和上位機以及整個網絡進行無線通信，以便于將節點采集到的溫度數據、濕度數據、氣體數據、光照數據及時上傳，也便于將上位機的各種指令接收并實現大棚內各節點傳感器的重新調度。

（三）農業大棚網絡節點的無線通信過程

在農業大棚的物聯網系統中，各個網絡節點都配置了NB-LoT模塊，這個NB-LoT模塊承擔著無線通信的任務。每一個節點上的NB-LoT模塊，都可以和臨近的其他NB-LoT模塊進行通信，既包括上位機上的NB-LoT模塊，也包括臨近節點上的NB-LoT模塊。

在和臨近節點NB-LoT模塊進行無線通信時，主要的流程如下：

第一個環節，對農業大棚的物聯網系統內參與無線通信的兩個節點，要配置不同的角色。為了確保通信過程的順利進行，一個節點要設置為源通信節點，另一個節點要設置為目標通信節點。

第二個環節，對農業大棚的物聯網系統內參與無線通信的兩個節點，依據源通信節點和目標通信節點的角色不同，分別配置相應的通信資格。

第三個環節，對農業大棚的物聯網系統內參與無線通信的兩個節點，依據源通信節點和目標通信節點的角色不同，分別設置通信頻率?？紤]到彼此之間要進行通信信道的建立，這兩個通信頻率應該設置為同樣的大小。

第四個環節，對農業大棚的物聯網系統內參與無線通信的兩個節點，依據源通信節點和目標通信節點的角色不同，分別設置各自的計數器。

第五個環節，對農業大棚的物聯網系統內參與無線通信的兩個節點，依據源通信節點和目標通信節點的角色不同，為源通信節點設置發送狀態，為目標通信節點設置接收狀態。

第六個環節，對于農業大棚的物聯網系統內參與無線通信的兩個節點，當源通信節點和目標通信節點之間的指示燈輪流閃爍時，通信過程已經建立。

三、農業大棚物聯網系統內的各種信息采集

在前面的工作中，針對農業大棚的物聯網系統，分別進行了體系結構設計、網絡節點傳感器配置和網絡節點通信過程設計，接下來以某一個大棚內的四類傳感器數據采集為對象，給出結果。

從下表1中記錄了一個大棚內，通過物聯網系統的4個節點共16個傳感器在不同位置測定的溫度數據、濕度數據、光照數據、氣體數據的平均值。通過上述這組數據可以發現，從當日的9點06分開始記錄，一直到下午1點56分為止，溫度、濕度、光照、氣體都有了不同程度的變化。如果這種變化存在異常，在上位機負責總體監控的農戶，就可以第一時間發現，進行處理，如表1所示。

結語

我國農業經濟正在逐步進行現代化改革，智慧農業已經成為提高生產效率、提升農業經濟品質的必由之路。本文中，依托物聯網技術對農業大棚進行智慧化改造。研究過程中，依托NB-LoT通信技術，構建了農業大棚的傳感器網絡，包括了溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、氣體傳感器。在給出農業大棚物聯網體系結構設計的基礎上，進一步給出了各個節點的傳感器配置和通信流程設計，并給出了最終的多傳感器采集結果，證實了對農業大棚的自動化監測的有效性。

參考文獻：

[1]高發瑞，李曉曉，王亞民，等.大數據背景下數字技術對農業經濟增長的作用分析[J].安徽農業科學，2023， 51（11）：8-11.

[2]葛文杰，趙春江.農業物聯網研究與應用現狀及發展對策研究[J].農業機械學報，2014，45（07）：1-10.

[3]肖鷹，曾志丹， 張艷. 基于云計算下現代生態農業物聯網監控系統的設計[J].農機化研究，2023，45（11）：117-121.