張凡 萬雪芬 鄭濤 崔劍 李雪冬 楊義

摘 ?要： NB?IoT低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)有望成為未來農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中海量終端互聯(lián)的主干支撐技術(shù)之一，智能手機方便易用的特點使其有望成為適宜廣大農(nóng)戶日常使用的農(nóng)業(yè)信息終端平臺。為同時滿足傳統(tǒng)棚室農(nóng)業(yè)集總式管理模式與日常棚室生產(chǎn)情境中的分布式管理的需求，基于NB?IoT技術(shù)及智能手機，設(shè)計一套可用于蔬菜棚室的智慧管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有功能伸縮性強、部署便捷、穩(wěn)定可靠、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜唵?、使用方便、成本低廉等?yōu)點。測試結(jié)果表明，通過所設(shè)計系統(tǒng)可以有效地完成對于蔬菜棚室的種植參數(shù)監(jiān)測與設(shè)備管理等工作，實現(xiàn)面向智慧棚室的遠程集總式管理與現(xiàn)場分布式管理。

關(guān)鍵詞： 智慧蔬菜棚; NB?IoT; 智能手機; 系統(tǒng)設(shè)計; 設(shè)備管理; 遠程監(jiān)測

中圖分類號： TN926?34; S126 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）12?0170?06

Abstract： The LPWAN based on NB?IoT is expected to be one of the backbone support technologies to realize the mass terminal interconnection in the future IoT， and the convenience of Smartphone is expected to make it an agricultural information terminal platform suitable for the daily use of farmers. In order to meet the demand of traditional agricultural lumped management mode and distributed management in daily agricultural production scenarios， a smart vegetable greenhouse management system is designed based on NB?IoT and Smartphone. The system has the advantages of strong function scalability， convenient to deploy， strong stability and reliability， easy to use， low cost and so on. The testing results show that the planting parameter monitoring and equipment management of vegetable greenhouse can be effectively completed by the designed system， and the remote lumped management and field distributed management for intelligent greenhouses can be realized.

Keywords： smart vegetable greenhouse; NB?IoT; Smartphone; system design; equipment management; remote monitoring

0 ?引 ?言

我國農(nóng)業(yè)棚室生產(chǎn)經(jīng)營者多為以家庭為單位的中小型個體農(nóng)戶，生產(chǎn)管理受到棚室空間位置分散、農(nóng)業(yè)投入受限、信息化知識水平有待提高等因素的影響。而隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中精細化管理的不斷深入，棚室物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)模式與終端間數(shù)據(jù)通道需要進一步優(yōu)化[1?3]。為適應(yīng)這一現(xiàn)狀，需要實現(xiàn)能夠在較大的空間范圍之內(nèi)支持海量棚室物聯(lián)網(wǎng)終端接入的低成本、低實現(xiàn)復(fù)雜度、高運行可靠性的有效無線互聯(lián)手段[4?6]。

由LTE（Long Term Evolution）技術(shù)發(fā)展而來的NB?IoT技術(shù)可為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域海量終端無線互聯(lián)提供有效的支持。其具有覆蓋性優(yōu)異、終端模組成本低廉、日常維護簡單、支持海量終端接入及能耗較低等優(yōu)勢[7]。農(nóng)業(yè)環(huán)境中數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c也與NB?IoT數(shù)據(jù)傳輸頻次低、時延較高、數(shù)據(jù)量有限等特性相符合。NB?IoT上述優(yōu)點特別適用于在我國廣大農(nóng)村地區(qū)進行廣覆蓋、低成本、海量接入的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的需求[8?9]。

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)集總式管理模式與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者日常生產(chǎn)習(xí)慣及農(nóng)業(yè)情境中的分布式管理需求不完全契合[10?11]。如能在保證集總式管理功能的前提下同時實現(xiàn)農(nóng)業(yè)情境中的分布式管理則可在較大的程度上提高農(nóng)業(yè)宏觀管理者與現(xiàn)場作業(yè)人員的管理效能與服務(wù)效果[12?13]。若能依托智能手機等在農(nóng)戶中廣泛使用的移動智能設(shè)備為分布式農(nóng)業(yè)管理提供支持，則可在易用性、建設(shè)與使用成本、分布式支持等方面適應(yīng)我國棚室生產(chǎn)的現(xiàn)狀[14?16]。

本文提出一種基于NB?IoT與智能手機的智慧蔬菜棚室管理系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可以實現(xiàn)在較大范圍內(nèi)的蔬菜棚室物聯(lián)網(wǎng)信息終端互聯(lián)互通，同時支持農(nóng)業(yè)棚室經(jīng)營者通過智能手機在各農(nóng)業(yè)情境中進行分布式管理，以及獲得由云端平臺提供的智慧農(nóng)業(yè)信息服務(wù)對較大范圍內(nèi)蔬菜棚室進行集總式中心化管理。

1 ?系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由基于NB?IoT的現(xiàn)場終端節(jié)點、基于Android的分布式現(xiàn)場服務(wù)APP及適配NB?IoT的云端平臺組成。現(xiàn)場終端節(jié)點用于采集棚室種植環(huán)境中的日常數(shù)據(jù)，并為農(nóng)業(yè)機電設(shè)備提供相應(yīng)的控制信號。現(xiàn)場終端節(jié)點的感知與控制信息通過NB?IoT數(shù)據(jù)通道與蔬菜棚室管理系統(tǒng)的云端平臺服務(wù)器實現(xiàn)有效交互。云端平臺服務(wù)器對通過NB?IoT運營商平臺對應(yīng)接口獲得的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理，并將數(shù)據(jù)存儲在部署于云服務(wù)器上的MySQL數(shù)據(jù)庫中，為集總模式下的網(wǎng)頁管理端提供數(shù)據(jù)支持。網(wǎng)頁管理端為核心管理員（如棚室農(nóng)業(yè)園區(qū)管理者或農(nóng)業(yè)管理部門人員）提供用戶管理、節(jié)點管理、實時監(jiān)測、設(shè)備控制、告警管理以及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)棚室的集總式管理。該集總式服務(wù)面向農(nóng)業(yè)集總式宏觀管理，不受地塊、區(qū)域限制。

為同時滿足蔬菜棚室農(nóng)業(yè)情境下的分布式管理需求，采用Android智能手機APP為農(nóng)業(yè)現(xiàn)場作業(yè)人員（如負(fù)責(zé)特定棚室的雇工等）提供現(xiàn)場棚室管理服務(wù)。該服務(wù)為局域管理服務(wù)，現(xiàn)場作業(yè)人員可通過該服務(wù)APP實現(xiàn)對周邊棚室蔬菜種植管理所需的終端節(jié)點接入、棚室環(huán)境監(jiān)測、棚室設(shè)備控制以及數(shù)據(jù)管理等功能。該APP還可在NB?IoT網(wǎng)絡(luò)突發(fā)問題時提供應(yīng)急管理操作。上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)同時滿足了集總式管理與現(xiàn)場分布式管理的需求，并通過功能結(jié)構(gòu)劃分不同的管理層次。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 ?現(xiàn)場終端節(jié)點

為了提高蔬菜棚室中感知終端與執(zhí)行終端密度與精細化程度，實現(xiàn)復(fù)雜農(nóng)業(yè)環(huán)境下終端節(jié)點與遠程控制端及手機APP的可靠通信，設(shè)計了適用于蔬菜棚室中監(jiān)測管理的終端節(jié)點?，F(xiàn)場終端節(jié)點的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 ?傳感器模塊

節(jié)點的MCU采用基于ARM 32 bit Cortex??M3內(nèi)核的STM32F103ZET6芯片。其較高的工作頻率、較低的功耗特性、較寬的工作溫度范圍及豐富的接口為復(fù)雜棚室農(nóng)業(yè)環(huán)境下節(jié)點功能的有效實現(xiàn)提供了有力支持。由于棚室蔬菜種植對溫濕度有較高要求，節(jié)點采用具有較好耐候耐噴淋特性的單總線（1?Wire）數(shù)字式溫濕度傳感器AM2306對棚室內(nèi)外環(huán)境溫度進行采集。該傳感器溫度測量范圍在-40～125 ℃，誤差在±0.3 ℃之間，濕度測量范圍在0～99.9%，誤差在±2%之間，可滿足絕大多數(shù)蔬菜棚室種植環(huán)境溫濕度監(jiān)測的需求。為評估日光透射玻璃或大棚薄膜后在棚室內(nèi)的光照分布，節(jié)點通過BH1750FVI光照強度傳感器獲取日光輻照數(shù)據(jù)。BH1750FVI較低的成本有助于在棚室內(nèi)多個位置包括蔬菜的冠層及根部等處布設(shè)多個監(jiān)測點，從而能夠更為可靠地形成對棚室蔬菜光照因素的宏觀觀測。為在棚室遭遇強風(fēng)時提供告警，節(jié)點采用支持ModBus?RTU協(xié)議的SM5385B和SM5384B風(fēng)速與風(fēng)向傳感器監(jiān)測對應(yīng)數(shù)據(jù)。MCU通過采用SP3485構(gòu)建的RS 485總線獲得上述傳感器數(shù)據(jù)。土壤水分與溫度傳感器SM2802亦可通過該RS 485通路接入MCU。為了對棚室水泵、排風(fēng)扇等進行可靠控制，當(dāng)節(jié)點收到云端服務(wù)器或智能手機發(fā)來的指令后，MCU產(chǎn)生邏輯控制信號驅(qū)動對應(yīng)4路使用EL817C光耦隔離的繼電器G5LA?14通路。

2.2 ?NB?IoT與藍牙通信模塊

節(jié)點采用NB?IoT與低功耗藍牙技術(shù)分別滿足遠程集總式管理與現(xiàn)場分布式管理的數(shù)據(jù)傳輸需求。節(jié)點采集的棚室監(jiān)測數(shù)據(jù)與云端遠程控制信息經(jīng)由NB?IoT數(shù)據(jù)通道進行傳輸。智能手機與節(jié)點的現(xiàn)場通信由藍牙實現(xiàn)。為了便于通信與數(shù)據(jù)處理，棚室監(jiān)測數(shù)據(jù)采集完畢后被封裝成8位字節(jié)數(shù)組的數(shù)據(jù)幀。節(jié)點NB?IoT模組選用基于華為Boudica芯片的WH?NB75?B5。模組與MCU通過波特率為9 600 b/s的串行接口進行通信。WH?NB75?B5工作于850 MHz頻段，適配電信NB?IoT物聯(lián)網(wǎng)卡。該模組峰值功耗 0.3 A/3.8 V，無數(shù)據(jù)時休眠功耗可低至5 μA/3.8 V。模組支持UDP/CoAP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。系統(tǒng)中使用基于請求/響應(yīng)模型的CoAP通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。CoAP通信協(xié)議以UDP作為傳輸層協(xié)議，通信開銷的顯著減小使其適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中。使用中擴展不連續(xù)接收模式的取值為5 min。上電后，節(jié)點自動實現(xiàn)NB?IoT網(wǎng)絡(luò)接入。在NB?IoT通信中，周期性采集到的棚室監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)由MCU封裝并結(jié)合CRC?8校驗，通過NB?IoT信息通路上傳到遠程云端服務(wù)器，同時接收云端發(fā)來的控制指令并進行完整性判斷，進而執(zhí)行控制操作。通過上述過程實現(xiàn)終端節(jié)點與云端服務(wù)器的可靠通信。NB?IoT信息交互周期通過MCU定時器設(shè)定。節(jié)點藍牙模組選用基于CC2540芯片、支持藍牙4.0低功耗通信協(xié)議的HC?08無線藍牙通信模組。微控制器通過串口方式與藍牙模組進行通信（波特率為9 600 b/s）。HC?08工作電壓為3.2～6 V，在低功耗模式下休眠電流低至0.4 μA，在空曠環(huán)境下?lián)碛凶罡呖蛇_80 m的通信距離，滿足節(jié)點長時間工作及智能手機與終端節(jié)點進行高可靠性通信的需求。

3 ?分布式現(xiàn)場服務(wù)APP

農(nóng)業(yè)現(xiàn)場作業(yè)人員使用的分布式現(xiàn)場服務(wù)APP基于Android開發(fā)，其可應(yīng)用于Android 5.0版本以上的智能手機。主要面向在棚室田間地頭工作的農(nóng)業(yè)現(xiàn)場作業(yè)者，為其提供分布式管理服務(wù)。分布式現(xiàn)場服務(wù)APP的主要功能為手機/節(jié)點間藍牙通信管理、棚室監(jiān)測、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理及用戶UI。APP功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。終端節(jié)點對接APP的流程圖如圖4所示。

3.1 ?藍牙通信管理

藍牙通信管理功能用于構(gòu)建智能手機與現(xiàn)場終端節(jié)點間穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)通道。手機/節(jié)點間的低功耗藍牙通信基于GATT （Generic Attribute Profile）協(xié)議。APP啟動后查詢藍牙狀態(tài)，在手機藍牙功能未開啟時執(zhí)行使能操作。在用戶發(fā)出節(jié)點掃描請求后執(zhí)行掃描過程，掃描到節(jié)點設(shè)備后獲取該設(shè)備的物理地址、設(shè)備名稱與信號強度等信息，并添加在藍牙管理頁面的設(shè)備列表中呈現(xiàn)給用戶。用戶可根據(jù)節(jié)點管理需求接入任一合規(guī)節(jié)點。接入后APP對藍牙狀態(tài)進行管理，通過定時查詢接入設(shè)備的信號強度，實現(xiàn)弱連接閾值預(yù)警。如中途斷開則依情況進行重連或提示重新掃描。

3.2 ?棚室監(jiān)測與設(shè)備管理

棚室監(jiān)測與設(shè)備管理功能包括對棚室環(huán)境種植參數(shù)的實時監(jiān)測，以及向節(jié)點發(fā)送命令對棚室設(shè)備進行控制。APP在智能手機與節(jié)點間建立穩(wěn)定的連接后，根據(jù)用戶指令，向節(jié)點發(fā)送讀取棚室環(huán)境信息的控制命令。當(dāng)收到來自節(jié)點發(fā)送的完整監(jiān)測數(shù)據(jù)包后，APP根據(jù)預(yù)定格式進行校驗、解析，進而獲得棚室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。當(dāng)用戶需要對節(jié)點上連接的設(shè)備進行控制時，通過APP向節(jié)點發(fā)出控制指令，并接收節(jié)點發(fā)回的設(shè)備工作狀態(tài)信息以便確認(rèn)操作是否成功。APP還對設(shè)備的工作狀態(tài)進行記錄，以便用戶進行查閱。

3.3 ?APP數(shù)據(jù)管理

在分布式管理中，需要對局部信息數(shù)據(jù)進行分散式存儲，以便支持現(xiàn)場管理者的使用需求。APP對來自終端節(jié)點的采集數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)進行存儲，并提供對已存儲數(shù)據(jù)的條件查詢功能。所有的節(jié)點采集數(shù)據(jù)均已通過NB?IoT上傳至云端服務(wù)器中進行存儲，因此無需在智能手機端存儲大量數(shù)據(jù)，在實現(xiàn)中選擇使用SQLite輕量級數(shù)據(jù)庫，基于Android SDK完成數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建、訪問與操作。

3.4 ?用戶UI

APP的整體用戶界面由導(dǎo)航欄與對應(yīng)標(biāo)簽頁組成。導(dǎo)航欄中共有三個圖標(biāo)分別對應(yīng)數(shù)據(jù)管理頁面、實時監(jiān)控頁面與藍牙管理頁面，用戶通過點擊導(dǎo)航欄圖標(biāo)完成各標(biāo)簽頁的切換。數(shù)據(jù)管理頁面向用戶展示APP中已存儲信息。實時監(jiān)控頁面向用戶展示監(jiān)測棚室的實時環(huán)境參數(shù)，并提供對已連接節(jié)點設(shè)備的控制管理操作。藍牙管理頁面對終端節(jié)點接入情況及接入成功后手機/節(jié)點之間的藍牙連接進行管理。

4 ?適配NB?IoT的云端平臺

云端平臺主要面向農(nóng)業(yè)宏觀管理服務(wù)，其主要由NB?IoT數(shù)據(jù)接口、云端數(shù)據(jù)管理、節(jié)點管理、用戶管理、實時監(jiān)測、設(shè)備控制、告警管理等功能組成。云端平臺的功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。終端節(jié)點對接云端平臺的流程如圖6所示。

4.1 ?NB?IoT數(shù)據(jù)接口

云端平臺利用MQTT （Message Queue Telemetry Transport）協(xié)議通過構(gòu)建在電信云平臺上的第三方云服務(wù)商提供的數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)棚室內(nèi)終端節(jié)點與云端平臺間的數(shù)據(jù)傳輸。云端平臺啟動時，完成與MQTT服務(wù)器的連接，并訂閱全部節(jié)點設(shè)備，訂閱成功后可與已成功部署的節(jié)點實現(xiàn)基于NB?IoT的遠程透明數(shù)據(jù)傳輸。MQTT協(xié)議的消息報文由固定頭部、可變頭部以及有效載荷組成。實施中在收到每一個有效MQTT報文后，根據(jù)存儲于可變頭部中的節(jié)點ID對承載于有效載荷中的節(jié)點上傳數(shù)據(jù)進行獨立處理（校驗、解析等）。需要注意的是，在有效載荷中承載的節(jié)點感知信息和控制信息格式與藍牙數(shù)據(jù)容器中承載的相應(yīng)信息格式保持一致。

4.2 ?云端數(shù)據(jù)管理

云端平臺的數(shù)據(jù)管理功能面向管理員用戶信息、終端節(jié)點信息、節(jié)點采集環(huán)境信息、節(jié)點設(shè)備操作信息以及告警信息提供存儲管理工作，并為云端平臺其他功能提供數(shù)據(jù)支持。節(jié)點所采集的環(huán)境信息和設(shè)備操作信息根據(jù)節(jié)點ID進行分表存儲。在本系統(tǒng)中使用MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進行分表存儲管理，基于Spring Data JPA框架完成對數(shù)據(jù)庫的訪問與操作。

4.3 ?云端網(wǎng)頁管理

云端平臺的設(shè)計基于Browser/Server （瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)，采用網(wǎng)頁作為管理系統(tǒng)的應(yīng)用層軟件。由于平臺架設(shè)在云端，只要有可靠的互聯(lián)網(wǎng)接入手段，棚室集總管理者即可通過電腦或智能手機等設(shè)備遠程訪問云端平臺。管理者可通過云端平臺提供的網(wǎng)頁完成用戶管理、節(jié)點管理、實時監(jiān)測、設(shè)備控制、告警管理與歷史數(shù)據(jù)查詢等操作。

用戶管理功能為使用云端平臺的棚室管理員用戶提供賬號注冊、登錄以及資料修改等用戶管理操作。節(jié)點管理功能面向終端節(jié)點完成遠程管理，通過其進行對棚室內(nèi)終端節(jié)點的增刪、屬性設(shè)置等遠程管理操作。實時監(jiān)測功能通過實時繪制環(huán)境信息折線圖展示終端節(jié)點采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對各棚室環(huán)境參數(shù)的遠程監(jiān)測。設(shè)備控制功能面向與終端節(jié)點相連接的棚室設(shè)備，管理員通過其向終端節(jié)點發(fā)送控制命令，完成對設(shè)備的控制操作。告警管理功能實時對現(xiàn)場終端節(jié)點回傳的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，判斷數(shù)據(jù)包中各環(huán)境變量/設(shè)備參數(shù)是否正常，若存在異常則將終端節(jié)點ID、上報時間、異常變量及告警原因記錄并存入數(shù)據(jù)庫中的警報信息表中，在用戶UI發(fā)出告警提示。歷史查詢功能提供對云端數(shù)據(jù)庫中已存儲數(shù)據(jù)的查詢。

5 ?系統(tǒng)測試

在位于上海市松江區(qū)的某組棚室內(nèi)模擬蔬菜種植環(huán)境，部署終端節(jié)點，節(jié)點ID為0x00～0x0D。設(shè)定終端節(jié)點的采集周期為5 min。云端平臺部署于阿里云服務(wù)器，服務(wù)器系統(tǒng)為Window 2012 R2版本，配置為單核1 GB內(nèi)存以及40 GB的SSD云盤。APP測試機型Android版本為9.0，藍牙版本為BT 4.2及BT 5.0，CPU為驍龍660，HiSilicon Kirin970，HiSilicon Kirin980。系統(tǒng)測試時長覆蓋番茄發(fā)芽期全程（約14天）。節(jié)點監(jiān)測所得的棚室環(huán)境數(shù)據(jù)如圖7所示。

測試中首先對終端節(jié)點蔬菜棚室監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進行了驗證，通過將節(jié)點采集到的蔬菜種植參數(shù)與人工采集的種植參數(shù)進行比較，二者具有較高的一致性。此外在測試中，未發(fā)現(xiàn)因終端節(jié)點的傳感器數(shù)據(jù)讀取異常以及數(shù)據(jù)傳輸錯誤帶來的異常監(jiān)測記錄。結(jié)果表明通過節(jié)點可以有效對棚室蔬菜種植過程參數(shù)進行監(jiān)測。使用中還驗證了節(jié)點設(shè)備控制的有效性。測試中將節(jié)點設(shè)備控制端口與外部設(shè)備連接，并進行了云端遠程控制及現(xiàn)場手機端控制測試。測試結(jié)果顯示，終端節(jié)點可以有效地受云端或智能手機控制，為外部設(shè)備提供可靠的邏輯控制信號。在測試中，各終端節(jié)點長期工作穩(wěn)定未發(fā)生故障。終端節(jié)點未受到邏輯控制輸出接口所連接棚室機電設(shè)備的電氣干擾。上述測試結(jié)果表明，節(jié)點可長期有效地部署于棚室內(nèi)部，支撐管理者進行遠程或現(xiàn)場的精準(zhǔn)管理。

終端節(jié)點在部署后，絕大多數(shù)情況下可以在5 s內(nèi)完成NB?IoT網(wǎng)絡(luò)的自動接入，實現(xiàn)云端平臺與終端節(jié)點間的數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。終端節(jié)點的數(shù)據(jù)包上傳與控制命令的接收均無異常。在網(wǎng)絡(luò)狀況良好時，云端平臺網(wǎng)頁端功能使用正常，可以實現(xiàn)對多棚室的集中式環(huán)境監(jiān)測與設(shè)備控制。測試期間，阿里云服務(wù)器運行狀態(tài)良好，云端平臺數(shù)據(jù)管理功能正常。在數(shù)據(jù)庫存儲超過10萬條記錄時，數(shù)據(jù)庫依舊保持性能良好，查詢速度未有明顯下降。在無明顯遮擋的情況下，手機端APP可以在3 s內(nèi)完成與終端節(jié)點的連接，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)包與控制命令的可靠傳輸。APP在不同測試手機中功能使用正常，可以實現(xiàn)對周邊棚室的現(xiàn)場管理。測試時，未出現(xiàn)閃退等異常現(xiàn)象，APP數(shù)據(jù)存儲正常。

為評價遠程及現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸效果，以系統(tǒng)中以終端節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率[ρ]作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性的評價標(biāo)準(zhǔn)，[ρ]計算公式為：

式中：[ps]是傳輸過程中丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量;[pr]是終端節(jié)點向云端平臺或手機APP端發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量。在測試過程中，因為各節(jié)點工作狀態(tài)不同，所以各節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)包數(shù)量有所差異。測試中，每個終端節(jié)點通過NB?IoT網(wǎng)絡(luò)最少上傳4 000個數(shù)據(jù)包，平均上傳4 032個數(shù)據(jù)包，傳輸過程中平均每個節(jié)點丟失4個數(shù)據(jù)包，平均丟包率0.099 2%。每個終端節(jié)點通過藍牙最少發(fā)送1 000個數(shù)據(jù)包，平均發(fā)送1 015個數(shù)據(jù)包，傳輸過程中平均每個節(jié)點丟失3個數(shù)據(jù)包，平均丟包率為0.295 5%，滿足了棚室管理系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)傳輸高穩(wěn)定性的要求。

針對系統(tǒng)遠程管理者與現(xiàn)場管理者的回訪調(diào)查顯示，云端平臺的管理網(wǎng)頁與手機APP界面布局簡潔，功能豐富。管理網(wǎng)頁在電腦與手機平臺各瀏覽器中支持良好，手機APP在主流機型中正常運行。網(wǎng)頁與APP的操作簡捷，用戶無需長時間使用培訓(xùn)后即可正常操作，并擁有較好的用戶體驗。

6 ?結(jié) ?論

為同時滿足智慧蔬菜棚室種植中集總式遠程管理與分布式現(xiàn)場管理的需求，設(shè)計基于NB?IoT與智能手機的蔬菜棚室智慧管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)由棚室現(xiàn)場終端節(jié)點、適配NB?IoT的云端平臺和基于Android的現(xiàn)場服務(wù)APP組成。通過本系統(tǒng)可以有效對蔬菜棚室種植參數(shù)進行采集，實現(xiàn)對棚室農(nóng)業(yè)機電設(shè)備的控制。利用NB?IoT數(shù)據(jù)通道可以實現(xiàn)從棚室到云端的遠程數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，實現(xiàn)服務(wù)于遠程管理者的云端集總式蔬菜棚室管理。在現(xiàn)場管理中，作業(yè)者可以使用安裝APP的智能手機實現(xiàn)局域環(huán)境內(nèi)的分布式管理功能操作。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，可以有效支持智慧農(nóng)業(yè)棚室管理的需求。

注：本文通訊作者為萬雪芬。

參考文獻

[1] WAN X F， ZHENG T， CUI J， et al. Near field communication?based agricultural management service systems for family farms [J]. Sensors， 2019， 19： 4406.

[2] SHI X， AN X， ZHAO Q， et al. State?of?the?Art Internet of Things in protected agriculture [J]. Sensors， 2019， 19： 1833.

[3] 龔尚福，潘虹.智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（19）：119?122.

[4] GUO P， DUSADEERUNGSIKUL P O， NOF S Y. Agricultural cyber physical system collaboration for greenhouse stress management [J]. Computers and electronics in agriculture， 2018， 150： 439?454.

[5] SOMOV A， SHADRIN D， FASTOVETS I， et al. Pervasive agriculture： IoT?enabled greenhouse for plant growth control [J]. IEEE pervasive computing， 2018， 17（4）： 65?75.

[6] AHMED N， DE D， HUSSAIN I. Internet of Things （IoT） for smart precision agriculture and farming in rural areas [J]. IEEE Internet of Things， 2018， 5： 4890?4899.

[7] FENG X， YAN F， LIU X. Study of Wireless communication technologies on Internet of Things for precision agriculture [J]. Wireless personal communications， 2019（17）： 1?18.

[8] 楊衛(wèi)中，王雅淳，姚瑤，等.基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2019，50（z1）：243?247.

[9] 宦娟，吳帆，曹偉建，等.基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的養(yǎng)殖塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)研制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35（8）：252?261.

[10] PARAFOROS D S， VASSILIADIS V， KORTENBRU?CK D， et al. Multi?level automation of farm manage?ment information systems [J]. Computers and electronics in agriculture， 2017， 142： 504?514.

[11] ELIJAH O， RAHMAN T A， ORIKUMHI I， et al. Anoverview of Internet of Things （IoT） and data analytics in agriculture： benefits and challenges [J]. IEEE Internet of Things， 2018， 5： 3758?3773.

[12] FOUNTAS S， CARLI G， S?RENSEN C G， et al. Farm management information systems： current situation， and future perspectives [J]. Computers and electronics in agriculture， 2015， 115： 40?50.

[13] TUMMERS J， KASSAHUN A， TEKINERDOGAN B. Obstacles and features of farm management information systems： a systematic literature review [J]. Computers and electronics in agriculture， 2019， 157： 189?204.

[14] AQUINO A， BARRIO I， DIAGO M P， et al. vitisBerry： an android?Smartphone application to early evaluate the number of grapevine berries by means of image analysis [J]. Computers and electronics in agriculture， 2018， 148： 19?28.

[15] DAUM T， BUCHWALD H， GERLICHER A， BIRNE?R R. Smartphone apps as a new method to collect data on smallholder farming systems in the digital age： a case study from Zambia [J]. Computers and electronics in agriculture， 2018， 153： 144?150.

[16] 潘小紅，楊志勇.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚種植園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（14）：127?130.