熊剛 胡啟迪 馬安良 閔衛(wèi)峰 韓講周 李旭珍

摘要 傳統(tǒng)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)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(duì)當(dāng)前智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)技術(shù)中的部分問題，基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一種可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集、農(nóng)作物模型分析等環(huán)節(jié)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng);該系統(tǒng)以LoraWAN搭配 NB-ioT技術(shù)為核心，搭建智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的信息傳輸鏈路，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、傳輸與監(jiān)測(cè)，與一般監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、功能完善、兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò);LoraWAN; NB-ioT;智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào) S126???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(nóng)業(yè)是一種集智慧生產(chǎn)、智慧經(jīng)營(yíng)、智慧服務(wù)等于一體的新型農(nóng)業(yè)發(fā)展業(yè)態(tài)，是未來(lái)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)以及傳感技術(shù)等開展環(huán)境數(shù)據(jù)采集、信息傳輸以及決策分析等，是智慧農(nóng)業(yè)體系中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要承擔(dān)的任務(wù)。傳統(tǒng)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多以 Zigbee （即又稱紫蜂協(xié)議）技術(shù)等為核心，具有低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì);然而，隨著現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能的提升，以一般 Zigbee 技術(shù)為核心的系統(tǒng)逐漸暴露出傳輸效率低、安全性差、帶寬狹窄等問題，同時(shí)智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的海量應(yīng)用，也使得 Zigbee 技術(shù)的低成本優(yōu)勢(shì)逐漸喪失，其通信穩(wěn)定性差、自組網(wǎng)能力差等劣勢(shì)越發(fā)凸顯[1-3]。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是由不同制造商生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和系統(tǒng)組成，大部分情況下運(yùn)行在不同的協(xié)議上，支持不同的功能或應(yīng)用。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的融合，能夠更好地提升檢測(cè)系統(tǒng)的兼容性，從而提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率和安全性。本文以傳統(tǒng)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為依托，以LoraWAN（LoRa 遠(yuǎn)距離通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一套通訊協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)）、NB-ioT（Narrow Band Internet of Things，以下簡(jiǎn)稱 NB-IoT ）等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心，重新設(shè)計(jì)了一種智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的、兼容性更強(qiáng)的、可以遠(yuǎn)距離通信的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)需求分析

智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)精細(xì)化管理的重要工具，其能夠在大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、種植環(huán)節(jié)，對(duì)影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)（例如溫度、濕度、光照強(qiáng)度、各項(xiàng)氣體含量等）進(jìn)行精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)和控制，能夠?yàn)檗r(nóng)作物提供一個(gè)最為理想的生長(zhǎng)環(huán)境[4]。通常情況下，一套完整的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)處理功能、數(shù)據(jù)傳輸功能、智能控制功能等。本研究構(gòu)建的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)待實(shí)現(xiàn)的主要功能見圖1。

數(shù)據(jù)處理功能，用以采集、傳輸和處理農(nóng)作物周圍各項(xiàng)自然環(huán)境參數(shù)，包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、海量歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等模塊;無(wú)線傳輸功能，主要將監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)所使用的各類型傳感器采集的數(shù)據(jù)通過無(wú)線形式進(jìn)行傳輸，為監(jiān)控中心用戶提供遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳導(dǎo);參數(shù)配置功能，主要負(fù)責(zé)接收監(jiān)控中心用戶指令，對(duì)農(nóng)業(yè)作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行人為干預(yù)，使農(nóng)作物長(zhǎng)期處于最理想的生產(chǎn)環(huán)境中;智能控制則是并列于參數(shù)配置功能的重要農(nóng)作物參數(shù)調(diào)節(jié)模塊，該模塊以智能補(bǔ)光、智能灌溉等為核心，可在人工不參與的情況下自動(dòng)對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境下的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié);智能告警功能，在農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)不符合最理想條件時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)人員進(jìn)行預(yù)警，從而提醒用戶及時(shí)進(jìn)行人為干預(yù)。

圖1? 系統(tǒng)待實(shí)現(xiàn)主要功能

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常包括感知層、傳輸層、應(yīng)用層3個(gè)層次（圖2）[5-7]。感知層主要包含各類型傳感器，用以進(jìn)行氣象、土壤等數(shù)據(jù)的獲取以及控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收集;傳輸層包括終端節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)關(guān)等，是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)景;應(yīng)用層主要包括服務(wù)器以及檢測(cè)軟件等，是直觀呈現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)或進(jìn)行參數(shù)配置以及智能控制的環(huán)節(jié)。

系統(tǒng)工作時(shí)，感知層的終端節(jié)點(diǎn)可通過各類型傳感器將農(nóng)作物所處環(huán)境的光照強(qiáng)度、空氣溫濕度、二氧化碳濃度等以及所處土壤環(huán)境的 pH、土壤溫濕度等數(shù)據(jù)傳輸至LoRaWAN網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn);網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在LoRaWAN網(wǎng)關(guān)協(xié)議的保護(hù)下將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，最終達(dá)到用戶服務(wù)器端;服務(wù)器端一方面可以不斷接收并存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，另一方面可以根據(jù)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工或智能分析，挖掘和農(nóng)作物生長(zhǎng)高度相關(guān)的數(shù)據(jù)，通過觀察向LoRaWAN網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令，按照逆向數(shù)據(jù)傳輸將各項(xiàng)指令傳回感知層的控制節(jié)點(diǎn)，從而人為干預(yù)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境中的灌溉、照明、通風(fēng)裝置等。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件功能的實(shí)現(xiàn)主要是對(duì)終端節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)關(guān)兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。在終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)方面，本研究主要參考了當(dāng)前智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域較為成熟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[8]（圖3），將環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、土壤監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)以及控制節(jié)點(diǎn)三部分分別與 MCU 微控制器進(jìn)行橋接，該微控制器具有功耗小、運(yùn)算速度快等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還可以為用戶提供多種外設(shè)接口，用戶可以根據(jù)后續(xù)實(shí)際需求添加不同的傳感器設(shè)備; MCU 微控制器通過LoRaWAN通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)感知層與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的通信。

本研究將網(wǎng)關(guān)板的設(shè)計(jì)作為整個(gè)網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)方面的核心，其硬件結(jié)構(gòu)主要包括蒂森 MC3核心板、 SX1302LoRa 網(wǎng)關(guān)模塊以及 BC95模塊等。其中，蒂森 MC3核心板為網(wǎng)關(guān)板的核心，其他模塊包括網(wǎng)口等主要圍繞該硬件設(shè)備展開工作。本次網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖4。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)的工作主要是負(fù)責(zé)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行采集、傳輸或人為干預(yù)。工作流程如圖5所示。開始工作以后，終端節(jié)點(diǎn)需要首先入網(wǎng)進(jìn)行自組織組網(wǎng)，入網(wǎng)成功以后開啟收發(fā)數(shù)據(jù)定時(shí)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)交互時(shí)終端節(jié)點(diǎn)會(huì)進(jìn)行休眠，此時(shí)其數(shù)據(jù)交互功能將會(huì)處于暫時(shí)關(guān)閉狀態(tài)，待系統(tǒng)重新出現(xiàn)數(shù)據(jù)交互時(shí)喚醒。

2.2.2 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)圖6所示為網(wǎng)關(guān)軟件工作流程。系統(tǒng)通電以后，網(wǎng)關(guān)軟件會(huì)首先進(jìn)行自組織組網(wǎng)，組網(wǎng)完成以后LoRaWAN根據(jù)系統(tǒng)分配，采用128AES 進(jìn)行雙重加密后入網(wǎng)，若網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)，系統(tǒng)首先判斷該數(shù)據(jù)是否為串口數(shù)據(jù)，若是則開啟 SPI 接口發(fā)送數(shù)據(jù)至 SX1302核心模塊， SX1302核心模塊則將數(shù)據(jù)繼續(xù)傳送至服務(wù)器;若網(wǎng)關(guān)接收到的數(shù)據(jù)并不是串口數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)會(huì)開啟串口發(fā)送數(shù)據(jù)至 BC95模塊，通過 BC95模塊傳送至服務(wù)器。

2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

圖7 所示為本次設(shè)計(jì)的基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最終的 WEB 端效果圖。從該界面上可以看到詳細(xì)的地塊種植農(nóng)作物情況，包括氣候、光照條件、待進(jìn)行的作業(yè)等;系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)等能夠直觀地對(duì)某一地塊的溫濕度、二氧化碳濃度等進(jìn)行監(jiān)測(cè);用戶可以通過參數(shù)設(shè)置以及預(yù)警參數(shù)設(shè)置模塊對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境條件進(jìn)行人為控制。

3 結(jié)語(yǔ)

智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通常采用有線、無(wú)線或有線+無(wú)線等形式通信。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展對(duì)智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳輸距離要求的提高，采用有線形式開展數(shù)據(jù)通信以及指令交互已經(jīng)逐漸無(wú)法滿足用戶需求。因此，當(dāng)前的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多以 Zigbee、wifi等為依托，以無(wú)線通信的方式開展數(shù)據(jù)傳輸。LoraWAN是在 LoRa 物理層傳輸技術(shù)基礎(chǔ)之上的以 MAC 層為主的一套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)產(chǎn)品包括LoRaWAN節(jié)點(diǎn)、LoRaWAN網(wǎng)關(guān)和LoRaWAN的協(xié)議和數(shù)據(jù)云平臺(tái); NB-ioT是ioT領(lǐng)域新興的技術(shù)之一，構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，是一種非常典型的低功耗廣域網(wǎng)[9-10]。利用LoraWAN搭配 NB-ioT進(jìn)行異構(gòu)組網(wǎng)，具有三項(xiàng)主要優(yōu)勢(shì)。

3.1 關(guān)鍵設(shè)備成熟度高

在農(nóng)業(yè)信息采集方面，本研究構(gòu)建的用于農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和動(dòng)植物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)的傳感設(shè)備種類全面，功能完善，精確度和靈敏度高，且體積小，能適應(yīng)生產(chǎn)的需要。對(duì)于某些設(shè)備接入技術(shù)成本限制較為嚴(yán)格的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主體而言，這種關(guān)鍵設(shè)備成熟度高的系統(tǒng)搭建原則能夠很好地降低其技術(shù)融入成本，同時(shí)極大地加快其系統(tǒng)應(yīng)用速度。3.2 關(guān)鍵設(shè)備價(jià)格低廉

本研究應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的軟、硬件相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)均在國(guó)內(nèi)，并且技術(shù)的兼容性和靈活性很高，具有較強(qiáng)的可拓展性。用戶在使用該系統(tǒng)一段時(shí)間以后，如果需要在自身的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系中接入其他的傳感器等設(shè)備，系統(tǒng)提供的各種端口可以較好地為用戶提供“即插即用”服務(wù)[11-12]。

3.3? 能夠解決一般物聯(lián)網(wǎng)多網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)性差的問題

智慧農(nóng)業(yè)中常用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)多為 ZigBee 技術(shù)，在使用過程中存在無(wú)法和用戶wifi網(wǎng)絡(luò)中的智能終端設(shè)備直接通信的問題，本研究搭建的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)很好地解決了這一問題，自組網(wǎng)中和用戶wifi網(wǎng)絡(luò)中的智能終端設(shè)備可以直接進(jìn)行通信，提高了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與預(yù)警的效率[13-15]。

與傳統(tǒng)的無(wú)線通信技術(shù)相比，采用LoraWAN搭配 NB-ioT進(jìn)行異構(gòu)組網(wǎng)，能夠完成物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)（ Zigbee 技術(shù)）的功能，但兼容性更好，不受制于特定的硬件系統(tǒng)，打破硬件選擇上的唯一性;同時(shí)靈活度更高，通過結(jié)合不同的硬件能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)無(wú)法完成的監(jiān)測(cè)任務(wù)，降低系統(tǒng)的軟硬件成本，對(duì)進(jìn)一步推廣智慧農(nóng)業(yè)具有非常重大的意義。

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（責(zé)任編輯 林海妹）