劉哲輝 楊曉磊 石稱華 黃科力*

（1上海勁牛信息技術(shù)有限公司，上海 200333；2上海市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，上海 201103）

農(nóng)作物的生長、發(fā)育、產(chǎn)量、品質(zhì)與農(nóng)田環(huán)境因素息息相關(guān)，故有效獲取農(nóng)田環(huán)境信息，有助于科學(xué)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1]。在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于缺乏有效的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測方法，無法及時(shí)對(duì)農(nóng)作物的生長環(huán)境作出調(diào)整，所以僅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行農(nóng)事操作，生產(chǎn)效率較低。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為一種新興的數(shù)據(jù)采集和信息處理方法被廣泛運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中（主要內(nèi)容包括：通過利用各類傳感器設(shè)備進(jìn)行農(nóng)田環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)采集，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)、電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等傳輸通道進(jìn)行信息傳輸，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、處理，通過智能終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)展現(xiàn)）。雖然將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測已成為當(dāng)下的熱點(diǎn)，一些產(chǎn)品也已可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集，但是，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)仍存在感知節(jié)點(diǎn)安裝復(fù)雜、功能單一、數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定等缺點(diǎn)［2］。然而，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）具有功耗低、成本低、通信距離遠(yuǎn)、可海量連接等特性[3］，其構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180 kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，在非實(shí)時(shí)、低頻次的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用場景中優(yōu)勢顯著。鑒于此，筆者構(gòu)建了基于NB-IoT技術(shù)和云服務(wù)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)），并在上海市寶山區(qū)和嘉定區(qū)的試驗(yàn)基地進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，以期促進(jìn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用?，F(xiàn)將該系統(tǒng)的構(gòu)建和應(yīng)用情況介紹如下。

1 系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體架構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集端（感知層）、數(shù)據(jù)傳輸端（網(wǎng)絡(luò)層）和數(shù)據(jù)觀測端（應(yīng)用層），具體架構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。其中，數(shù)據(jù)采集端由多種傳感器構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)采集農(nóng)田環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)（例如，傳感器感知模塊采集農(nóng)田的土壤溫度、濕度、pH、離子含量等信息），然后通過ModBus-RTU傳輸協(xié)議將信息匯集到云終端；數(shù)據(jù)傳輸端將匯集的信息通過NBIoT傳送到遠(yuǎn)端云平臺(tái)，再發(fā)送給應(yīng)用層軟件，在數(shù)據(jù)觀測端，系統(tǒng)管理員通過應(yīng)用層軟件，即可進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)觀測和導(dǎo)出等[4］。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2 傳感器結(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的傳感器結(jié)點(diǎn)硬件采用可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)理念，將感知層的終端根據(jù)農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)分解成多個(gè)傳感器單元（包括土壤溫濕度傳感器、pH傳感器、金屬離子傳感器等），各傳感器單元通過連接線與云終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。云終端是連接傳感器與云平臺(tái)的樞紐，最多支持6路RS485傳感器，不同的傳感器可即插即用，操作方便、配置靈活[5］。接入云終端的傳感器會(huì)遵守統(tǒng)一的數(shù)據(jù)封裝和傳輸協(xié)議，將云終端匯集到的數(shù)據(jù)信息通過NB-IoT通信上傳至云平臺(tái)供應(yīng)用層，同時(shí)將云平臺(tái)的配置要求發(fā)送給傳感器節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)還配置了太陽能電池板和儲(chǔ)電裝置，可適應(yīng)野外的農(nóng)田工作環(huán)境。系統(tǒng)具體的硬件裝配見圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件裝配設(shè)計(jì)

同時(shí)，系統(tǒng)的傳感器硬件設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：（1）精度高。系統(tǒng)采用的傳感器是高精度電化學(xué)電極，通過應(yīng)用電化學(xué)測量原理，傳感器的靈敏度和精度較高、量程大、線性好、穩(wěn)定可靠，適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。（2）功耗低。由于傳感器節(jié)點(diǎn)通過太陽能供電，電量有限，采用功耗低的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，有利于系統(tǒng)長期穩(wěn)定的運(yùn)行。（3）模塊化。不同農(nóng)田需要檢測的環(huán)境因素不同，且在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，可能會(huì)出現(xiàn)新的需求，故系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可按需求增減不同傳感器[6］。

1.3 應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的應(yīng)用層主要是基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和微信小程序設(shè)計(jì)的云平臺(tái)軟件（簡稱微信“農(nóng)田衛(wèi)士”小程序），其主要功能包括前端數(shù)據(jù)展示模塊（包括溫度、濕度、pH、EC值等）、傳感器結(jié)點(diǎn)分組管理、小程序管理設(shè)置（主要包括平臺(tái)成員及監(jiān)測基地管理）和歷史數(shù)據(jù)查詢模塊等。該云平臺(tái)軟件將物聯(lián)網(wǎng)+云服務(wù)+微信小程序有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)庫的實(shí)時(shí)讀取和人機(jī)交互[4］，易于操作。具體表現(xiàn)為：（1）設(shè)備接入方便，用戶可根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要，自主選擇不同的傳感器，并通過傳感器連接的云終端的ID碼在后臺(tái)完成綁定；（2）感知層采集的農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)通過NB-IoT通信傳輸至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的云服務(wù)器；（3）通過互聯(lián)網(wǎng)用戶即可直接利用微信“農(nóng)田衛(wèi)士”小程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問和傳感器的遠(yuǎn)程控制。

2 系統(tǒng)應(yīng)用分析

2.1 應(yīng)用概況

系統(tǒng)在《上海市受污染耕地土壤精準(zhǔn)安全利用技術(shù)研究與示范》課題研究中進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，即于2021年1月，分別在寶山區(qū)(31°22′N，121°27′E，青菜大棚環(huán)境）和嘉定區(qū)（31°23′N，121°10′E，水稻大田環(huán)境）的試驗(yàn)基地內(nèi)進(jìn)行了物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備的部署安裝。具體為：根據(jù)課題需要測量的土壤指標(biāo)，系統(tǒng)組合配置了土壤溫度、濕度、EC值、pH及Cd離子含量監(jiān)測傳感器；采用太陽能電池板供電；利用NB-IoT進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；在用戶端，通過微信“農(nóng)田衛(wèi)士”小程序進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)查看。

系統(tǒng)在相關(guān)試驗(yàn)基地安裝應(yīng)用后，運(yùn)行穩(wěn)定，成功采集了大量農(nóng)田土壤環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，取得了一定的應(yīng)用效果。經(jīng)試點(diǎn)應(yīng)用，系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢在于：（1）監(jiān)測數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)以“min”為單位進(jìn)行刷新；（2）可在微信“農(nóng)田衛(wèi)士”小程序直觀查看系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)（如土壤溫度、濕度、EC值、pH及Cd離子含量等），同時(shí)可查看各傳感器的運(yùn)行情況；（3）歷史數(shù)據(jù)能以1 d、7 d、30 d或自定義的時(shí)間段生成動(dòng)態(tài)監(jiān)測曲線；（4）系統(tǒng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可根據(jù)需要以5、15、30 min等梯度頻率進(jìn)行導(dǎo)出，用于課題后續(xù)的研究分析；（5）相比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集手段，系統(tǒng)在軟硬件運(yùn)行穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)獲取連續(xù)性、數(shù)據(jù)采集便捷性等方面具有較大優(yōu)勢，數(shù)據(jù)采集達(dá)到精準(zhǔn)高效的水平，可清晰展現(xiàn)試驗(yàn)小區(qū)不同處理間的差異，節(jié)省了課題研究的人力、物力、財(cái)力[7］。

2.2 系統(tǒng)評(píng)價(jià)

2.2.1 提高了農(nóng)業(yè)精細(xì)化管理水平

系統(tǒng)通過監(jiān)測農(nóng)作物生長過程中的土壤溫度、濕度、pH和重金屬離子含量等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化，不僅可為智慧農(nóng)業(yè)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，還可使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者能隨時(shí)了解農(nóng)作物所處的環(huán)境狀態(tài)，實(shí)行按需用水、用肥，從而使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)更具客觀性、科學(xué)性，減少了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的依賴程度，提升了農(nóng)業(yè)精細(xì)化管理水平。

2.2.2 提升了農(nóng)業(yè)科研試驗(yàn)效率

系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與土壤環(huán)境監(jiān)測的結(jié)合，系統(tǒng)的成功構(gòu)建與應(yīng)用，進(jìn)一步證明了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測研究方面的可行性和可靠性。例如，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在土壤環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測中，不僅有助于克服傳統(tǒng)土壤采樣分析和原位測試方法帶來的滯后和誤差，還能提高大田科研試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)的效率和準(zhǔn)確性[7］。但是，系統(tǒng)還處于試點(diǎn)應(yīng)用階段，軟硬件等也有待進(jìn)一步調(diào)優(yōu)，從而實(shí)現(xiàn)更多的農(nóng)田環(huán)境因素納入物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管中。

2.2.3 物聯(lián)網(wǎng)傳感器的維護(hù)難度大

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器是一種相對(duì)精密的設(shè)備，而其運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，且需要長期暴露在自然環(huán)境下，這對(duì)其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度和壽命都產(chǎn)生了一定影響，尤其是一些離子類傳感器，需要定期進(jìn)行養(yǎng)護(hù)、校準(zhǔn)。若物聯(lián)網(wǎng)傳感器的平時(shí)養(yǎng)護(hù)工作沒有做好，會(huì)導(dǎo)致部分傳感器的穩(wěn)定性差，從而頻繁進(jìn)行校準(zhǔn)，故系統(tǒng)在獲取精確數(shù)據(jù)的同時(shí)，也增加了物聯(lián)網(wǎng)傳感器的維護(hù)難度和成本。

2.2.4 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施的使用成本高

目前，農(nóng)業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，整體經(jīng)濟(jì)效益不高，且以小農(nóng)戶分散經(jīng)營為主。相比普通農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入品，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的價(jià)格偏高，例如，系統(tǒng)包含的土壤溫度、濕度、EC值、pH及Cd離子含量監(jiān)測傳感器的設(shè)備與配套系統(tǒng)，市場價(jià)格約為1萬元/套，普通小農(nóng)戶難以承擔(dān)。同時(shí)，盡管各級(jí)政府對(duì)多種農(nóng)業(yè)投入品制訂了一系列補(bǔ)貼政策，例如，上海市制定了《上海市市級(jí)財(cái)政農(nóng)業(yè)綜合補(bǔ)貼資金管理辦法》《上海市2021—2023年農(nóng)業(yè)機(jī)械購置補(bǔ)貼實(shí)施方案》等，對(duì)水稻、麥子、油菜等農(nóng)作物良種、農(nóng)藥、農(nóng)機(jī)具等實(shí)行了物化補(bǔ)貼，但目前針對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與系統(tǒng)建設(shè)并沒有統(tǒng)一的補(bǔ)貼政策。此外，一些規(guī)模較大的農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體可通過申報(bào)市（區(qū)）級(jí)項(xiàng)目的形式開展一定程度的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，但大部分中小農(nóng)戶無法申報(bào)，從而未享受到相關(guān)補(bǔ)貼政策。這些均制約了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的普及。

3 結(jié) 語

基于NB-IoT技術(shù)和云服務(wù)構(gòu)建的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，在上海市寶山區(qū)和嘉定區(qū)的土壤面源污染改良實(shí)驗(yàn)田中成功試點(diǎn)應(yīng)用，表現(xiàn)為基本功能運(yùn)行穩(wěn)定、土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)返回良好，初步表明了該系統(tǒng)的合理性和可行性。同時(shí)，系統(tǒng)的試點(diǎn)應(yīng)用，說明農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不僅可協(xié)助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者更好地掌握農(nóng)田環(huán)境實(shí)時(shí)情況，還能為農(nóng)業(yè)土壤干旱預(yù)警、水土流失及面源污染控制提供技術(shù)支撐，輔助科研人員高效開展試驗(yàn)工作[7］。但是，系統(tǒng)的試點(diǎn)應(yīng)用并不代表真正實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用還需要一定的時(shí)間，相信隨著技術(shù)的進(jìn)步和農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼政策的完善，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛，其發(fā)揮的價(jià)值也會(huì)越來越大，屆時(shí)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將會(huì)成為農(nóng)民的“新農(nóng)具”。