張志娟張德鳳

(1.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213000；2.蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215000)

引言

我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著舉足輕重的地位，但是我國(guó)仍未成為一個(gè)農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)。國(guó)內(nèi)農(nóng)村人口占據(jù)了較高的比例，已經(jīng)達(dá)到總?cè)丝诘?6%左右，然而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域仍然處于滯后的水平，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占比未達(dá)到20%?？傮w來(lái)看，在農(nóng)業(yè)發(fā)展領(lǐng)域仍然存在諸多問(wèn)題，土地較為分散，依然依賴(lài)于傳統(tǒng)的種植模式，效率較低；由于大量的農(nóng)村人口進(jìn)城務(wù)工，缺乏有知識(shí)的年輕人參與到農(nóng)業(yè)發(fā)展中，制約了農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。除了上述問(wèn)題之外，由于農(nóng)藥等不合理的應(yīng)用，污染了環(huán)境，土壤質(zhì)量下降，最終將對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生諸多不利的影響，而且威脅到了消費(fèi)者的健康[1]。2004—2022年，連續(xù)19a我國(guó)都發(fā)布以“三農(nóng)”為主題的中央一號(hào)文件，體現(xiàn)了“三農(nóng)”問(wèn)題在中國(guó)的重要地位。

黨和政府始終高度重視農(nóng)業(yè)的發(fā)展，在《中共中央 國(guó)務(wù)院關(guān)于抓好“三農(nóng)”領(lǐng)域重點(diǎn)工作 確保如期實(shí)現(xiàn)全面小康的意見(jiàn)》中明確提到：在農(nóng)業(yè)發(fā)展領(lǐng)域中應(yīng)該充分利用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進(jìn)的技術(shù)，依托于此類(lèi)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展，提高作業(yè)的效率，逐步擺脫傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式[2]。

在《中共中央 國(guó)務(wù)院關(guān)于全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的意見(jiàn)》中指出，民族要復(fù)興，鄉(xiāng)村必振興，要舉全黨全社會(huì)之力加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化[2]。

隨著5G通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)成為必然的發(fā)展趨勢(shì)，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化不再是“紙上談兵”[3]。為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，我國(guó)不斷學(xué)習(xí)發(fā)達(dá)國(guó)家的農(nóng)業(yè)種植技術(shù)，如溫室大棚智能控制[4]、采摘機(jī)器人[5]等。但國(guó)外的技術(shù)設(shè)備存在一系列的弊端，如價(jià)格昂貴、維修費(fèi)用高，我國(guó)開(kāi)始自主研發(fā)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)相關(guān)技術(shù)設(shè)備。

1 智慧農(nóng)業(yè)概述

智慧農(nóng)業(yè)是指利用5G移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行深度融合，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)整個(gè)過(guò)程的信息進(jìn)行感知，并對(duì)這個(gè)信息進(jìn)行精準(zhǔn)管理和智能控制農(nóng)業(yè)設(shè)備的一種嶄新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[6]。智慧農(nóng)業(yè)的作用在于改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，提高了農(nóng)業(yè)發(fā)展的效率，將更多的新技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)種植中，精細(xì)化以及高效化成為必然的發(fā)展趨勢(shì)，有助于改善種植的效率，減少病蟲(chóng)害的發(fā)生，提高產(chǎn)量和品質(zhì)，從而達(dá)到更高的綜合效益[7]。

智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)有感知層、傳輸層和應(yīng)用層3層結(jié)構(gòu)模型。

1.1 感知層

感知層主要是通過(guò)各類(lèi)傳感器實(shí)現(xiàn)各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(yǎng)分、重金屬探測(cè)、氣象探測(cè)等傳感器，由此可以獲得與作物生長(zhǎng)密切相關(guān)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(wú)線(xiàn)以及有線(xiàn)方式，可以將感知層的信息傳輸?shù)狡渌麑哟?，便于繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的處理與應(yīng)用，可以將一些信息發(fā)布在農(nóng)業(yè)信息平臺(tái)中[1]。隨著無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的有線(xiàn)通信方式已經(jīng)很少用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，現(xiàn)在大多采用無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)的方式來(lái)建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。無(wú)線(xiàn)傳輸方式主要有短距離通信和長(zhǎng)距離通信技術(shù)。Wi-Fi、ZigBee、藍(lán)牙等是常用的短距離通信技術(shù)，無(wú)線(xiàn)廣域網(wǎng)和低功耗廣域網(wǎng)LoRa和NB-IOT屬于使用較多的通信技術(shù)，此類(lèi)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于傳輸距離大，適合于應(yīng)用到長(zhǎng)距離通信領(lǐng)域。二者仍然存在一定的差異性，其中NB-IOT對(duì)于運(yùn)營(yíng)商的依賴(lài)性較高，獨(dú)立性不強(qiáng)，而LoRa技術(shù)能夠保證通信過(guò)程的獨(dú)立性[8]。

1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層是分析和處理傳輸過(guò)來(lái)的信息，并依靠這些數(shù)據(jù)作出為農(nóng)業(yè)決策，遠(yuǎn)程控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備。

2 LoRa

2.1 LoRa(LongRangeRadio)的中文意思

遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)電，是一種低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)[1]。LoRa是屬于美國(guó)Semtech公司的一種常用的超遠(yuǎn)距離通信技術(shù)。LoRa主要利用了CSS(ChirpSpreadSpectrum，CSS)調(diào)制技術(shù)，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于具備了較強(qiáng)的抗干擾能力，而且可以傳輸較長(zhǎng)的距離，功耗較小。

2.2 LoRa的特點(diǎn)

可以達(dá)到較長(zhǎng)的傳輸距離，對(duì)于郊區(qū)、城區(qū)分別可以達(dá)到15km、2～5km的距離；利用了擴(kuò)頻技術(shù)等，而且可以實(shí)現(xiàn)前向糾錯(cuò)(FEC)；支持IEEE802.15.4g；工作頻率主要有433MHz以及915MHz等；可以達(dá)到較高的傳輸速率，甚至可以達(dá)到kB·s-1；功耗低，無(wú)需專(zhuān)用的供電，只需要普通的電池即可達(dá)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(jié)點(diǎn)[1]。

3 NB-IOT

NB-IOT技術(shù)有功耗低、覆蓋廣以及穿透強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，廣泛用于不同的場(chǎng)景中，基本可以達(dá)到10km的傳輸距離。更重要的是，支持通過(guò)云端來(lái)存儲(chǔ)相關(guān)的數(shù)據(jù)[8]。

雖然NB-IOT與LoRa沒(méi)有太大差異，但NB-IOT更適合在運(yùn)營(yíng)商級(jí)網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模部署。因?yàn)閺慕M網(wǎng)方面，LoRa網(wǎng)絡(luò)部署需要建設(shè)全套設(shè)備。NB-IOT則可以通過(guò)4G進(jìn)行部署，難度較小，效率較高，一般可以通過(guò)軟件升級(jí)方式構(gòu)建NB、LTE雙模網(wǎng)絡(luò)[9]。

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)基于LoRa技術(shù)設(shè)計(jì)了智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，如圖1所示。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)無(wú)線(xiàn)覆蓋區(qū)域范圍內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)即各個(gè)農(nóng)業(yè)大棚中的數(shù)據(jù)的全自動(dòng)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)匯聚到LoRa集中器，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)農(nóng)業(yè)大棚中的各種類(lèi)型的環(huán)境數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離、低功耗的無(wú)線(xiàn)傳輸，最后通過(guò)MCU和NB-IOT模塊將LoRa集中器采集到的數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心則訪問(wèn)云平臺(tái)存儲(chǔ)的信息獲取農(nóng)業(yè)大棚中的環(huán)境數(shù)據(jù)，從而通過(guò)云平臺(tái)對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行管理[10]。

圖1 智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

5 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的硬件設(shè)計(jì)主要有終端節(jié)點(diǎn)、LoRa集中器模塊、NB-IOT模塊。終端節(jié)點(diǎn)由土壤濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、CO2濃度傳感器、電源模塊、STM32單片機(jī)、LoRa通信終端(本設(shè)計(jì)采用SX1268)等組成，如圖2所示。采集到的各種參數(shù)如土壤參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等都會(huì)通過(guò)終端節(jié)點(diǎn)上傳到LoRa集中器。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

植物生長(zhǎng)中水的作用是至關(guān)重要的，土壤濕度的檢測(cè)也尤其重要。本系統(tǒng)中土壤濕度傳感器采用了FC-28土壤濕度傳感器來(lái)檢測(cè)土壤的濕度值，然后將當(dāng)前土壤下檢測(cè)到的濕度值傳遞給單片機(jī)完成數(shù)據(jù)的分析。該傳感器表面通過(guò)鍍鎳處理解決了傳感器長(zhǎng)時(shí)間接觸土壤水分帶來(lái)的生銹困擾，極大地延長(zhǎng)了使用壽命。

本系統(tǒng)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(cè)場(chǎng)景中，其使用的難度較小，效率較高，可以通過(guò)轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字信號(hào)。除了上述基本功能之外，其優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在穩(wěn)定性高、支持校準(zhǔn)功能以及功耗低等方面[7]。該器件的量程較大，適合于應(yīng)用到不同的測(cè)溫場(chǎng)景中，其中溫度測(cè)量范圍為-40～120℃，精度為±0.5℃；濕度測(cè)量范圍為0～100%RH，精度為±4.5%RH。

光照是農(nóng)作物進(jìn)行光合作用必不可少的條件，與農(nóng)作物的生長(zhǎng)密不可分[11]。光照強(qiáng)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(xiàn)在如下方面：支持對(duì)光強(qiáng)度閾值進(jìn)行設(shè)置；功耗低，體積??；可編程控制模擬增益；支持I2C等常用的協(xié)議；可以對(duì)50Hz/60Hz的光照波動(dòng)進(jìn)行有效地抑制[12]。植物生長(zhǎng)過(guò)程中何時(shí)需要補(bǔ)光，補(bǔ)光一般是農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的光強(qiáng)未達(dá)到1000lx時(shí)才進(jìn)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(duì)空氣中的CO2濃度進(jìn)行測(cè)量的MH-Z14，其工作電壓為4.5～5.5V，測(cè)量范圍為0～5%VOL，該傳感器具有較高無(wú)氧依賴(lài)性和靈敏度，還內(nèi)置溫度補(bǔ)償[13]。

本系統(tǒng)的核心控制部分采用的是意法半導(dǎo)體(ST)公司的STM32F103RBT6芯片，其最小系統(tǒng)由電源供電模塊、微控制器芯片、復(fù)位模塊、時(shí)鐘控制模塊、電路啟動(dòng)模塊等組成。

本系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)是無(wú)線(xiàn)通信模塊設(shè)計(jì)，考慮到傳輸距離、低功耗、小型化、通信可靠性等因素，在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了高可靠的SX1278和NB-IOT模塊BC35-G[7]。SX1278的應(yīng)用具有多方面的優(yōu)勢(shì)，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(diǎn)。通信距離較長(zhǎng)，基本可以達(dá)到5km[7]。除了上述特性之外，還具備了較高的兼容性，如對(duì)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(guò)STM32的串口傳輸至NB-IOT模塊BC35-G，由BC35-G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至云服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)云端的監(jiān)測(cè)和控制。

6 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)、客戶(hù)端設(shè)計(jì)2部分組成。各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要是完成各溫室大棚中環(huán)境因子數(shù)據(jù)的采集，要先進(jìn)行初始化設(shè)置，隨后單片機(jī)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(fā)送初試化脈沖；數(shù)據(jù)采集單元采集并監(jiān)測(cè)對(duì)各個(gè)參數(shù)。STM32會(huì)與傳感器上采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，經(jīng)LoRa無(wú)線(xiàn)通信模塊將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至LoRa采集器，LoRa采集器可以向STM32傳輸采集到的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)NB-IOT模塊進(jìn)一步發(fā)送給基站，最終通過(guò)IOT連接管理平臺(tái)來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)的解碼操作，處理之后的數(shù)據(jù)進(jìn)一步通過(guò)平臺(tái)進(jìn)行展示，便于結(jié)合采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行管理和控制[8]。

本系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)選擇使用Keil MDK-ARM作為軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，該工具廣泛用于單片機(jī)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中，集成了編譯器以及調(diào)試器等基本的部件，針對(duì)不同類(lèi)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(yōu)勢(shì)，在此次研究中主要通過(guò)該工具來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[14]。

設(shè)計(jì)的客戶(hù)端是為了讓用戶(hù)能通過(guò)安卓手機(jī)App可以隨時(shí)查看數(shù)據(jù)。AndriodStudio是APP的開(kāi)發(fā)環(huán)境，該APP需要聯(lián)網(wǎng)并通過(guò)Ocean Connect物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行信息交互。此APP可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并能手動(dòng)與智能控制農(nóng)業(yè)大棚設(shè)備：本平臺(tái)不僅可以全自動(dòng)獲取各農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的光照、溫度等環(huán)境數(shù)據(jù)的精確信息，讓用戶(hù)通過(guò)手機(jī)就能遠(yuǎn)程掌握農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境；還可以通過(guò)設(shè)置環(huán)境參數(shù)的閾值，自動(dòng)開(kāi)啟智能控制，以及通過(guò)手動(dòng)控制繼電器通道的開(kāi)與關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴灑、遮陽(yáng)、通風(fēng)等設(shè)備的控制[10]。

7 小結(jié)

智慧農(nóng)業(yè)能有效地改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，加快現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，推動(dòng)著中國(guó)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化、信息化和智能化演進(jìn)，構(gòu)建精細(xì)化的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，提升農(nóng)業(yè)發(fā)展的效率和質(zhì)量，從而為廣大消費(fèi)者提供更多優(yōu)質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品[15]，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，促進(jìn)中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展。當(dāng)下，隨著大量的現(xiàn)代科技應(yīng)用在農(nóng)業(yè)中，智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍將更大，與此同時(shí)也會(huì)促進(jìn)中國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村數(shù)字化、信息化跨越式發(fā)展。