張志娟張德鳳

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

引言

我國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)在國民經(jīng)濟中有著舉足輕重的地位，但是我國仍未成為一個農(nóng)業(yè)強國。國內(nèi)農(nóng)村人口占據(jù)了較高的比例，已經(jīng)達到總?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)值占比未達到20%?？傮w來看，在農(nóng)業(yè)發(fā)展領(lǐng)域仍然存在諸多問題，土地較為分散，依然依賴于傳統(tǒng)的種植模式，效率較低；由于大量的農(nóng)村人口進城務(wù)工，缺乏有知識的年輕人參與到農(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，最終將對作物生長發(fā)育產(chǎn)生諸多不利的影響，而且威脅到了消費者的健康[1]。2004—2022年，連續(xù)19a我國都發(fā)布以“三農(nóng)”為主題的中央一號文件，體現(xiàn)了“三農(nóng)”問題在中國的重要地位。

黨和政府始終高度重視農(nóng)業(yè)的發(fā)展，在《中共中央 國務(wù)院關(guān)于抓好“三農(nóng)”領(lǐng)域重點工作 確保如期實現(xiàn)全面小康的意見》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)、人工智能等先進的技術(shù)，依托于此類技術(shù)來實現(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 國務(wù)院關(guān)于全面推進鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的意見》中指出，民族要復興，鄉(xiāng)村必振興，要舉全黨全社會之力加快推進農(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，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化不再是“紙上談兵”[3]。為了實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，我國不斷學習發(fā)達國家的農(nóng)業(yè)種植技術(shù)，如溫室大棚智能控制[4]、采摘機器人[5]等。但國外的技術(shù)設(shè)備存在一系列的弊端，如價格昂貴、維修費用高，我國開始自主研發(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)進行深度融合，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)整個過程的信息進行感知，并對這個信息進行精準管理和智能控制農(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，精細化以及高效化成為必然的發(fā)展趨勢，有助于改善種植的效率，減少病蟲害的發(fā)生，提高產(chǎn)量和品質(zhì)，從而達到更高的綜合效益[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

感知層主要是通過各類傳感器實現(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、氣象探測等傳感器，由此可以獲得與作物生長密切相關(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，常用的方式有無線以及有線方式，可以將感知層的信息傳輸?shù)狡渌麑哟危阌诶^續(xù)進行后續(xù)的處理與應(yīng)用，可以將一些信息發(fā)布在農(nóng)業(yè)信息平臺中[1]。隨著無線傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的有線通信方式已經(jīng)很少用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，現(xiàn)在大多采用無線組網(wǎng)的方式來建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。無線傳輸方式主要有短距離通信和長距離通信技術(shù)。Wi-Fi、ZigBee、藍牙等是常用的短距離通信技術(shù)，無線廣域網(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)，此類技術(shù)的優(yōu)勢在于傳輸距離大，適合于應(yīng)用到長距離通信領(lǐng)域。二者仍然存在一定的差異性，其中NB-IOT對于運營商的依賴性較高，獨立性不強，而LoRa技術(shù)能夠保證通信過程的獨立性[8]。

1.3 應(yīng)用層

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

2 LoRa

2.1 LoRa(LongRangeRadio)的中文意思

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

2.2 LoRa的特點

可以達到較長的傳輸距離，對于郊區(qū)、城區(qū)分別可以達到15km、2～5km的距離；利用了擴頻技術(shù)等，而且可以實現(xiàn)前向糾錯(FEC)；支持IEEE802.15.4g；工作頻率主要有433MHz以及915MHz等；可以達到較高的傳輸速率，甚至可以達到kB·s-1；功耗低，無需專用的供電，只需要普通的電池即可達到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[1]。

3 NB-IOT

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

雖然NB-IOT與LoRa沒有太大差異，但NB-IOT更適合在運營商級網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模部署。因為從組網(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4G進行部署，難度較小，效率較高，一般可以通過軟件升級方式構(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)計了智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)平臺，如圖1所示。該系統(tǒng)通過對無線覆蓋區(qū)域范圍內(nèi)的終端節(jié)點即各個農(nóng)業(yè)大棚中的數(shù)據(jù)的全自動采集，并將采集到的數(shù)據(jù)匯聚到LoRa集中器，實現(xiàn)了各個農(nóng)業(yè)大棚中的各種類型的環(huán)境數(shù)據(jù)的遠距離、低功耗的無線傳輸，最后通過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，遠程監(jiān)控中心則訪問云平臺存儲的信息獲取農(nóng)業(yè)大棚中的環(huán)境數(shù)據(jù)，從而通過云平臺對終端設(shè)備進行管理[10]。

圖1 智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)框圖

5 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)中的硬件設(shè)計主要有終端節(jié)點、LoRa集中器模塊、NB-IOT模塊。終端節(jié)點由土壤濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器、光照強度傳感器、CO2濃度傳感器、電源模塊、STM32單片機、LoRa通信終端(本設(shè)計采用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)等都會通過終端節(jié)點上傳到LoRa集中器。

圖2 終端節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

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

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

光照是農(nóng)作物進行光合作用必不可少的條件，與農(nóng)作物的生長密不可分[11]。光照強度傳感器采用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：支持對光強度閾值進行設(shè)置；功耗低，體積小；可編程控制模擬增益；支持I2C等常用的協(xié)議；可以對50Hz/60Hz的光照波動進行有效地抑制[12]。植物生長過程中何時需要補光，補光一般是農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的光強未達到1000lx時才進行的。

二氧化碳傳感器采用煒盛科技的利用非紅色散紅外(NDIR)原理對空氣中的CO2濃度進行測量的MH-Z14，其工作電壓為4.5～5.5V，測量范圍為0～5%VOL，該傳感器具有較高無氧依賴性和靈敏度，還內(nèi)置溫度補償[13]。

本系統(tǒng)的核心控制部分采用的是意法半導體(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、復位模塊、時鐘控制模塊、電路啟動模塊等組成。

本系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)是無線通信模塊設(shè)計，考慮到傳輸距離、低功耗、小型化、通信可靠性等因素，在設(shè)計過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，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。通信距離較長，基本可以達到5km[7]。除了上述特性之外，還具備了較高的兼容性，如對于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，從而實現(xiàn)云端的監(jiān)測和控制。

6 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計由終端節(jié)點軟件設(shè)計、客戶端設(shè)計2部分組成。各個終端節(jié)點的軟件設(shè)計主要是完成各溫室大棚中環(huán)境因子數(shù)據(jù)的采集，要先進行初始化設(shè)置，隨后單片機向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)測對各個參數(shù)。STM32會與傳感器上采集的數(shù)據(jù)進行交互，經(jīng)LoRa無線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NB-IOT模塊進一步發(fā)送給基站，最終通過IOT連接管理平臺來完成對數(shù)據(jù)的解碼操作，處理之后的數(shù)據(jù)進一步通過平臺進行展示，便于結(jié)合采集到的數(shù)據(jù)信息進行管理和控制[8]。

本系統(tǒng)的終端節(jié)點軟件設(shè)計選擇使用Keil MDK-ARM作為軟件開發(fā)環(huán)境，該工具廣泛用于單片機開發(fā)領(lǐng)域中，集成了編譯器以及調(diào)試器等基本的部件，針對不同類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，在此次研究中主要通過該工具來實現(xiàn)對終端節(jié)點軟件的設(shè)計與開發(fā)[14]。

設(shè)計的客戶端是為了讓用戶能通過安卓手機App可以隨時查看數(shù)據(jù)。AndriodStudio是APP的開發(fā)環(huán)境，該APP需要聯(lián)網(wǎng)并通過Ocean Connect物聯(lián)網(wǎng)云平臺進行信息交互。此APP可以實時監(jiān)測并能手動與智能控制農(nóng)業(yè)大棚設(shè)備：本平臺不僅可以全自動獲取各農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)監(jiān)測點的光照、溫度等環(huán)境數(shù)據(jù)的精確信息，讓用戶通過手機就能遠程掌握農(nóng)作物生長的環(huán)境；還可以通過設(shè)置環(huán)境參數(shù)的閾值，自動開啟智能控制，以及通過手動控制繼電器通道的開與關(guān)，實現(xiàn)對噴灑、遮陽、通風等設(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，推動著中國農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化、信息化和智能化演進，構(gòu)建精細化的農(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，促進中國農(nóng)業(yè)發(fā)展。當下，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，與此同時也會促進中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村數(shù)字化、信息化跨越式發(fā)展。