基于NB-IoT的農作物種植測控系統的研究

唐婷 彭仁杰 王爍

摘要：現代化農業以提高農作物產量和質量、降低人力資源投入、科學種植為基本目標，但農作物種植過程的測控水平依然亟待提高。NB-IoT技術具有深覆蓋、海量連接、能耗低、所占帶寬小的技術特征，配備各類傳感器能夠非常方便地獲取第一手數據，適用于終端設備量大，對網絡傳輸速率要求低，尤其是不宜網絡布線的場景。研究創建基于NB-IoT技術的農作物智能測控系統，設計數據感知、網絡傳輸、智能處理、用戶應用四層結構，實現從農田到客戶端的農作物種植全過程測控。

關鍵詞：NB-IoT;物聯網;農作物種植;測控;數據采集

中圖分類號：TN929.5;TP391.44? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）15-0006-03

Abstract： The basic goal of modern agriculture is to increase the yield and quality of crops， reduce human resource input， and scientific planting. However， the level of measurement and control in the process of crop planting still needs to be improved urgently. NB-IoT technology has the technical characteristics of deep coverage， massive connection， low energy consumption and small bandwidth. Equipped with various sensors， it is very convenient to obtain first-hand data. It is suitable for the scene with large amount of terminal equipment and low requirements for network transmission rate， especially for the scene where network wiring is not suitable. This research creates a crop intelligent measurement and control system based on NB-IoT technology， and designs a four-layer structure of data perception， network transmission， intelligent processing， and user application to realize the measurement and control of the whole process of crop planting from farmland to client.

Key words： NB-IoT; Internet of Things; crop planting; measurement and control; data acquisition

1 背景

隨著物聯網技術的發展，智慧農業逐步興起，NB-IOT技術在數字化系統溫室大棚、智能水表、智慧停車、冷鏈物流、智能穿戴、畜牧業養殖等方面得到了深入研究與廣泛應用[1]。相比之下，我國農作物種植地域分布廣，種類豐富，但農業智能化發展遠遠不夠，散戶種植依舊居多，對農田的耕種依賴于傳統經驗，缺乏科學指導，不恰當的種植還會引發環境問題。構建基于NB-IOT技術的農作物種植測控系統，促進各類農作物大數據產業鏈建設，構建農情檢測、種植技術體系，進一步加快農業產業化進程，加速農業綠色發展。

2 NB-IoT技術概述

2.1 NB-IoT技術簡介

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things），譯為窄帶蜂窩物聯網，屬于工作于授權頻譜下，3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術，是物聯網的無線通信技術標準之一，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，也被稱作低功耗廣域網（LPWA）[2]，其設備連接形式與常見的藍牙、WIFI等類似。2016年6月NB-IoT核心標準正式在3GPP-R13確定，為滿足更多的技術研發和市場需求，2017年6月3GPP在Re-14中對NB-IoT進行了一系列增強技術并于完成了核心規范。此后，NB-IoT在物聯網領域大顯身手，2017年被業界稱為NB-IoT“商用元年”。

2.2 NB-IoT技術特點

以NB-IoT技術為核心的物聯網，因其眾多優點在智慧城市、智能家居、智能交通、智慧農業等方面具有較高的應用與推廣價值。

2.2.1 穩定性

NB-IoT可直接部署于各運營商現有的網絡之上，無須額外建設基站，部署成本降低。NB-IoT只需消耗大約180KHz的帶寬，可采取帶內、保護帶或獨立載波等三種部署方式，不影響傳統業務和其他物聯網業務的穩定，并能實現平滑升級。

2.2.2 深覆蓋

NB-IoT通過提升功率譜密度和重復傳輸兩種方法擴大網絡覆蓋范圍，與同頻的其他網絡相比，NB-IoT具有接近20dB的增益，即使在地下室、地下車庫等場所也能實現信號深度覆蓋。

2.2.3 低功耗

NB-IoT技術聚焦小數據量、小速率應用。目前，受蓄電技術的制約，物聯網中的各類終端通常采用降低功耗來延長待機時間和壽命。在NB-IoT中利用PSM技術和eDRX技術控制終端設備的休眠與激活，使耗電量降低200倍，平均功耗可達12.5年[3]，特別適用于山林荒野等不便于經常更換電池和充電的各類監測傳感器，可以保障電池5年以上的使用壽命。

2.2.4 安全性

NB-IOT工作于3GPP授權頻譜下，可避免干擾，采用4G加密技術，數據安全性得到保證。

2.2.5 海量連接

與藍牙、WIFI等無線網絡不同，NB-IoT屬于運營商授權網絡，終端連接量大，200kHz的帶寬可以提供10萬個連接，一個基站覆蓋范圍可達10km。

2.3 NB-IoT物聯網的基本架構

基于NB-IoT物聯網的基本框架主要分為感知層、傳輸層和應用層，包括感知終端、基站、物聯網核心網、網絡管理平臺、應用系統等重要組成部分。其中，感知層依照實際需求部署相應數量的各類NB-IoT感知終端，負責收集相關數據并實施檢測;基站、物聯網核心網、網絡管理平臺屬于傳輸層，基站由運營商搭建，現成基站數量眾多，可滿足NB-IoT終端的接入需求，物聯網核心網包含各類傳輸控制方案，提供物聯網管理服務，網絡管理平臺主要負責數據的傳輸、存儲和分析，感知層所獲得的信息通過網絡層進行傳遞，該層還負責網絡安全管理;應用層面向用戶，提供專門開發的解決某一問題的應用程序，用戶可通過指令控制智能終端完成相應的功能[3-5]。

3 基于NB-IoT的農作物種植測控系統

3.1 農作物種植測控的困境

農作物種植受光照、濕度、溫度、土壤酸堿度等環境條件的影響，在生長過程中還要進行澆水、施肥、滅蟲等人工干預以保證產量與質量。目前，農作物種植過程中的各項環境數據的采集依然依賴于人工錄入，耗時久、延時長、數據量有限，數據基礎總體薄弱，數據精度不高，實時性較差，為此投入的人力資源過多，農作物種植過度依賴經驗，數據分析與預測的欠缺不利于市場流通與監管。農業信息化建設需要大量的數據作為支撐條件，為獲取農作物種植的基礎數據，農村農業部出臺了相關政策推進農業農村大數據的發展，部分專家學者就農業物聯網進行了深入研究，建設了以GPRS、LoRa等技術為核心的農業種植測控系統，雖取得了一定成效，但該類技術存在傳輸距離短、信號覆蓋范圍小、設備連接量有限、終端待機時間短等劣勢，不利于農業數據化發展。為有效解決數據采集和分析問題，引入NB-IoT技術物聯網，發揮NB-IoT低功耗、廣覆蓋、海量連接等優勢，幫助人們獲得更加及時、準確、全面和清晰的數據信息[6]。

3.2 基于NB-IoT的農作物種植測控系統功能分析

以NB-IoT為技術基礎設計一款農作物種植測控系統，監測農作物生長的環境數據，并對數據進行分析進而完成生長預測和科學種植指導，實現對不同遠程執行設備的控制，建立農作物信息庫，系統功能設置為數據采集、展示與查詢、智能預測、遠程控制、自動控制、系統穩定與功能擴展。

1）數據采集、展示、查詢：收集農作物種植的環境數據并上傳至服務器，通過WEB端或手機App向用戶提供歷史數據，可將數據生成不同圖形以方便查看與比較，用戶使用指令即可完成查詢操作，WEB端提供數據導出功能。

2）智能預測：根據農作物生長數據與科學指導數據的比較，預測農作物生長趨勢，分析農藥、化肥等對環境的影響度，提醒用戶做好種植前的預備工作。

3）遠程控制：用戶根據數據分析結果，決定是否通過WEB端或手機App開啟遠程智能設備。

4）自動控制：根據不同農作物生長需求，提前設置好各類參數的閾值，當感知終端獲取的實時數據達到閾值時，智能終端自動開始工作，減少種植戶的工作量。

5）系統穩定與功能擴展：農作物種植的田間地頭大部分遠離城市，網絡信號不穩定，設備安裝與維護都存在一定困難，但該系統是NB-IoT物聯網系統，最底層的數據來源依賴于物聯網終端，保證系統的穩定性便首當其沖。此外，要預留相應的接口供未來新設備的安裝和軟件模塊升級，以適應不斷發展的農業產業化需求[7]。

3.3 基于NB-IoT的農作物種植測控系統設計

為實現上述功能，本系統采用分層結構，設置數據感知層、網絡傳輸層、智能處理層、平臺應用層，如圖1所示。

3.3.1數據感知層

該層位于系統的最底層，是所有數據的來源，主要布置各類傳感器與智能終端。通過調試，在適當的位置布置各類基于NB-IoT技術的傳感器，用來完成種植過程中的環境數據采集，例如土壤傳感器、光照傳感器、空氣傳感器、化學傳感器等，獲取農作物生長過程中的土壤、光照、空氣、化肥、農藥等數據，可根據需求設置數據讀取和上傳的時間間隔，以便在空閑時開啟傳感器的休眠狀態，減少功耗，延長傳感器待機時長。根據實際在農田中布置結合NB-IoT技術的智能控制終端，例如灌溉設備、保溫設備、農藥噴灑設備等，當獲取應用層的指令后，能自動完成灌溉、保溫、施肥等工序。

3.3.2 網絡傳輸層

該層負責將數據感知層的NB-IoT設備接入Internet，是信息傳輸與控制過程中的關鍵環節。網絡連接分為有線連接和無線連接，有線連接由移動、聯通、電信三大運營商提供，各運營商都有現成的基站，極大降低了NB-IoT物聯網的入網成本;無線連接以NB-IoT物聯網為基礎，首要的是配備嵌入式網關，將傳感器采集的數據進行簡單分析處理后，經過NB-IOT與運營商網絡將數據傳輸到服務器的數據庫中存儲，并為控制智能終端的電磁閥開關提供通信服務[7]。

3.3.3 智能處理層

智能處理層主要包含了數據存儲、數據查詢、大數據分析等數據處理功能，將采集的信息上傳至云服務器，用戶應用層提供的可實現網絡安全防御功能，通過PC端檢測系統和手機App為提供查詢接口，實時比對農作物生長所需條件的指標范圍，為用戶自行開啟與關閉智能終端電磁閥開關提供依據。對傳感器所采集的歷史數據進行綜合評估，預測農作物生長態勢并實現對土壤、水資源等污染風險的管控，已達到節約資源、保護環境的目的。

3.3.4 用戶應用層

用戶應用層位于系統的最上層，是用戶與檢測系統進行交互的接口層。設計適用于PC端的農作物種植檢測系統或手機端App，監測的數據和分析結果將直接呈現給用戶，為種植戶、農業專家、管理者提供訪問監測系統的界面，幫助用戶實現農作物種植管理的數字化和可視化。

4 結論與展望

基于NB-IoT的農作物種植測控系統能夠加強農作物種植過程中數據采集的真實性、數據傳輸的實時性，數據管理的智能化，提高了農業現代化設備的使用與管理水平。該系統還可以結合區塊鏈技術更進一步研發，以提高數據的安全性。成熟的農作物種植測控系統可在農田、茶園、棉田、藥田等進行推廣，配以各類農用終端產品，真正實現農業現代化。

參考文獻：

[1] 王建忠.淺談NB-IoT關鍵技術及應用[J].數字通信世界，2021（1）：97-98，168.

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[5] 劉哲，曾偉，蔡凱.NB-IoT網絡指標體系研究與應用[J].郵電設計技術，2020（12）：56-60.

[6] 王英強，張衛鋼，王紅剛.基于NB-IoT的農業數據采集系統的設計[J].計算機技術與發展，2020，30（2）：206-210.

[7] 張凈，張濤，郭洪波.基于窄帶物聯網的中藥材種植智能測控系統設計[J].江蘇農業科學，2020，48（13）：256-264.

【通聯編輯：謝媛媛】