基于NB-IOT技术的智能农田生态系统的设计与实现

季文文

（铜仁职业技术学院 贵州省铜仁市 554300）

农业作为现阶段世界范围农业发展的关键趋势，中国是农业大国，更是精准农业的关键性需求，如何经济与合理的降低投入，获得更多的回报，不但是可持续性发展的主要关键需求，更是社会不断进步的重要体现。农田环境监测作为对精准农业支撑的关键力量，进行便捷、实时以及有效的农田环境参数采集作为农业深入发展的关键性基础。

1 物联网技术

物联网技术是将多种类别技术融合的复合型系统，能够对系统内人和物进行识别与管理，从而实现人与物、人与人、物与物间的数据信息交换功能。对此，物联网技术被较为广泛运用在社会生产环节中。物联网作为网络数据信息的一个载体，也是当前我国较为前沿的信息技术手段，能够连接普通实物，并和普通实物互联互通，因此物联网也可以称为“物物联合的互联网”。物联网的应用范围十分广泛，能够帮助工作人员实现对系统的整合管理与整合控制。在农田监测系统中运用物联网技术的时候，主要用到的技术有几种：

1.1 感知技术

该项技术主要是运用传感器技术、RFID 技术、RS 技术、GPS技术以及条码技术等在任何地点和时间对农田中环境的信息数据进行获取与采集。农业领域中信息感知技术包括：传感器设备的感知技术，在对农田进行种植的环节中，环境中的温度因素、湿度因素、光照因素、CO2浓度因素、水分因素与其他类别养分等各类自然性因素将会一同对农作物生长造成影响。加之，农作物生长的时候不能够与四周环境相脱离，都隶属农业领域中的要素，及时的获得农业要素数据信息至关重要。而农业领域中传感器设备能够运用在采集各类农业要素的信息。其次，条码技术，该种技术作为光电技术、集条码理论、通信技术、计算机技术以及条码印制技术作为一个整体类自动识别性技术，可以广泛运用在农产品的追溯环节中，让消费者清楚的知道所购买的农产品出自何处，有利于农产品的销售。再次，RFID 技术，该项技术主要是使用射频信号经过系统的空间耦合，以便于开展无接触性的数据信息传输，从而达到对数据信息自动性识别的目标，可以广泛应用在农产品的生产管理中。此外，GPS 技术，即全球定位系统，主要是利用卫星，在世界范围内进行定位，以及导航技术，这一技术应用于农业领域，具有很高的导航效能。最后，RS 技术，还可以被称作是遥感技术，运用遥感器设备获取地球之上的各种物体所传播出的电磁波相关数据信息，还可以将其当做是依照实施远程的识别与控制检测，将其运用在农业领域中，主要可以运用在监测农作物的水分状况、长势状况以及产量状况。

图1：NB-IOT 技术的智能农田生态系统示意图

1.2 传输技术

该种技术主要是把涉及到农作物，运用感知性设备将其接入传输网络之中，使用有线通信网络亦或是无线的通信网络，可以随时的对高精准度的数据信息实施共享与交互。传输技术关键包含以下几点：

（1）无线传感器设备网络，一般将会被设计成为稳定性能较好、性能较强、功耗较低以及成本投入较低的多跳性自组织网络，主要负责对被感知的对象数据信息开展感知、处理采集工作。该种传感网络会广泛运用在农业资源的监测、大田的灌溉、水产品的养殖以及农产品的追溯等工作。

（2）移动通信技术。伴随着农业领域中数字化与信息化的水准显著提升，这一技术已经逐步的变成了农业领域中实施远距离进行传输的主要技术，对移动通信技术进行开发和运用的时候，可以推动农业科技朝着现代化方向飞速发展。

1.3 处理技术

该项技术主要是将农业相关信息知识内容当做是基础，运用各类智能化计算模式与手段，促使物体具有较高的智能性，可以被动亦或是主动的与用户进行沟通。农业领域中处理技术主要包含以下几点：

（1）预警与预测技术，开展农业信息预测可以将环境信息、土壤信息、气象资料信息、作物信息亦或是农作物生产条件信息、化肥农药信息、饲料信息、航拍信息、卫星影像等实时农业数据信息资料当做是依据，将理论当成是基础，将数学的基本模型作为手段，研究未来发展的趋势与可能性，实施估计与推测。农田预警作为农业发展状态测度的技术，对各种不确定性状况时空范围进行预报，还会预报出危害的具体程度和具体性防范对策。

（2）智能决策技术可以广泛应用于农田生产中，它的内容包括商务智能技术、人工智能技术、专家系统、知识管理系统和决策支持系统。

（3）还会运用诊断推理技术，若是农田生产出现病虫害的时候，农作物将会有一系列特征，农业诊断作为农业专家依照农作物表现特征，知识理论与经验开展识别与判断，找出解决方法，实施改变与预防。

2 NB-IOT技术的智能农田生态系统的设计与实现

2.1 设计和实现传感器节点

在物联网相关技术之上，实时的智能化农田生态系统（图1 为 NB-IOT 技术的智能农田生态系统示意图）主要利用物联网的感知层、传输层和应用层三层结构进行设计。感知层根据需求部署多个NB-IOT 采集终端设备，完成数据信息的采集与处理。对农田数据信息进行网络采集功能实现作为网络组建与采集感知数据的重点一环。每个NB-IOT 采集终端主要由传感器采集模块、单片机控制模块、电源模块、NB-IOT 通讯模块等外围电路组成。在此硬件基础上，利用 NB-IOT 无线通信技术，从传感器采集的湿度参数、温度参数、光照强度参数以及二氧化碳参数等，经过运营商的NB-IOT 基站和核心网上传到物联网云平台。物联网云平台负责存储和管理采集到的农田环境数据，以此方便用户利用手机APP 和浏览器进行及时查看。

首先，需要负责对所接收到的信息数据实施显示、存储，把信息数据绘制成为动态化的曲线开展针对性分析，而后对环境中参数信息实施阈值设置，若是所采集出的信息数据并不在其设置的氛围中，就会出现报警与提示，以便于对农作物生产全过程进行监测。最后，将信息数据进行发布，方便系统可以接入Internet 内，从而实现出“传感器-网络一远程监控”结构，可以将整体系统内的数据信息精准发布到互联网中，对整体互联网实时访问。

2.2 设计和实现传输层系统

在对农业的传感器设备网络进行建设的时候，能够运用射频技术进行自组网络，电信网络、移动网络以及互联网等都可以实现数据信息的长距离传输与短距离传输。下面对几种模式细致分析：

（1）WSN(无线传感网络) 作为将无线通信模式产出的一种自组织性的多跳性网络系统，其中存在部署性检测的区域中存在较多的传感器节点，主要负责对被感知的数据信息进行感知、处理以及采集，而后将数据信息传输给观察人员。短距离类无线通信技术内，蓝牙技术、Wi-Fi 技术、ZigBee 技术等都可以运用在WSN，而这些技术均存在覆盖面积小、高功耗、终端设备连接数量有限等问题。本设计为了解决这些问题，采用具有覆盖范围广、低功耗、海量连接的NB-IOT 技术，可以被较为广泛应用于现代物联网应用技术中。通过NB-IOT无线技术与各类传感器相连接，灵活部署于山间、农田、水域，为智能化农田生产提供了有力保障。农业领域移动互联网作为移动终端，包含：手机设备、笔记本设备与物联网专用设备，运用移动通信的网络对互联网进行访问，灵活运用农业中互联网的相关业务。本系统的目标设计，由于我国农田面积大、多山地、劳动力不足等因素，所以终端部署采用NB-IOT 技术进行深度覆盖，通过传感器采集的数据由物联网专用SIM 卡通过NB-IoT 无线传输到基站，再通过核心网将数据传输至物联网云平台。因此在本系统中，NB-IoT 无线通信技术在数据传输层起到至关重要作用，是感知层和应用层的桥梁。

（2）WSN 作为融合分布类信息处理技术、嵌入式技术以及传感器技术，可以协助多方进行感知，对环境与对象的信息开展监测，对数据信息实施分析与计算，而后运送入用户平台中。WSN 由许多传感器节点组成，每一个传感器由数据处理装置，数据采集装置以及控制模块，NB-IOT 通讯模块与供电装置等共同组成。作为数据采集装置，数据采集装置采集周围环境的数据信息。NB-IOT 通讯模块通过无线传输技术将数据传给远方的基站。物联网技术能够将农业发展环节中各种环境问题解决，运用传感器设备，将环境内大气、水、土壤、养分等状况精准记录，分析出最适合农作物生长的环境指数，从而减少水资源、肥料的浪费，又避免了过度施肥等带来的环境污染，从而助力相关部门解决环境问题，构建起优质的农业环境。

2.3 设计和实现应用层

应用层的目标设计涵盖：物联网管理云平台和APP 应用开发。本系统采用华为公司开发的为物联网应用提供统一设备管理的OceanConnect 开放云平台，此平台已在智慧城市、智能抄表系统等多方面得到广泛应用。此平台功能强大，提供完全开放的接入能力。针对设备层，用户可以将不同类型的设备按照平台提供的不同接入方式接入到云平台。针对网络层，OceanConnect 物联网云平台提供适配功能，能够方便使用户将不同网络接入到此平台。针对应用层，此平台提供丰富的接口，开发者可以通过接口接入平台，从而实现对设备的控制。目前安卓手机用户较多，智能农田系统多是农民用户，所以APP 应用开发主要指安卓开发。此APP 开发需要接入OceanConnect 物联网云平台上的设备数据等进行开发，完成用户登录、数据分析、数据预警、智能控制等模块功能。此APP 的开发，将大大减少劳动力，提高农田种植效率，为增产增收提供一定的保障。

3 结束语

综上，传统农业监测系统的实现一般都是利用有线组网模式亦或是直接在实地对环境数据进行采集，存在的局限性较多。而将物联网技术引入其中构建出精准与全面的农业环境监测系统，保障监测人员可以随时随地就能够对农田开展实施的监控，依照光照强度、空气湿度与温度、土壤pH 值与湿度等信息精准决策，从而满足农业经济化、自动化以及精准化需求，值得推广。