农业大棚物联网体系结构设计

江涛

摘 要：为了适应现代农业经济的发展需求，需要依托先进的信息技术打造全新的智慧农业。本文中，以农业大棚的智慧化建设为目标，探讨了在农业大棚中构建物联网的思路和基本方案。针对农业大棚的物联网建设，提出了体系结构设计的具体策略，并依托NB-LoT网络架构方案完成物联网的组网。在这一物联网中，温度传感器、湿度传感器、CO2气体传感器、光照传感器等多种传感器被使用，增强了农业生长过程的自动化监测能力。相应的硬件和软件设计方案，为农业大棚的物联网设计提供了技术上的支撑。

关键词：现代农业；智慧农业；农业大棚；物联网；体系结构

在我国的国民经济体系构成中，农业作为第一产业占有举足重轻的重要地位。只有稳定的农业生产、充足的粮食供给，才能保证第二产业、第三产业持续的快速发展[1]。经过几十年的发展，我国的农业经济也在逐步向现代化农业进行转变，与各种科技手段结合、提高生产效率、创造更大的农产品附加值，已经成为我国农业经济的未来发展方向。农业经济种植区域大、经营周期长，农户和经营者很难做到全年无休、二十四小时的监督和管理。在这种情况下，依托物联网技术进行自动化监测，成为确保农业生产安全和高效产出的重要技术保障[2]。物联网技术使用了多种类型的传感器，可以对农业生产过程中作物生长状态、生长环境进行长期的稳定监测，甚至可以达到自动灌溉、自动给药等智能化操作，是大面积高效种植的未来发展方向[3]。因此，本文中以农业大棚为研究对象，探讨物联网技术在其中应用的可行性，在进行农业大棚物联网体系结构设计的基础上，对相关的硬件和软件配置进行探讨。

一、物联网技术和智慧农业

以农业大棚为对象，在其中构建物联网以实现大棚内作物生长状态的监控，本质上属于智慧农业的范畴。因此，本文中首先给出物联网和智慧农业的概念，以便于开展后续研究。

（一）物联网

物联网指的是将无处不在的末端设备和设施，包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、楼控系统、家庭智能设施、视频监控系统等和“外在使能”的，如贴上RFID的各种资产、携带无线终端的个人与车辆等等“智能化物件或动物”或“智能尘埃”，通过各种无线和/或有线的长距离和/或短距离通信网络连接物联网域名实现互联互通、应用大集成以及基于云计算的SaaS营运等模式，在内网、专网、互联网环境下，采用适当的信息安全保障机制，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面等管理和服务功能，实现对“万物”的高效、节能、安全、环保的“管、控、营”一体化。

（二）智慧农业

智慧农业就是将物联网技术运用到传统农业中去，运用传感器和软件通过移动平台或者电脑平台对农业生产进行控制，使传统农业更具有“智慧”。除了精准感知、控制与决策管理外，从广泛意义上讲，智慧农业还包括农业电子商务、食品溯源防伪、农业休闲旅游、农业信息服务等方面的内容。

智慧农业是云计算、传感网、3S等多种信息技术在农业中综合、全面的应用，实现更完备的信息化基础支撑、更透彻的农业信息感知、更集中的数据资源、更广泛的互联互通、更深入的智能控制、更贴心的公众服务。“智慧农业”与现代生物技术、种植技术等科学技术融合于一体，对建设世界水平农业具有重要意义。

二、基于NB-LoT通信技术的农业大棚物联网体系结构设计

采用物联网进行自动监控的农业大棚，是具有浓厚智慧属性的智慧农业典型实现途径。农业大棚的智慧特征实现，主要是通过数量众多、类型丰富的传感器来实现的。这些传感器替代了人的感知能力，实现对农作物生长状态和生长过程的监测。但是，这些传感器要互联成一个整体，就需要依托先进的通信技术。这里，采用的是NB-LoT通信技术来完成农业大棚的物联网架构。

（一）农业大棚物联网系统的体系结构设计

无论是何种形式的物联网组网，都离不开通信技术。在各种通信技术中，能够适用于物联网的，必须考虑有效通信、低功耗的要求。因为农业经济必须注重低成本、高性价比，这就使得NB-LoT成為农业大棚物联网组网的首选。因为NB-LoT组网过程中，不仅实现的技术流程简单、容易实现，而且功耗低、成本低。

基于上述分析，本文中构建的农业大棚物联网系统的体系结构，如图1所示。

在图1中，一个上位主机可以同时控制多个农业大棚，在图中是分别采用序号来标记的，如1号大棚、2号大棚、3号大棚等等。每一个大棚内都含有多个网络节点，每个网络节点都可以配置一个传感器，例如：在1号大棚中，网络节点A可以配置温度传感器，网络节点B可以配置湿度传感器，网络节点C可以配置气体传感器，网络节点D可以配置光照传感器。2号大棚和3号大棚，可以按照同样的方式进行传感器的配置，也可以根据棚内农作物种植的具体情况，进行自己的传感器配置。

每一个大棚内的传感器配置完成后，整体组网后通过NB-LoT和上位机进行通信联系，上位机起到总体的监控和任务调度的作用。因此，对于一个农户而言，对于多个农业大棚的自动化监测，只需要1台计算机即可。当然，前提是这些大棚必须和上位机建立有效的通信。

（二）农业大棚网络节点的传感器配置

从前面的分析和研究可知，农业大棚的物联网监测实现，依赖于一个个的网络节点以及节点上配置的传感器。所以，每一个网络节点的硬件配置是非常关键的。在本文中，采用成本最低、技术最为成熟的51单片机作为网络节点的控制器，其下可以配置不同类型的传感器，用于大棚内农作物生长状态和环境信息的监测，网络节点的传感器配置如图2所示。

在图2中，以51单片机为核心，形成了农业大棚内网络节点的硬件配置。围绕着51单片机，温度传感器、湿度传感器、气体传感器（CO2传感器）、光照传感器，形成了丰富的传感器组，可以实现大棚内环境温度数据、湿度数据、气体数据、光照数据的监测。另外，51单片机通过NB-LoT无线通信单元，和上位机以及整个网络进行无线通信，以便于将节点采集到的温度数据、湿度数据、气体数据、光照数据及时上传，也便于将上位机的各种指令接收并实现大棚内各节点传感器的重新调度。

（三）农业大棚网络节点的无线通信过程

在农业大棚的物联网系统中，各个网络节点都配置了NB-LoT模块，这个NB-LoT模块承担着无线通信的任务。每一个节点上的NB-LoT模块，都可以和临近的其他NB-LoT模块进行通信，既包括上位机上的NB-LoT模块，也包括临近节点上的NB-LoT模块。

在和临近节点NB-LoT模块进行无线通信时，主要的流程如下：

第一个环节，对农业大棚的物联网系统内参与无线通信的两个节点，要配置不同的角色。为了确保通信过程的顺利进行，一个节点要设置为源通信节点，另一个节点要设置为目标通信节点。

第二个环节，对农业大棚的物联网系统内参与无线通信的两个节点，依据源通信节点和目标通信节点的角色不同，分别配置相应的通信资格。

第三个环节，对农业大棚的物联网系统内参与无线通信的两个节点，依据源通信节点和目标通信节点的角色不同，分别设置通信频率。考虑到彼此之间要进行通信信道的建立，这两个通信频率应该设置为同样的大小。

第四个环节，对农业大棚的物联网系统内参与无线通信的两个节点，依据源通信节点和目标通信节点的角色不同，分别设置各自的计数器。

第五个环节，对农业大棚的物联网系统内参与无线通信的两个节点，依据源通信节点和目标通信节点的角色不同，为源通信节点设置发送状态，为目标通信节点设置接收状态。

第六个环节，对于农业大棚的物联网系统内参与无线通信的两个节点，当源通信节点和目标通信节点之间的指示灯轮流闪烁时，通信过程已经建立。

三、农业大棚物联网系统内的各种信息采集

在前面的工作中，針对农业大棚的物联网系统，分别进行了体系结构设计、网络节点传感器配置和网络节点通信过程设计，接下来以某一个大棚内的四类传感器数据采集为对象，给出结果。

从下表1中记录了一个大棚内，通过物联网系统的4个节点共16个传感器在不同位置测定的温度数据、湿度数据、光照数据、气体数据的平均值。通过上述这组数据可以发现，从当日的9点06分开始记录，一直到下午1点56分为止，温度、湿度、光照、气体都有了不同程度的变化。如果这种变化存在异常，在上位机负责总体监控的农户，就可以第一时间发现，进行处理，如表1所示。

结语

我国农业经济正在逐步进行现代化改革，智慧农业已经成为提高生产效率、提升农业经济品质的必由之路。本文中，依托物联网技术对农业大棚进行智慧化改造。研究过程中，依托NB-LoT通信技术，构建了农业大棚的传感器网络，包括了温度传感器、湿度传感器、光照传感器、气体传感器。在给出农业大棚物联网体系结构设计的基础上，进一步给出了各个节点的传感器配置和通信流程设计，并给出了最终的多传感器采集结果，证实了对农业大棚的自动化监测的有效性。

参考文献：

[1]高发瑞，李晓晓，王亚民，等.大数据背景下数字技术对农业经济增长的作用分析[J].安徽农业科学，2023， 51（11）：8-11.

[2]葛文杰，赵春江.农业物联网研究与应用现状及发展对策研究[J].农业机械学报，2014，45（07）：1-10.

[3]肖鹰，曾志丹， 张艳. 基于云计算下现代生态农业物联网监控系统的设计[J].农机化研究，2023，45（11）：117-121.