物联网科研教学实验平台在农业院校中的应用

熊少华，陈 支

（湖南生物机电职业技术学院，湖南 长沙410000）

物联网是一次新的产业革命，各行各业都在基于自身的核心力量建立生态物联网。就现状而言，物联网发展还处于较低的阶段。针对农业院校的特点，设计出一款适合农业专业的物联网平台对培养农业人才，促进农业的发展具有重大意义。

1 物联网科研教学实验平台特点

传统的物联网技术架构基本都是以光载无线交换机为核心的物联网信息平台构建Wi-Fi无线局域网和，覆盖物联区域及其周边区域；加上有线网络交换机、网络路由器，融合有线网络、无线局域网、3G/4G移动网的物联网关键部分网络层，及各种传感器、嵌入式设备通过Wi-Fi-ZigBee网关、Wi-Fi设备服务器（串口通信RS232或RS485转Wi-Fi无线网络）无线接入物联网工程信息平台，构成涵盖物联网三个层次（应用层、网络层、感知层）。

图1 传统物联网技术架构

这种物联网技术在实际应用中普遍存在使用不便，线缆布线复杂，纵横交错；建设成本高：Wi-Fi技术覆盖范围小，连接数量有限，维护成本高；3G/4G数据传输易受环境影响可靠性差，安装困难，能耗高，系统稳定性差等诸多局限性。

2017年8月24日，国务院发布了经李克强总理签批的《关于进一步扩大和升级信息消费持续释放内需潜力的指导意见》，明确指出要加快推进物联网基础设施部署（NB-IoT/eMTC），并把此项工作列为“重点任务”，由工信部、发改委具体负责，2020年时完成，NB-IoT/eMTC混合组网逐渐为物联网发展的主流。因此物联网科研教学实验平台是基于NB-IoT/eMTC混合搭建，同时各种手持设备（笔记本电脑、智能手机等）也能无线接入该实验平台，成为物联网实验设备的一部分；师生教学、科研实践开发的其它感知模块，通过4G/5G无线传输或与标准的Wi-Fi设备服务器连接，也能轻易接入该实验平台，完成测试、验证。同时开放足够多的端口和丰富、完善的接口数据以及二次开发包，为教师、学生提供一个开放的平台学习和研究。

图2 NB-IoT/eMTC物联网系统架构图

2 物联网科研教学实验平台主要应用

2.1 林业物联网科研教学实验子平台

基于NB-IoT/eMTC的林业物联网能够定时采集和记录林区监测点位的温度、湿度、光照、PM2.5、风向级别、降雨降雪、水文信息、物种统计、噪音分贝等各项参数，对监测数据进行存储和智能分析，实现林区综合信息的发布、监管和预警处理。

应用场景：（1）通过电脑、手机远程查看林区的实时环境数据，包括空气湿度、空气温度、土壤温度、土壤湿度、光照度、PM2.5等信息。用户可以直观实时查看林区环境数据的曲线图，及时发布林业环境综合信息。（2）与烟感传感器相结合，克服地形障碍，实现林业安全问题的预警监测。一旦触发烟感警报，系统根据配置，通过手机短信、系统消息和远程喊话等方式提醒相应管理者。（3）采用物联网技术进行苗木温室管理，通过物联网控制平台，不仅可以实时监控温室内空气温湿度、土壤湿度、光照强度、二氧化碳浓度以及室外温度、风速等详细数据，还可以通过安装在温室内的摄像头，清晰地观察每一株苗木的生长情况，实现苗木病虫害远程诊断，通过模型分析，自动控制温室湿帘风机、喷淋滴灌、内外遮阳、温室窗口开闭、加温补光等设备，保证温室内环境最适宜苗木生长，真正实现立体化、多功能、全方位的苗木精准管理。

2.2 农业物联网科研教学实验子平台

种植业方面利用NB-IoT/eMTC物联网技术，可定时采集和记录基地种植大棚监测点位的温度、湿度、光照、二氧化碳和土壤中的水分、微量元素等指数，同时对数据上传、分类、处理及分析，对异常情况告警，并反馈控制指令至灯光、通风、遮阳等设备。

应用场景：（1）用户可以通过电脑或者手机远程查看大棚的环境指数，并通过视频监控观测大棚内作物生长情况，掌握农作物生长全过程，为作物成长提供一个良好的生产环境。设置温室环境参数的阀值，通过手机短信、系统消息等方式实现环境异常告警，用户可实时查看温室监控视频，防止农作物异常状况出现。（2）实现远程监控，大棚环境出现异常时，实现自动控制。例如当土壤湿度过低时，大棚灌溉系统自动开始浇水；当大棚内湿度过高时，自动进行通风。（3）通过采集信息进行数据挖掘等技术可以分析最适合农作物成长、有效提高农作物产量的环境参数，辅助技术决策和技术升级。

畜牧业基于NB-IoT/eMTC的物联网动物管理和溯源，将芯片/模组集成于耳标中，缩小耳标体积，降低功耗和成本，提升追溯系统的可用性。动物佩戴耳标，通过采集设备，完成动物信息的采集和录入。管理者可获取动物的基础信息、流动信息和实施交易信息等。在消费环节还可以获取动物成长、加工、运输、流通、售卖等信息。

应用场景：（1）动物日常管理，包括个体信息维护、繁殖信息维护、疫病信息维护、测定信息维护、过户信息维护、离开信息维护等。通过数据，查询到畜牧的基本信息、系谱信息、生长测定信息、产犊信息等。（2）动物产品生长追溯，将耳标佩戴、产地检疫、屠宰检疫、物流监督、仓储、零售等各个环节串联起来，全程记录并跟踪动物和动物产品的业务数据，实现从耳标生产、配发、动物饲养、流通、屠宰、销售的全程监管追溯管理。

2.3 环境物联网科研教学实验子平台

在项目中的生态乡村建设成果示范点按照网格和环境热点部署基于NB-IoT/eMTC的小型监测设备，通过高密度布点，实时监测区域内各类污染物的分布状态，进行环境监管，快速捕捉异常数据，实时预警。

应用场景：（1）日常环境监测管理，寻找长期或大范围存在的污染物和污染源，根据监测数据进行环境治理；应急环境监测，监测突发事件中一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、重金属、农药残留等风险源，构建以数据驱动的快速应急响应机制。（2）污染源监控：对各种污染源的排污口等进行重点监测和控制，减少污染物的排放。

（3）改进评估，对环境污染改进措施前后的数据进行对比，评估改进措施和技术的效果，并提供环保技术升级创新的参照。

2.4 智能家居物联网科研教学实验子平台

基于NB-IoT/eMTC的智能家居解决方案主要优势如下：

（1）更可靠的网络传输：基于NB-IoT网络，能给智能家居设备提供更可靠的网络传输服务，同时，该方案还基于网络特点进行了传输协议的优化，能提升传输效率，为用户带来更优的网络服务体验。

（2）更智能的使用体验：智能家居联网不再需要用户配置，而且不同智能家居设备之间可实现联动，例如智能温度计检测到室内温度过高时自动启动智能空调，给用户更智能的使用体验。

（3）更完整的生命周期管理：基于NB-IoT/eMTC进行设备联网，可实现智能家居设备的“永远在线”，方便智能家居企业对设备进行从设备出厂到设备报废的全生命周期的管理。

（4）更高的数据运营价值：对智能家居设备进行统一规划、管理和控制，实现不同品牌设备之间的互联互通，提供更智能的生活服务。同时，通过数据采集及数据分析，实现不同设备和应用数据的整合分析，最大限度地帮助企业挖掘数据运营的价值；

（5）更低的开发成本：通过SDK与通信模组或通信芯片深度集成，兼容不同的通信模组或芯片，面向终端应用提供统一接口，简化智能家居企业的开发工作量，使之仅需聚焦上层应用开发，无需关心底层复杂的通信技术。

应用场景：（1）智能家电：应用于数据传输量较低的智能家电，例如智能冰箱、智能空调等，可通过NB-IoT/eMTC网络实现设备的远程控制和数据采集。以智能空调为例，用户可通过手机APP远程开启家中空调，并实时查看空调运行情况，以便回家后直接享受舒适的环境。（2）家庭安防：在门窗等位置安装的智能安防设备，可通过NB-IoT/eMTC网络联网，当有外人入侵时，立即向用户发送报警信息。类似的，可扩展至可燃气体泄露、厨卫漏水等领域。例如一旦发现明火烟雾，可立即向用户发出警报，并同时启动家中灭火装置。（3）智慧小区（智能CBD）：①车位管理。NB-IoT/eMTC物联网技术能实现车位传感器等设备联网，实现车位信息和车辆状态收集、处理和推送，实现交通管理迈向动态化、全局化、自动化、智能化，加快区域内停车泊位周转率，充分利用停车资源。②路灯管理。基于NB-IoT/eMTC的智能路灯方案可以实现路灯遥测、遥信、遥控、遥调和遥视“五遥”的功能，大幅节约人力维护成本和电量。③公共设施管理。城市公共设施生产厂家通过集成NB-IoT通信模组、传感器，生成智能公共设施监测终端，井盖、地下管网、公交站牌、果皮箱、绿化带等公共设施纳入物联平台管理的范畴，对公共资产进行状态监控，提前预测或及时发现和解决问题，提高人民对城市公共服务的满意度，优化城市公共设施的服务能力。

3 物联网科研教学实验平台的优势

学生通过该平台，能掌握物联网技术基础理论、物理信息系统标识与感知、计算机网络理论与技术和数据分析与信息处理技术等知识，具备通信技术、网络技术、传感技术等信息领域宽广专业知识，具备一定的物联网应用系统的开发、应用、实践能力和科学研究能力，能为相关行业应用提供物联网的人才供给实践、实训的平台。

教师可利用该平台采集项目和课题的相关实验数据，验证实验结果，远程掌握监控实验过程，积累教学资源和资料，更好的进行教学和科研工作。

4 结 语

本文结合农业院校的特点，对基于NB-IoT/eMTC的技术构架出科研教学实验平台，为农业专业的师生提供了一种便捷的教学工具。该平台还可结合其他专业进行相应拓展，以满足农业院校物联网的创新与发展要求。