融合ZigBee和NB-IoT的农业物联网架构设计及应用

石贵民 ，张为慧 ，余文森

（1.武夷学院数学与计算机学院，福建武夷山354300；2.武夷学院认知计算与智能信息处理福建省高校重点实验室，福建武夷山354300；3.武夷学院学报编辑部，福建武夷山354300）

当前传统农业生产经营模式正在被农业物联网技术革新，农业、农民、农村等三农问题有了新的机遇和挑战［1］。但传统农业物联网受环境调控水平落后、网络化程度低和广域网监控能力弱等因素的影响，难以推广普及［2］。把ZigBee技术和新兴NB-IoT通信技术应用于农业生产将有助于提高农民收入［3-6］。因此如何从农业物联网各种应用需求中抽取各组成部件的关系，建立农业物联网体系结构，实现适合实际的新型农业物联网设计与架构方法尤为重要［7］。

本文通过现场调研农户需求，分析武夷山茶山、果林等户外种植区域的自动化程度、监测监管力度、人力物力资源使用等方面，结合当前武夷山设施农业环境调控和管理过程，研究融合ZigBee和NB-IoT且适合武夷山地域特色的农业物联网系统，并对重要环境参数进行数字化采集，以提高农作物的品质和生产效率。以设施农业为应用领域，按不同层次分析与研究设施农业中农业物联网系统的架构，结合环境、目标，对农业物联网系统重新进行分层设计，并通过“农业智慧大棚”实验场景全程模拟，验证分层架构结论。

1 预备知识

1.1 ZigBee协议

协议是网络通信的基础，无线传感器网络则需要ZigBee协议的支持。ZigBee在2.4 GHzISM频段工作，速率也超过10 Mbps［8］。采用ZigBee的通信方式需要考虑通信距离与通信效率问题。本研究采用飞思卡尔公司的MC13213微控制器作为节点的主控芯片，芯片的协议栈中包含了协议的所有规则。MC13213芯片在空旷情况下最大的通信距离大约为100 m，如果外加天线，距离将会更远，可以在较远的距离内在农业现场多个地点尽可能少的安装感知节点，组成无线传感网络。

1.2 NB-IoT

窄带物联网（NarrowBand Internet of Things，NB-IoT）是面向低功耗、广覆盖的全球统一标准。NB-IoT基于蜂窝网络，能够将业务依托现有移动网络（GSM、UMTS、LTE）快速部署，具有低功耗、低成本、安全性高、覆盖面广、连接量大等技术特点。NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，单个基站最多可支持5万个终端接入，选用NB-IoT进行远距离数据传输有巨大的优势。

2 设施农业所需的农业物联网模型

2.1 农业物联网平台的功能

农业物联网就是将物联网技术完美融合进农业生产过程中。把农业物联网看成一个大型输入/输出系统时，其基本模型与功能包括：

（1）通过各种传感器采集农业生产过程中各种变量矩阵A={A（i），i=1，2，……，N}，并进行必要的预处理，得到物理量特征变量矩阵 B={B（j），j=1，2，……，M}；

（2）将物理量特征变量矩阵B通过无线传感器节点（Zigbee节点，带路由功能）以无线方式传送给NB-IoT网关设备或Ethernet-ZigBee网关设备；

（3）物理量特征变量矩阵B通过NB-IoT网关设备或Ethernet-ZigBee网关设备送入通用计算机（PC），PC进行分析处理，做出决策输出矩阵C和D。决策输出矩阵C被反送到NB-IoT网关设备或Zigbee节点执行，决策输出矩阵D供互联网使用。

2.2 农业物联网平台的框架结构

针对农业物联网的目标需求，为实现其功能，把农业物联网按工作层次划分为数据感知层、网络传输层、业务应用层，如图1所示。

（1）数据感知层设计。用传感器模块实现对农业现场的全面感知与智能化监测。主要由SD-ZigBee-I移动节点组成，各无线传感器节点（Zigbee节点）实现数据采集、收发与执行；SD-ZigBee-I移动节点负责接收并执行高端发送的不同方式的控制命令；同时采集农田的现场状况，供高端判断分析；SD-ZigBee-I移动节点模块小、成本低、可靠性强、性能高效、低耗稳定，易于安装。

（2）网络通信层设计。以Zigbee节点作为底端近距离传输的无线传感网络的组成单元，采用NB-IoT将通讯距离进行扩展，实现了现场信息的远程智能监测。主要由NB-IoT网关设备组成，采用NB-IoT技术与感知层进行通信，发送命令到SD-ZigBee-I移动节点或接收SD-ZigBee-I移动节点上传的数据信息；采用NB-IoT技术或以太网技术与高端通信，NB-IoT网关设备将特征变量矩阵B通过嵌入式NB-IoT送入PC，接入Internet，并从Internet接收决策输出矩阵C送入NB-IoT节点，或自身执行。

（3）业务应用层的设计。主要由基于B/S（浏览器/服务器）模式的农业物联网WEB软件组成。基于Windows 7以上平台和SQL Server，采用B/S通信模式，使用多线程的异步Socket机制实现通信的高稳定性与高可靠性。便于人们通过Internet直接控制茶山、果林种植，实现远程管理农业的构想。

3 农业物联网平台的关键技术设备选型与设计

3.1 设施农业系统所需的Ethernet-ZigBee网关设备

Ethernet-ZigBee路由器的硬件总体框图如图2所示。

图2 ZigBee路由器硬件总体框图

Ethernet-ZigBee路由器以基于ARMCortex-M4内核的微控制器MK60N512VMD100为核心，通过UART与MC13213网络主控节点通信，通过微控制器的以太网模块与服务器进行通信。其中MC13213网络主控节点采用ZigBee方式与SD-ZigBee-I移动节点通信，将农业网络的数据信息传输到以MK60N512VMD100为核心的数据收发处理模块，通过以太网传输到服务器；也可接收服务器层命令发送给终端层SD-ZigBee-I移动节点，这样通过主控芯片就可实现双向通信以及信息的交流。

MK60N512VMD100的以太网模块实现了符合IEEE802.3-2002标准的双倍速10/100 Mbps Ethernet MAC，在MAC层提供了符合半双工或全双工的10/100 Mbps Ethernet局域网。

MAC的工作是被程序控制的，并且可以在NIC（Network Interface Card，网络通信接口卡），桥接或开关中应用。以太网模块实现了基于IETF RFC 2819的远程网络监控（remote network monitoring，RMON）的计数器；硬件加速块可以优化网络中提供IP和TCP、UDP、ICMP协议服务功能的网络控制器的性能。加速块在硬件中起到关键功能，此功能一般通过大型软件在高层实现。可编程的嵌入式FIFO，可以为低损流控制的接收路径进行缓存。增强版的电源管理功能可以进行异常包检测，也可以对掉电模式进行编程。

使用IEEE 1588的可编程的10/100 Ethernet MAC集成了一个有时间戳的标准的IEEE802.3 Ethernet MAC。

3.2 农业物联网系统WEB软件框架

应用层的设计主要是指农业物联网WEB软件的设计，该软件基于Windows7平台，以大型商用数据库SQLServer为基础，采用B/S通信模式。WEB框架的总体结构分为硬件设施部分、服务器端和Web客户端三个部分。通过Web页面，用户可以在具备IE浏览器的任一联网终端上实现广域网范围的便捷访问和管理。

3.2.1 设施农业系统通信软件的设计

通过NB-IoT和低端通信，或者将低端上传的状态信息放入数据库。通信软件与管理软件之间通过实时数据库进行通信，需要维护四张表，即为接口表，包括控制命令表（PointControl）、状态命令表（PointStatus）、心跳包表（HeartPackage）、位置关系表（PointIDAndIMEI）。控制命令表存放用户的控制命令，通信软件读取这些命令然后组成数据包发送出去。状态命令表存放通信软件接收的数据收发模块的状态数据。心跳包表存放数据收发模块以一定的时间间隔定时发送的数据包，维持连接。位置关系表记录了位置号和数据收发模块的对应关系。

Socket编程的关键是TCPSvr类的实现，TCPSvr类通过封装系统库类Socket来实现多线程的异步侦听。TCPSvr类提供了丰富的功能，它的可靠性和稳定性直接影响着通信软件的质量。图3为TCPSvr类的体系结构。

图3 TCPSvr类的体系结构

TCPSvr类使用哈希表存储TCP客户端的信息，同时将客户端封装成一个Session，每当有一个新的客户端连接就会产生一个新的Session。同时其提供数据报文解析类，更方便地解析报文数据。

在TCPSvr的基础上实现通信软件是很方便的，可以Service的方式或者Form的形式来实现通信软件。为了方便测试和观察，系统采用Service方式。

3.2.2 设施农业系统管理软件的设计

软件体系采用Microsoft Visual Studio2015+Internet信息服务（IIS）+SQLServer模式。管理软件主要分为系统配置、系统控制、系统查询、故障处理、用户管理、系统维护等部分。为了更好地实现系统的功能，保证系统稳定可靠，在进行Web数据库、用户界面的设计时需仔细研究和斟酌。Web数据库系统由用户界面Web浏览器、用作信息存储的数据库服务器和用于二者连接的Web服务器组成。具有很强的扩展性和可维护性。表1为系统用到的数据表及其功能。

表1 数据表及其功能

4 农业物联网系统服务验证及应用

4.1 农业物联网系统搭建

本文借助武夷学院物联网应用实训室的智慧农业大棚实训沙盘，在物联网云服务系统（IOTCloud）上部署开发了农业物联网应用控制系统［9］。由于受技术和设备限制，本系统尚未全面应用到真实的设施农业环境中。但是，农业科技人员或农业生产经营者可以用模块化物联网核心部件搭建农业物联网应用的硬件系统，将数据通过网关传输到IOTCloud，以实现数据的存储、分析和交互。

4.1.1 系统使用环境

物联网云服务系统（IOTCloud）采用B/S架构。同时，IOTCloud采用HTML5技术，支持多种设备，可跨平台使用，不论是传统的PC，还是平板或手机，不论是Windows，还是Android或IOS，只要您的浏览器支持HTML5，即可实现一次发布到处使用。

4.1.2 系统注册使用步骤

使用物联网云服务系统前，需要先注册用户账号。注册成功后，系统会默认分配一个管理员账号，用户名为admin。使用admin、单位名称、注册密码即可登录使用系统，如图4、5所示。

图4 系统登录、欢迎界面

图5 控制逻辑、数据查询界面

4.2 智慧农业大棚实训沙盘功能验证

智慧农业大棚沙盘通过PM4412嵌入式网关统一管理，该系列平台核心板为四核的CPU，内核为Cortex-A9，并且板载丰富的主流移动互联/物联网应用接口，包括3G/4G/WAN通讯、WIFI、北斗BD+GPS双模定位、BT蓝牙、Zigbee通讯模块、IPV6通讯模块、九轴传感器、红外遥控、RS232、VGA、HDMI、OTG、USB2.0、BNC模拟摄像头等。综合网关可以通过自动灌溉、天气预警、温湿度调节、二氧化碳浓度调节等分系统对农作物的生长过程进行实时控制，如图6所示。

图6 综合网关功能演示图

4.3 农业物联网系统在茶叶生产监测中的应用

武夷山现代茶园是按坡园和平地园的规范建设的，因此茶园监测主要考虑了无线传感器网络部署及太阳能供电，如图7所示。

图7 无线传感器网络结构

利用本文的农业物联网系统将无线传感器网络应用到武夷茶学教科园的信息采集中，可进行各项参数信息采集、监测等操作。通过对传感器网络中采集的数据进行分析，确定是否需要进行灌溉、施肥等操作，向用户提供操作建议，以供用户控制茶园时进行选择，便于对茶园进行精细化管理。同时，可以将系统中所有的传感数据、操作数据提供给流通环节的溯源系统，保证了信息链条的完整性。

依照300亩武夷茶学教科园的气候、地形地貌和生产特点，选择代表性耕作土壤，分别在不同类型区域选择有代表性的地块，并且在4G/NB-IoT网络的覆盖区内，作为自动监测站的设置地。自动监测站的功能主要是对茶学教科园的气象、土壤墒情动态信息进行自动采集，茶叶生长状况、气象灾害、旱涝灾害、病虫害等进行可视监控，具备自动上传与远程控制功能。

5 结语

本文以底端无线传感网络感知层、近距离局域网Zigbee结合远距离NB-IoT技术和基于Windows 7平台的WEB应用设计了物联网系统三层架构。提出Zigbee与NB-IoT混合网络，使得两种技术优势互补，并预留了大量接口，可在今后的研究中进行功能的扩展。平台能够对空气温度、空气湿度、光照强度等主要环境参数进行检测。但因武夷茶学科教园中的网络节点多，监测量大，要实现无线传感网络全面覆盖与感知，达到网络最佳性能还有较大难点，有待于优化协议栈程序降低网络延时。太阳能蓄电池虽能满足实验室内和武夷茶学科教园的系统调试、运行，但对于真实农业现场来说，电源模块的选型和设计还有待于进一步完善。茶叶生产、种植需建立病虫害防御等规则库以完善系统监测效果，便于用户或茶企对茶园进行精细化管理。物联网技术在设施农业中的应用受到多种不确定因素的影响，在以后的研究中应该考虑各种作物的预测模型构建和领域知识库的不断更新，从而可为农业物联网的设计提供更多的检测方法。

本文旨在设计一个通用的农业物联网技术标准，使之能够兼容目前市场上的各种传感器等硬件设备，方便农户使用。从软件角度来说是可执行的，但是由于目前国内外芯片及硬件生产厂家的技术接口标准不够规范统一，要做到复制和普适还需要走很长的路。