基于NB-IoT的智慧农业物联网系统设计

张吉圭

（贵州城市职业学院，贵州 贵阳 550025）

我国是农业大国，长期以来农业的高产主要是由于大量农药和化肥的投入使用，这种传统的农业耕种方式，不仅使资源得到充分的利用，还造成环境的污染。随着乡村振兴战略的提出，发展现代化农业，以物联网为载体的新兴互联网技术不断发展，推动着智慧农业的进步，出现了“物联网智慧农业”。一种用太阳能电板供电，各种农作物生长相关联的传感器，通过物联网技术对农作物数据进行综合分析，与各种设备终端进行数据交互，实现数据上云端，打通人和物之间的距离壁垒，实现农业的智慧化。传统的农作物远程监控系统在环境因素下，存在光纤达不到，范围广等因素，且功耗高，成本高，维护实施难。而基于低功耗的NB-IoT智慧农业物联网系统能够解决这些问题，更有效地实现农业现代化，能够实时地完成农作物种植环境参数的采样和监控，提高种植效率和产能。为农业发展提高条件，促使物联网技术在农业现代化进程中的融合，推动农业产业的发展。

1 智慧农业物联网

智慧农业物联网主要以物联网技术、大数据、人工智能和电子信息技术为基础，由监控系统云平台、智能控制软件组成。通常分为三个层次构成，感知层，网络层，应用层。其中感知层通过对监测区域的监测，感知空气温度、湿度、光照强度、土壤温度、湿度、土壤盐导率、土壤养分、土壤重金属等环境参数数据。网络层是数据传输的枢纽，把感知层的数据汇总，并与农业信息进行融合，通过无线或有线的通信网络进行传输。传统的农业主要采用有线的方式进行数据传输，这种方式的组网在实现的过程中存在诸多问题。随着无线通信技术的发展，现阶段多年采用无线组网的方式进行数据传送，是大规模系统应用中最为广泛的网络方式。应用层对网络层传送过来的数据进行分析处理，对信息进行分类、储存和挖掘。为智慧农业信息系统提供决策参考，可实现农作物信息数据的远程监测和控制，提供更为智能化的服务。

2 系统实现方法及软硬件组成

NB-IoT智慧农业物联网，可远程监控农场植物生长环境质量，包括空气温湿度，土壤温湿度，土壤电导率及pH值，溶解氧，雨量，光照强度，氨气，二氧化碳，风速风向等。通过对传感器数据监测分析，实现农场信息智能化远程管理，保证农场内环境最适宜作物生长，实现精细化的温室及大田管理，为农作物的高产优质、生态安全创造条件。

2.1 系统实验设计构成

系统主要包括感知层信息数据采集，对农作物生长的环境参数进行感知，采用以STM32L4为核心的处理器，结合OneOS操作系统，以各种环境参数传感器来采集数据，接入处理器，对农作物的数据进行边缘计算处理，通过将NB-IoT的无线通信方式和公共网络接入云端系统平台，在用户设备终端能实时远程监控农场的环境参数。其系统实验设计架构图如图1所示。

图1 系统实验设计架构图

2.2 系统网络拓扑架构设计

系统网络以无线网络通信、物联网及软件技术实现对大棚种植的远程监管和控制。智慧农业系统的拓扑架构如图2所示，主要包括底层终端设备（传感设备、监控设备、智能网关）、网络传输（物联网、互联网）、云服务支撑平台、智慧农业云平台以及系统应用终端（服务器、PC终端、移动终端）。

图2 智慧农业系统的拓扑架构

2.3 系统实验硬件设计

实验系统选用STM32L475VGT6处理器，主频达80MHz，拥有1024KB FLASH非易失存储和128KB SRAM随机储存器，可满足系统实验的要求。以此CPU作为核心来设计系统，其最小系统硬件包括：电源电路、复位电路、时钟电路、调试接口、启动电路。STM32L475VGT6最小系统图如图3所示。

图3 STM32L475VGT6最小系统图

2.4 系统实验通信硬件设计

基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT聚焦于低功耗广覆盖（LPWA）物联网（IoT）市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。其具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点。NB-IoT使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波三种部署方式，与现有网络共存。因为NB-IoT自身具备低功耗、广覆盖、低成本、大容量等优势，使其可以广泛应用于多种垂直行业，如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业等。系统采用以中国移动M5310-A的NB-IoT模组，M5310-A是一款工业级NB-IoT模组，工作在频段Band3/Band5/Band8，M5310-A在支持eSIM和ONENET云平台协议的基础上，支持最新Release14标准，支持更高通信速率，支持基站定位。其NB-IoT硬件原理图如图4所示。

图4 NB-IoT硬件原理图

2.5 系统传感器选择

2.5.1 土壤墒情传感器

土壤墒情传感器又名土壤水分传感器、土壤湿度传感器、土壤含水量传感器。主要用来测量土壤容积含水量，做土壤墒情监测及农业灌溉和林业防护目前常用到的土壤湿度传感器有FDR型和TDR型，即频域型和时域型。目前，比较流行的是FDR型，常用型号HA2001.FDR频域反射仪是一种用于测量土壤水分的仪器，它具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点。

2.5.2 环境气象站传感器

环境气象站主要监测空气温度、空气湿度、紫外线强度、太阳总辐射、风速、风向、风力、降雨，以及虫情监测捕捉。系统采用多要素气象环境监测传感器RS-FSXCS来完成监测，传感器能够满足监测环境参数的同时，输出无线信号，方便系统的搭建。通过现场的气象设备，可以实时地对农业场景进行监测。提高了农业生产对自然环境风险的应对能力，使弱势的传统农业成为具有高效率的现代产业。

2.5.3 土壤肥力传感器

土壤氮磷钾三合一肥力传感器适用于检测土壤中氮磷钾的含量，通过检测土壤中氮钾的含量来判断土壤的肥沃程度，进而方便系统的评估土壤情况。可长期埋入土壤中，耐长期电解，耐腐蚀，抽真空灌封，完全防水。

2.5.4 风扇、水泵控制器选择

智慧农业模块中的控制设备有风扇、水泵。风扇有冷风扇和热风扇，可以用来对大棚内温度的高低进行控制，还有通风的作用；水泵用来灌溉土壤，保证了农作物对土壤水分的需求，保持土壤的相对湿度。模块中的风扇和水泵都是由双向可控硅来实现相关控制功能的，具体的实现方式为当对应的控制引脚是高电位的时候，此时风扇或者是水泵是处于工作状态的，控制引脚是低电位的时候则为关闭状态。为了实现对风扇的风速以水泵灌溉的水流量为控制的功能，系统为双向可控硅设计了PWM控制的方式，采用的双向可控硅芯片是BTA06-600B芯片。

3 实验结果分析

通过中国移动万耦NB-IoT开发板来对系统进行实验，该开发板集成了温湿度传感器，光照传感器，可对环境参数的光照强度、湿度、温度、水阀进行模拟实验。同时，NB-IoT通信模组可以实现与ONENET物联网云平台的无线连接。发现系统设计能够满足智慧农业系统的要求，能够远程监测和控制种植农作物土壤的相关参数。采用中国移动的ONENET物联网平台和OneOS操作系统，能够快速地搭建系统，并能实现云管边端的管理系统。其硬件实验平台如图5所示，实验结果如图6所示。

图5 硬件实验平台

图6 智慧农业系统实验结果

4 结束语

智慧农业系统基于精准的农业传感器进行实时监测，利用物联网、云计算、数据挖掘等技术进行多层次分析，提高了农业生产对自然环境风险的应对能力，使弱势的传统农业成为具有高效率的现代产业。通过系统实验验证，设计满足智慧农业系统农作物生长相关环境参数监测的要求，同时ONENET物联网平台作为一个开发的平台，能够有效地融合生产数据，解决数据上云端的问题，提供强大的OneOS操作系统，使得系统的开发难度降低，为智慧农业物联网系统提供了完整的解决方案和思路，为乡村振兴提供服务。