基于NB-IoT的农田环境监测系统构建与应用

刘哲辉 杨晓磊 石称华 黄科力*

（1上海劲牛信息技术有限公司，上海 200333；2上海市农业技术推广服务中心，上海 201103）

农作物的生长、发育、产量、品质与农田环境因素息息相关，故有效获取农田环境信息，有助于科学指导农业生产[1]。在传统的农业生产中，由于缺乏有效的农田环境监测方法，无法及时对农作物的生长环境作出调整，所以仅根据经验进行农事操作，生产效率较低。目前，物联网技术作为一种新兴的数据采集和信息处理方法被广泛运用于农业生产中（主要内容包括：通过利用各类传感器设备进行农田环境因素数据采集，利用传感器网络、电信网和互联网等传输通道进行信息传输，对获取的数据进行融合、处理，通过智能终端实现数据展现）。虽然将物联网技术应用于农田环境监测已成为当下的热点，一些产品也已可实现数据的远程采集，但是，物联网技术仍存在感知节点安装复杂、功能单一、数据传输不稳定等缺点［2］。然而，窄带物联网（NB-IoT）具有功耗低、成本低、通信距离远、可海量连接等特性[3］，其构建于蜂窝网络，只消耗大约180 kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，在非实时、低频次的数据传输应用场景中优势显著。鉴于此，笔者构建了基于NB-IoT技术和云服务的农田环境监测系统（以下简称系统），并在上海市宝山区和嘉定区的试验基地进行了试点应用，以期促进农业物联网技术的进一步推广应用。现将该系统的构建和应用情况介绍如下。

1 系统构建

1.1 系统总体架构设计

系统总体架构包括数据采集端（感知层）、数据传输端（网络层）和数据观测端（应用层），具体架构设计见图1。其中，数据采集端由多种传感器构成，主要负责采集农田环境因素数据（例如，传感器感知模块采集农田的土壤温度、湿度、pH、离子含量等信息），然后通过ModBus-RTU传输协议将信息汇集到云终端；数据传输端将汇集的信息通过NBIoT传送到远端云平台，再发送给应用层软件，在数据观测端，系统管理员通过应用层软件，即可进行监测数据的实时观测和导出等[4］。

图1 系统架构设计

1.2 传感器结点硬件设计

系统的传感器结点硬件采用可扩展性设计理念，将感知层的终端根据农田环境监测指标分解成多个传感器单元（包括土壤温湿度传感器、pH传感器、金属离子传感器等），各传感器单元通过连接线与云终端进行数据传输。云终端是连接传感器与云平台的枢纽，最多支持6路RS485传感器，不同的传感器可即插即用，操作方便、配置灵活[5］。接入云终端的传感器会遵守统一的数据封装和传输协议，将云终端汇集到的数据信息通过NB-IoT通信上传至云平台供应用层，同时将云平台的配置要求发送给传感器节点。系统还配置了太阳能电池板和储电装置，可适应野外的农田工作环境。系统具体的硬件装配见图2。

图2 系统硬件装配设计

同时，系统的传感器硬件设计应遵循以下原则：（1）精度高。系统采用的传感器是高精度电化学电极，通过应用电化学测量原理，传感器的灵敏度和精度较高、量程大、线性好、稳定可靠，适用于农业生产环境。（2）功耗低。由于传感器节点通过太阳能供电，电量有限，采用功耗低的节点设计，有利于系统长期稳定的运行。（3）模块化。不同农田需要检测的环境因素不同，且在系统实际运行过程中，可能会出现新的需求，故系统采用模块化设计，可按需求增减不同传感器[6］。

1.3 应用层软件设计

系统的应用层主要是基于阿里云物联网平台和微信小程序设计的云平台软件（简称微信“农田卫士”小程序），其主要功能包括前端数据展示模块（包括温度、湿度、pH、EC值等）、传感器结点分组管理、小程序管理设置（主要包括平台成员及监测基地管理）和历史数据查询模块等。该云平台软件将物联网+云服务+微信小程序有机融合，实现了对数据库的实时读取和人机交互[4］，易于操作。具体表现为：（1）设备接入方便，用户可根据农业生产需要，自主选择不同的传感器，并通过传感器连接的云终端的ID码在后台完成绑定；（2）感知层采集的农田环境数据通过NB-IoT通信传输至阿里云物联网平台的云服务器；（3）通过互联网用户即可直接利用微信“农田卫士”小程序进行数据的访问和传感器的远程控制。

2 系统应用分析

2.1 应用概况

系统在《上海市受污染耕地土壤精准安全利用技术研究与示范》课题研究中进行了试点应用，即于2021年1月，分别在宝山区(31°22′N，121°27′E，青菜大棚环境）和嘉定区（31°23′N，121°10′E，水稻大田环境）的试验基地内进行了物联网监测设备的部署安装。具体为：根据课题需要测量的土壤指标，系统组合配置了土壤温度、湿度、EC值、pH及Cd离子含量监测传感器；采用太阳能电池板供电；利用NB-IoT进行数据传输；在用户端，通过微信“农田卫士”小程序进行监测数据查看。

系统在相关试验基地安装应用后，运行稳定，成功采集了大量农田土壤环境实时监测数据，取得了一定的应用效果。经试点应用，系统的应用优势在于：（1）监测数据可实现以“min”为单位进行刷新；（2）可在微信“农田卫士”小程序直观查看系统采集的数据（如土壤温度、湿度、EC值、pH及Cd离子含量等），同时可查看各传感器的运行情况；（3）历史数据能以1 d、7 d、30 d或自定义的时间段生成动态监测曲线；（4）系统存储的数据可根据需要以5、15、30 min等梯度频率进行导出，用于课题后续的研究分析；（5）相比传统的数据采集手段，系统在软硬件运行稳定性、数据获取连续性、数据采集便捷性等方面具有较大优势，数据采集达到精准高效的水平，可清晰展现试验小区不同处理间的差异，节省了课题研究的人力、物力、财力[7］。

2.2 系统评价

2.2.1 提高了农业精细化管理水平

系统通过监测农作物生长过程中的土壤温度、湿度、pH和重金属离子含量等环境参数的实时动态变化，不仅可为智慧农业提供数据基础，还可使农业生产者能随时了解农作物所处的环境状态，实行按需用水、用肥，从而使得农业生产活动更具客观性、科学性，减少了农业生产活动对个人经验的依赖程度，提升了农业精细化管理水平。

2.2.2 提升了农业科研试验效率

系统是物联网技术与土壤环境监测的结合，系统的成功构建与应用，进一步证明了物联网技术在农田环境监测研究方面的可行性和可靠性。例如，将物联网技术应用在土壤环境远程监测中，不仅有助于克服传统土壤采样分析和原位测试方法带来的滞后和误差，还能提高大田科研试验获取数据的效率和准确性[7］。但是，系统还处于试点应用阶段，软硬件等也有待进一步调优，从而实现更多的农田环境因素纳入物联网监管中。

2.2.3 物联网传感器的维护难度大

农业物联网传感器是一种相对精密的设备，而其运行环境较为恶劣，且需要长期暴露在自然环境下，这对其稳定性、准确度和寿命都产生了一定影响，尤其是一些离子类传感器，需要定期进行养护、校准。若物联网传感器的平时养护工作没有做好，会导致部分传感器的稳定性差，从而频繁进行校准，故系统在获取精确数据的同时，也增加了物联网传感器的维护难度和成本。

2.2.4 农业物联网设施的使用成本高

目前，农业作为国民经济的基础性产业，整体经济效益不高，且以小农户分散经营为主。相比普通农业生产投入品，物联网设备的价格偏高，例如，系统包含的土壤温度、湿度、EC值、pH及Cd离子含量监测传感器的设备与配套系统，市场价格约为1万元/套，普通小农户难以承担。同时，尽管各级政府对多种农业投入品制订了一系列补贴政策，例如，上海市制定了《上海市市级财政农业综合补贴资金管理办法》《上海市2021—2023年农业机械购置补贴实施方案》等，对水稻、麦子、油菜等农作物良种、农药、农机具等实行了物化补贴，但目前针对农业物联网设备与系统建设并没有统一的补贴政策。此外，一些规模较大的农业经营主体可通过申报市（区）级项目的形式开展一定程度的农业物联网应用，但大部分中小农户无法申报，从而未享受到相关补贴政策。这些均制约了农业物联网的普及。

3 结 语

基于NB-IoT技术和云服务构建的农田环境监测系统，在上海市宝山区和嘉定区的土壤面源污染改良实验田中成功试点应用，表现为基本功能运行稳定、土壤监测数据返回良好，初步表明了该系统的合理性和可行性。同时，系统的试点应用，说明农业物联网技术不仅可协助农业生产者更好地掌握农田环境实时情况，还能为农业土壤干旱预警、水土流失及面源污染控制提供技术支撑，辅助科研人员高效开展试验工作[7］。但是，系统的试点应用并不代表真正实现了农业产业化，农业物联网技术在农业领域的大规模商业化应用还需要一定的时间，相信随着技术的进步和农业补贴政策的完善，农业物联网技术在农业生产上的应用将会越来越广泛，其发挥的价值也会越来越大，届时农业物联网技术将会成为农民的“新农具”。