基于NB-IoT的农作物种植测控系统的研究

唐婷 彭仁杰 王烁

摘要：现代化农业以提高农作物产量和质量、降低人力资源投入、科学种植为基本目标，但农作物种植过程的测控水平依然亟待提高。NB-IoT技术具有深覆盖、海量连接、能耗低、所占带宽小的技术特征，配备各类传感器能够非常方便地获取第一手数据，适用于终端设备量大，对网络传输速率要求低，尤其是不宜网络布线的场景。研究创建基于NB-IoT技术的农作物智能测控系统，设计数据感知、网络传输、智能处理、用户应用四层结构，实现从农田到客户端的农作物种植全过程测控。

关键词：NB-IoT;物联网;农作物种植;测控;数据采集

中图分类号：TN929.5;TP391.44      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）15-0006-03

Abstract： The basic goal of modern agriculture is to increase the yield and quality of crops， reduce human resource input， and scientific planting. However， the level of measurement and control in the process of crop planting still needs to be improved urgently. NB-IoT technology has the technical characteristics of deep coverage， massive connection， low energy consumption and small bandwidth. Equipped with various sensors， it is very convenient to obtain first-hand data. It is suitable for the scene with large amount of terminal equipment and low requirements for network transmission rate， especially for the scene where network wiring is not suitable. This research creates a crop intelligent measurement and control system based on NB-IoT technology， and designs a four-layer structure of data perception， network transmission， intelligent processing， and user application to realize the measurement and control of the whole process of crop planting from farmland to client.

Key words： NB-IoT; Internet of Things; crop planting; measurement and control; data acquisition

1 背景

隨着物联网技术的发展，智慧农业逐步兴起，NB-IOT技术在数字化系统温室大棚、智能水表、智慧停车、冷链物流、智能穿戴、畜牧业养殖等方面得到了深入研究与广泛应用[1]。相比之下，我国农作物种植地域分布广，种类丰富，但农业智能化发展远远不够，散户种植依旧居多，对农田的耕种依赖于传统经验，缺乏科学指导，不恰当的种植还会引发环境问题。构建基于NB-IOT技术的农作物种植测控系统，促进各类农作物大数据产业链建设，构建农情检测、种植技术体系，进一步加快农业产业化进程，加速农业绿色发展。

2 NB-IoT技术概述

2.1 NB-IoT技术简介

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things），译为窄带蜂窝物联网，属于工作于授权频谱下，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，是物联网的无线通信技术标准之一，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被称作低功耗广域网（LPWA）[2]，其设备连接形式与常见的蓝牙、WIFI等类似。2016年6月NB-IoT核心标准正式在3GPP-R13确定，为满足更多的技术研发和市场需求，2017年6月3GPP在Re-14中对NB-IoT进行了一系列增强技术并于完成了核心规范。此后，NB-IoT在物联网领域大显身手，2017年被业界称为NB-IoT“商用元年”。

2.2 NB-IoT技术特点

以NB-IoT技术为核心的物联网，因其众多优点在智慧城市、智能家居、智能交通、智慧农业等方面具有较高的应用与推广价值。

2.2.1 稳定性

NB-IoT可直接部署于各运营商现有的网络之上，无须额外建设基站，部署成本降低。NB-IoT只需消耗大约180KHz的带宽，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，不影响传统业务和其他物联网业务的稳定，并能实现平滑升级。

2.2.2 深覆盖

NB-IoT通过提升功率谱密度和重复传输两种方法扩大网络覆盖范围，与同频的其他网络相比，NB-IoT具有接近20dB的增益，即使在地下室、地下车库等场所也能实现信号深度覆盖。

2.2.3 低功耗

NB-IoT技术聚焦小数据量、小速率应用。目前，受蓄电技术的制约，物联网中的各类终端通常采用降低功耗来延长待机时间和寿命。在NB-IoT中利用PSM技术和eDRX技术控制终端设备的休眠与激活，使耗电量降低200倍，平均功耗可达12.5年[3]，特别适用于山林荒野等不便于经常更换电池和充电的各类监测传感器，可以保障电池5年以上的使用寿命。

2.2.4 安全性

NB-IOT工作于3GPP授权频谱下，可避免干扰，采用4G加密技术，数据安全性得到保证。

2.2.5 海量连接

与蓝牙、WIFI等无线网络不同，NB-IoT属于运营商授权网络，终端连接量大，200kHz的带宽可以提供10万个连接，一个基站覆盖范围可达10km。

2.3 NB-IoT物联网的基本架构

基于NB-IoT物联网的基本框架主要分为感知层、传输层和应用层，包括感知终端、基站、物联网核心网、网络管理平台、应用系统等重要组成部分。其中，感知层依照实际需求部署相应数量的各类NB-IoT感知终端，负责收集相关数据并实施检测;基站、物联网核心网、网络管理平台属于传输层，基站由运营商搭建，现成基站数量众多，可满足NB-IoT终端的接入需求，物联网核心网包含各类传输控制方案，提供物联网管理服务，网络管理平台主要负责数据的传输、存储和分析，感知层所获得的信息通过网络层进行传递，该层还负责网络安全管理;应用层面向用户，提供专门开发的解决某一问题的应用程序，用户可通过指令控制智能终端完成相应的功能[3-5]。

3 基于NB-IoT的农作物种植测控系统

3.1 农作物种植测控的困境

农作物种植受光照、湿度、温度、土壤酸碱度等环境条件的影响，在生长过程中还要进行浇水、施肥、灭虫等人工干预以保证产量与质量。目前，农作物种植过程中的各项环境数据的采集依然依赖于人工录入，耗时久、延时长、数据量有限，数据基础总体薄弱，数据精度不高，实时性较差，为此投入的人力资源过多，农作物种植过度依赖经验，数据分析与预测的欠缺不利于市场流通与监管。农业信息化建设需要大量的数据作为支撑条件，为获取农作物种植的基础数据，农村农业部出台了相关政策推进农业农村大数据的发展，部分专家学者就农业物联网进行了深入研究，建设了以GPRS、LoRa等技术为核心的农业种植测控系统，虽取得了一定成效，但该类技术存在传输距离短、信号覆盖范围小、设备连接量有限、终端待机时间短等劣势，不利于农业数据化发展。为有效解决数据采集和分析问题，引入NB-IoT技术物联网，发挥NB-IoT低功耗、广覆盖、海量连接等优势，帮助人们获得更加及时、准确、全面和清晰的数据信息[6]。

3.2 基于NB-IoT的农作物种植测控系统功能分析

以NB-IoT为技术基础设计一款农作物种植测控系统，监测农作物生长的环境数据，并对数据进行分析进而完成生长预测和科学种植指导，实现对不同远程执行设备的控制，建立农作物信息库，系统功能设置为数据采集、展示与查询、智能预测、远程控制、自动控制、系统稳定与功能扩展。

1）数据采集、展示、查询：收集农作物种植的环境数据并上传至服务器，通过WEB端或手机App向用户提供历史数据，可将数据生成不同图形以方便查看与比较，用户使用指令即可完成查询操作，WEB端提供数据导出功能。

2）智能预测：根据农作物生长数据与科学指导数据的比较，预测农作物生长趋势，分析农药、化肥等对环境的影响度，提醒用户做好种植前的预备工作。

3）远程控制：用户根据数据分析结果，决定是否通过WEB端或手机App开启远程智能设备。

4）自动控制：根据不同农作物生长需求，提前设置好各类参数的阈值，当感知终端获取的实时数据达到阈值时，智能终端自动开始工作，减少种植户的工作量。

5）系统稳定与功能扩展：农作物种植的田间地头大部分远离城市，网络信号不稳定，设备安装与维护都存在一定困难，但该系统是NB-IoT物联网系统，最底层的数据来源依赖于物联网终端，保证系统的稳定性便首当其冲。此外，要预留相应的接口供未来新设备的安装和软件模块升级，以适应不断发展的农业产业化需求[7]。

3.3 基于NB-IoT的农作物种植测控系统设计

为实现上述功能，本系统采用分层结构，设置数据感知层、网络传输层、智能处理层、平台应用层，如图1所示。

3.3.1数据感知层

该层位于系统的最底层，是所有数据的来源，主要布置各类传感器与智能终端。通过调试，在适当的位置布置各类基于NB-IoT技术的传感器，用来完成种植过程中的环境数据采集，例如土壤传感器、光照传感器、空气传感器、化学传感器等，获取农作物生长过程中的土壤、光照、空气、化肥、农药等数据，可根据需求设置数据读取和上传的时间间隔，以便在空闲时开启传感器的休眠状态，减少功耗，延长传感器待机时长。根据实际在农田中布置结合NB-IoT技术的智能控制终端，例如灌溉设备、保温设备、农药喷洒设备等，当获取应用层的指令后，能自动完成灌溉、保温、施肥等工序。

3.3.2 网络传输层

该层负责将数据感知层的NB-IoT设备接入Internet，是信息传输与控制过程中的关键环节。网络连接分为有线连接和无线连接，有线连接由移动、联通、电信三大运营商提供，各运营商都有现成的基站，极大降低了NB-IoT物联网的入网成本;无线连接以NB-IoT物联网为基础，首要的是配备嵌入式网关，将传感器采集的数据进行简单分析处理后，经过NB-IOT與运营商网络将数据传输到服务器的数据库中存储，并为控制智能终端的电磁阀开关提供通信服务[7]。

3.3.3 智能处理层

智能处理层主要包含了数据存储、数据查询、大数据分析等数据处理功能，将采集的信息上传至云服务器，用户应用层提供的可实现网络安全防御功能，通过PC端检测系统和手机App为提供查询接口，实时比对农作物生长所需条件的指标范围，为用户自行开启与关闭智能终端电磁阀开关提供依据。对传感器所采集的历史数据进行综合评估，预测农作物生长态势并实现对土壤、水资源等污染风险的管控，已达到节约资源、保护环境的目的。

3.3.4 用户应用层

用户应用层位于系统的最上层，是用户与检测系统进行交互的接口层。设计适用于PC端的农作物种植检测系统或手机端App，监测的数据和分析结果将直接呈现给用户，为种植户、农业专家、管理者提供访问监测系统的界面，帮助用户实现农作物种植管理的数字化和可视化。

4 结论与展望

基于NB-IoT的农作物种植测控系统能够加强农作物种植过程中数据采集的真实性、数据传输的实时性，数据管理的智能化，提高了农业现代化设备的使用与管理水平。该系统还可以结合区块链技术更进一步研发，以提高数据的安全性。成熟的农作物种植测控系统可在农田、茶园、棉田、药田等进行推广，配以各类农用终端产品，真正实现农业现代化。

参考文献：

[1] 王建忠.浅谈NB-IoT关键技术及应用[J].数字通信世界，2021（1）：97-98，168.

[2] 杨观止，陈鹏飞，崔新凯，等.NB-IoT综述及性能测试[J].计算机工程，2020，46（1）：1-14.

[3] 张永强，高尚，石莹，等.NB-IoT技术特性及应用[J].计算机技术与发展，2020，30（7）：51-55.

[4] 肖学玲，肖远军.NB-IoT技术在物联网中的应用分析[J].集成电路应用，2020，37（10）：66-67.

[5] 刘哲，曾伟，蔡凯.NB-IoT网络指标体系研究与应用[J].邮电设计技术，2020（12）：56-60.

[6] 王英强，张卫钢，王红刚.基于NB-IoT的农业数据采集系统的设计[J].计算机技术与发展，2020，30（2）：206-210.

[7] 张净，张涛，郭洪波.基于窄带物联网的中药材种植智能测控系统设计[J].江苏农业科学，2020，48（13）：256-264.

【通联编辑：谢媛媛】