基于NB-IOT技术的智能农田生态系统应用

季文文

（铜仁职业技术学院 贵州省铜仁市 554300）

物联网技术是现代化农业生产中的一项重要技术，同时也是现代化农业中的一项基础项目。在现代化农业生产中，已经融入了众多的物联网技术，能够通过在农业生产现场中布置的各项传感器来收集农业生产中的种植环境、温度、湿度、光照等数据信息，建立监控网络，对农业生产环境进行实时的监控与管理，辅助现代化农业的生产过程，为现代化的农业生产制定决策，从而实现农业生产中的精准化与可视化种植管理。物联网技术能够促进我国的农业转型，为我国的现代化农业提供生产理念以及条件，具有重要的研究与推广意义。传统的农田系统监测中，在测量环境温度时，多数是使用水银式温度计与机械式湿度计来测量农田内的温度与湿度。这种传统的测量方式存在着测量准确度低，测量时间长的问题，在农田的生产过程中，会浪费大量的人力物力以及时间，为农田的生产效率产生了众多的限制。我国的互联网技术与物联网技术的在近些年得到了迅猛的发展，也广泛的应用在了现代化农业的生产过程当中，在农业生产中使用物联网技术，能够极大地提升生产效率，实现全程的精准化农业生产控制与管理，为我国的农业转型提供帮助。我国农作物产品多样，不同地区的农作物生长环境差别较大，如山地，气候变化大，地形复杂。如何实现远距离数据采集和传输仍是当下一个重要的问题。本文结合我国当前的农业生产情况，利用了物联网技术与网络信息技术的优势，采用目前流行的具有传输距离远、低功耗等优点的NB-IOT技术，探究设计与实现出一套结合了智能监测、智能决策以及实时控制技术的智能农田生态系统。

1 智能农田生态系统功能以及需求分析

1.1 环境参数数据收集

智能农田生态系统不仅要实时地收集农田内的温度、湿度以及光照强度，同时也要对农田内的土壤湿度、土壤含水量、土壤养分以及二氧化碳含量等进行采集，将各项数据上传到系统的显示器中。在设计系统时使用无线网络传输线技术，将传感器连接到无线网络中，实现智能农田的全程联网[1]。

1.2 智能控制生产设备

在智能农田生态系统中要监控农田中的各项生产设备，系统能够根据农田内的环境数据以及设计系统时所设定的参数来进行生产设备的智能化控制，可以用来调节农田土壤内湿度以及土壤养分，实现自动灌溉与施肥。例如针对于智能农田可以自动地控制农田中的各项设备，当农田内的温度湿度以及光照不适应农作物生长时，系统就能够将当前农田内的环境温度与系统内设定的标准环境湿度光照等参数进行对比，自动地调整农田内的温度，湿度以及光照等因素，来满足农作物的生长需求，实现农田的全程自动化智能化管理。

1.3 系统软件平台

系统软件平台主要是满足用户的权限设置，获取实时数据以及分析病虫害等需求。操作人员在登录系统时，能够给不同的操作人员赋予不同的操作权限，使系统的主要管理人员能够拥有全部的管理权限。用户通过系统能够观察到农作物的生长环境，将生长过程中的温湿度及光照强度直观的显示出来。另外还能系统能够观察农田内的作物生长情况，诊断作物是否遭受病虫害，并为管理人员提供预警，使用正确的方式对病虫害进行防控。

2 智能农田生态系统的总体设计方案

智能农田生态系统能够实时地监测农田中的温度湿度以及土壤环境等数据。也能够全天候的监控农田内的工作人员出入情况以及农作物的生长状态，通过数据分析与对比，自动地进行灌溉与告警提示，通过网络的互联，能够实现大范围的智能农田实时监控与管理。在系统设计的逻辑层面中，能够将整个系统分为三个层面。分别为感知层，传输层与应用层，感知层负责实时获取前端的感知信息，通过利用设置在农田中的各项传感器，来实时的监测农田中的大气与土壤环境。传输层能够将获得的各项信息数据，通过NBIOT网络上传到数据处理中心[2]。应用层能够收集并处理接收到的各项数据，结合传感器所收集的大气与土壤信息来自动的控制水泵，进行农业灌溉，也能够处理视频信息与多种信息来生成农田监测报告，将收集到的数据与预设阈值进行对比，生成告警提示（如图1所示）。整体的智能农田生态系统由农田环境感知系统、实时视频监控系统、无线网络传输系统以及数据处理中心4个系统所组成[3]。农田环境感知系统使用了新型的传感器，能够实时地监测农田中的空气湿度、环境温度、二氧化碳含量以及光照强度等信息，也能够监测农田内土壤的湿度，以及土壤中的pH值等参数。视频监控系统使用了高清监控设备，来对农田环境进行全天候的监控。在智能农田生态系统使用了先进的物联网技术，在传输数据时使用了NBIOT网络，将传感器收集到的所有数据，通过NB-IOT核心网络上传到数据中心，并且由数据中心集中地进行处理与反馈。用户可以使用移动终端能够实时地访问数据中心，并且控制整体的农田生产情况。

图1

3 系统实现方案

3.1 监控系统整体设计

智能农田生态系统中的监控系统使用了WSN技术的信息采集功能，结合无线传感器网络，通过上传与处理数据[4]，来实时的监控农田中的温度、湿度以及光照强度与土壤信息等参数。无线数据传输平台使用了NB-IOT技术来实现远距离的数据传播。生产监控管理平台主要使用了数据监控，数据分析以及参数设置等功能。

3.2 空气湿度与温度传感器

智能农田生态系统中设计的空气湿度温度传感器使用的是集成电路芯片，测量的准确度与灵敏度都很高。上述传感器使用的信息传输方式是NB-IOT无线传输方式，这种传输方式具有非常广的数据传输距离，能够实现远距离的信息数据传递，系统通过传感器收集的空气温度与湿度数据上传到数据处理中心来分析结果，当农田内的温度过高时，系统会控制农田中的排风设备来降低空气中的温度，当农田内的空气湿度过低时，能够控制农田内的加湿设备来增加空气中的湿度.

3.3 二氧化碳含量传感器

在智能农田生态系统中使用CO2含量传感器，能够适时的检测农田中的CO2含量。这种传感器的灵敏度非常高，并且测量结果准确。一旦传感器检测到农田中的CO2含量超标时，就可以自动的起动农田内的排风设备，降低农田内的CO2含量[5]。

3.4 光照强度传感器

主要利用光敏元件能够将光信号转换为电信号的原理，将电信号上传到系统中，分析电信号中蕴含的光照强度，当农田中的光照强度超过了预设值时，能够自动的控制农田中的遮阳设备降低作物受到的光照，减少农作物受到的光照强度。

3.5 软件设计

在开发智能农田生态系统时，使用Eclipse作为开发平台，使用Java语言来开发系统，系统软件使用B/S架构，设计了三层结构的用户工作界面模式，主要由www浏览器、Brower、server构成，使用B/S架构，能够将系统中的所有业务管理功能都在服务器中进行集中，能够简化系统的使用流程。浏览器能够通过Web来实现数据的交互，简化电脑的运行负载，也能降低开发与使用的成本[6]。

3.6 前台管理模块

智能农田生态系统中的前台管理模块是能够正常使用登录系统的基础。前台管理模块能够实现用户的快速登录、查询信息、浏览网页，也能够收集农田中的环境、湿度、温度、光线强度以及二氧化碳浓度等参数，同时也可以进行历史信息查询，实现智能化的农田监控管理。

3.7 服务端模块

服务端主要完成客户端的请求，实现用户通过客户端查看数据等功能。服务端能够连接农田内的各项传感器等设备，服务器能够整合来自各个方面的数据信息。

3.8 数据库设计

数据库中收集了农田中的所有数据信息，主要有农田内的光线强度，空气的湿度与温度，土壤的湿度与温度，农田内的空气二氧化碳含量等数据。监控单元的具体功能是记录农田中所有监控点位所上传的信息，并保持信息的真实性。管理农田中用户信息等参数。

4 系统功能

4.1 登录系统

为了保证系统具有较高的安全性，用户在使用之前需要登录系统中才能够获取相应的权限。用户想要进入系统时，需要进行权限确认，输入自己的用户名与密码，系统会将用户输入的信息与数据库中的信息相对比，当用户输入的信息与数据库中记录的信息相匹配时，用户能够顺利地进入到系统中，并且获得一系列的权限。在登录系统中主要设计以下4个模块：校验模块、匹配模块、报错模块以及权限模块。当用户登录系统时，输入的信息需要与以下4个模块相匹配，才能够成功地登录到系统中。

4.2 决策支持

在系统中不仅能查看到当前农作物的生长环境，系统还负责提供相应的功能支持，主要包括风机决策与补光决策。当农田内的温度过低时，就会开启风机，当温度达到了预设的标准时，就会自动地关闭风机。当农田内的光照强度没有到达预计的数值时，就会自动地开启生物效应灯，当农作物受到充分的光照时，就会自动地关闭生物效应灯。

4.3 病虫害诊断

农田中会种植不同种类的农作物，本文主要以番茄为例来介绍系统诊断病虫害的全过程。番茄主要分为根叶，花，果实4个部分。在番茄的病虫害诊断中，将各种病虫害数据融入根部决策树中，视频监控设备能够通过分析采集到的番茄生长形态图片来匹配番茄可能遭受的病虫害，在客户端中为管理人员显示结论，并且提供诊断措施。

5 结束语

在智能农田生态系统中，结合物联网技术，安装各类传感器收集各项数据，并且通过系统中不同的功能来实现农田中设备的自由调节以及全程的生产管理。本文主要介绍了利用物联网中的无线传感器、无线数据传输网络以及视频监控等技术，实现了对农田中各项因素的实时监测，使农业种植人员能够及时地掌握农田中的各项信息，并且进行调整，为现代化农业的发展提供技术支持，实现我国农业种植业的智能化科学化。