基于异构网络的智慧农业环境信息监测系统设计与实现

熊刚 胡启迪 马安良 闵卫峰 韩讲周 李旭珍

摘要 传统的智慧农业监测系统多存在传输效率低、兼容性差、抗干扰能力差等问题。文章针对当前智慧农业监测技术中的部分问题，基于异构网络设计了一种可广泛应用于农业环境数据采集、农作物模型分析等环节的智慧农业监测系统;该系统以LoraWAN搭配 NB-ioT技术为核心，搭建智慧农业监测系统中的信息传输链路，实现农业环境数据的采集、传输与监测，与一般监测系统相比，该系统具有运行稳定、功能完善、兼容性强等优点。

关键词 异构网络;LoraWAN; NB-ioT;智慧农业监测系统

中图分类号 S126     文献标识码 A      DOI：10.12008/j.issn.1009-2196.2022.03.018

Design and Implementation of Intelligent Agricultural Environmental Information Monitoring System Based on Heterogeneous Network

XIONG Gang  HUQidi  MA Anliang  MIN WeifengHAN Jiangzhou  LI Xuzhen

（Yangling Vocational and Technical College， Yangling， Shaanxi 712100， China）

Abstract  The traditional smart agriculture monitoring system has many problems， such as low transmission efficiency， and poor compatibility and anti-interference ability. A smart agriculture monitoring system was designed based on the heteroge- neous network targeting some problems arising from the current smart agriculture monitoring technology. This system can be widely used in agricultural environment data collection， crop model analysis and other links. The information transmission link was established in the intelligent agricultural monitoring system with LoRaWAN and NB-IoT technology as the core to realize the collection， transmission and monitoring of agricultural environmental data. Compared with the general monitoring system， this system is stable in operation， perfect in function and strong in compatibility.

Keywords  heterogeneous network; LoRaWAN; NB - IoT; smart agriculture monitoring system

智慧农业是一种集智慧生产、智慧经营、智慧服务等于一体的新型农业发展业态，是未来我国农业发展的重要趋势。利用先进的物联网、互联网以及传感技术等开展环境数据采集、信息传输以及决策分析等，是智慧农业体系中监测系统主要承担的任务。传统的智慧农业监测系统多以 Zigbee （即又称紫蜂协议）技术等为核心，具有低功耗、低成本等优势;然而，随着现代智慧农业监测系统性能的提升，以一般 Zigbee 技术为核心的系统逐渐暴露出传输效率低、安全性差、带宽狭窄等问题，同时智慧农业监测系统的海量应用，也使得 Zigbee 技术的低成本优势逐渐丧失，其通信稳定性差、自组网能力差等劣势越发凸显[1-3]。异构网络是由不同制造商生产的计算机、网络设备和系统组成，大部分情况下运行在不同的协议上，支持不同的功能或应用。异构网络与智慧农业监测系统的融合，能够更好地提升检测系统的兼容性，從而提高系统数据传输效率和安全性。本文以传统的智慧农业监测系统结构为依托，以LoraWAN（LoRa 远距离通信网络设计的一套通讯协议和系统架构）、NB-ioT（Narrow Band Internet of Things，以下简称 NB-IoT ）等异构网络技术为核心，重新设计了一种智慧农业监测系统，以实现稳定的、兼容性更强的、可以远距离通信的农业生产监测。

1 系统总体方案设计

1.1 系统需求分析

智慧农业监测系统是实现农业精细化管理的重要工具，其能够在大规模农业生产、种植环节，对影响农作物生长的各项环境参数（例如温度、湿度、光照强度、各项气体含量等）进行精准的监测和控制，能够为农作物提供一个最为理想的生长环境[4]。通常情况下，一套完整的智慧农业监测系统包含数据处理功能、数据传输功能、智能控制功能等。本研究构建的智慧农业监测系统待实现的主要功能见图1。

数据处理功能，用以采集、传输和处理农作物周围各项自然环境参数，包含数据采集、数据显示、海量历史数据存储等模块;无线传输功能，主要将监测环节所使用的各类型传感器采集的数据通过无线形式进行传输，为监控中心用户提供远距离数据传导;参数配置功能，主要负责接收监控中心用户指令，对农业作物生长环境参数进行人为干预，使农作物长期处于最理想的生产环境中;智能控制则是并列于参数配置功能的重要农作物参数调节模块，该模块以智能补光、智能灌溉等为核心，可在人工不参与的情况下自动对农作物生产环境下的各项指标进行调节;智能告警功能，在农作物生长环境参数不符合最理想条件时对监测人员进行预警，从而提醒用户及时进行人为干预。

图1  系统待实现主要功能

1.2 系统总体设计

农业监测系统通常包括感知层、传输层、应用层3个层次（图2）[5-7]。感知层主要包含各类型传感器，用以进行气象、土壤等数据的获取以及控制节点的数据收集;传输层包括终端节点以及网关等，是实现监测系统数据传输的场景;应用层主要包括服务器以及检测软件等，是直观呈现检测数据或进行参数配置以及智能控制的环节。

系统工作时，感知层的终端节点可通过各类型传感器将农作物所处环境的光照强度、空气温湿度、二氧化碳浓度等以及所处土壤环境的 pH、土壤温湿度等数据传输至LoRaWAN网关节点;网关节点在LoRaWAN网关协议的保护下将数据进行传输，最终达到用户服务器端;服务器端一方面可以不断接收并存储系统数据，另一方面可以根据传输来的数据进行人工或智能分析，挖掘和农作物生长高度相关的数据，通过观察向LoRaWAN网关节点发送指令，按照逆向数据传输将各项指令传回感知层的控制节点，从而人为干预农作物生长环境中的灌溉、照明、通风装置等。

2 系统功能实现

2.1 硬件系统

系统硬件功能的实现主要是对终端节点以及网关两部分进行设计。在终端节点硬件设计方面，本研究主要参考了当前智慧农业领域较为成熟的结构设计[8]（图3），将环境监测节点、土壤监测节点以及控制节点三部分分别与 MCU 微控制器进行桥接，该微控制器具有功耗小、运算速度快等优势，同时还可以为用户提供多种外设接口，用户可以根据后续实际需求添加不同的传感器设备; MCU 微控制器通过LoRaWAN通信协议实现感知层与网关节点的通信。

本研究将网关板的设计作为整个网关硬件设计方面的核心，其硬件结构主要包括蒂森 MC3核心板、 SX1302LoRa 网关模块以及 BC95模块等。其中，蒂森 MC3核心板为网关板的核心，其他模块包括网口等主要围绕该硬件设备展开工作。本次网关硬件设计结构见图4。

2.2 软件设计

2.2.1 终端节点软件设计终端节点的工作主要是负责对农作物生长环境中的各项参数进行采集、传输或人为干预。工作流程如图5所示。开始工作以后，终端节点需要首先入网进行自组织组网，入网成功以后开启收发数据定时器进行数据交互，当没有数据交互时终端节点会进行休眠，此时其数据交互功能将会处于暂时关闭状态，待系统重新出现数据交互时唤醒。

2.2.2 网关软件设计图6所示为网关软件工作流程。系统通电以后，网关软件会首先进行自组织组网，组网完成以后LoRaWAN根据系统分配，采用128AES 进行双重加密后入网，若网关接收到数据，系统首先判断该数据是否为串口数据，若是则开启 SPI 接口发送数据至 SX1302核心模块， SX1302核心模块则将数据继续传送至服务器;若网关接收到的数据并不是串口数据，则系统会开启串口发送数据至 BC95模块，通过 BC95模块传送至服务器。

2.3 系统实现

图7 所示为本次设计的基于异构网络智慧农业监测系统最终的 WEB 端效果图。从该界面上可以看到详细的地块种植农作物情况，包括气候、光照条件、待进行的作业等;系统的传感器数据等能够直观地对某一地块的温湿度、二氧化碳浓度等进行监测;用户可以通过参数设置以及预警参数设置模块对农作物的生长环境条件进行人为控制。

3 结语

智慧农业监测系统，通常采用有线、无线或有线+无线等形式通信。随着现代农业发展对智慧农业监测系统传输距离要求的提高，采用有线形式开展数据通信以及指令交互已经逐渐无法满足用户需求。因此，当前的智慧农业监测系统多以 Zigbee、wifi等为依托，以无线通信的方式开展数据传输。LoraWAN是在 LoRa 物理层传输技术基础之上的以 MAC 层为主的一套协议标准，对应产品包括LoRaWAN节点、LoRaWAN网关和LoRaWAN的协议和数据云平台; NB-ioT是ioT领域新兴的技术之一，构建于蜂窝网络，是一种非常典型的低功耗广域网[9-10]。利用LoraWAN搭配 NB-ioT进行异构组网，具有三项主要优势。

3.1 关键设备成熟度高

在农业信息采集方面，本研究构建的用于农业生态环境和动植物生长监测的传感设备种类全面，功能完善，精确度和灵敏度高，且体积小，能适应生产的需要。对于某些设備接入技术成本限制较为严格的农业生产主体而言，这种关键设备成熟度高的系统搭建原则能够很好地降低其技术融入成本，同时极大地加快其系统应用速度。3.2 关键设备价格低廉

本研究应用的物联网技术的软、硬件相关知识产权均在国内，并且技术的兼容性和灵活性很高，具有较强的可拓展性。用户在使用该系统一段时间以后，如果需要在自身的农业生产体系中接入其他的传感器等设备，系统提供的各种端口可以较好地为用户提供“即插即用”服务[11-12]。

3.3  能够解决一般物联网多网络协调性差的问题

智慧农业中常用的物联网技术多为 ZigBee 技术，在使用过程中存在无法和用户wifi网络中的智能终端设备直接通信的问题，本研究搭建的异构网络很好地解决了这一问题，自组网中和用户wifi网络中的智能终端设备可以直接进行通信，提高了系统监测与预警的效率[13-15]。

与传统的无线通信技术相比，采用LoraWAN搭配 NB-ioT进行异构组网，能够完成物联网关键技术（ Zigbee 技术）的功能，但兼容性更好，不受制于特定的硬件系统，打破硬件选择上的唯一性;同时灵活度更高，通过结合不同的硬件能够实现现有无线网络无法完成的监测任务，降低系统的软硬件成本，对进一步推广智慧农业具有非常重大的意义。

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（责任编辑 林海妹）