基于LoRa和NB-IoT技术的智慧农业监测平台

李润林，杨华勇

（武汉城市学院，武汉 430000）

1 智慧农业的优点和发展

1.1 传统农业

我国是农业大国，传统农业的快速发展得益于幅员辽阔人口众多，自然资源的丰富和劳动力的低廉使得我国农业在国际上处于优势地位[2]。但是传统的农业种植方式存在着诸多限制，首先便是天气原因。自然环境作为农作物主要影响因素，人为控制很难产生影响，土壤条件、天气、降雨量、温度和霜期等，这些都直接影响了农业生产的产量，靠天吃饭已经成为了农业的行规。其次，靠低廉劳动力来发展农业的农民增收动力在不断衰减。在互联网公司大力发展社区团购的情况下，农产品价格走低，利润被不断压缩。农民的主要收入来源于农产品的生产出售，如果收入难以维持生活，便不得不通过外出打工等其他渠道获得收入，进而使农业生产劳动力越来越少，人力成本提高。在诸多因素的共同影响下，传统农业的发展已经陷入瓶颈，农业生产需要更为科学化的发展。

1.2 智慧农业概述

物联网技术近十年迎来爆发式发展，根据Juniper Research的数据，2015年物联网中有超过1340亿台设备接入互联网，2022年将增长185%，达到3850亿台设备。物联网的用途几乎涉及到现代社会的所有领域。其中主要领域包括智能医疗保健、智能城市、智能工业、自动驾驶汽车、智能农业、精准农业和智能家居等。物联网具有巨大的潜力，是未来互联网服务发展的关键领域之一。目前主要的IT公司和大多数国家都致力于研究物联网应用问题，智慧农业就是其中一种。

在实际农业生产应用中物联网技术具有诸多功能，通过融合大数据、物联网、AI、智能算法和云平台等技术，配合智能终端、无线传输节点及传感器及控制器，实现农业生产监测功能和远程操控功能。实现农业生产和操作的数据可视化、精准感知化、远程控制化和智能管理化。物联网技术相较于传统农业生产技术采用更为科学的种植方法，利用其万物互联的特性将农业生产模块相连，拓展了农业的发展空间，从而将传统农业转变为现代化信息化的智慧农业，推动农业的持续发展。

1.3 智慧农业的架构

基于物联网技术的智慧农业的大概主体架构由感知层、传输层和应用层组成。如图1所示。

图1 物联网智慧农业主体架构

感知层的主要作用是获取农田的数据信息，控制农田的控制器完成指定操作；网络层的主要功能是将感知层获取到的数据信息通过无线传输、互联网传输至应用层，或通过互联网传输应用层的操作信息到感知层完成相应操作；应用层的主要功能是将感知层获取的信息进行提取、分类处理、保存和汇总等，并建立相应数据库，将农田的相关信息以数据形式直观地展现给管理员。

1.4 智慧农业的通信技术

随着物联网的发展，电子标签、近场通信和蜂窝网络等越来越多的物联网技术应用到智慧农业中，但智慧农业的发展依然面临着一定的问题。传统的方式已无法满足农业生产中远距离、低功耗的通信需求。因此，低功耗广域网络近些年逐渐成为智慧农业行业主流。考虑到本平台实际应用场景和成本因素，选择低功耗广域网中的LoRa和NB-IoT 2种技术作为物联网通信技术。

2 LoRa

2.1 技术概述

LoRa是一种低功耗广域网，通信机制是Lo－RaWAN协议的物理层，由LoRa联盟定义。与其他现有技术相比，LoRa是一种调制技术，可以在数十公里的范围内传输信息。LoRa的物理层的调制为Semtech公司的专利，这种调制在由传感器工作的地理区域定义的ISM频带中运行。LoRa协议的优势在于可在ISM免许可带宽中运行，因此无需额外的许可费用[3]。相比其他技术，LoRa相关产业链更为成熟，在同时期的传输技术中更早进入商业化应用。在过去数年里，LoRa联盟面向全世界推广，使其成为物联网传输协议中的主流协议[4]。

2.2 技术特点

LoRa传输技术具有连接稳定、低功耗和传输距离远等特点。LoRa是一种低功耗协议，可将传感器连接到Internet，从而确保尽可能低的能耗[5]。理论上一节五号电池可以为LoRa芯片供电10年之久，在农田的电力配置上能省去不必要的资源浪费。同时，LoRa使用线性调频阔频技术，使用较宽的信号带宽传输，明显增加了通信距离的同时保证低功耗，并具有一定的抗多径衰落能力和多普勒效应能力[6]，提高网络效率并消除干扰。LoRa在传输范围、功耗和传输速率上具有明显综合优势。在城市环境条件下，通信距离可长达15 km，而在农村环境条件下则更长[7]。

缪斯是希腊神话中文艺和科学女神的通称。她们以音乐和诗歌之神阿波罗为首领，分别掌管着历史、悲剧、喜剧、抒情诗、舞蹈、史诗、爱情诗、颂歌和天文。古希腊的诗人、歌手都向缪斯呼告，祈求灵感。

LoRa的网络拓扑结构为星型结构，具有网络结构简单和低延迟等特点。在农田网络搭建中，LoRa可以通过简单的网关搭建局域网，在农田的实际应用中可以节省不必要的人力损耗、资源浪费。

3 NB-IoT

3.1 技术概述

NB-IoT的全称为窄宽带物联网技术，也被称为低功率广域网，在3GPP第三代全球伙伴计划中提出，属于新兴网络技术。与传统物联网通信技术相比，在保证可以进行GMS、UMTS、LTE网络设计和搭建的前提下，NB-IoT只需要消耗180 kHz左右的带宽[8]，便能实现物联网传输的低速率、低功耗、高覆盖。能够极大程度控制通信传输系统的搭建成本，减少非必要的人力成本和资源浪费。

3.2 技术特点

NB-IoT具有通信覆盖优势，现阶段4G、5G网络虽然基本满足移动网络的信息数据交互，但从本次物联网智慧农业平台搭建的角度来看，其网络覆盖范围难以满足大面积的农田运行。3GPP于2016年完成了第一个NB-IoT规范，并且正在针对加强移动性和减少传输延迟的方案进行标准化。虽然NB-IoT出现在LoRa和SIGFOX之后，但其通过使用许可频段解决了拥塞问题，从而为关键任务应用提供更可靠的服务。此外，NBIoT可以与已经成功部署的GSM和LTE网络共存，可以利用现有网络硬件，降低部署成本[9]。考虑其他3GPP技术，NB-IoT的最大数据速率有所降低，但其覆盖范围有所增强，硬件复杂度与LTE Cat-1相比降低了90%，因此，NB-IoT可以降低成本和能耗。NB-IoT采用eDRX节电技术，eDRX是一种在与基站协商的特定时间段内停用UE调制解调器的技术。UE仅在指定时间内打开调制解调器并监视下行链路信道，以达到节电的目的。eDRX的下行数据延迟最高为2.92 h，由于较高的寻呼间隔，使得功耗显著降低。同LoRa技术一样，理论上NB-IoT模块的电池可以连续工作10年之久。

4 LoRa和NB-IoT融合技术在智慧农业监测系统的应用

4.1 系统架构设计

NB-IoT模块具有低功耗、高传输速率和覆盖区域大等特点，足够满足智慧农业监测系统的网络传输要求。但考虑到目前NB-IoT模块价格较高，并且数据需要使用运营商授权带宽，会产生额外资费。如果全部传输模块都采用NB-IoT模块，则会产生大量流量资费及模块成本。且实验农田可能处于农村偏远地区，运营商网络未必能全覆盖。而LoRa模块成本仅为NB-IoT模块成本的一半，且能够通过网关组成在免许可带宽内的局域网，从而避免了流量资费问题及运营商网络覆盖问题。因此，在本平台设计中，采用LoRa技术与NB-IoT技术相结合的方案，利用LoRa技术采集传感器数据到网关，网关通过NB-IoT将数据通过基站上传至互联网。

本系统由远程数据采集节点、远程控制节点、网络通信模块和管理监测平台等几部分组成。系统运作原理：首先由远程数据采集节点通过各种数据传感器实时获取农田中农作物生长环境的相关数据，通过LoRa与NB-IoT组建的传输网络将数据传输至云服务器，再由服务器进行相关数据的分类、储存，以优化算法对云服务器存储的历史参数及预设参数进行对比和分析处理，并通过远程控节点对环境参数进行实施校正调整，使农田环境参数达到最佳状态。最后将相关数据抄送至客户端中，以数字化或图表的形式展示田内农作物环境状态及农作物生长状态。从而实现农田的精细化监测和管理，达到科学种植、节约成本等目的。系统结构如图2所示。

图2 智慧农业监测系统结构

4.2 系统主要功能

（1）数据采集以及存储：通过采集节点对农田内土壤温度、土壤含水量、土壤微量元素、空气湿度、空气温度、二氧化碳浓度及光照度等数据进行实时采集。同时递送给云服务器进行分类、归纳处理并存储，并形成相关数据库。管理员可通过终端实时查看相关数据信息。

（2）视频监控：管理员可以在终端客户端上实时查看由农田内摄像头采集的种植现场图像，远程监测农作物生长情况。

（3）远程控制管理：以管理员身份登录后，可以在连接互联网的客户端上对农田内各种设备进行操作。能远程手动控制田内水肥灌溉、驱虫和控制空气湿度等。

（4）数据分类处理：系统能将采集到的数据信息以数值和图表的形式直观向管理员展示，根据用户需求可以导出日报、月报等。

（5）智能预警服务：系统实时监测田内各项数据，根据用户设置的数据范围设定阈值，超过阈值即向客户端发送预警信息。同时关联本地气象信息，利用农田内气象数据传感器依据算法推测是否出现极端天气。

（6）统一认证管理：管理人员信息的录入后，经过登录认证后即可对系统进行统一控制管理，包括用户管理、设备管理和设备权限管理等。

（7）自动管理：通过识别田内农作物，从系统内置专家数据库中调取数据，通过智能算法计算出生物生长模型和不同生育周期的生长环境参数。将农作物生长环境参数动态保持在最佳范围内。

（8）专家远程诊断：当生产种植过程中出现问题时，可以通过平台远程联系专家诊断，基于实时采集图像、农田环境参数，即可远程给予解决方案。

（9）水肥一体化管理：通过实时监测田内数据，通过智能算法动态分配灌溉时间、水量及营养液的比例。充分利用智能化管理降低人力资源浪费、节约成本并提高工作效率。

4.3 系统主要特点

该智慧农业监测平台集多种功能为一体，高集成度使农业种植更加直观化、科学化。提供了人机交互接口，管理员可通过智能终端在监测管理云平台上发送控制指令，远程操作田内的农业生产设备。该平台基于BS，具有兼容性强、维护方便等优点，管理员只需在任意带有浏览器的终端上即可访问该平台。同时系统具有良好兼容性，市面上大部分自动化农机器械只需加装LoRa模块即可接入系统。可根据用户需要模块化添加不同的设备，以更好地适应不同植物的生长环境，告别传统农业的靠天吃饭。

现有的智慧农业设计基本能够实现自动灌溉、水肥一体化，利用物联网技术实现对农业大棚内大气和土壤相关数据的实时检测，掌握棚内种植环境的变化并做出调整。系统在现有功能的基础上进行整合和利用互联网大数据技术进行升级。实现农田分布管理、人员设备统一管理和数据智能分析。其中存储在云服务器中的数据可以作为后续大数据分析的数据支撑。系统内嵌算法，周期性分析植物生长趋势和对应时间的环境数据，通过深度学习来不断优化算法，以调整环境因素达到增产的目的。

5 结束语

目前我国的农业数字化、智能化推广程度不高，多数地区仍采用传统人工劳作的种植方式，人工工作效率低下，土地资源得不到充分利用。将物联网技术应用到农业中能够极大提升农业生产效率，农户可以做到足不出户即可掌握农田的基本信息及控制农田内装置完成农业生产种植操作。本文介绍一种利用物联网搭建的智慧农业监测平台，分析了智慧农业中的实时采集、云服务器存储、数据分析和无线传输等技术对传统农业转型的重要作用。设计并探究该平台在农业生产中的运用，其易操作、低成本和易维护等优点，解决生产种植中的诸多痛点。中国农业的发展还有很长的路要走，希望本平台的构建能够为后续农业科学研究提供算法研究的接口和平台，实现智慧农业的全面推广。