智慧农业监测系统设计

张志娟张德凤

(1.常州信息职业技术学院，江苏 常州 213000；2.苏州大学，江苏 苏州 215000)

引言

我国作为农业大国，农业在国民经济中有着举足轻重的地位，但是我国仍未成为一个农业强国。国内农村人口占据了较高的比例，已经达到总人口的36%左右，然而在农业生产领域仍然处于滞后的水平，农业产值占比未达到20%。总体来看，在农业发展领域仍然存在诸多问题，土地较为分散，依然依赖于传统的种植模式，效率较低；由于大量的农村人口进城务工，缺乏有知识的年轻人参与到农业发展中，制约了农业的现代化发展。除了上述问题之外，由于农药等不合理的应用，污染了环境，土壤质量下降，最终将对作物生长发育产生诸多不利的影响，而且威胁到了消费者的健康[1]。2004—2022年，连续19a我国都发布以“三农”为主题的中央一号文件，体现了“三农”问题在中国的重要地位。

党和政府始终高度重视农业的发展，在《中共中央 国务院关于抓好“三农”领域重点工作 确保如期实现全面小康的意见》中明确提到：在农业发展领域中应该充分利用物联网、人工智能等先进的技术，依托于此类技术来实现农业转型发展，提高作业的效率，逐步摆脱传统的农业生产模式[2]。

在《中共中央 国务院关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的意见》中指出，民族要复兴，乡村必振兴，要举全党全社会之力加快推进农业现代化[2]。

随着5G通信技术、大数据等技术的发展，智慧农业成为必然的发展趋势，农业现代化不再是“纸上谈兵”[3]。为了实现农业现代化，我国不断学习发达国家的农业种植技术，如温室大棚智能控制[4]、采摘机器人[5]等。但国外的技术设备存在一系列的弊端，如价格昂贵、维修费用高，我国开始自主研发现代化农业相关技术设备。

1 智慧农业概述

智慧农业是指利用5G移动通信、物联网、人工智能、大数据等现代信息技术与农业生产进行深度融合，将农业生产整个过程的信息进行感知，并对这个信息进行精准管理和智能控制农业设备的一种崭新的农业生产方式[6]。智慧农业的作用在于改变了传统的生产模式，提高了农业发展的效率，将更多的新技术应用到农业种植中，精细化以及高效化成为必然的发展趋势，有助于改善种植的效率，减少病虫害的发生，提高产量和品质，从而达到更高的综合效益[7]。

智慧农业系统有感知层、传输层和应用层3层结构模型。

1.1 感知层

感知层主要是通过各类传感器实现各种农业生产信息的采集，采集的信息有pH、湿度、光照以及温度等，还有土壤养分、重金属探测、气象探测等传感器，由此可以获得与作物生长密切相关的信息[1]。

1.2 传输层

传输层主要是用于传输采集的各种信息，常用的方式有无线以及有线方式，可以将感知层的信息传输到其他层次，便于继续进行后续的处理与应用，可以将一些信息发布在农业信息平台中[1]。随着无线传输技术的不断发展，传统的有线通信方式已经很少用于农业物联网，现在大多采用无线组网的方式来建设智慧农业系统。无线传输方式主要有短距离通信和长距离通信技术。Wi-Fi、ZigBee、蓝牙等是常用的短距离通信技术，无线广域网和低功耗广域网LoRa和NB-IOT属于使用较多的通信技术，此类技术的优势在于传输距离大，适合于应用到长距离通信领域。二者仍然存在一定的差异性，其中NB-IOT对于运营商的依赖性较高，独立性不强，而LoRa技术能够保证通信过程的独立性[8]。

1.3 应用层

应用层是分析和处理传输过来的信息，并依靠这些数据作出为农业决策，远程控制农业生产设备。

2 LoRa

2.1 LoRa(LongRangeRadio)的中文意思

远距离无线电，是一种低功耗广域网通信技术[1]。LoRa是属于美国Semtech公司的一种常用的超远距离通信技术。LoRa主要利用了CSS(ChirpSpreadSpectrum，CSS)调制技术，该技术的优势在于具备了较强的抗干扰能力，而且可以传输较长的距离，功耗较小。

2.2 LoRa的特点

可以达到较长的传输距离，对于郊区、城区分别可以达到15km、2～5km的距离；利用了扩频技术等，而且可以实现前向纠错(FEC)；支持IEEE802.15.4g；工作频率主要有433MHz以及915MHz等；可以达到较高的传输速率，甚至可以达到kB·s-1；功耗低，无需专用的供电，只需要普通的电池即可达到10a以上的寿命；具备了较高的安全性，采用了AES128加密方式；支持连接大量的LoRa节点[1]。

3 NB-IOT

NB-IOT技术有功耗低、覆盖广以及穿透强等优势，广泛用于不同的场景中，基本可以达到10km的传输距离。更重要的是，支持通过云端来存储相关的数据[8]。

虽然NB-IOT与LoRa没有太大差异，但NB-IOT更适合在运营商级网络中大规模部署。因为从组网方面，LoRa网络部署需要建设全套设备。NB-IOT则可以通过4G进行部署，难度较小，效率较高，一般可以通过软件升级方式构建NB、LTE双模网络[9]。

4 系统结构

本系统基于LoRa技术设计了智慧农业大棚监测系统平台，如图1所示。该系统通过对无线覆盖区域范围内的终端节点即各个农业大棚中的数据的全自动采集，并将采集到的数据汇聚到LoRa集中器，实现了各个农业大棚中的各种类型的环境数据的远距离、低功耗的无线传输，最后通过MCU和NB-IOT模块将LoRa集中器采集到的数据上传到云平台，远程监控中心则访问云平台存储的信息获取农业大棚中的环境数据，从而通过云平台对终端设备进行管理[10]。

图1 智慧农业大棚监测系统框图

5 硬件设计

本系统中的硬件设计主要有终端节点、LoRa集中器模块、NB-IOT模块。终端节点由土壤湿度传感器、空气温湿度传感器、光照强度传感器、CO2浓度传感器、电源模块、STM32单片机、LoRa通信终端(本设计采用SX1268)等组成，如图2所示。采集到的各种参数如土壤参数、环境参数等都会通过终端节点上传到LoRa集中器。

图2 终端节点结构图

植物生长中水的作用是至关重要的，土壤湿度的检测也尤其重要。本系统中土壤湿度传感器采用了FC-28土壤湿度传感器来检测土壤的湿度值，然后将当前土壤下检测到的湿度值传递给单片机完成数据的分析。该传感器表面通过镀镍处理解决了传感器长时间接触土壤水分带来的生锈困扰，极大地延长了使用寿命。

本系统中空气温湿度传感器主要使用了成熟的SHT10，该器件广泛用于温度以及湿度检测场景中，其使用的难度较小，效率较高，可以通过转换输出数字信号。除了上述基本功能之外，其优势还体现在稳定性高、支持校准功能以及功耗低等方面[7]。该器件的量程较大，适合于应用到不同的测温场景中，其中温度测量范围为-40～120℃，精度为±0.5℃；湿度测量范围为0～100%RH，精度为±4.5%RH。

光照是农作物进行光合作用必不可少的条件，与农作物的生长密不可分[11]。光照强度传感器采用TSL2561，该器件配置灵活度较高，功耗较低，效率较好。TSL2561的特征主要体现在如下方面：支持对光强度阈值进行设置；功耗低，体积小；可编程控制模拟增益；支持I2C等常用的协议；可以对50Hz/60Hz的光照波动进行有效地抑制[12]。植物生长过程中何时需要补光，补光一般是农业大棚内的光强未达到1000lx时才进行的。

二氧化碳传感器采用炜盛科技的利用非红色散红外(NDIR)原理对空气中的CO2浓度进行测量的MH-Z14，其工作电压为4.5～5.5V，测量范围为0～5%VOL，该传感器具有较高无氧依赖性和灵敏度，还内置温度补偿[13]。

本系统的核心控制部分采用的是意法半导体(ST)公司的STM32F103RBT6芯片，其最小系统由电源供电模块、微控制器芯片、复位模块、时钟控制模块、电路启动模块等组成。

本系统的重要环节是无线通信模块设计，考虑到传输距离、低功耗、小型化、通信可靠性等因素，在设计过程中采用了高可靠的SX1278和NB-IOT模块BC35-G[7]。SX1278的应用具有多方面的优势，其灵活度较高，在配置资源方面可以直接采用软件方式，由此降低了配置的难度。另外，还包括470MHz等中心频点。通信距离较长，基本可以达到5km[7]。除了上述特性之外，还具备了较高的兼容性，如对于GFSK等常用的模式提供了必要的支持[7]。LoRa集中器的信息通过STM32的串口传输至NB-IOT模块BC35-G，由BC35-G网络发送至云服务器，从而实现云端的监测和控制。

6 软件设计

本系统软件设计由终端节点软件设计、客户端设计2部分组成。各个终端节点的软件设计主要是完成各温室大棚中环境因子数据的采集，要先进行初始化设置，随后单片机向FC-28土壤湿度传感器、SHT10温湿度传感器、TSL2561光敏传感器、MH-Z14二氧化碳传感器发送初试化脉冲；数据采集单元采集并监测对各个参数。STM32会与传感器上采集的数据进行交互，经LoRa无线通信模块将采集的数据发送至LoRa采集器，LoRa采集器可以向STM32传输采集到的数据，然后通过NB-IOT模块进一步发送给基站，最终通过IOT连接管理平台来完成对数据的解码操作，处理之后的数据进一步通过平台进行展示，便于结合采集到的数据信息进行管理和控制[8]。

本系统的终端节点软件设计选择使用Keil MDK-ARM作为软件开发环境，该工具广泛用于单片机开发领域中，集成了编译器以及调试器等基本的部件，针对不同类型的处理器提供了完美的支持，如Cortex-M、ARM9等。正是由于具备了这些优势，在此次研究中主要通过该工具来实现对终端节点软件的设计与开发[14]。

设计的客户端是为了让用户能通过安卓手机App可以随时查看数据。AndriodStudio是APP的开发环境，该APP需要联网并通过Ocean Connect物联网云平台进行信息交互。此APP可以实时监测并能手动与智能控制农业大棚设备：本平台不仅可以全自动获取各农业大棚内监测点的光照、温度等环境数据的精确信息，让用户通过手机就能远程掌握农作物生长的环境；还可以通过设置环境参数的阈值，自动开启智能控制，以及通过手动控制继电器通道的开与关，实现对喷洒、遮阳、通风等设备的控制[10]。

7 小结

智慧农业能有效地改善农业生态环境，加快现代农业的发展，推动着中国农业向现代化、信息化和智能化演进，构建精细化的农业生态系统，提升农业发展的效率和质量，从而为广大消费者提供更多优质的农产品[15]，提高农业生产水平，促进中国农业发展。当下，随着大量的现代科技应用在农业中，智慧农业系统的应用范围将更大，与此同时也会促进中国农业农村数字化、信息化跨越式发展。