5G环境下冬小麦麦情监测系统研究

姚建斌，刘建华，王 森，翟文胜

（华北水利水电大学，河南 郑州 450046）

冬小麦作为我国主要粮食作物，麦田的现代化管理不断提上日程，在5G 技术不断推进的今天，冬小麦田间管理更具有“智能化”。5G即第五代移动通信技术，是多种新型无线接入技术和现有无线接入技术（4G 后向演进技术）集成后的解决方案总称。5G 技术具有超高速率、超低时延、超大宽带等特点，可以满足高清视频、虚拟现实等超大数据量的传输，对冬小麦苗情大数据、生长环境大数据、病虫害防治大数据以及灌溉物联网等具有很好的获取、指导、利用作用，使广大农民可以根据获取的信息精准计算出浇水、施肥、打药的时间及用量，避免过量使用水、肥、药而产生浪费造成污染，实现麦田管理的智能化和标准化。为进一步提升5G 技术的应用效果，本文提出了一种5G 环境下智慧农业WSN 通信节点优化部署策略，并以河南省冬小麦大田作为试验环境，设计可编程通信系统和传感器技术融合方案及硬件电路，采用433 MHz 频段对传感器网络节点的信息进行测试。结果显示，本文所提策略，既有利于冬小麦大田投入标准化，制定各种投入要素的数量标准、养分标准和投入时间标准，提高要素投入的边际效率；又有利于冬小麦大田管理标准化，使冬小麦管理真正进入网络化时代。

1 农业5G网络架构演进

1.1 5G网络平台

从某种程度上讲，5G 是一个真正意义上的融合网络，是传输速率可以达到10 Gb/s的移动通信技术。5G 为用户带来更为丰富的数据速率传输体验，会自动根据现场网络质量情况连接到体验最佳的网络之中，真正实现无缝切换。既为实现万物互联提供了支撑平台，也为冬小麦田间的监测管理提供了可靠的保障。

1.2 传感器网络技术

传感器网络是现代网络、无线通信技术、现代传感器、嵌入式计算机与人工智能等新兴技术的发展和融合的产物，使得传感器技术向微型无线化、网络化和数字化方向迅速发展。目前，传感器分为有线传感器和无线传感器，根据需要可以灵活地选用数据传输方式。传感网络技术，就是将传感器在需要提取信息的环境中合理布置，相互联系形成网络结构，即为传感网。把非电量信息转换为电信号有利于微处理的处理和控制。在监测节点分布数量较密集的环境中，考虑了可编程通信控制技术，把传感器各节点的数据有效集中收集并分时传输，其完成传感器网与5G 网络平台对接单元，提高了管理效率。同时无人机方式可以通过摄像完成对麦田的整体长势的数据采集。

1.3 可编程智能监测电路及波段的选择

为了改善传统农用无线传感器网络稳定性不够高、传输效果不好等问题，选用无线射频芯片RF1100 和微处理器AT89C52 等技术，以微处理器AT89S52A 为主控芯片设计了智能监测电路，可编程性提高了对传感器网络访问的灵活性，改善了传感器网络和5G 网络的融合度，提高了系统的可靠性，增加了对麦田管理的标准化。2020 年10 月，选择河南省冬小麦大田作为试验环境，采用433 MHz 频段对传感器网络节点的信息进行了测试与分析。结果表明，433 MHz 的无线传感器网络的远距离传输性能相比于其他频段有一定的优势。通过中心监测计算机管理软件可实现分节点的查询、图形图像的显示和数据分析等。

2 冬小麦苗情监测整体设计

2.1 冬小麦苗情监测指标

冬小麦的生长主要受到温度、湿度、土壤pH 值、土壤氮磷钾元素含量等因素的影响。一般来讲，冬小麦适宜生长温度16℃～18℃，土壤中氮磷钾元素含量比例为2.8∶1∶3，土壤pH 值为6.0～7.0。因此，在冬小麦苗情监测设计中将冬小麦生长环境的温湿度、土壤pH 值、土壤氮磷钾元素含量等作为主要监测指标。

2.2 麦田监测系统结构设计

麦田监测整体方案如图所示。由图1 可知，信息化监测整体系统主要包括感知层、传输层和应用层。感知层由传感器采样网络组成，传输层由可编程控制通信单元和5G 网络平台组成，应用层由监控管理中心组成。传感器信息采样网络完成对麦田的各参数的实时采样，把非电量转换成电信号，可灵活选择无线传输或有线传输的模式来实现数据的传输。可编程控制通信单元的功能完成数据速率和数据格式的处理转换，然后有效地和5G 网络平台完成无缝链接。利用监控管理中心软件来实现对图形数据的监测和分析，提出合理的麦田管理方案和标准，提高麦田的管理效率。

图1 麦田监测整体方案示意图Fig.1 Schematic diagram of wheat field monitoring scheme

2.3 可编程系统框图设计

控制电路和信息采集系统见图2。

图2 控制电路和信息采集系统框图Fig.2 Control circuit and information acquisition system block diagram

由图2 可知，麦田监测电路主要包括可编程控制模块和传感信息采集模块。其中，可编程控制单元完成对信息的处理和5G 网络的融合，接口电路完成信号模式的转换，有利于微处理器的识别和处理。

冬小麦苗情监测系统采用分布式节点轮询的工作方式，各分立节点通过传感器采集数据，上行链路数据传输或者下行链路数据传输可灵活选择有线传输（RS-485）或者无线传输（RF1100 无线）方式接入到5G 网络平台，然后监控中心可以通过PC 平台来访问传感器节点。中心监控软件可通过轮询的方式定时或手动监测分立节点参数变化，来监测冬小麦的生长环境参数变化。

3 可编程控制通信模块硬件设计

面对单位面积内传感器节点分布密集的情况下，考虑电路的灵活性，可编程完成数据传输速率的控制和格式的转换，设计了微处理为核心的可编制通信模块电路。其实现方式的结构简单，无需向网络运营商付费。

3.1 无线RF1100收发模块

采用国际通用的频段433 MHz 的无线RF1100 微功率收发模式，组网方式采用分集分思路方式。传感器节点采集的信息经过微处理器处理，经过可编程完成信号速率和格式加工处理，信号通过SPI接口与RF1100的收发模块完成信号发射或者接收。

3.2 可编程控制电路单元

发射电路控制单元电路情况如图3 所示。由图3 可以看出，微处理器控制电路单元核心器件是AT89S52A 为主控芯片。该电路主要实现数据速率和格式的变换，完成收发单元电路匹配，提高系统可靠性。

图3 发射电路控制单元电路图Fig.3 Transmitting circuit control unit circuit diagram

3.3 无线收发模块电路硬件设计

3.3.1 收发芯片CC100硬件设计

图4 为发射模块单元前端电路图。由图4 可知，该发射电路的核心元件是CC100 芯片。CC100 具有功耗低，可靠性高的特点，其收发器集成了调制解调器，并支持不同的调制格式。CC100 芯片为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输和清晰信道评估提供广泛的硬件支持。

图4 发射模块单元前端电路图Fig.4 Transmitting module unit front-end circuit diagram

3.3.2 RF1100收发模块特点及数据速率计算

433 MHz 免费ISM 频段免许可证使用，最高工作速率10 Mb/s，可修改波特率参数，灵活满足客户的使用要求。较低的电流消耗（RX 中，8 mA，433 MHz），模块地址可编程，单独的64 字节RX 和TX 数据FIFO。根据现场需要，可以修改数据传输速率和通信模式，有利于系统的扩展。

4 监控管理中心软件

监控管理软件流程见图5。由图5可知，中心监测系统软件由查询软件、数据浏览软件和图像浏览软件3部分组成。

图5 监控中心软件流程图Fig.5 Flow chart of monitoring center software

查询软件主要完成手动查询分立节点采集数据的任务，查询软件包括指令控制、初始化设置，频率转换数值设置等。本软件开发使用IAR Embedded Workbench 嵌入式应用开发编程工具，其编程界面见图6。

图6 IAR编程界面Fig.6 IAR programming interface

5 系统网络服务质量评价

为了验证传感网络和智能通信控制模块单元的可靠性，结合网络服务质量主要针对系统丢包率、网络带宽、网络时延指标做出定量分析。根据本文选取的无线传感网络和5G网络平台，测试各项网络指标。测试结果见图7、图8、图9。

图7 网络带宽值变化曲线Fig.7 Network bandwidth change curve

图8 网络延时变化曲线Fig.8 Network delay curve

图9 丢包率变化曲线Fig.9 Packet loss rate change curve

由图7、图8、图9 可知，系统在0 时—22 时内带宽值稳定在16～23 Mb/s，且相邻时刻波动值不超过±1；网络延时变化稳定在0.1～0.65 ms，相邻时刻波动值在±0.05 范围内；系统丢包率稳定在2.6%～3.5%，相邻时刻波动值在±0.3%。总体系统的网络带宽值、网络延时和丢包率均趋于稳定且量化结果较好，网络服务质量在3个指标内的表现较为优秀

6 结语

为了提高麦田管理的信息化和标准化，随着5G 网络发展，设计传感器网络完成对苗情的监测。可编程智能通信控制模块单元实现数据的分配和格式转换，避免数据的冲突和丢包情况；监控管理中心可以灵活完成对节点的访问，完成对数据的采集分析,使得冬小麦苗情管理信息化和标准化不断推进。