基于NB-IoT與智能手機的智慧蔬菜棚室管理系統

　　摘要：NB-IoT低功耗廣域網技術有望成為未來農業物聯網中海量終端互聯的主干支撐技術之一，智能手機方便易用的特點使其有望成為適宜廣大農戶日常使用的農業信息終端平臺。為同時滿足傳統棚室農業集總式管理模式與日常棚室生產情境中的分布式管理的需求，基于NB-IoT技術及智能手機，設計一套可用于蔬菜棚室的智慧管理系統。該系統具有功能伸縮性強、部署便捷、穩定可靠、網絡拓撲簡單、使用方便、成本低廉等優點。測試結果表明，通過所設計系統可以有效地完成對于蔬菜棚室的種植參數監測與設備管理等工作，實現面向智慧棚室的遠程集總式管理與現場分布式管理。

　　本文源自現代電子技術,2020,43(12):170-175.《現代電子技術》雜志，于1977年經國家新聞出版總署批準正式創刊，CN:61-1224/TN，本刊在國內外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時效性強的特點，其中主要欄目有：電子技術及應用、能源與環境科學、智能交通與導航等。

　　我國農業棚室生產經營者多為以家庭為單位的中小型個體農戶，生產管理受到棚室空間位置分散、農業投入受限、信息化知識水平有待提高等因素的影響。而隨著農業生產過程中精細化管理的不斷深入，棚室物聯網服務模式與終端間數據通道需要進一步優化[1,2,3]。為適應這一現狀，需要實現能夠在較大的空間范圍之內支持海量棚室物聯網終端接入的低成本、低實現復雜度、高運行可靠性的有效無線互聯手段[4,5,6]。

　　由LTE技術發展而來的NB-IoT技術可為農業領域海量終端無線互聯提供有效的支持。其具有覆蓋性優異、終端模組成本低廉、日常維護簡單、支持海量終端接入及能耗較低等優勢[7]。農業環境中數據傳輸的特點也與NB-IoT數據傳輸頻次低、時延較高、數據量有限等特性相符合。NB-IoT上述優點特別適用于在我國廣大農村地區進行廣覆蓋、低成本、海量接入的無線數據網絡建設的需求[8,9]。

　　傳統的農業集總式管理模式與農業生產者日常生產習慣及農業情境中的分布式管理需求不完全契合[10,11]。如能在保證集總式管理功能的前提下同時實現農業情境中的分布式管理則可在較大的程度上提高農業宏觀管理者與現場作業人員的管理效能與服務效果[12,13]。若能依托智能手機等在農戶中廣泛使用的移動智能設備為分布式農業管理提供支持，則可在易用性、建設與使用成本、分布式支持等方面適應我國棚室生產的現狀[14,15,16]。

　　本文提出一種基于NB-IoT與智能手機的智慧蔬菜棚室管理系統。通過該系統可以實現在較大范圍內的蔬菜棚室物聯網信息終端互聯互通，同時支持農業棚室經營者通過智能手機在各農業情境中進行分布式管理，以及獲得由云端平臺提供的智慧農業信息服務對較大范圍內蔬菜棚室進行集總式中心化管理。

　　1、系統功能結構

　　系統由基于NB-IoT的現場終端節點、基于Android的分布式現場服務APP及適配NB-IoT的云端平臺組成。現場終端節點用于采集棚室種植環境中的日常數據，并為農業機電設備提供相應的控制信號。現場終端節點的感知與控制信息通過NB-IoT數據通道與蔬菜棚室管理系統的云端平臺服務器實現有效交互。云端平臺服務器對通過NB-IoT運營商平臺對應接口獲得的數據進行相應處理，并將數據存儲在部署于云服務器上的MySQL數據庫中，為集總模式下的網頁管理端提供數據支持。網頁管理端為核心管理員(如棚室農業園區管理者或農業管理部門人員)提供用戶管理、節點管理、實時監測、設備控制、告警管理以及歷史數據查詢等功能，實現農業棚室的集總式管理。該集總式服務面向農業集總式宏觀管理，不受地塊、區域限制。

　　為同時滿足蔬菜棚室農業情境下的分布式管理需求，采用Android智能手機APP為農業現場作業人員(如負責特定棚室的雇工等)提供現場棚室管理服務。該服務為局域管理服務，現場作業人員可通過該服務APP實現對周邊棚室蔬菜種植管理所需的終端節點接入、棚室環境監測、棚室設備控制以及數據管理等功能。該APP還可在NB-IoT網絡突發問題時提供應急管理操作。上述系統結構同時滿足了集總式管理與現場分布式管理的需求，并通過功能結構劃分不同的管理層次。系統結構如圖1所示。

　　圖1系統功能結構圖

　　2、現場終端節點

　　為了提高蔬菜棚室中感知終端與執行終端密度與精細化程度，實現復雜農業環境下終端節點與遠程控制端及手機APP的可靠通信，設計了適用于蔬菜棚室中監測管理的終端節點。現場終端節點的功能結構如圖2所示。

　　圖2現場終端節點功能結構

　　2.1傳感器模塊

　　節點的MCU采用基于ARM32bitCortex™-M3內核的STM32F103ZET6芯片。其較高的工作頻率、較低的功耗特性、較寬的工作溫度范圍及豐富的接口為復雜棚室農業環境下節點功能的有效實現提供了有力支持。由于棚室蔬菜種植對溫濕度有較高要求，節點采用具有較好耐候耐噴淋特性的單總線(1-Wire)數字式溫濕度傳感器AM2306對棚室內外環境溫度進行采集。該傳感器溫度測量范圍在-40～125℃，誤差在±0.3℃之間，濕度測量范圍在0～99.9%，誤差在±2%之間，可滿足絕大多數蔬菜棚室種植環境溫濕度監測的需求。為評估日光透射玻璃或大棚薄膜后在棚室內的光照分布，節點通過BH1750FVI光照強度傳感器獲取日光輻照數據。BH1750FVI較低的成本有助于在棚室內多個位置包括蔬菜的冠層及根部等處布設多個監測點，從而能夠更為可靠地形成對棚室蔬菜光照因素的宏觀觀測。為在棚室遭遇強風時提供告警，節點采用支持ModBus-RTU協議的SM5385B和SM5384B風速與風向傳感器監測對應數據。MCU通過采用SP3485構建的RS485總線獲得上述傳感器數據。土壤水分與溫度傳感器SM2802亦可通過該RS485通路接入MCU。為了對棚室水泵、排風扇等進行可靠控制，當節點收到云端服務器或智能手機發來的指令后，MCU產生邏輯控制信號驅動對應4路使用EL817C光耦隔離的繼電器G5LA-14通路。

　　2.2NB-IoT與藍牙通信模塊

　　節點采用NB-IoT與低功耗藍牙技術分別滿足遠程集總式管理與現場分布式管理的數據傳輸需求。節點采集的棚室監測數據與云端遠程控制信息經由NB-IoT數據通道進行傳輸。智能手機與節點的現場通信由藍牙實現。為了便于通信與數據處理，棚室監測數據采集完畢后被封裝成8位字節數組的數據幀。節點NB-IoT模組選用基于華為Boudica芯片的WH-NB75-B5。模組與MCU通過波特率為9600b/s的串行接口進行通信。WH-NB75-B5工作于850MHz頻段，適配電信NB-IoT物聯網卡。該模組峰值功耗0.3A/3.8V，無數據時休眠功耗可低至5μA/3.8V。模組支持UDP/CoAP網絡通信協議。系統中使用基于請求/響應模型的CoAP通信協議傳輸數據。CoAP通信協議以UDP作為傳輸層協議，通信開銷的顯著減小使其適用于物聯網應用中。使用中擴展不連續接收模式的取值為5min。上電后，節點自動實現NB-IoT網絡接入。在NB-IoT通信中，周期性采集到的棚室監測數據經由MCU封裝并結合CRC-8校驗，通過NB-IoT信息通路上傳到遠程云端服務器，同時接收云端發來的控制指令并進行完整性判斷，進而執行控制操作。通過上述過程實現終端節點與云端服務器的可靠通信。NB-IoT信息交互周期通過MCU定時器設定。節點藍牙模組選用基于CC2540芯片、支持藍牙4.0低功耗通信協議的HC-08無線藍牙通信模組。微控制器通過串口方式與藍牙模組進行通信(波特率為9600b/s)。HC-08工作電壓為3.2～6V，在低功耗模式下休眠電流低至0.4μA，在空曠環境下擁有最高可達80m的通信距離，滿足節點長時間工作及智能手機與終端節點進行高可靠性通信的需求。

　　3、分布式現場服務APP

　　農業現場作業人員使用的分布式現場服務APP基于Android開發，其可應用于Android5.0版本以上的智能手機。主要面向在棚室田間地頭工作的農業現場作業者，為其提供分布式管理服務。分布式現場服務APP的主要功能為手機/節點間藍牙通信管理、棚室監測、設備管理、數據管理及用戶UI。APP功能結構如圖3所示。終端節點對接APP的流程圖如圖4所示。

　　圖3分布式現場服務APP功能結構

　　圖4終端節點對接APP的流程圖

　　3.1藍牙通信管理

　　藍牙通信管理功能用于構建智能手機與現場終端節點間穩定可靠的數據通道。手機/節點間的低功耗藍牙通信基于GATT協議。APP啟動后查詢藍牙狀態，在手機藍牙功能未開啟時執行使能操作。在用戶發出節點掃描請求后執行掃描過程，掃描到節點設備后獲取該設備的物理地址、設備名稱與信號強度等信息，并添加在藍牙管理頁面的設備列表中呈現給用戶。用戶可根據節點管理需求接入任一合規節點。接入后APP對藍牙狀態進行管理，通過定時查詢接入設備的信號強度，實現弱連接閾值預警。如中途斷開則依情況進行重連或提示重新掃描。

　　3.2棚室監測與設備管理

　　棚室監測與設備管理功能包括對棚室環境種植參數的實時監測，以及向節點發送命令對棚室設備進行控制。APP在智能手機與節點間建立穩定的連接后，根據用戶指令，向節點發送讀取棚室環境信息的控制命令。當收到來自節點發送的完整監測數據包后，APP根據預定格式進行校驗、解析，進而獲得棚室內的環境參數。當用戶需要對節點上連接的設備進行控制時，通過APP向節點發出控制指令，并接收節點發回的設備工作狀態信息以便確認操作是否成功。APP還對設備的工作狀態進行記錄，以便用戶進行查閱。

　　3.3APP數據管理

　　在分布式管理中，需要對局部信息數據進行分散式存儲，以便支持現場管理者的使用需求。APP對來自終端節點的采集數據及設備狀態進行存儲，并提供對已存儲數據的條件查詢功能。所有的節點采集數據均已通過NB-IoT上傳至云端服務器中進行存儲，因此無需在智能手機端存儲大量數據，在實現中選擇使用SQLite輕量級數據庫，基于AndroidSDK完成數據庫的創建、訪問與操作。

　　3.4用戶UI

　　APP的整體用戶界面由導航欄與對應標簽頁組成。導航欄中共有三個圖標分別對應數據管理頁面、實時監控頁面與藍牙管理頁面，用戶通過點擊導航欄圖標完成各標簽頁的切換。數據管理頁面向用戶展示APP中已存儲信息。實時監控頁面向用戶展示監測棚室的實時環境參數，并提供對已連接節點設備的控制管理操作。藍牙管理頁面對終端節點接入情況及接入成功后手機/節點之間的藍牙連接進行管理。

　　4、適配NB-IoT的云端平臺

　　云端平臺主要面向農業宏觀管理服務，其主要由NB-IoT數據接口、云端數據管理、節點管理、用戶管理、實時監測、設備控制、告警管理等功能組成。云端平臺的功能結構如圖5所示。終端節點對接云端平臺的流程如圖6所示。

　　圖5云端平臺功能結構

　　4.1NB-IoT數據接口

　　云端平臺利用MQTT協議通過構建在電信云平臺上的第三方云服務商提供的數據接口，實現棚室內終端節點與云端平臺間的數據傳輸。云端平臺啟動時，完成與MQTT服務器的連接，并訂閱全部節點設備，訂閱成功后可與已成功部署的節點實現基于NB-IoT的遠程透明數據傳輸。MQTT協議的消息報文由固定頭部、可變頭部以及有效載荷組成。實施中在收到每一個有效MQTT報文后，根據存儲于可變頭部中的節點ID對承載于有效載荷中的節點上傳數據進行獨立處理(校驗、解析等)。需要注意的是，在有效載荷中承載的節點感知信息和控制信息格式與藍牙數據容器中承載的相應信息格式保持一致。

　　圖6終端節點對接云端平臺流程圖

　　4.2云端數據管理

　　云端平臺的數據管理功能面向管理員用戶信息、終端節點信息、節點采集環境信息、節點設備操作信息以及告警信息提供存儲管理工作，并為云端平臺其他功能提供數據支持。節點所采集的環境信息和設備操作信息根據節點ID進行分表存儲。在本系統中使用MySQL關系型數據管理系統進行分表存儲管理，基于SpringDataJPA框架完成對數據庫的訪問與操作。

　　4.3云端網頁管理

　　云端平臺的設計基于Browser/Server(瀏覽器/服務器)架構，采用網頁作為管理系統的應用層軟件。由于平臺架設在云端，只要有可靠的互聯網接入手段，棚室集總管理者即可通過電腦或智能手機等設備遠程訪問云端平臺。管理者可通過云端平臺提供的網頁完成用戶管理、節點管理、實時監測、設備控制、告警管理與歷史數據查詢等操作。

　　用戶管理功能為使用云端平臺的棚室管理員用戶提供賬號注冊、登錄以及資料修改等用戶管理操作。節點管理功能面向終端節點完成遠程管理，通過其進行對棚室內終端節點的增刪、屬性設置等遠程管理操作。實時監測功能通過實時繪制環境信息折線圖展示終端節點采集的環境數據，實現對各棚室環境參數的遠程監測。設備控制功能面向與終端節點相連接的棚室設備，管理員通過其向終端節點發送控制命令，完成對設備的控制操作。告警管理功能實時對現場終端節點回傳的數據進行監測，判斷數據包中各環境變量/設備參數是否正常，若存在異常則將終端節點ID、上報時間、異常變量及告警原因記錄并存入數據庫中的警報信息表中，在用戶UI發出告警提示。歷史查詢功能提供對云端數據庫中已存儲數據的查詢。

　　5、系統測試

　　在位于上海市松江區的某組棚室內模擬蔬菜種植環境，部署終端節點，節點ID為0x00～0x0D。設定終端節點的采集周期為5min。云端平臺部署于阿里云服務器，服務器系統為Window2012R2版本，配置為單核1GB內存以及40GB的SSD云盤。APP測試機型Android版本為9.0，藍牙版本為BT4.2及BT5.0,CPU為驍龍660,HiSiliconKirin970,HiSiliconKirin980。系統測試時長覆蓋番茄發芽期全程(約14天)。節點監測所得的棚室環境數據如圖7所示。

　　圖7棚室歷史環境記錄

　　測試中首先對終端節點蔬菜棚室監測數據的準確性進行了驗證，通過將節點采集到的蔬菜種植參數與人工采集的種植參數進行比較，二者具有較高的一致性。此外在測試中，未發現因終端節點的傳感器數據讀取異常以及數據傳輸錯誤帶來的異常監測記錄。結果表明通過節點可以有效對棚室蔬菜種植過程參數進行監測。使用中還驗證了節點設備控制的有效性。測試中將節點設備控制端口與外部設備連接，并進行了云端遠程控制及現場手機端控制測試。測試結果顯示，終端節點可以有效地受云端或智能手機控制，為外部設備提供可靠的邏輯控制信號。在測試中，各終端節點長期工作穩定未發生故障。終端節點未受到邏輯控制輸出接口所連接棚室機電設備的電氣干擾。上述測試結果表明，節點可長期有效地部署于棚室內部，支撐管理者進行遠程或現場的精準管理。

　　終端節點在部署后，絕大多數情況下可以在5s內完成NB-IoT網絡的自動接入，實現云端平臺與終端節點間的數據穩定傳輸。終端節點的數據包上傳與控制命令的接收均無異常。在網絡狀況良好時，云端平臺網頁端功能使用正常，可以實現對多棚室的集中式環境監測與設備控制。測試期間，阿里云服務器運行狀態良好，云端平臺數據管理功能正常。在數據庫存儲超過10萬條記錄時，數據庫依舊保持性能良好，查詢速度未有明顯下降。在無明顯遮擋的情況下，手機端APP可以在3s內完成與終端節點的連接，實現監測數據包與控制命令的可靠傳輸。APP在不同測試手機中功能使用正常，可以實現對周邊棚室的現場管理。測試時，未出現閃退等異常現象，APP數據存儲正常。

　　為評價遠程及現場數據傳輸效果，以系統中以終端節點數據傳輸的丟包率ρ作為系統數據傳輸穩定性的評價標準，ρ計算公式為：

　　公式1

　　式中：ps是傳輸過程中丟失的數據包數量;pr是終端節點向云端平臺或手機APP端發送的數據包數量。在測試過程中，因為各節點工作狀態不同，所以各節點上傳的數據包數量有所差異。測試中，每個終端節點通過NB-IoT網絡最少上傳4000個數據包，平均上傳4032個數據包，傳輸過程中平均每個節點丟失4個數據包，平均丟包率0.0992%。每個終端節點通過藍牙最少發送1000個數據包，平均發送1015個數據包，傳輸過程中平均每個節點丟失3個數據包，平均丟包率為0.2955%，滿足了棚室管理系統對于數據傳輸高穩定性的要求。

　　針對系統遠程管理者與現場管理者的回訪調查顯示，云端平臺的管理網頁與手機APP界面布局簡潔，功能豐富。管理網頁在電腦與手機平臺各瀏覽器中支持良好，手機APP在主流機型中正常運行。網頁與APP的操作簡捷，用戶無需長時間使用培訓后即可正常操作，并擁有較好的用戶體驗。

　　6、結論

　　為同時滿足智慧蔬菜棚室種植中集總式遠程管理與分布式現場管理的需求，設計基于NB-IoT與智能手機的蔬菜棚室智慧管理系統。該系統主要結構由棚室現場終端節點、適配NB-IoT的云端平臺和基于Android的現場服務APP組成。通過本系統可以有效對蔬菜棚室種植參數進行采集，實現對棚室農業機電設備的控制。利用NB-IoT數據通道可以實現從棚室到云端的遠程數據互聯互通，實現服務于遠程管理者的云端集總式蔬菜棚室管理。在現場管理中，作業者可以使用安裝APP的智能手機實現局域環境內的分布式管理功能操作。測試結果表明，系統運行穩定可靠，可以有效支持智慧農業棚室管理的需求。

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