基于NB-IoT與智能手機(jī)的智慧蔬菜棚室管理系統(tǒng)

　　摘要：NB-IoT低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)有望成為未來(lái)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中海量終端互聯(lián)的主干支撐技術(shù)之一，智能手機(jī)方便易用的特點(diǎn)使其有望成為適宜廣大農(nóng)戶日常使用的農(nóng)業(yè)信息終端平臺(tái)。為同時(shí)滿足傳統(tǒng)棚室農(nóng)業(yè)集總式管理模式與日常棚室生產(chǎn)情境中的分布式管理的需求，基于NB-IoT技術(shù)及智能手機(jī)，設(shè)計(jì)一套可用于蔬菜棚室的智慧管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有功能伸縮性強(qiáng)、部署便捷、穩(wěn)定可靠、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜?jiǎn)單、使用方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以有效地完成對(duì)于蔬菜棚室的種植參數(shù)監(jiān)測(cè)與設(shè)備管理等工作，實(shí)現(xiàn)面向智慧棚室的遠(yuǎn)程集總式管理與現(xiàn)場(chǎng)分布式管理。

　　本文源自現(xiàn)代電子技術(shù),2020,43(12):170-175.《現(xiàn)代電子技術(shù)》雜志，于1977年經(jīng)國(guó)家新聞出版總署批準(zhǔn)正式創(chuàng)刊，CN:61-1224/TN，本刊在國(guó)內(nèi)外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時(shí)效性強(qiáng)的特點(diǎn)，其中主要欄目有：電子技術(shù)及應(yīng)用、能源與環(huán)境科學(xué)、智能交通與導(dǎo)航等。

　　我國(guó)農(nóng)業(yè)棚室生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者多為以家庭為單位的中小型個(gè)體農(nóng)戶，生產(chǎn)管理受到棚室空間位置分散、農(nóng)業(yè)投入受限、信息化知識(shí)水平有待提高等因素的影響。而隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中精細(xì)化管理的不斷深入，棚室物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)模式與終端間數(shù)據(jù)通道需要進(jìn)一步優(yōu)化[1,2,3]。為適應(yīng)這一現(xiàn)狀，需要實(shí)現(xiàn)能夠在較大的空間范圍之內(nèi)支持海量棚室物聯(lián)網(wǎng)終端接入的低成本、低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度、高運(yùn)行可靠性的有效無(wú)線互聯(lián)手段[4,5,6]。

　　由LTE技術(shù)發(fā)展而來(lái)的NB-IoT技術(shù)可為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域海量終端無(wú)線互聯(lián)提供有效的支持。其具有覆蓋性優(yōu)異、終端模組成本低廉、日常維護(hù)簡(jiǎn)單、支持海量終端接入及能耗較低等優(yōu)勢(shì)[7]。農(nóng)業(yè)環(huán)境中數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)也與NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸頻次低、時(shí)延較高、數(shù)據(jù)量有限等特性相符合。NB-IoT上述優(yōu)點(diǎn)特別適用于在我國(guó)廣大農(nóng)村地區(qū)進(jìn)行廣覆蓋、低成本、海量接入的無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的需求[8,9]。

　　傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)集總式管理模式與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者日常生產(chǎn)習(xí)慣及農(nóng)業(yè)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(shí)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)情境中的分布式管理則可在較大的程度上提高農(nóng)業(yè)宏觀管理者與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的管理效能與服務(wù)效果[12,13]。若能依托智能手機(jī)等在農(nóng)戶中廣泛使用的移動(dòng)智能設(shè)備為分布式農(nóng)業(yè)管理提供支持，則可在易用性、建設(shè)與使用成本、分布式支持等方面適應(yīng)我國(guó)棚室生產(chǎn)的現(xiàn)狀[14,15,16]。

　　本文提出一種基于NB-IoT與智能手機(jī)的智慧蔬菜棚室管理系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在較大范圍內(nèi)的蔬菜棚室物聯(lián)網(wǎng)信息終端互聯(lián)互通，同時(shí)支持農(nóng)業(yè)棚室經(jīng)營(yíng)者通過(guò)智能手機(jī)在各農(nóng)業(yè)情境中進(jìn)行分布式管理，以及獲得由云端平臺(tái)提供的智慧農(nóng)業(yè)信息服務(wù)對(duì)較大范圍內(nèi)蔬菜棚室進(jìn)行集總式中心化管理。

　　1、系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)由基于NB-IoT的現(xiàn)場(chǎng)終端節(jié)點(diǎn)、基于Android的分布式現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)APP及適配NB-IoT的云端平臺(tái)組成。現(xiàn)場(chǎng)終端節(jié)點(diǎn)用于采集棚室種植環(huán)境中的日常數(shù)據(jù)，并為農(nóng)業(yè)機(jī)電設(shè)備提供相應(yīng)的控制信號(hào)。現(xiàn)場(chǎng)終端節(jié)點(diǎn)的感知與控制信息通過(guò)NB-IoT數(shù)據(jù)通道與蔬菜棚室管理系統(tǒng)的云端平臺(tái)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)有效交互。云端平臺(tái)服務(wù)器對(duì)通過(guò)NB-IoT運(yùn)營(yíng)商平臺(tái)對(duì)應(yīng)接口獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在部署于云服務(wù)器上的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，為集總模式下的網(wǎng)頁(yè)管理端提供數(shù)據(jù)支持。網(wǎng)頁(yè)管理端為核心管理員(如棚室農(nóng)業(yè)園區(qū)管理者或農(nóng)業(yè)管理部門人員)提供用戶管理、節(jié)點(diǎn)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、設(shè)備控制、告警管理以及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)棚室的集總式管理。該集總式服務(wù)面向農(nóng)業(yè)集總式宏觀管理，不受地塊、區(qū)域限制。

　　為同時(shí)滿足蔬菜棚室農(nóng)業(yè)情境下的分布式管理需求，采用Android智能手機(jī)APP為農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員(如負(fù)責(zé)特定棚室的雇工等)提供現(xiàn)場(chǎng)棚室管理服務(wù)。該服務(wù)為局域管理服務(wù)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員可通過(guò)該服務(wù)APP實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊棚室蔬菜種植管理所需的終端節(jié)點(diǎn)接入、棚室環(huán)境監(jiān)測(cè)、棚室設(shè)備控制以及數(shù)據(jù)管理等功能。該APP還可在NB-IoT網(wǎng)絡(luò)突發(fā)問(wèn)題時(shí)提供應(yīng)急管理操作。上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)同時(shí)滿足了集總式管理與現(xiàn)場(chǎng)分布式管理的需求，并通過(guò)功能結(jié)構(gòu)劃分不同的管理層次。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

　　2、現(xiàn)場(chǎng)終端節(jié)點(diǎn)

　　為了提高蔬菜棚室中感知終端與執(zhí)行終端密度與精細(xì)化程度，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜農(nóng)業(yè)環(huán)境下終端節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)程控制端及手機(jī)APP的可靠通信，設(shè)計(jì)了適用于蔬菜棚室中監(jiān)測(cè)管理的終端節(jié)點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)終端節(jié)點(diǎn)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2現(xiàn)場(chǎng)終端節(jié)點(diǎn)功能結(jié)構(gòu)

　　2.1傳感器模塊

　　節(jié)點(diǎn)的MCU采用基于ARM32bitCortex™-M3內(nèi)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(fù)雜棚室農(nóng)業(yè)環(huán)境下節(jié)點(diǎn)功能的有效實(shí)現(xiàn)提供了有力支持。由于棚室蔬菜種植對(duì)溫濕度有較高要求，節(jié)點(diǎn)采用具有較好耐候耐噴淋特性的單總線(1-Wire)數(shù)字式溫濕度傳感器AM2306對(duì)棚室內(nèi)外環(huán)境溫度進(jìn)行采集。該傳感器溫度測(cè)量范圍在-40～125℃，誤差在±0.3℃之間，濕度測(cè)量范圍在0～99.9%，誤差在±2%之間，可滿足絕大多數(shù)蔬菜棚室種植環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)的需求。為評(píng)估日光透射玻璃或大棚薄膜后在棚室內(nèi)的光照分布，節(jié)點(diǎn)通過(guò)BH1750FVI光照強(qiáng)度傳感器獲取日光輻照數(shù)據(jù)。BH1750FVI較低的成本有助于在棚室內(nèi)多個(gè)位置包括蔬菜的冠層及根部等處布設(shè)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從而能夠更為可靠地形成對(duì)棚室蔬菜光照因素的宏觀觀測(cè)。為在棚室遭遇強(qiáng)風(fēng)時(shí)提供告警，節(jié)點(diǎn)采用支持ModBus-RTU協(xié)議的SM5385B和SM5384B風(fēng)速與風(fēng)向傳感器監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。MCU通過(guò)采用SP3485構(gòu)建的RS485總線獲得上述傳感器數(shù)據(jù)。土壤水分與溫度傳感器SM2802亦可通過(guò)該RS485通路接入MCU。為了對(duì)棚室水泵、排風(fēng)扇等進(jìn)行可靠控制，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到云端服務(wù)器或智能手機(jī)發(fā)來(lái)的指令后，MCU產(chǎn)生邏輯控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)4路使用EL817C光耦隔離的繼電器G5LA-14通路。

　　2.2NB-IoT與藍(lán)牙通信模塊

　　節(jié)點(diǎn)采用NB-IoT與低功耗藍(lán)牙技術(shù)分別滿足遠(yuǎn)程集總式管理與現(xiàn)場(chǎng)分布式管理的數(shù)據(jù)傳輸需求。節(jié)點(diǎn)采集的棚室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與云端遠(yuǎn)程控制信息經(jīng)由NB-IoT數(shù)據(jù)通道進(jìn)行傳輸。智能手機(jī)與節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)通信由藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)。為了便于通信與數(shù)據(jù)處理，棚室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集完畢后被封裝成8位字節(jié)數(shù)組的數(shù)據(jù)幀。節(jié)點(diǎn)NB-IoT模組選用基于華為Boudica芯片的WH-NB75-B5。模組與MCU通過(guò)波特率為9600b/s的串行接口進(jìn)行通信。WH-NB75-B5工作于850MHz頻段，適配電信NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)卡。該模組峰值功耗0.3A/3.8V，無(wú)數(shù)據(jù)時(shí)休眠功耗可低至5μA/3.8V。模組支持UDP/CoAP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。系統(tǒng)中使用基于請(qǐng)求/響應(yīng)模型的CoAP通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。CoAP通信協(xié)議以UDP作為傳輸層協(xié)議，通信開(kāi)銷的顯著減小使其適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中。使用中擴(kuò)展不連續(xù)接收模式的取值為5min。上電后，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)接入。在NB-IoT通信中，周期性采集到的棚室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)由MCU封裝并結(jié)合CRC-8校驗(yàn)，通過(guò)NB-IoT信息通路上傳到遠(yuǎn)程云端服務(wù)器，同時(shí)接收云端發(fā)來(lái)的控制指令并進(jìn)行完整性判斷，進(jìn)而執(zhí)行控制操作。通過(guò)上述過(guò)程實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)與云端服務(wù)器的可靠通信。NB-IoT信息交互周期通過(guò)MCU定時(shí)器設(shè)定。節(jié)點(diǎn)藍(lán)牙模組選用基于CC2540芯片、支持藍(lán)牙4.0低功耗通信協(xié)議的HC-08無(wú)線藍(lán)牙通信模組。微控制器通過(guò)串口方式與藍(lán)牙模組進(jìn)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(huán)境下?lián)碛凶罡呖蛇_(dá)80m的通信距離，滿足節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間工作及智能手機(jī)與終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高可靠性通信的需求。

　　3、分布式現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)APP

　　農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員使用的分布式現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)APP基于Android開(kāi)發(fā)，其可應(yīng)用于Android5.0版本以上的智能手機(jī)。主要面向在棚室田間地頭工作的農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)者，為其提供分布式管理服務(wù)。分布式現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)APP的主要功能為手機(jī)/節(jié)點(diǎn)間藍(lán)牙通信管理、棚室監(jiān)測(cè)、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理及用戶UI。APP功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。終端節(jié)點(diǎn)對(duì)接APP的流程圖如圖4所示。

　　圖3分布式現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)APP功能結(jié)構(gòu)

　　圖4終端節(jié)點(diǎn)對(duì)接APP的流程圖

　　3.1藍(lán)牙通信管理

　　藍(lán)牙通信管理功能用于構(gòu)建智能手機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)終端節(jié)點(diǎn)間穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)通道。手機(jī)/節(jié)點(diǎn)間的低功耗藍(lán)牙通信基于GATT協(xié)議。APP啟動(dòng)后查詢藍(lán)牙狀態(tài)，在手機(jī)藍(lán)牙功能未開(kāi)啟時(shí)執(zhí)行使能操作。在用戶發(fā)出節(jié)點(diǎn)掃描請(qǐng)求后執(zhí)行掃描過(guò)程，掃描到節(jié)點(diǎn)設(shè)備后獲取該設(shè)備的物理地址、設(shè)備名稱與信號(hào)強(qiáng)度等信息，并添加在藍(lán)牙管理頁(yè)面的設(shè)備列表中呈現(xiàn)給用戶。用戶可根據(jù)節(jié)點(diǎn)管理需求接入任一合規(guī)節(jié)點(diǎn)。接入后APP對(duì)藍(lán)牙狀態(tài)進(jìn)行管理，通過(guò)定時(shí)查詢接入設(shè)備的信號(hào)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)弱連接閾值預(yù)警。如中途斷開(kāi)則依情況進(jìn)行重連或提示重新掃描。

　　3.2棚室監(jiān)測(cè)與設(shè)備管理

　　棚室監(jiān)測(cè)與設(shè)備管理功能包括對(duì)棚室環(huán)境種植參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及向節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令對(duì)棚室設(shè)備進(jìn)行控制。APP在智能手機(jī)與節(jié)點(diǎn)間建立穩(wěn)定的連接后，根據(jù)用戶指令，向節(jié)點(diǎn)發(fā)送讀取棚室環(huán)境信息的控制命令。當(dāng)收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)發(fā)送的完整監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包后，APP根據(jù)預(yù)定格式進(jìn)行校驗(yàn)、解析，進(jìn)而獲得棚室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。當(dāng)用戶需要對(duì)節(jié)點(diǎn)上連接的設(shè)備進(jìn)行控制時(shí)，通過(guò)APP向節(jié)點(diǎn)發(fā)出控制指令，并接收節(jié)點(diǎn)發(fā)回的設(shè)備工作狀態(tài)信息以便確認(rèn)操作是否成功。APP還對(duì)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行記錄，以便用戶進(jìn)行查閱。

　　3.3APP數(shù)據(jù)管理

　　在分布式管理中，需要對(duì)局部信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分散式存儲(chǔ)，以便支持現(xiàn)場(chǎng)管理者的使用需求。APP對(duì)來(lái)自終端節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ)，并提供對(duì)已存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的條件查詢功能。所有的節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)均已通過(guò)NB-IoT上傳至云端服務(wù)器中進(jìn)行存儲(chǔ)，因此無(wú)需在智能手機(jī)端存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，在實(shí)現(xiàn)中選擇使用SQLite輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)，基于AndroidSDK完成數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建、訪問(wèn)與操作。

　　3.4用戶UI

　　APP的整體用戶界面由導(dǎo)航欄與對(duì)應(yīng)標(biāo)簽頁(yè)組成。導(dǎo)航欄中共有三個(gè)圖標(biāo)分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)管理頁(yè)面、實(shí)時(shí)監(jiān)控頁(yè)面與藍(lán)牙管理頁(yè)面，用戶通過(guò)點(diǎn)擊導(dǎo)航欄圖標(biāo)完成各標(biāo)簽頁(yè)的切換。數(shù)據(jù)管理頁(yè)面向用戶展示APP中已存儲(chǔ)信息。實(shí)時(shí)監(jiān)控頁(yè)面向用戶展示監(jiān)測(cè)棚室的實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)，并提供對(duì)已連接節(jié)點(diǎn)設(shè)備的控制管理操作。藍(lán)牙管理頁(yè)面對(duì)終端節(jié)點(diǎn)接入情況及接入成功后手機(jī)/節(jié)點(diǎn)之間的藍(lán)牙連接進(jìn)行管理。

　　4、適配NB-IoT的云端平臺(tái)

　　云端平臺(tái)主要面向農(nóng)業(yè)宏觀管理服務(wù)，其主要由NB-IoT數(shù)據(jù)接口、云端數(shù)據(jù)管理、節(jié)點(diǎn)管理、用戶管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、設(shè)備控制、告警管理等功能組成。云端平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。終端節(jié)點(diǎn)對(duì)接云端平臺(tái)的流程如圖6所示。

　　圖5云端平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)

　　4.1NB-IoT數(shù)據(jù)接口

　　云端平臺(tái)利用MQTT協(xié)議通過(guò)構(gòu)建在電信云平臺(tái)上的第三方云服務(wù)商提供的數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)棚室內(nèi)終端節(jié)點(diǎn)與云端平臺(tái)間的數(shù)據(jù)傳輸。云端平臺(tái)啟動(dòng)時(shí)，完成與MQTT服務(wù)器的連接，并訂閱全部節(jié)點(diǎn)設(shè)備，訂閱成功后可與已成功部署的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)基于NB-IoT的遠(yuǎn)程透明數(shù)據(jù)傳輸。MQTT協(xié)議的消息報(bào)文由固定頭部、可變頭部以及有效載荷組成。實(shí)施中在收到每一個(gè)有效MQTT報(bào)文后，根據(jù)存儲(chǔ)于可變頭部中的節(jié)點(diǎn)ID對(duì)承載于有效載荷中的節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立處理(校驗(yàn)、解析等)。需要注意的是，在有效載荷中承載的節(jié)點(diǎn)感知信息和控制信息格式與藍(lán)牙數(shù)據(jù)容器中承載的相應(yīng)信息格式保持一致。

　　圖6終端節(jié)點(diǎn)對(duì)接云端平臺(tái)流程圖

　　4.2云端數(shù)據(jù)管理

　　云端平臺(tái)的數(shù)據(jù)管理功能面向管理員用戶信息、終端節(jié)點(diǎn)信息、節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境信息、節(jié)點(diǎn)設(shè)備操作信息以及告警信息提供存儲(chǔ)管理工作，并為云端平臺(tái)其他功能提供數(shù)據(jù)支持。節(jié)點(diǎn)所采集的環(huán)境信息和設(shè)備操作信息根據(jù)節(jié)點(diǎn)ID進(jìn)行分表存儲(chǔ)。在本系統(tǒng)中使用MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行分表存儲(chǔ)管理，基于SpringDataJPA框架完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)與操作。

　　4.3云端網(wǎng)頁(yè)管理

　　云端平臺(tái)的設(shè)計(jì)基于Browser/Server(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)，采用網(wǎng)頁(yè)作為管理系統(tǒng)的應(yīng)用層軟件。由于平臺(tái)架設(shè)在云端，只要有可靠的互聯(lián)網(wǎng)接入手段，棚室集總管理者即可通過(guò)電腦或智能手機(jī)等設(shè)備遠(yuǎn)程訪問(wèn)云端平臺(tái)。管理者可通過(guò)云端平臺(tái)提供的網(wǎng)頁(yè)完成用戶管理、節(jié)點(diǎn)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、設(shè)備控制、告警管理與歷史數(shù)據(jù)查詢等操作。

　　用戶管理功能為使用云端平臺(tái)的棚室管理員用戶提供賬號(hào)注冊(cè)、登錄以及資料修改等用戶管理操作。節(jié)點(diǎn)管理功能面向終端節(jié)點(diǎn)完成遠(yuǎn)程管理，通過(guò)其進(jìn)行對(duì)棚室內(nèi)終端節(jié)點(diǎn)的增刪、屬性設(shè)置等遠(yuǎn)程管理操作。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能通過(guò)實(shí)時(shí)繪制環(huán)境信息折線圖展示終端節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各棚室環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。設(shè)備控制功能面向與終端節(jié)點(diǎn)相連接的棚室設(shè)備，管理員通過(guò)其向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令，完成對(duì)設(shè)備的控制操作。告警管理功能實(shí)時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)終端節(jié)點(diǎn)回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷數(shù)據(jù)包中各環(huán)境變量/設(shè)備參數(shù)是否正常，若存在異常則將終端節(jié)點(diǎn)ID、上報(bào)時(shí)間、異常變量及告警原因記錄并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中的警報(bào)信息表中，在用戶UI發(fā)出告警提示。歷史查詢功能提供對(duì)云端數(shù)據(jù)庫(kù)中已存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的查詢。

　　5、系統(tǒng)測(cè)試

　　在位于上海市松江區(qū)的某組棚室內(nèi)模擬蔬菜種植環(huán)境，部署終端節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)ID為0x00～0x0D。設(shè)定終端節(jié)點(diǎn)的采集周期為5min。云端平臺(tái)部署于阿里云服務(wù)器，服務(wù)器系統(tǒng)為Window2012R2版本，配置為單核1GB內(nèi)存以及40GB的SSD云盤。APP測(cè)試機(jī)型Android版本為9.0，藍(lán)牙版本為BT4.2及BT5.0,CPU為驍龍660,HiSiliconKirin970,HiSiliconKirin980。系統(tǒng)測(cè)試時(shí)長(zhǎng)覆蓋番茄發(fā)芽期全程(約14天)。節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)所得的棚室環(huán)境數(shù)據(jù)如圖7所示。

　　圖7棚室歷史環(huán)境記錄

　　測(cè)試中首先對(duì)終端節(jié)點(diǎn)蔬菜棚室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，通過(guò)將節(jié)點(diǎn)采集到的蔬菜種植參數(shù)與人工采集的種植參數(shù)進(jìn)行比較，二者具有較高的一致性。此外在測(cè)試中，未發(fā)現(xiàn)因終端節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)讀取異常以及數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤帶來(lái)的異常監(jiān)測(cè)記錄。結(jié)果表明通過(guò)節(jié)點(diǎn)可以有效對(duì)棚室蔬菜種植過(guò)程參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。使用中還驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制的有效性。測(cè)試中將節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制端口與外部設(shè)備連接，并進(jìn)行了云端遠(yuǎn)程控制及現(xiàn)場(chǎng)手機(jī)端控制測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，終端節(jié)點(diǎn)可以有效地受云端或智能手機(jī)控制，為外部設(shè)備提供可靠的邏輯控制信號(hào)。在測(cè)試中，各終端節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期工作穩(wěn)定未發(fā)生故障。終端節(jié)點(diǎn)未受到邏輯控制輸出接口所連接棚室機(jī)電設(shè)備的電氣干擾。上述測(cè)試結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)可長(zhǎng)期有效地部署于棚室內(nèi)部，支撐管理者進(jìn)行遠(yuǎn)程或現(xiàn)場(chǎng)的精準(zhǔn)管理。

　　終端節(jié)點(diǎn)在部署后，絕大多數(shù)情況下可以在5s內(nèi)完成NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)接入，實(shí)現(xiàn)云端平臺(tái)與終端節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包上傳與控制命令的接收均無(wú)異常。在網(wǎng)絡(luò)狀況良好時(shí)，云端平臺(tái)網(wǎng)頁(yè)端功能使用正常，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多棚室的集中式環(huán)境監(jiān)測(cè)與設(shè)備控制。測(cè)試期間，阿里云服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)良好，云端平臺(tái)數(shù)據(jù)管理功能正常。在數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)超過(guò)10萬(wàn)條記錄時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)依舊保持性能良好，查詢速度未有明顯下降。在無(wú)明顯遮擋的情況下，手機(jī)端APP可以在3s內(nèi)完成與終端節(jié)點(diǎn)的連接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包與控制命令的可靠傳輸。APP在不同測(cè)試手機(jī)中功能使用正常，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊棚室的現(xiàn)場(chǎng)管理。測(cè)試時(shí)，未出現(xiàn)閃退等異常現(xiàn)象，APP數(shù)據(jù)存儲(chǔ)正常。

　　為評(píng)價(jià)遠(yuǎn)程及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸效果，以系統(tǒng)中以終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率ρ作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，ρ計(jì)算公式為：

　　公式1

　　式中：ps是傳輸過(guò)程中丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量;pr是終端節(jié)點(diǎn)向云端平臺(tái)或手機(jī)APP端發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量。在測(cè)試過(guò)程中，因?yàn)楦鞴?jié)點(diǎn)工作狀態(tài)不同，所以各節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)包數(shù)量有所差異。測(cè)試中，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)最少上傳4000個(gè)數(shù)據(jù)包，平均上傳4032個(gè)數(shù)據(jù)包，傳輸過(guò)程中平均每個(gè)節(jié)點(diǎn)丟失4個(gè)數(shù)據(jù)包，平均丟包率0.0992%。每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)藍(lán)牙最少發(fā)送1000個(gè)數(shù)據(jù)包，平均發(fā)送1015個(gè)數(shù)據(jù)包，傳輸過(guò)程中平均每個(gè)節(jié)點(diǎn)丟失3個(gè)數(shù)據(jù)包，平均丟包率為0.2955%，滿足了棚室管理系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸高穩(wěn)定性的要求。

　　針對(duì)系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理者與現(xiàn)場(chǎng)管理者的回訪調(diào)查顯示，云端平臺(tái)的管理網(wǎng)頁(yè)與手機(jī)APP界面布局簡(jiǎn)潔，功能豐富。管理網(wǎng)頁(yè)在電腦與手機(jī)平臺(tái)各瀏覽器中支持良好，手機(jī)APP在主流機(jī)型中正常運(yùn)行。網(wǎng)頁(yè)與APP的操作簡(jiǎn)捷，用戶無(wú)需長(zhǎng)時(shí)間使用培訓(xùn)后即可正常操作，并擁有較好的用戶體驗(yàn)。

　　6、結(jié)論

　　為同時(shí)滿足智慧蔬菜棚室種植中集總式遠(yuǎn)程管理與分布式現(xiàn)場(chǎng)管理的需求，設(shè)計(jì)基于NB-IoT與智能手機(jī)的蔬菜棚室智慧管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)由棚室現(xiàn)場(chǎng)終端節(jié)點(diǎn)、適配NB-IoT的云端平臺(tái)和基于Android的現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)APP組成。通過(guò)本系統(tǒng)可以有效對(duì)蔬菜棚室種植參數(shù)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)棚室農(nóng)業(yè)機(jī)電設(shè)備的控制。利用NB-IoT數(shù)據(jù)通道可以實(shí)現(xiàn)從棚室到云端的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)服務(wù)于遠(yuǎn)程管理者的云端集總式蔬菜棚室管理。在現(xiàn)場(chǎng)管理中，作業(yè)者可以使用安裝APP的智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)局域環(huán)境內(nèi)的分布式管理功能操作。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可以有效支持智慧農(nóng)業(yè)棚室管理的需求。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[3]龔尚福,潘虹.智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2017,40(19):119-122.

　　[8]楊衛(wèi)中,王雅淳,姚瑤,等.基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2019,50(z1):243-247.

　　[9]宦娟,吳帆,曹偉建,等.基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的養(yǎng)殖塘水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2019,35(8):252-261.

　　[16]潘小紅,楊志勇.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚種植園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2019,42(14):127-130.