摘要：互联网、信息技术、自动化等推动人工智能的发展，智慧农业已经跨入从理论到实践阶段。我国经济经过近年来的高速增长，通过新政策、新理念、新技术来支持发展现代农业也在不断推进落实。基于NB-IOT网路的智能化农田喷灌是一项系统工程，其涉及到多个专业领域，本文认为信息技术和系统设计在其中发挥关键作用，其从灌溉系统的三个层面和软硬件方面提高水资源的利用率。
关键词：NB-IOT；智能喷洒；灌溉；方案设计
习总书记曾提出：“绿水青山就是金山银山”的理念，强调保护环境和合理利用水资源的重要性。2017年，十九大报告中也指出：必须树立和践行“绿水青山就是金山银山”的理念，坚持节约资源和保护环境的基本国策。中国作为农业大国，同时也一个缺水的国家，随着工业化、城市化的进程加快，农业用水紧张已困扰一些地区的农业经济发展，需要各界从技术层面思考节水灌溉的策略。当前互联网和信息技术发达的时代，提供了优化改进农业灌溉的条件。本文针对传统灌溉问题进行创新研究，希望能提高农业灌溉水的利用率，促进智慧农业发展。
1.农田灌溉存在的问题
我国农业自古以来采用的灌溉方式主要是漫灌、浇灌等，其浪费大量的水资源，这是未来农业发展中首当其冲要解决的一个问题。灌溉工程节水技术是节水农业技术体系的核心内容，是一种节水效果显著的技术措施，其包低压管道灌溉技术、喷灌技术、微灌技术、滴管技术等[1]。喷灌技术是指喷洒水灌溉，是利用水泵、动力机、管道等设备将水送到需灌溉的农田，然后通过喷头以细小的水滴在所及范围内进行喷洒，这一灌溉技术在许多国家的农业中应用较为广泛。然而喷灌技术的节水效果比不上滴灌技术，介于滴灌的投资成本高而无法大面积应用，本文仅针对喷灌的不足提出改进措施。传统农业的喷灌有三方面的不足：
一是，喷灌系统方面的问题。众所周知，当前喷灌主要有固定式、半固定式和移动式三种系统，它们在设备上有差异。固定式的管道和喷头等是固定不变的，其覆盖范围有限；半固定式装有喷头支管在地面移动，其仍然无法做到均匀灌溉；移动式的动力机、水泵、管道和喷头都可以移动，但其因缺少智能软件系统的支持，也有持续改进的必要性。
二是，灌溉喷头的问题。虽然半移动式和移动式一定程度上提高了灌溉效率和效果，但依然是以等量灌溉为主。由于不同农作物对土壤湿度的要求不同，如农田环境要素的空气温湿度、光照强度、二氧化碳浓度、土壤温湿度、土壤PH值等，对农作物的品质和产量有影响[2]，使用传统的灌溉喷头进行定时定量地喷洒，通常很难达到理想的农田环境，最终影响农业生产的经济效益。
三是，水压方面的问题。传统喷灌系统的水压不受软件控制，在高强度水压的情况下，违背了节水的初衷。而在低水压的情况下，各水龙头水量分配不均，近处的农作物过度灌溉，远处的农作物灌溉量较小。
基于农田灌溉存在的问题，如何有效、及时掌握农田环境的多样化信息，进行科学的分析与预测，从而有针对性地采取灌溉措施，是实现对农作物生长环境的智能控制[3]，有助于实现农业智能化、现代化。
2.NB-IOT简述
近年来，随着智慧城市的兴起，信息时代的先进技术，如物联网、大数据、云计算、人工智能等进入广泛应用阶段。LPWA是专为地宽带、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的广域网络[4]，可解决物联网末端的1KM的通信问题。LPWA的两个应用领域：一是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术；另一是工作于授权频谱下的3GPP支持的2G、3G、4G蜂窝通信技术，如NB-IOT、EC-GSM等。其中NB-IOT技术指标的如表1所示。
表1：NB-IOT指标的主要组成
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NB-IOT是LPWA技术的一种，其具有海量设备接入、低速率小数分组、模组超低成本、超低功耗、覆盖广、时延不敏感、大部分终端处于静止或低速移动等业务特性。NB-IOT使用li-cense频段，可采取带内、保护带或独立载波等部署方式，与现有网络可实现共享。
因此，NB-IOT在智能领域很具有应用性，探索基于NB-IOT网络的智能喷洒方案，符合农田灌溉的科学原理，有可行性和实用性。2015年，有研究者利用视频监控、物联网传感器和网络通信等技术，开发出基于Android平台的智慧农田远程监控系统，实现了粮食作物远程监测与智能诊断管理[5]，该系统实现信息的实时采集，保证大田粮食作物最适宜的生长环境，对农田环境监测有参考意义。
3.系统总体方案设计
3.1 系统的结构设计
灌溉系统按照感知层、传输层和应用层来进行设计，通过具体功能构建来实现智能化的功能发挥。
（1）感知层。对农田环境的相关数据进行采集，是信息的来源层，位于灌溉喷洒方案设计的最底层。这一类层次的设计要利用到不同功能的传感器和NB-IOT模块，其中传感器是用来采集农田环境的相关数据，如空气温湿度、土壤温湿度、区域光照强度等（如图1）。
（2）网络层。是由NB-IOT与互联网组成的。利用RS485总线把相关能反映农田环境的数据传给NB-IOT网络，农田灌溉管理者可通过电脑或移动工具获知农田数据。然后通过物联网平台解码处理后，将相关数据上传、存储到物联网云平台进行分析处理。
（3）功能层。是由用户终端和后台服务器组成的，处于中心管理系统。利用服务器与物联网的信息分析与传输，获取节点数据，然后为智能喷洒方案设计提供数据信息。最后通过NB-IOT与互联网修改能改善农田环境的相关参数，利用自动化设备进行远程控制，实现智能控制，节约时间成本和劳动力成本。
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图1：系统的结构设计的总体思路
3.2 系统的主要功能
（1）获取农田环境信息。包括全面的和区域的空气温湿度、土壤温湿度、土壤PH值、二氧化碳浓度、光照强度和灌溉情况等。
（2）通过查询、分析系统辅助决策。网络与后台服务器将农田环境的相关数据上传、处理后，管理者可依据信息进行决策，如控制水压和喷洒范围等。
（3）利用相关的自动化、智能设备进行灌溉管理。农田环境发生了变化，管理者针对性修改参数，不必去农田现场，提高了管理效率与效果。同时，管理者也可以根据相关要素设置预警信息，当农田某一处的喷灌有问题能及时获知。
4.系统的硬件设备
农田喷灌系统是基于物联网中间件技术系统，能有效解决异构多源性问题，使现场数据快速高效、简便的传输到应用终端[6]，其硬件设备包括三个部分。
4.1基本设备
用于农田喷灌的动力机、水泵、管道和喷头等是基础设备，为了实现智能控制，这些基础设备要是可以移动的，并且进行了自动化设计和远程控制设计，如农田灌溉区域内某一个地段缺水，可以通过调整控制参数实行自动喷灌。
4.2传感器设备
选用多功能的传感器，可降低操作的复杂性，如采取农田环境的温湿度、二氧化碳浓度等数据，可以安装一体传感器SM3390B，其是系统芯片技术的研发而引起的通用异步收发传输器（UART）和RS485通信，在系统软件的控制下实现了系统与外部设备的串行通信[7]，其采用总线供电，具有电压和电流低等优点。
4.3 NB-IOT模块
关于智能控制的模块设计，一般采用USR-NB700通信模块，其是2017年的推入市场的有人物联网的M2M产品。从功能上来看，支持移动、联通、电信三大运营商的NB-IOT网络连接，其中RS485适用，并且BS232也适用，两路UDP也获得支持。其优点在于：一是，实现串口到网络的双向数据传输；二是支持多种传输模式，如UDC、CoAP、网络透传。以网络透传模式应用较为普遍，其是连接传感器和后台的中枢，可实现NB-IOT模块与管理后台的信息交换。
5.系统的软件设计
5.1 通讯方案设计
应用NB-IOT组建GSM、UMTS或LTE网络，选择USR-NB700实现农田环境相关数据的网络传输和数据交换[8]，运用物联网发送“AT+密码”设置和查询农田的参数。为了保障连接的有效性，管理者可以选择USR-NB700向后台发送心跳包。
5.2农田智能喷洒方案设计
管理者有效、及时地了解农田环境信息是落实智能灌溉的前提，因此，各类传感器要准确检测、收集和存储数据，并且通过NB-IOT网络、互联网传输给后台。为了实现智能灌溉，围绕着农田环境数据监测，主要建设四大模块（如图2）。
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首先，由于NB-IOT网络支持UDP协议，要配置Nginx以实现UDP的反向代理，农田管理者可通过Web服务器服务MySQL数据库，得到关于农田环境的关键信息。其次，对数据库的农田环境参数、告警信息等，通过管理系统的功能建立相关数据表格，如空气温湿度、土壤温湿度、光照强度等，这些表格给决策者提供参考。若安装灌溉管理软件、手机APP等，通过设置管理参数，更能提升农田喷灌的智能化水平。例如，基于GPRS和GSM，以STC12C5A60S2单片机为现场终端的核心处理器，通过GPRS DTU无线通信模块完成现场终端与远程服务器间的通讯，利用GSM短消息方式可实现用户手机与远程服务器之间的信息交互，减少现场终端的任务处理量，加快了系统的实时性[9]。
总结
本文结合现代网络、信息技术和国家农业政策的背景，分析NB-IOT应用在农业灌溉管理三个层次上的优点，即感知层、网络层和功能层，基于NB-IOT网络设计出农田喷灌智能化方案，其重点是农田环境数据监测、网络和管理三个平台，包含智慧化的信息采集、数据传输与分析、管理决策，是物联网和软件技术发展催生的新领域，是未来智慧农业发展的新方向。
参考文献：
[1]熊国良.农田节水灌溉存在的问题与措施[J].农民致富之友，2015（07）：268
[2]王能辉，胡国强.基于NB-IoT的农田远程监测系统的设计[J].陕西农业科学，2017（12）：82-85
[3]黄平.智慧城市的应用[J].信息通信，2014（09）：230-231
[4]孙科.使用NB-IOT物联网技术建设智慧小区[J].中国新通信，2017（09）：95-96
[5]臧贺藏，张杰，王来刚，胡峰，李国强，杨春英.基于物联网技术的粮食作物生长远程监控与诊断平台研究[J].中国农机化学报，2015（04）：185-188
[6]邱林，覃江峰.基于物联网中间件技术的广西农田远程智能灌溉系统设计[J].农业与技术，2015（02）：49-50
[7]杨雪梅，黄海生，李鑫，杨毅.基于AMBA总线的SOC中UART电路的设计与实现[J].信息技术，2019（06）：149-152
[8]周岩，胡钢.基于NB-IOT的泵站农业用水智能化计量系统设计[C].2019年第七届中国水利信息化技术论坛，2019.04.25
[9]于婷婷，朱龙图，李名伟，陈怡兵，黄东岩.基于GPRS和GSM的水稻智能灌溉系统[J].农业现代化研究，2016（05）：988-994
项目名称：基于NB-IOT网络的智能喷洒方案设计（编号：201910378300）
论文作者:孙子旭,程实,范明琪,闫晶
论文发表刊物:《基层建设》2019年第29期
论文发表时间:2020/2/25
标签：农田论文; 系统论文; 环境论文; 技术论文; 网络论文; 温湿度论文; 数据论文; 《基层建设》2019年第29期论文;