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摘要 针对大田农业面积广、监测点多、监测设备布线和供电困难的现状，结合物联网技术的优势，设计一种基于物联网的大田农业监测系统。感知层选用各类无线传感器采集环境数据；传输层的物联网网关的通信利用433 MHz无线波段和GPRS网络；融合层对原始数据进行解析、过滤、存储等处理；应用层的数据管理平台实现数据实时展示和可视化，对外接口实现数据共享。实验结果表明，该系统能很好地适应大田实际环境，并对大田环境进行有效监测，有效降低了人工成本和管理难度，具有良好的实用性。
关键词 物联网；大田；农业；监测；系统
中图分类号 S126 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）21-0197-03
Abstract In view of the fact that the area in the field is too wide，the monitoring points are too many，wiring and power supply of equipments are difficult，considering the advantages of the Internet of Things technology，this paper designs an agricultural monitoring system in filed based on Internet of Things.First，the perception uses various types of wireless sensors to collect environmental data.Then the gateway in transport layer uses 433MHz wireless band and GPRS network.Next the convergence layer analyzes and filters and stores original data.Finally in the application layer，data management platform achieves display of realtime data and visualization，and the external interface achieves data sharing.The experimental results show that，the system can adapt to the field environment well，and monitor the field environment effectively，greatly reducing labor costs and management difficulties，so it has good practicality.
Key words Internet of things；Field；Agriculture；Monitor；System
我國是农业大国，用占世界7%的耕地养活了22%的人口[1]。将先进的科学技术应用于传统农业，可保质增产，降低生产成本。
物联网（internet of things，IoT）指一个由信息传感设备和互联网结合而成的用于实现万物互联的巨大网络[2]。随着研究的深入，物联网被逐渐应用于各个领域，包括智能电网、智能交通、智能物流、智能医疗、智能家居等[3]。可见，物联网在农业领域也会有广阔的发展前景，国内外已有相关尝试[4]。我国存在很多的大田环境，典型的代表有北大荒、大型国有农场等。相比于普通农田、大棚，物联网技术运用在大田环境中会遇到更多的困难，主要体现在以下方面：①大田环境范围大、面积广，农作物种植面积动辄数千亩，需要监测的点众多，人工监测工作量巨大。
②鉴于大田环境面积广的特点，传统的可用于大棚环境下的有线设备将不再适用，因为布线的成本和维护难度很高，且布线过长导致的严重电压下降和信号损失也会影响设备的性能和寿命，因此，只能采用无线设备。但即便是无线设备，要保证几百米的无线传输距离也极具挑战性。③大田环境地势平坦，周围很少有屏障，因此监测设备经常要经历狂风暴雨等恶劣天气，这对设备的稳定性、可靠性提出了很高的要求。④除此之外，设备的野外长期供电，如何避免大型农业机械作业时带来误伤，都是需要考虑的问题。
针对上述问题，笔者根据大田环境下的实际应用需求，设计了一套基于物联网的大田农业监测系统，并在安徽省蚌埠市怀远县的龙亢农场开展了试点工作。
1 系统总体架构
监测系统的结构如图1所示，
根据需求，基于物联网的大田农业监测系统可分为如下4层：①感知层，其主要功能是利用各类传感器采集自然环境中的数据，如土壤内部温度、土壤内部湿度、地表温度、土壤中铅离子浓度、土壤中镉离子浓度等。②传输层，其是物联网中非常重要的一环，起着承上启下的作用，传输层的核心组件是物联网网关，它负责将感知层的数据传输至融合层。③融合层，其是针对数据的处理层，该层的硬件设备是网络服务器，主要工作都是由软件来完成。④应用层，其是顶层，下面3层都是为应用层服务的，应用层包含数据管理平台和对外接口两部分。数据管理平台实现数据可视化和各项配置，对外接口则实现数据共享。
2 系统详细设计
2.1 硬件及通信设计
系统硬件主要包括土壤温湿度传感器、红外温度传感器、重金属离子传感器、物联网网关四类。
土壤温湿度传感器的功能是采集土壤内部的温度和湿度数据。考虑到防水和信号传输，该传感器外形采用“三段式”设计（图2）。安装时从下到上分别是探头、盒体和天线。探头部分埋在土壤里，其采集到的信息通过屏蔽线传送到盒体；盒体密闭防水，内置的是电路板、锂电池等电子器件；盒体中的主板程序计算出土壤温度和湿度数据后，经由导线通过外置的天线发射出去。屏蔽线和导线的长度可根据实际需要增减。红外温度传感器的功能是感知土壤表面的温度，外形同样采用“三段式”设计，区别是底端由土壤探头改为红外探头。 重金属离子传感器的功能是测量土壤中铅离子（Pb）和镉离子（Cd）的浓度。由于重金属离子浓度是不定时抽检，即重金属离子传感器不需要固定部署在田间，因此将该设备设计成便携式。在前述的“三段式”基础上，盒体上外加了一个LED显示屏，便于监测者现场查看。物联网网关是物联网网络的关键节点，其外观仍是“三段式”，接收天线+盒体+发射天线。接收天线接收各传感器发送来的数据，交由主板程序做封装处理，然后通过发射天线发出（接收方是融合层的服务器）。
根据需求，传感器到物联网网关之间的最远直线距离约有500 m，故传感器和物联网网关之间的通讯采用433 MHz无线波段。433 MHz技术使用433 MHz无线频段，该波段在我国免申请可直接使用。相比于WiFi和Zigbee，433 MHz虽然传输速率较慢但已经满足该系统需求。其显著优势是无线信号的穿透性强、能够传播得更远。
物联网网关向融合层服务器发送数据使用的是GPRS网络。物联网网关常用的传输方式还有WiFi、有线宽带等[5]，但在该系统都不适用。
所有设备均采用超低功耗的MSP430芯片和6 000 mAh的锂电池。经过实验室测试，锂电池能给物联网网关供电10 d左右（这是由于GPRS发射模块功率比较大），因此物联网网关需要外接太阳能板供电；锂电池可给各类传感器供电约180 d，因此传感器无需太阳能板供电，在主板上预留USB充电接口，定期使用移动电源充电即可。
2.2 设备部署及防护设计
由于野外自然环境恶劣，所以在大田环境部署设备时，侧重考虑的是抗风、防水、防盗、防误伤这4个要素。
现场勘查龙亢农场发现，为了交通和灌溉方便，东西方向每隔100 m都有1条约2.0 m宽的水泥路和约1.5 m宽的水渠。通过空心立柱将传感器的主体部分布置在水泥路的水渠一侧（图3），既能防风又能防误伤。
以部署土壤温湿度传感器为例，空心立柱以水泥桩+螺丝固定，柱高2.5 m，2.0 m高处固定有带锁的防水箱，用于放置传感器的盒体。防水箱和空心立柱之间开孔，天线的导线穿过孔洞和立柱到达柱顶。水泥路下埋塑料管道，探头的屏蔽线经由孔洞、立柱和塑料管道到達大田。
空心立柱坚固牢靠，能抵抗多级大风；传感器盒体放置在带锁防水箱内，能有效防水、防盗；空心立柱距离大田至少有1.5 m远，可确保大型农机在田间作业时不会误伤。
红外温度传感器和物联网网关的部署同上述方法类似。物联网网关没有探头，可省去塑料管道；另外，物联网网关需要太阳能供电，需要在空心立柱顶端另外安装1个太阳能板。
2.3 服务器IO通信设计
服务器位于融合层，承担了接收并处理物联网网关上传数据的任务。在小范围试点时，监测系统只有1个物联网网关和数十个传感器，服务器处理能力足够。但是，系统实际投入使用时，将会有多个物联网网关和大量的传感器，服务器将会面临巨大的IO压力。
在多个客户端同时发送数据的情况下，单线程已经不能满足需求。服务端程序的设计必须要考虑到并发，使用多线程。
用传统的Socket IO实现多线程时，需要为每个连接创建一个线程[6]（图4）。这种阻塞式的方式，当并发的连接数量增大时，线程所占用的栈内存和CPU线程切换的开销将非常巨大，会出现网络拥塞、数据丢失甚至服务器死机的严重后果。
非阻塞通信方式NIO（nonblock IO）可以很好地解决上述问题。如图5所示，NIO的一个明显好处是不需要为每个Socket分配一个线程，而是设置一个线程池，根据需求量在线程池中开启若干个线程处理客户端请求。
该方式首先会根据需要创建通道（socket channel）和选择器（selector），并将通道注册到选择器上，每个通道会被分配唯一的Selection Key。有新的IO事件到来时，也会先到选择器注册，选择器同样会给IO事件分配key。开始处理IO事件时，选择器会给该IO事件分配通道和相应的线程，通道里的缓冲区（buffer）用于数据的读写，而具体处理的细节则交由线程来完成。
NIO方式有效地承载了大量的连接请求，而且使服务器压力在可控范围，提高处理效率的同时兼顾了可靠性。
2.4 系统测试
测试实验在安徽省蚌埠市怀远县的龙亢农场进行，怀远县的地理坐标为116°45′～117°09′E、32°43′～33°19′N，属暖温带半湿润季风农业气候区[7]。实验范围1 000 m×1 000 m，均匀布置了16个土壤温湿度传感器、4个红外温度传感器、1个重金属离子传感器和1个物联网网关（图6）。
数据管理平台提供实时状态展示、数据简单统计、数据查询下载、采样点配置等功能，图7展示的是实时监测到的数据。
3 结论
该研究提出了一种基于物联网的大田农业监测系统，重点解决了大田农业面积广、监测点多、监测设备布线和供电困难的问题，并在怀远县的龙亢农场开展了试点工作。实验结果表明，该系统性能稳定、可靠性好，具有良好的实用性。
随着5G时代的到来以及NB-IoT（narrow band internet of things，基于蜂窝的窄带物联网）技术的推广使用[8]，该系统的传输层将可做出重大改进，届时监测系统的成本和电池功耗将会大幅降低，同时系统的稳定性也会进一步提升。
参考文献
[1]刘曰峰.非洲对华农产品贸易现状及区域分异研究[D].青岛：中国海洋大学，2012.
[2] 王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报，2009，23（12）：1-7.
[3] 李甲，吴一戎.基于物联网的数字社区构建方案[J].计算机工程，2011，37（13）：262-264.
[4] 李雪刚，黄梦醒，朱东海.基于物联网技术的远程农田监控系统设计[J].计算机工程，2012，38（17）：20-23.
[5] 王世玲.农业物联网中若干关键技术的研究[D].合肥：合肥工业大学，2015.
[6] 徐向东，周国祥，石雷.基于TCP/IP和Winsock文件上传的应用研究[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2008，31（11）：1790-1793.
[7] 殷祥.怀远县耕地地力评价与耕地可持续利用研究[D].合肥：安徽农业大学，2012.
[8] 杨姗，陈鹏，韩斌.NB-IoT：核心标准完成在即，商用还远吗？[J].通信世界，2016（14）：35-36.
关键词 物联网；大田；农业；监测；系统
中图分类号 S126 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）21-0197-03
Abstract In view of the fact that the area in the field is too wide，the monitoring points are too many，wiring and power supply of equipments are difficult，considering the advantages of the Internet of Things technology，this paper designs an agricultural monitoring system in filed based on Internet of Things.First，the perception uses various types of wireless sensors to collect environmental data.Then the gateway in transport layer uses 433MHz wireless band and GPRS network.Next the convergence layer analyzes and filters and stores original data.Finally in the application layer，data management platform achieves display of realtime data and visualization，and the external interface achieves data sharing.The experimental results show that，the system can adapt to the field environment well，and monitor the field environment effectively，greatly reducing labor costs and management difficulties，so it has good practicality.
Key words Internet of things；Field；Agriculture；Monitor；System
我國是农业大国，用占世界7%的耕地养活了22%的人口[1]。将先进的科学技术应用于传统农业，可保质增产，降低生产成本。
物联网（internet of things，IoT）指一个由信息传感设备和互联网结合而成的用于实现万物互联的巨大网络[2]。随着研究的深入，物联网被逐渐应用于各个领域，包括智能电网、智能交通、智能物流、智能医疗、智能家居等[3]。可见，物联网在农业领域也会有广阔的发展前景，国内外已有相关尝试[4]。我国存在很多的大田环境，典型的代表有北大荒、大型国有农场等。相比于普通农田、大棚，物联网技术运用在大田环境中会遇到更多的困难，主要体现在以下方面：①大田环境范围大、面积广，农作物种植面积动辄数千亩，需要监测的点众多，人工监测工作量巨大。
②鉴于大田环境面积广的特点，传统的可用于大棚环境下的有线设备将不再适用，因为布线的成本和维护难度很高，且布线过长导致的严重电压下降和信号损失也会影响设备的性能和寿命，因此，只能采用无线设备。但即便是无线设备，要保证几百米的无线传输距离也极具挑战性。③大田环境地势平坦，周围很少有屏障，因此监测设备经常要经历狂风暴雨等恶劣天气，这对设备的稳定性、可靠性提出了很高的要求。④除此之外，设备的野外长期供电，如何避免大型农业机械作业时带来误伤，都是需要考虑的问题。
针对上述问题，笔者根据大田环境下的实际应用需求，设计了一套基于物联网的大田农业监测系统，并在安徽省蚌埠市怀远县的龙亢农场开展了试点工作。
1 系统总体架构
监测系统的结构如图1所示，
根据需求，基于物联网的大田农业监测系统可分为如下4层：①感知层，其主要功能是利用各类传感器采集自然环境中的数据，如土壤内部温度、土壤内部湿度、地表温度、土壤中铅离子浓度、土壤中镉离子浓度等。②传输层，其是物联网中非常重要的一环，起着承上启下的作用，传输层的核心组件是物联网网关，它负责将感知层的数据传输至融合层。③融合层，其是针对数据的处理层，该层的硬件设备是网络服务器，主要工作都是由软件来完成。④应用层，其是顶层，下面3层都是为应用层服务的，应用层包含数据管理平台和对外接口两部分。数据管理平台实现数据可视化和各项配置，对外接口则实现数据共享。
2 系统详细设计
2.1 硬件及通信设计
系统硬件主要包括土壤温湿度传感器、红外温度传感器、重金属离子传感器、物联网网关四类。
土壤温湿度传感器的功能是采集土壤内部的温度和湿度数据。考虑到防水和信号传输，该传感器外形采用“三段式”设计（图2）。安装时从下到上分别是探头、盒体和天线。探头部分埋在土壤里，其采集到的信息通过屏蔽线传送到盒体；盒体密闭防水，内置的是电路板、锂电池等电子器件；盒体中的主板程序计算出土壤温度和湿度数据后，经由导线通过外置的天线发射出去。屏蔽线和导线的长度可根据实际需要增减。红外温度传感器的功能是感知土壤表面的温度，外形同样采用“三段式”设计，区别是底端由土壤探头改为红外探头。 重金属离子传感器的功能是测量土壤中铅离子（Pb）和镉离子（Cd）的浓度。由于重金属离子浓度是不定时抽检，即重金属离子传感器不需要固定部署在田间，因此将该设备设计成便携式。在前述的“三段式”基础上，盒体上外加了一个LED显示屏，便于监测者现场查看。物联网网关是物联网网络的关键节点，其外观仍是“三段式”，接收天线+盒体+发射天线。接收天线接收各传感器发送来的数据，交由主板程序做封装处理，然后通过发射天线发出（接收方是融合层的服务器）。
根据需求，传感器到物联网网关之间的最远直线距离约有500 m，故传感器和物联网网关之间的通讯采用433 MHz无线波段。433 MHz技术使用433 MHz无线频段，该波段在我国免申请可直接使用。相比于WiFi和Zigbee，433 MHz虽然传输速率较慢但已经满足该系统需求。其显著优势是无线信号的穿透性强、能够传播得更远。
物联网网关向融合层服务器发送数据使用的是GPRS网络。物联网网关常用的传输方式还有WiFi、有线宽带等[5]，但在该系统都不适用。
所有设备均采用超低功耗的MSP430芯片和6 000 mAh的锂电池。经过实验室测试，锂电池能给物联网网关供电10 d左右（这是由于GPRS发射模块功率比较大），因此物联网网关需要外接太阳能板供电；锂电池可给各类传感器供电约180 d，因此传感器无需太阳能板供电，在主板上预留USB充电接口，定期使用移动电源充电即可。
2.2 设备部署及防护设计
由于野外自然环境恶劣，所以在大田环境部署设备时，侧重考虑的是抗风、防水、防盗、防误伤这4个要素。
现场勘查龙亢农场发现，为了交通和灌溉方便，东西方向每隔100 m都有1条约2.0 m宽的水泥路和约1.5 m宽的水渠。通过空心立柱将传感器的主体部分布置在水泥路的水渠一侧（图3），既能防风又能防误伤。
以部署土壤温湿度传感器为例，空心立柱以水泥桩+螺丝固定，柱高2.5 m，2.0 m高处固定有带锁的防水箱，用于放置传感器的盒体。防水箱和空心立柱之间开孔，天线的导线穿过孔洞和立柱到达柱顶。水泥路下埋塑料管道，探头的屏蔽线经由孔洞、立柱和塑料管道到達大田。
空心立柱坚固牢靠，能抵抗多级大风；传感器盒体放置在带锁防水箱内，能有效防水、防盗；空心立柱距离大田至少有1.5 m远，可确保大型农机在田间作业时不会误伤。
红外温度传感器和物联网网关的部署同上述方法类似。物联网网关没有探头，可省去塑料管道；另外，物联网网关需要太阳能供电，需要在空心立柱顶端另外安装1个太阳能板。
2.3 服务器IO通信设计
服务器位于融合层，承担了接收并处理物联网网关上传数据的任务。在小范围试点时，监测系统只有1个物联网网关和数十个传感器，服务器处理能力足够。但是，系统实际投入使用时，将会有多个物联网网关和大量的传感器，服务器将会面临巨大的IO压力。
在多个客户端同时发送数据的情况下，单线程已经不能满足需求。服务端程序的设计必须要考虑到并发，使用多线程。
用传统的Socket IO实现多线程时，需要为每个连接创建一个线程[6]（图4）。这种阻塞式的方式，当并发的连接数量增大时，线程所占用的栈内存和CPU线程切换的开销将非常巨大，会出现网络拥塞、数据丢失甚至服务器死机的严重后果。
非阻塞通信方式NIO（nonblock IO）可以很好地解决上述问题。如图5所示，NIO的一个明显好处是不需要为每个Socket分配一个线程，而是设置一个线程池，根据需求量在线程池中开启若干个线程处理客户端请求。
该方式首先会根据需要创建通道（socket channel）和选择器（selector），并将通道注册到选择器上，每个通道会被分配唯一的Selection Key。有新的IO事件到来时，也会先到选择器注册，选择器同样会给IO事件分配key。开始处理IO事件时，选择器会给该IO事件分配通道和相应的线程，通道里的缓冲区（buffer）用于数据的读写，而具体处理的细节则交由线程来完成。
NIO方式有效地承载了大量的连接请求，而且使服务器压力在可控范围，提高处理效率的同时兼顾了可靠性。
2.4 系统测试
测试实验在安徽省蚌埠市怀远县的龙亢农场进行，怀远县的地理坐标为116°45′～117°09′E、32°43′～33°19′N，属暖温带半湿润季风农业气候区[7]。实验范围1 000 m×1 000 m，均匀布置了16个土壤温湿度传感器、4个红外温度传感器、1个重金属离子传感器和1个物联网网关（图6）。
数据管理平台提供实时状态展示、数据简单统计、数据查询下载、采样点配置等功能，图7展示的是实时监测到的数据。
3 结论
该研究提出了一种基于物联网的大田农业监测系统，重点解决了大田农业面积广、监测点多、监测设备布线和供电困难的问题，并在怀远县的龙亢农场开展了试点工作。实验结果表明，该系统性能稳定、可靠性好，具有良好的实用性。
随着5G时代的到来以及NB-IoT（narrow band internet of things，基于蜂窝的窄带物联网）技术的推广使用[8]，该系统的传输层将可做出重大改进，届时监测系统的成本和电池功耗将会大幅降低，同时系统的稳定性也会进一步提升。
参考文献
[1]刘曰峰.非洲对华农产品贸易现状及区域分异研究[D].青岛：中国海洋大学，2012.
[2] 王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报，2009，23（12）：1-7.
[3] 李甲，吴一戎.基于物联网的数字社区构建方案[J].计算机工程，2011，37（13）：262-264.
[4] 李雪刚，黄梦醒，朱东海.基于物联网技术的远程农田监控系统设计[J].计算机工程，2012，38（17）：20-23.
[5] 王世玲.农业物联网中若干关键技术的研究[D].合肥：合肥工业大学，2015.
[6] 徐向东，周国祥，石雷.基于TCP/IP和Winsock文件上传的应用研究[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2008，31（11）：1790-1793.
[7] 殷祥.怀远县耕地地力评价与耕地可持续利用研究[D].合肥：安徽农业大学，2012.
[8] 杨姗，陈鹏，韩斌.NB-IoT：核心标准完成在即，商用还远吗？[J].通信世界，2016（14）：35-36.