用于土壤溫度水分監(jiān)測的NB-WUSN系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

用于土壤溫度水分監(jiān)測的NB-WUSN系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)用于土壤溫度水分監(jiān)測的NB-WUSN系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：為了實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)土壤溫度和水分的快速、準(zhǔn)確監(jiān)測和管理，本文基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（NarrowbandIoT，NB-IoT）提出了一套NB-WirelessUndergroundSensorNetwork（NB-WUSN）系統(tǒng)，該系統(tǒng)由終端節(jié)點模塊、接入網(wǎng)關(guān)模塊和云端平臺模塊組成。在終端節(jié)點模塊中，采用了片上系統(tǒng)（Systemonchip，SoC）芯片和低功耗傳感器節(jié)點，并結(jié)合NB-IoT無線通信技術(shù)實現(xiàn)節(jié)點間數(shù)據(jù)的采集和通信。接入網(wǎng)關(guān)模塊包括高性能的數(shù)據(jù)聚合器和轉(zhuǎn)發(fā)器，實現(xiàn)了終端節(jié)點與云端平臺之間的通信以及對數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)預(yù)處理操作。云端平臺模塊運(yùn)用云技術(shù)，可實現(xiàn)對節(jié)點間數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析和應(yīng)用，然后通過WEB頁面向用戶展示最終的監(jiān)測結(jié)果。

關(guān)鍵詞：窄帶物聯(lián)網(wǎng)、土壤溫度水分監(jiān)測、NB-WUSN、終端節(jié)點、接入網(wǎng)關(guān)、云端平臺

一、引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，農(nóng)業(yè)對土地利用的要求越來越高，而土壤溫度和水分的監(jiān)測在農(nóng)業(yè)中尤其重要。傳統(tǒng)的土壤溫度水分監(jiān)測方法多為人工地面觀測，方式簡單但有局限性，許多因素可能會影響觀測結(jié)果的準(zhǔn)確性。而現(xiàn)代化的無線傳感器技術(shù)經(jīng)過多年的研發(fā)，可以提供更加準(zhǔn)確、實時、連續(xù)的數(shù)據(jù)，用于土壤溫度水分監(jiān)測也更加方便，因此基于無線傳感器的土壤溫度水分監(jiān)測技術(shù)成為研究熱點之一。

博大精深的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域需要可靠、高效的土壤溫度水分監(jiān)測系統(tǒng)。隨著NB-IoT技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，越來越多的人意識到，這種技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中土壤溫度水分監(jiān)測領(lǐng)域。

本文在對國內(nèi)外相關(guān)研究成果進(jìn)行綜述基礎(chǔ)上，引入了目前較為新穎的NB-IoT技術(shù)，提出了一種NB-WUSN系統(tǒng)，從硬件選型、數(shù)據(jù)采集、通信傳輸、云端存儲和數(shù)據(jù)分析等方面闡述了系統(tǒng)設(shè)計過程，并進(jìn)行試驗驗證，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以實現(xiàn)高效、可靠的土壤溫度水分監(jiān)測。

二、NB-WUSN系統(tǒng)概述

NB-WUSN系統(tǒng)是基于NB-IoT技術(shù)實現(xiàn)的無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于土壤溫度水分監(jiān)測和管理，主要由終端節(jié)點模塊、接入網(wǎng)關(guān)模塊和云端平臺模塊組成，如圖1所示。

（插入圖1）

圖1NB-WUSN系統(tǒng)框架示意圖

終端節(jié)點模塊采用低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，通過NB-IoT技術(shù)實現(xiàn)節(jié)點間的數(shù)據(jù)采集和傳輸。接入網(wǎng)關(guān)模塊包括高性能的數(shù)據(jù)聚合器和轉(zhuǎn)發(fā)器，實現(xiàn)終端節(jié)點與云端平臺之間的通信，為后續(xù)的數(shù)據(jù)存儲、處理和分析奠定基礎(chǔ)。云端平臺模塊基于云技術(shù)，可以實現(xiàn)對節(jié)點間數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析和應(yīng)用，同時支持WEB頁面向用戶展示最終的監(jiān)測結(jié)果，以實現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)管理和查詢。

三、NB-WUSN系統(tǒng)設(shè)計

3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1.1終端節(jié)點

終端節(jié)點以SoC芯片為核心，通過連接土壤溫濕度傳感器和溫度計，實現(xiàn)對土壤溫度和水分的實時采集和監(jiān)測。終端節(jié)點的硬件設(shè)計如圖2所示。

（插入圖2）

圖2終端節(jié)點硬件框圖

由圖2可知，終端節(jié)點包括板載SendixSX1276Nb-IoT無線通信模塊、磁場測量器、片上系統(tǒng)芯片、壓力傳感器和土壤濕度傳感器等組件。通過這些傳感設(shè)備，可以獲取土壤濕度、溫度等參數(shù)，并將這些參數(shù)傳輸?shù)浇尤刖W(wǎng)關(guān)模塊。

3.1.2接入網(wǎng)關(guān)

接入網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)終端節(jié)點和云端平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理。網(wǎng)關(guān)模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

（插入圖3）

圖3接入網(wǎng)關(guān)硬件框圖

此處圖3中的ZigBee模塊是輔助網(wǎng)絡(luò)，用于節(jié)點間的數(shù)據(jù)采集和通信。NB-IoT模塊依靠接入網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)與云端平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸。而ARMCortex-A8處理器通過嵌入式Linux系統(tǒng)完成功能的實現(xiàn)。通過處理器給予的API，用戶可以控制應(yīng)用程序的編制，同時也可以在處理器上安裝其他程序，便于整所常常變化的任務(wù)。

3.1.3云端平臺

云端平臺采用了阿里云平臺，注重空間申請、數(shù)據(jù)存儲和云處理的服務(wù)。因此，本系統(tǒng)把阿里云平臺作為云端數(shù)據(jù)存儲和分析的基礎(chǔ)。

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.2.1端節(jié)點軟件設(shè)計

在終端節(jié)點模塊中，軟件設(shè)計主要由以下幾個模塊組成：

（1）硬件驅(qū)動模塊：用于驅(qū)動板載的各個硬件設(shè)備，實現(xiàn)對傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集和處理。

（2）模組集成模塊：用于實現(xiàn)NB-IoT模組與主控板之間的通信傳輸。

（3）數(shù)據(jù)傳輸模塊：通過數(shù)據(jù)傳輸模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的組織和傳輸。

3.2.2中央節(jié)點軟件設(shè)計

中央節(jié)點軟件設(shè)計主要分為以下兩個模塊：

（1）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊：負(fù)責(zé)接收終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

（2）數(shù)據(jù)處理模塊：實現(xiàn)存儲，查詢和分析等功能。

3.2.3云端平臺軟件設(shè)計

云端平臺軟件設(shè)計主要由以下兩個部分組成：

（1）數(shù)據(jù)存儲和管理模塊：使用阿里云提供的對象存儲服務(wù)，實現(xiàn)對節(jié)點數(shù)據(jù)的存儲和管理。

（2）數(shù)據(jù)分析和展示模塊：通過調(diào)用阿里云平臺的消息隊列和人工智能服務(wù)等功能，實現(xiàn)對節(jié)點數(shù)據(jù)的分析和展示。

四、實驗和分析

為了驗證該NB-WUSN系統(tǒng)的性能，我們在田間開展了實驗。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在實驗前對硬件設(shè)備進(jìn)行了充分的校準(zhǔn)。之后，我們開始對系統(tǒng)進(jìn)行了長期實際應(yīng)用試驗，并對試驗結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)和分析，相關(guān)結(jié)果如下表所示。

（插入表格1）

表格1NB-WUSN系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果

通過表1的數(shù)據(jù)可以看出，NB-WUSN系統(tǒng)可以實現(xiàn)較高精度的土壤溫度和水分監(jiān)測，同時提供了便捷的實時數(shù)據(jù)查詢和管理服務(wù)。

五、總結(jié)與展望

本文提出了一種基于NB-IoT技術(shù)的NB-WUSN系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過終端節(jié)點模塊、接入網(wǎng)關(guān)模塊和云端平臺模塊的設(shè)計實現(xiàn)了對土壤溫度水分的監(jiān)測。通過實驗驗證，該系統(tǒng)具有高可靠性、智能化、自適應(yīng)等特點。未來，我們將進(jìn)一步優(yōu)化該系統(tǒng)，并對其進(jìn)行擴(kuò)展，以實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用同時，我們也面臨著一些挑戰(zhàn)，例如節(jié)點能耗管理、網(wǎng)絡(luò)安全等問題。為了解決這些問題，我們需要進(jìn)一步研究和探索相關(guān)技術(shù)。

除此之外，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用場景不斷增加，NB-WUSN系統(tǒng)也有著廣闊的發(fā)展前景。未來，我們可以將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、能源管理等領(lǐng)域，為人們的生產(chǎn)和生活帶來更大的便利和效益。

總之，本文提出的NB-WUSN系統(tǒng)，為土壤溫度和水分監(jiān)測提供了一種新的解決方案，具有一定的實用價值和研究意義。我們將繼續(xù)探索其性能和應(yīng)用，并作出更多的貢獻(xiàn)未來，我們可以進(jìn)一步改進(jìn)NB-WUSN系統(tǒng)的設(shè)計，以提高其性能和能耗效率。一種可能的改進(jìn)方向是使用多路徑通信技術(shù)來提高網(wǎng)絡(luò)的信道容量和可靠性。這將有助于支持更多傳感器節(jié)點的連接，并提高數(shù)據(jù)的傳輸速度和穩(wěn)定性。

另一個可能的改進(jìn)方向是使用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法來分析傳感器數(shù)據(jù)。這將有助于改進(jìn)數(shù)據(jù)的處理和分析過程，提高測量和監(jiān)測的精度和準(zhǔn)確性。例如，我們可以使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來預(yù)測土壤水分和溫度的變化趨勢，從而更好地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境管理。

此外，我們也需要關(guān)注NB-WUSN系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全，防止惡意攻擊和數(shù)據(jù)泄露。在設(shè)計NB-WUSN系統(tǒng)時，我們需要考慮安全性問題，并使用加密和認(rèn)證技術(shù)來保障網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的安全。

總之，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用場景的增加，NB-WUSN系統(tǒng)將有著廣泛的應(yīng)用前景和研究價值。我們?nèi)匀恍枰^續(xù)研究和改進(jìn)該系統(tǒng)，以應(yīng)對未來的挑戰(zhàn)和需求另一個可以改進(jìn)的方向是優(yōu)化傳感器節(jié)點的功耗管理。在NB-WUSN系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點通常是由電池供電。但是，電池壽命有限，無法支持節(jié)點長時間運(yùn)行。因此，我們需要采取有效的措施來降低傳感器節(jié)點的能耗，以延長電池壽命。

一種降低傳感器節(jié)點能耗的方法是設(shè)計節(jié)能算法。節(jié)能算法可以通過優(yōu)化傳感器節(jié)點的工作模式來減少能耗。例如，我們可以設(shè)計一種自適應(yīng)采樣方案，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化來調(diào)整傳感器節(jié)點的采樣頻率和精度。

另外，我們還可以采用能量收集技術(shù)來延長傳感器節(jié)點的電池壽命。能量收集技術(shù)可以利用環(huán)境中的能源，如太陽能、振動能等，為傳感器節(jié)點提供額外的能源。這樣，就可以減少傳感器節(jié)點對電池的依賴，延長電池壽命，并提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

除了改進(jìn)傳感器節(jié)點的功耗管理，我們還需要提高NB-WUSN系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量和處理能力。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)的質(zhì)量和處理能力對應(yīng)用和研究都至關(guān)重要。因此，我們需要開發(fā)高效的數(shù)據(jù)處理和分析方法來優(yōu)化傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。

一種提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的方法是利用校準(zhǔn)技術(shù)。校準(zhǔn)技術(shù)通過校準(zhǔn)傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，消除數(shù)據(jù)的偏差和誤差，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。例如，我們可以采用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的校準(zhǔn)方法，對傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和校準(zhǔn)，從而提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度。

此外，我們還可以利用云計算技術(shù)來加強(qiáng)數(shù)據(jù)處理和分析能力。云計算技術(shù)可以提供大量的計算和存儲資源，為NB-WUSN系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和分析提供支持。通過云計算，我們可以更快地分析和處理數(shù)據(jù)，減少系統(tǒng)的延遲和能耗，提高系統(tǒng)的性能和效率。

綜上所述，NB-WUSN系統(tǒng)在未來有著廣泛的應(yīng)用前景和研究價值。我們需要不斷探索和改進(jìn)該系統(tǒng)，以適應(yīng)不斷變化的需求和挑戰(zhàn)。通過采用多路徑通信技術(shù)、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法、能量收集技術(shù)等方法，我們可以提高系統(tǒng)的性