IOT物联网技术架构_田间物联网技术翻新页　NB-IoT成农渔资料收集神器

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田间物联网涵盖农业、林业、渔业、畜牧业的范畴，构建多年的田间经验背后的数据研究和积累，进一步判断和分析实时现象；该技术不仅是电子电机技术的整合，还需要结合大气科学、土壤化学、生物科学、电化学、环境科学等领域的知识。物联网将能够深入各种应用领域。

田间物联网的意义

在农业、林业、渔业和畜牧业领域，使用一定的土地区域进行种植和畜牧业。该行业对环境变化和自然灾害非常敏感。生产物以人类食品为主，是食品安全的敏感话题。同时，该行业也有持续的生产和消费需求，是人类经济活动的主要来源；因此，可以稳定生产，监测生产质量，有效估计产量、经济规模和价格。过去在田间往往因为地处偏远，无良好通讯基础设施可到达，布置田间传感器用以收集现场资料成为一大挑战，也因此出现各种低功耗广域网(Low-Power Wide-Area Network, LPWAN)田间应用与通信模式竞争。

在农业应用领域，为了收集种植场地表面、土下、作物等环境微气候数据，许多作物可以通过电导度计等发展完整的传感器(Electric Conductivity, EC)、pH相对湿度传感器、风速计、风向计、雨量计、气压传感器、光量子计等，用于记录和分析植物的生长状态；溶氧计也可用于养殖业的田间应用(Dissolved Oxygen, DO)、盐度计、氧化还原电位电极(Oxidation Reduction Potential, ORP)、浊度计、叶绿素计、离子选择电极等传感器，用以了解水质情况。

现有的传感器大多有数字接口，比如UART、RS232、RS单芯片可用于485等Arduino开发板读取传感器数据，然后通过LPWAN将输到云主机的方式。以单芯片或Arduino开发板利用UART接口连接LPWAN模块可以快速完成简单的数据收集点；在现场应用中，传感器的位置、彼此的密度和安装高度会影响数据收集的正确性。

田间物联网的价值在于，正确设置的传感器测量数据可以恢复田间现场状态，成为作物生长的分析指针。结合地理信息，数据尺度达到尺度(1~10m)，各种微型模式的发生可以通过机器观察人类忽略的信息来计算。

NB-IoT/M1穿针引线 田间通讯立竿见影

LPWAN有几种规格相互竞争，比如LoraWAN、Sigfox、窄频物联网(Narrow Band-IoT, NB-IoT)等，NB-IoT亦称为LTE Cat. NB1.是移动通信网络上架构的低功率广域网技术。它使终端设备能够简单有效地连接移动通信网络，数据传输具有移动通信等级加密的可靠性，适用于处理少量、不频繁的双向数据。NB-IoT使用LTE移动通信网络200kHz载波保护频段可以工作带宽频谱(Guard Band)，或在频段内(In-Band)、或采用独立频段(Stand-alone)(图1)。

图1 NB-IoT三种频段工作模式

NB-IoT规范由2016年6月3GPP协议规范第13版(3)GPP Release 定义，下行(Downlink)最大速率250kbps，上行(Uplink)最大速率250kbps。LTE Cat. M1同样架构于LTE使用移动通信网络LTE与频段相比NB-IoT，移动通信网络具有完整的安全性和加密功能，具有移动切换基地平台连接能力，LTE Cat. M技术规格也在3GPP Release 13定义，最大下行速率1Mbps，上行最大速率1Mbps。

LoraWAN、Sigfox属于非执照频段，必须自行搭建基地平台，并与宽带网络网关相连；NB-IoT/M1.电信商提供需要执照频段的服务，基地台信号可覆盖10~20km，基地平台可同时服务数万台设备端，可布置在现有4台G系统之上，每一个NB-IoT/M1设备端可以独立连接到云端；由于移动通信网络覆盖全球，可以通过行业漫游计划提供全球设备网络，全球电信行业相继支持NB-IoT/M1，目前模块供货商多整合NB-IoT/M双模，甚至可以提供全球电信商频段，因此成为物联网应用备受关注的通信方式。

由于其通信协议的设计，通信模块在发送数据后大部分时间都处于休眠状态，因此能耗相当低。NB-IoT/M1.电池可以在模块设计条件下工作数年以上。由于设备大多设置在固定地点，或者只有低速移动需求(30km/h)，同时，数据收集量少，数据收集范围长。NB-IoT非常适合需要长时间定期回报小数据的田间物联网应用。

以农业害虫感知为例，将改性昆虫费洛蒙诱虫盒(图2)集成到台中区农业改良场所发展中，NB-IoT通信模块可以在单位时间内通过诱虫盒测量昆虫的数量、大小和穿梭方向；此附加NB-IoT昆虫费洛蒙诱虫盒，不需要破坏诱虫盒的本体结构设计，加上环形害虫检测电路可以使原诱虫盒具有感知能力，实时将昆虫的数量、时间、密度、坐标、温度和湿度传回云主机记录，实时呈现不同作物的热区、密度和时间，以及特定地区昆虫的频率。透过NB-IoT传输、现场害虫信息收集可以从人工统计到自动回报，不仅节省人力，最大的意义是实时完整性，避免数据扭曲，详细数据可以长期积累建立害虫模式，帮助制定正确的防治策略和预警机会，减少损失，提高利润。

图2 整合NB-IoT改式费洛蒙诱虫盒数据源：原力电子技术

新传感器增加了田间测量的可行性

目前传感器组件技术发展已相当成熟，三合一功能的压力、湿度、温度微机电传感器仅有3×3mm大小，具备I2C/SPI与传统的模拟传感器相比，数字接口电路简单，耗电量极低，适用于田间测量数据。

测量电导率可采用时间区域反射法(Time Domain. Reflectometry, TDR)电极传感器具有多种原理，能耐酸碱，在室外条件下长时间工作，耗电量也较低，适供电。对于水质分析，水质条件可以根据测量水中特定离子浓度的电位差来判断。这种传感器称为离子选择性电极(Ion-Selective Electrodes, ISE)，pH电极即为H 离子选择性电极。此外，半导体接口的电荷浓度通过离子扩散发生变化，产生半导体场效应(Ion Sensitive Field Effect Transistor, ISFET)固态电极不仅可以避免离子选择性电极玻璃易破碎的问题，还可以在水下长期工作，甚至高温灭菌。

然而，在田间应用中，简单的测量值不足以解决现场实践中的各种问题。田间数据代表了整个环境系统状态的平衡，整个环境系统同时需要考虑的变化很多，不是通过几个传感器就能看到的。这意味着，如果田间物联网仅仅依靠电子电机工程师开发硬件，就不足以发挥其正确的作用；它需要生物科学家、农业艺术家、环境科学家等相应问题的专家知识。根据专家的指导，正确安排数据收集点以获得有效的数据，并将数据交给具有专业背景的研究人员进行分析。有价值的分析数据将促进产业创新，甚至新的感知方法和传感器的发展。

田间环境测试不亚于工作和车辆规则

室外设置的气象站暴露在阳光、雨水和强风中。设备箱内的热湿积累需要校准和纠正测量线路的误差。在室外阳光下，箱体温度可能高达70摄氏度~80度对通信模块的可靠性是一个巨大的挑战，因此耐候气象站应采用工作规程NB-IoT/M只有通信模块工作规定的通信模块、单芯片和零件，才能在田间长时间工作，收集自动气象数据，记录气压、温度、湿度、风向、风速、雨量等值，计算风寒指数、露点温度、体感温度、暴雨报警，并传输至云气象信息平台（图3）。

图3 NBIoT/M1.气象站数据源原力电子科技

水下测量技术挑战

高温、高湿度、泥浆、粉尘、机械发动机温度、振动、养殖池盐雾、鼓风机振动是测量设备的主要挑战。养殖渔业也是田间传感器需求量很大的市场。获取水体表面和水下传感数据是养殖渔业管理过程中非常重要的参考指南。在育种环境中田间数据测量需要考虑防水和盐雾侵蚀。其中，由于传感器和导线长期浸泡在水中，会出现电极腐蚀和生物膜附着，导致测量值误差。利用NB-IoT结合防水防尘外壳、电池、单芯片，ADC等电路开发的集成无线传感器（图4）可以随处实时测量，配备长效复合电极。在育种环境中，每个点的水下信息都可以精确记录，并有实时的数值补偿，同时排除测量点位置不同造成的读数误差。

图4 NB-IoT无线溶氧计数据源：原力电子技术

水产养殖渔业的田间幅员往往是数分地到数甲地面积。当感知点设置较多时，由于传输数据量较大，会将数据转移到云中。NB-IoT大，选择网关通信模块mini-PCIE接口之Cat. M1.甚至可以根据传输量替换Cat. 通信模块(图5)上述规格。水质增氧监测、诱饵喂养作业管理、环境记录(溶氧、温度、氧化还原电位、ORP)以全面性建立生长管理履历追溯;并可在云端分析，建立喂饲、生长管理、履历追溯之养殖自动决策系统，水质监测与调节、生长分析与营养管理、鱼塘环境健康及养殖生物疾病预警可进行无人化管理。

图5 田间数据网关及内部电路数据源：原力电子技术

Arduino整合NB-IoT/M1

依据NB-IoT模块的通信特性适用于小数据量和固定周期的数据收集。当模块进入深度睡眠时，静态电流只消耗3uA，例如，每2小时收集一次温度和湿度，或每天检查4次传感器状态，这样的操作周期可以使每个NB-IoT数据收集器供应电池长达十年。如果采用Arduino结构与开发环境兼容，可在各种设计整合中进行原型测试，满足各种快速开发、测试的需要，直接集成电路板NB-IoT/M1通信模块，便成内建NB-IoT/M1功能之Arduino无需额外添加开发板Arduino Shield扩充，使原本数量有限的输出入脚位可搭配各种传感器如气压、气温、湿度、风向、风速、雨量等应用，亦可透过UART、I2C、SPI、RS232、RS485接口结合其他控制设备，运用已和电信业者合作测试完成之程序发展范例及函式库，可以更快建构NB-IoT/M1现场应用(图6)。

图6 10Tuino开发板数据源：原力电子科技

NB-IoT/M1在核心开发潜力

NB-IoT/M1模块的核心芯片配置数个可自行运用的DIO可处理简单的I/O运用，模块本身也有I2C、SPI接口，利用模块处理器的运算余裕，开发程序读取I2C/SPI接口的外部传感器读值，再以UDP或TCP/IP协议将传感器读值封装之数据以MQTT或RESTful直接传往云端数据平台，而外部电路除传感器之外，仅需Watchdog及电源管理IC，结合芯片式SIM(eSIM)，使得模块除了可以预载电信服务商门号，更可以在全球布建物联网时，依据各地不同电信服务商空中换号;不仅电路配置更加简化，以模块核心SDK作二次开发，可在原有通讯模块内存上传客制化程序，让NB-IoT模块透过I2C/DIO读取传感器数据，传送至云端。田间物联网的感测设备开发应着眼于解决现场问题，而非处理于各种复杂电路设计。

田间物联网是田野大数据收集的基础建设，同时也是多元知识、专业科学整合应用的场域。在当今巨量数据加上人工智能分析时代，更应利用田间物联网作为高效率收集巨量资料的基础科学方法，正确解读数据背后的意义，为不同应用跨领域发展开发新契机。