基于EMTC技术的精细化种植监测大数据平台研究
来源:用户上传
作者:赫宜 雷兴民
摘要：基于EMTC技术的精细化种植监测大数据研究平台，利用低功耗MCU采用组内置的lO～it精度的ADC功能采集养植环境数据，并通过EMTC通讯网络，将采集的环境数据上传到应用服務器，经过云端计算机智能分析模块，对大量数据存储和分析后，以友好的图表方式通过微信公众号推送到用户界面，智能提醒用户在何时浇水，何时使用营养液等多种互动响应;平台宗旨打造精细化养植的大数据中心，通过数据收集、分析、建模，形成一套标准化的数据模型，可以科学的、有效的指导用户精细种植，提高产量，提高品质。
关键词：EMTC技术;大数据平台;微信公众号
中图分类号：TP393 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）01-0236-03
物物相连、人机互通的智能化的实现，随着信息技术的发展、通信技术的不断演进，网络连接的日益增长，得到了有效的支撑。通过实时消息传输机制，对农作物成长的全过程进行数据监测，深度数据挖掘，建立种植大数据模型，对用户种植进行科学的数据支持和指导是新技术服务于用户的良好应用。
1针对IoT的网络核心技术
1.1 NB-IOT技术
设计目标是在GSM基础上覆盖增强20dB。其主要特点有匹配连接低数据传输速率设备、满足低功耗、深度广覆盖和大连接等。
中国电信业务自2016年10月布局NB-IoT以来，于2017年6月已建成全球覆盖最广的NB-IoT网络，基站达到31万。
1.2 EMIC技术
3GPPRl3标准针对物联网业务的特点，基于LTE进行优化演进，设计了专门用于物联网的FDD e MTC（EnhancedMa.chine Type Communications）技术。其主要特点：降低发射功耗、降低硬件成本、支持语音技术、覆盖更广、移动性支持。
中国电信将eMTC作为2018年重点业务，计划2017年进行e MTc网络测试2018年实现商用部署。
2基于EMTC技术的精细化种植监测大数据研究平台
本系统应用无线通讯技术、种植环境（土壤温湿度，酸碱度，空气温湿度，光照度）监控技术、智能控制调试技术、大型数据库存储技术、数据传输加密技术、实时消息推送技术和嵌入式操作技术，对农作物生长环境的进行检测，采集温湿度、土壤酸碱度、空气温湿度、光照度等数据，通过实时消息传输机制上传云端服务器，对农作物成长的全过程进行数据监测，深度数据挖掘，建立种植大数据模型，对新用户种植进行科学的数据支持和指导。
2.1总体架构
本系统架构分为三层数据采集传输层、大数据分析存储层、用户应用层。
数据采集传输层，采用低功耗主控MCU，采集数据并通过eMTC通讯网络，将数据传送到平台端;采集单元内置电池供电，工作在低功耗模式，为定时工作状态，在设定时间内采集数据并执行上传动作，在网络故障时，可保存在内部的存储单元内，网络恢复后，一起将存储单元的历史数据上传。
大数据分析存储层，采用MQTY消息通讯协议为媒介，支持大并发的终端数据处理，可动态扩展，接受采集数据分析处理后保存在DB云存储器中，DB云存储也为弹性设计，根据用户终端的增加，可以弹性扩张，而不影响业务，降低前期成本支出，采用云存储也为数据安全提供了基础设施。
用户应用层有APP应用服务器和微信公众号服务API两部分组成，其应用服务器负责设备信息维护，用户信息维护，提醒消息管理，展示数据提取格式封装等工作;微信公众号为用户端直接使用的界面，完成对采集自系统的扫描、设备绑定、设备状态查看、设备采集数据展示、提醒消息推送等用户任务，是整个平台用户和系统交互的桥梁，设计原则为友好，便捷，高效，稳定性好，兼容性强。
2.2技术方案架构
基于低功耗MCU主控核心的采集传感单元，采集室内植物种植环境数据，通过10BIT精度的ADC模数转换成精确的数字型号，封装为特定的数据格式，通过MQTT消息通讯协议上传至应用服务器，完成数据采集的任务。
MQTr消息服务器采用开源Apache Apollo项目来搭建;配置为MQTr3.1版本通讯协议，负责整个系统的消息传递和通知功能，采集终端将采集的数据通过Apollo服务器上传到应用服务器，应用服务器中有用户的提醒消息后，发送提醒指令到ApoHo消息服务器，消息服务器调用微信公众号开发API接口驱动消息并推送到用户手机微信终端，完成提醒消息的推送任务;用户微信端绑定设备，查看设备指令到微信公众号服务器，通过Apollo消息服务器转发到应用服务器提取对应数据返回，完成数据交互任务。
APP应用服务器负责数据的存储和分析，因采用读写分离的数据库访问机制，存储和应用独立分开，存储可扩展，性能可以弹性变化，应用服务器负责数据分析，用户消息提醒任务，采集定时任务，管理端web服务任务的调度处理。
用户端微信公众号是用户的唯一交互界面，本着使用方便，无须安装，操作友好，响应性快捷等特点为用户提供最为便捷的体验。
2.3子系统功能分析
2.3.1基于EMTC技术的土壤湿度采集及湿度控制的采集子系统
采集子系统也就是采集终端，用户直接使用的唯一终端设备，通过微信公众号和专属APP扫码绑定设备，和用户建立关联关系，完成绑定操作;第二步按照要求插入土壤中，设备即可以开始正常工作;智能终端设备自动检测自配电池的电量，当电量低与一定的阀值，系统将通过微信公众号提醒消息推动到用户手机端，提醒用户更换电池，并同时，设备的LED状态指示灯也将给予提示。
湿度传感器，采用两根金属探针，深入插入种植土壤中，精确的检测土壤中的湿度状况，而不是简单的检测周围空气的湿度，这样检测的数据更为精确可靠，为后期大数据分析收集提供可靠的数据支持;湿度传感器和主控单元连接，并采用10Bit精度的ADC转换模块，采集精度可以达到10mv级别。 设备设计为电池供电，所以采用了低功耗模式，保证了电池供电，设备的使用寿命;采集终端使用高效低功耗电源管理技术，优化配置非必需功能的输出功耗，调节系统休眠模式与工作模式之间的切换频率，在休眠模式下，其设计的功耗电流小于30uA，处于网络连接状态时，其输出功率小于8mW。
单按键配置功能：为减少系统操作复杂度，设计精简便捷，整个智能终端设备设计了一个按键和一个LED状态指示灯;初始关机状态下，长按3s开机，系统指示灯慢闪（每1s闪烁一次）启动，自动进入网络连接状态;当网络连通，与服务器建立连接，LED指示灯常亮状态，成功发送一笔采集数据后，指示灯快闪（100ms闪烁一次）3次，然后熄灭，整个系统进入深度低功耗模式，没间隔一定时间后，系统自动快速唤醒，采集数据并完成数据传输，一般情况下，这个过程会在1s内完成，继续静茹低功耗状态;在新设备没有和用户绑定前，指示灯一直慢闪，长按5s以上，系统进入用户绑定状态，用户通过扫码绑定成功，指示灯停止慢闪，变为长亮，等待传输第一步数据后快闪后关闭;长按8s以上，系统将关闭，停止所有动作，关闭各个模块，进入低功耗待机模式，取消定时唤醒设置，直到长按3s按鍵重新开启系统。
串口配置：
采集终端提供了一个全双工的串行接口，本系统作为系统调试的唯一有效的通道，设置为波特率115200，8数据位，1停止位，无检验位，用于系统前期状态输出和调试，也可以用户设备版本升级通道。
SPI Hash：本终端设备采用2MB的flash存储芯片，具体划分为1MB的数据存储去，1MB的数据备份区，在极端情况下保存采集的用户数据，网络通畅后，将用户区提取后在上传。
2.3.2微信端用户子系统
微信端用户子系统是用户和系统之间的交互界面，以微信公众号为基础载体，绑定智能设备终端，就可以查看和配置设备，并同时接受系统发送的提醒信息。
微信公众账号是一种更轻量级的APP应用形式，不用记域名，不用下载和安装客户端，方便项目快速推广，快速实现应用与用户的便捷沟通。
安全页面授权采用OAuth2.0认证授权方式：
微信OAuth2.0授权模式保证了用户客户端登录的唯一性和不可复制性，首次进入客户端系统，要求用户登录鉴权，成功鉴权后，系统内部自动和用户的微信ID帐号进行对应关联，以后在登录系统则无须重新鉴权，加快登录速度，优化用户使用体验。
2.3.3 MTQQ消息服务子系统
Apache Apollo项目搭建;
MQTT协议安全授权配置;
接收智能设备推送的采集数据，并组织为队列模式转发到应用服务器处理;
推送提醒消息到微信公众号服务平台，完成对用户端的消息提醒。
2.4软件体系架构
2.4.1多层分布式软件体系架构
软件体系架构，目前主流的两种体系架构，一种是由微软公司提供的组件式体系架构（cOM模型），另一种是基于J2EE规范的构件式体系架构，考虑到基于J2EE规范的体系架构具有更多的先进性，特别是在支持多种计算机网络环境等方面，因此我们选择了基于J2EE规范的构件式体系结构。
J2EE规范包括了一整套技术，总体上包括应用服务器技术和应用开发技术，在应用服务器上经过深入研究和比较，采用了tomcat服务器引擎;在应用开发技术上，我们全面应用JSP、Servlet、Applet、EJB和WebStaa等多项Java技术，并利用这些技术建立了“构件化”的软件体系结构，为实现目标系统的扩展性和易维护性打下了坚实的基础。
基于此原理，管理系统中采用了多层分布式软件体系架构。
2.4.2平台总体上分为以下四层
（1）业务展现层：用户界面uI，给用户提供登录，查询，报表展示，操作交互等，便捷合理的uI展示，是用户使用整个系统的门户;
（2）业务逻辑层：数据操作业务流，数据展现逻辑实现，数据进入分析和数据输出校验等操作功能的实现，是用户展现层和数据存储和管理层的纽带;
（3）数据管理层：实现数据永久性存储，数据逻辑优化，数据库连接池等系统底层数据服务功能的实现;
（4）基础平台层：操作系统安全性，数据库进程优化，网络传输的稳定性和可靠性，为以上三层提供有力的平台保证。
3结论
平台宗旨是打造精细化养植的大数据中心，通过数据收集、分析、建模，形成一套标准化的数据模型，可以科学的、有效的指导用户精细种植，提高产量，提高品质。
本系统推广应用受限于运营商的eMTC网络覆盖范围，信号覆盖较弱的地方，带来的传感器功耗的增加，设计为1-2年的电池寿命可能会加倍缩短，短期内可以采用大容量电池解决，但随着运营商网络覆盖范围的扩大和eMTC技术应用的普及，这个问题随之解决;在未来5G网络普及和应用推广，可能有更好的无线传输标准适合我们的平台，我们将紧紧跟随科技技术发展的前沿，升级并更新我们的系统，让用户体验达到最好，最优。
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