吴文斗 周 兵 朱 磊 李 青 张 勇 字少奇 刘天霞 杨文庆 唐兴萍
（1.云南农业大学大数据学院，昆明 650201；
2.云南农业大学理学院，昆明 650201；
3.保山学院，保山，678000；
4.云南追溯科技有限公司，昆明 650000；
5.云南农业大学食品科学技术学院，昆明，650210）
云南是深纹核桃的起源地和分布中心，也是全球最大的核桃生产基地。截至2020 年底，云南核桃种植面积达4303 万亩，年产量148 万吨，年产值412 亿元，种植面积、产量、产值均居全国第一。全省129 个县（市、区）中，有116 个已发展了核桃种植产业，占总数的90%，主栽品种有漾濞泡核桃、三台核桃、细香核桃等7 个品系。核桃不仅是云南广大山区群众增收致富的重要产业，同时还兼具良好的生态效果，为全省森林覆盖率贡献了7 个多百分点，为巩固脱贫攻坚成果和乡村振兴战略提供了核心支撑，核桃产业已成为支撑云南山区经济社会发展的重要产业。
农作物的生长、产量、品质、病虫害等受环境温湿度、光照条件、二氧化碳、降雨量和土壤温湿度、PH值、肥力等环境因素的影响非常大，良好的基地环境是生产安全农产品的基本条件，是提高农产品质量和效益的关键所在[1-3]，因此，监测和掌握农作物基地环境要素数据对农业生产有至关重要的作用[4]。随着物联网技术的发展，农业物联网逐渐成为近年来国内外农业科学领域研究的热点，例如：Mare Srbinovsk等[5]人及Bartosz Pekoslawski 等[6]人分别设计了应用于温室内的环境监测系统，通过对农业温室环境下各数据，如空气及土壤的温湿度、日照量等的采集及处理，大大降低了农作物温室的管理及消耗成本，实现了温室下农作物的科学养殖。朱均超等[7]设计了一个物联网农业大棚环境监测系统，通过采集大棚内空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳浓度及光照强度等6 个参数，运用可视化的交互界面，提升了其大棚的经济效益及管理水平。李瑞等[8]开展了大田农业物联网应用现状研究，提出了基于农业物联网的大田作物生长监测和智慧管理，解决了大田区域化实际应用中所面临的问题。肖婷等[9]设计了基于物联网的茶场生态环境监测系统，通过各项气象传感器采集茶场的环境参数，通过GPRS 与主控模块进行数据传输，主控模块将这些环境数据进行分析、汇总、显示等操作，再发送至管理员，提升茶场的管理效率，刘波平等[10]开展了基于传感器的农业种植环境监控系统方面的研究，通过传感器实现了对基地温度、湿度以及光照等参数进行实时采集，上述研究成果为物联网在农业领域的研究和应用提供了宝贵的借鉴意义和引导作用，但基于物联网的核桃基地环境数据采集与监测方面研究的文献尚未发现。
为开展研究，本文对作为云南省“一县一业”核桃产业示范县、中国核桃水洗果第一县的临沧市凤庆县进行了实地调研，核桃产业覆盖全县13 个乡镇18 个村2768个村民小组8万多户农户，单户种植核桃最多达2.4 万多株，38 万多人从事核桃种植管理和经营加工活动，占全县总人口的90%，核桃已经成为凤庆县的绿色经济支柱产业之一。
通过调研发现，凤庆县核桃产业种植、加工、管理相对粗放，产品质量参差不齐，加强核桃基地管理是核桃产业的基础，也是提高核桃产品质量的第一关，急需要对全县区域内核桃进行全方位监测，从源头上保证核桃产品质量。同时核桃基地大多处于偏远的山区，道路不便，供电供网困难，基地数据采集和监测难度大，综合考虑应用需求，结合文献查阅和专家访谈，确定影响核桃生长产品质量的关键环境因子，融合物联网、传感器、区块链等技术，从主控模块、通信、供电、数据传输、数据安全等方面开展了研究，设计开发了基于物联网山区核桃基地环境数据监测系统，并将研究成果在凤庆县四个核心核桃产区进行应用示范，取得了较好效果，为推动核桃产业链、价值链、供应链分解重构和演化升级，打造智慧、绿色、生态的核桃品牌提供数据支撑和参考。
核桃基地环境监测系统以阿里云AIoT物联网开放平台为系统数据传输基础，整合NB-IoT、区块链等关键技术，完成了环基地境监测终端、物联网平台、区块链部署、数据可视化和决策分析系统等硬件及软件核心功能模块的设计与实现，系统构架图如图1所示。
图1 系统构架图Fig.1 System framework diagram
通过环境监测终端对核桃基地所处自然环境的空气、土壤、日照等一系列环境参数进行监测，为开展核桃基地环境与核桃产品品质、产量、病虫害、品种等相关性数据分析和决策提供数据来源及支撑。设备通过MQTT 连接阿里云物联网开放平台，实现数据上云，系统可通过统一的API向物联网设备端下发指令，实现设备的远程控制、固件升级，为保证物联网采集数据的真实性、可靠性，防止被恶意篡改，系统将物联网技术与区块链技术进行深度融合，为物联网平台提供数据存证、数据完整性校验、时间戳、位置戳和数据鉴权服务。为便于不同用户访问数据的便捷性和直观性，实时掌握基地环境数据变化，系统融合大数据可视化技术，采用“PC 端+大屏端+移动端”三端融合方式进行构架设计。
硬件设计是系统的重要组成部分，承担着核桃基地环境数据采集和数据传输的重要功能。通过大量资料查阅和对市场上主流的物联网设备进行调研，发现目前大多物联网设备和传感器在室外及偏远山区环境下，存在防水性差、不耐腐蚀等缺点，且在供电、供网方面也存在不足，难以在偏远山区进行大规模使用和推广。为此，结合核桃基地环境数据采集需求和现状，本文对广泛适用于山区及偏远地区的核桃等农作物的基地环境监测物联网系统进行研究和设计，系统基于NB-IoT 技术、4G 技术及太阳能供电技术进行设计，与阿里云物联网平台实现数据融合，其硬件模块结构如图2所示。
图2 硬件结构图Fig.2 Hardware structure diagram
硬件电路工作原理是：主控制器STM32 通过Modbus 协议、IIC、PWM 和模拟量等方式，读取各类传感器收集的环境实时数据，对传感器数据进行统一的换算、初步处理，感知环境变化，将数据进行统一编码后，通过网络模块传输到云平台，并采用LED 显示屏显示实时数据[11]；
电源模块使用太阳能锂电池为整套设备供电，传感器、网络模块等子模块的供电由主控制器统一管理，尽可能降低整体功耗，提升设备续航能力。
3.1 STM32主控模块设计
核桃基地环境监测终端主控模块基于STM 32开发，其微控制器采用ST公司出品的ARM32位CortexTM-M3 型CPU，具有高性能、低功耗、低成本的特性，具备112 个快速I/O 端口供产品开发使用主控模块主要由STM32 芯片、低速晶振、高速晶振、重启电路、LED 指示灯、存储器、调试端口、外接端口组成[12,13]，如图3所示。
图3 主控模块芯片硬件原理图Fig.3 The hardware principle diagram of the main control module chip
3.2 数据传输模块设计
数据传输模块由传感器数据传输及网关信息传输两者组成，前者负责通过主控单元将采集的基地环境数据进行网络传输；
后者则是终端内信息的传输、交互、与云端通信，模块能够根据现场网络环境选择NB-IoT网络或4G LTE实现数据传输[14]。
数据传输部分包括芯片内置IIC 模块、内置ADC、RS485 模块，其中RS485 模块电路设计如图4所示。
图4 RS485网关电路图Fig.4 RS485 gateway circuit diagram
网关信息传输模块选用NB-M5311 全网通模组设计，电路设计如图5所示。
图5 NB模块电路原理图Fig.5 Circuit schematic diagram of NB module
3.3 环境数据采集模块设计
通过对桃基地环境数据的采集监测需求和核桃基地关键环境因子进行分析，本文将核桃基地环境数据分为大气类、土壤类、日照类三种环境因素，具体的参数名称如表1 所示，所采集的信息包括影响核桃生长发育的环境因素，同时为监测核桃种植是否出现废气废水、尘埃污染情况，增加了大气压、二氧化碳浓度、PM2.5及PM10的检测。
表1 传感器采集的环境参数Table 1 Environmental parameters to be collected
另外考虑传感器元件需要避免因外界环境因素造成腐蚀、失效、精度缺失等问题[15]，在传感器从选型上以防水，耐腐蚀，使用寿命长，长期稳定性好，易安装维护作为基础要求，所以此次设计在大气类传感器元件选型上使用可采集多种环境参数为一体的百叶箱型传感器，如图6 所示。土壤类选择土壤温湿度电导率三合一、土壤盐度、土壤PH 值传感器，如图7所示。日照类传感器选择TBQ 总辐射和光照度传感器，如图8所示。
图6 百叶箱型传感Fig.6 hundred leaf box sensor
图7 土壤类传感器Fig.7 soil sensors
图8 TBQ总辐射和光照度传感器Fig.8 TBQ total radiation and illumination sensor
3.4 供电模块设计
经实地调研发现核桃基地大多位于山区，环境较偏远，电源供给较困难，终端需自带供电模块。目前市面上室外供电的有风电及光电发电设备，但风电相关设备组维修费用高，并且风电的不稳定性是制约风电发展的关键因素。而核桃基地多位于坡度较缓的阳坡，日光充足，光照强度符合太阳能发电需求；
此外太阳能锂电池与铅酸电池相比较，具有价格适中、轻便、容量大、使用寿命长、绿色环保、安装简便等优势[16]。所以本系统选用60W 太阳能搭配12V48AH锂电池作为供电模块，同时对所有用电模块进行供电控制，在传感器采集读数前进行预热供电，数据采集完成到下一次采集周期前进行休眠并自动断开无需持续供电的设备，进一步降低整体功耗。经实测，该电池在连续一周的阴天里能够给各模块进行供电并稳定运转。
系统的软件设计分物联网平台端设计、区块链设计及部署、数据可视化平台的设计3 个部分。系统软件设计基于Java开发，物联网平台运用阿里云物联网开放平台做数据收取和转发，运用区块链技术，将3个部分的设计融合贯穿，采用对环境信息的采集、传输、加密的手段，实现了数据的可视化。
4.1 物联网平台端设计
物联网平台端设计采用分层架构，该架构逻辑易于理解和开发，平台支持一键部署，能快速进行数据及设备管理，可根据系统使用需求进行功能更改及扩展，平台接入阿里云物联网资源，系统可用性较高，网络负载较均衡，各层业务逻辑能够与上一层高度契合[17]。物联网平台架构如下：
4.2 区块链设计及部署
区块链的设计和部署部分解决了数据的安全问题，可以保证数据的真实可靠，主要包含区块链网络的搭建、构架设计及数据上链过程。区块链具有去中心化、可追溯性、透明度高等特性，可以有效提高数据质量、保证数据的真实性[18，19]。考虑到本次环境监测系统中传感器采集的环境数据及传感网的安全性、隐私性等安全隐患，采用区块链技术进行多中心或分散式的网络结构，这样一来就能够消除单线程通信(STC)的信任危机[18]；
同时结合区块链特点能够解决传统数据库中数据容易篡改、隐私数据容易被泄露等弊端[19]，保障环境监测系统的数据安全可靠，不可篡改。为方便对区块链网络环境进行搭建，首先通过创建node1、node2、node3 节点目录；
随后将output 节点根目录放入各目录中，生成私钥及netURL，通过vi编辑器修改3 个节点中的port 端口号及相关配置参数；
最后搭建超级链的P2P网络，核桃基地环境数据区块链整体构架设计如图10所示。
图10 核桃基地环境数据区块链整体构架Fig.10 The overall structure of the environmental data blockchain of the walnut base
基础层，与终端设备连接，以物联网网关为核心，连接环境采集模块各传感设备，通过NB-IoT 网络及MQTT物联网数据传输协议，完成对数据的通讯[20]。
数据层，在超级链中采用树形区块链，即环境搭建中的output节点根目录及node1～node3目录作为数据层区块链技术方案。
图9 物联网平台架构Fig.9 Internet of things platform architecture
应用层，主要由监管端及服务端构成，监管端负责对核桃种植基地进行审核认证是否为核桃种植基地，并进行核桃放置终端，加入平台等服务，申请过后提供核桃基地环境数据、数据加密溯源、配置管理。
展示层，对用户提供核桃基地、环境数据展示的访问、实现，主要通过微信小程序及门户网站进行显示及数据溯源查询，管理账户通过管理界面实现对核桃基地、终端设备、数据传输、数据加密溯源等全过程的管理。
核桃基地环境物联网监测系统中区块链工作流程如图11 所示，在环境监测终端采集环境数据通过NB-IoT 网络传输至阿里云物联网平台后，通过调用阿里云物联网平台API 接口把核桃环境数据传输至本地的数据库[21，22]。本地数据库将核桃环境数据传输至可视化平台中，供用户查看。之后本地数据库的数据通过超级链中xchain 进行数据上链，通过SHA256 数字签名算法发起区块链各节点数字签名。
图11 系统区块链工作流程Fig.11 System blockchain workflow
4.3 数据可视化平台的设计
数据可视化平台将收集的数据进行管理，提供决策依据。平台采用“PC 端+移动端+大频端”的架构。PC 端主要用于管理及显示核桃基地环境数据信息，采用B/S 架构，能够实现登录、与阿里云平台通信、基地信息管理、数据显示等功能，并且具有分布性、共享强、业务扩展简单、易维护等特点，后续的平台程序升级也更为方便，数据较安全，开发所需的成本也比较低。
其中图12 为在PC 端显示的实时采集的环境数据，可以查看到各个基地的气象信息、物联网设备监控信息、视频监控信息；
图13 为各传感器采集核桃环境历史数据折线图，可以根据之前设定的阈值判断核桃环境是否适宜生长。图14 为PC 端各监测点的一个管理界面，可实现对核桃环境监测点进行增删查改功能，以便用户管理。图15 为显示选择的核桃环境数据的一个历史报表界面，可点击对应的环境数据显示该项参数的历史数据，并且还可按照Excel 格式导出数据，以便进行数据分析。
图12 PC端数据显示Fig.12 Data display on PC
图13 历史数据折线图Fig.13 line chart of historical data
图14 监测点增删查改Fig.14 addition,deletion,inspection and modification of monitoring sites
图15 历史数据Fig.15 historical data
移动端的设计采用微信小程序框架，主要实现账户的一个登陆、注册、核桃环境数据的一个可视化显示，设计框架如图16所示。小程序通过JsBridge调用系统层的功能，如网络请求、缓存操作、微信验证登录等，小程序的视图层和逻辑层分别在两个独线程中运行，都是通过JsBridge 进行数据及功能的传递。终端中采集的核桃环境信息存储在阿里云平台中，小程序通过websocket协议向求阿里云请求调用核桃环境数据信息，在阿里云平台采用json 将信息进行打包[23-24]。平台收到数据包后将json 字符串解析为各环境信息，并采用折线图的方式展示各环境数据，以便用户查看环境信息。
图16 小程序框架图Fig.16 Frame diagram of the applet
小程序端数据显示界面如图17所示。
图17 小程序端数据显示Fig.17 Applet side data display
发展智慧农业是我国农业发展的重点，智慧农业是多种学科融合的交叉领域，利用现代信息技术实现智能传感、自动控制，以进行农业经济活动综合管理和科学决策[25]。物联网是智慧农业发展的关键技术之一，射频识别技术、传感器技术、无线网络技术等都是智慧农业中的重要技术[26]，物联网在核桃产业中对核桃生长环境和质量安全监测至关重要，通过物联网监测核桃生长小区域气候环境和土壤环境，建立核桃生长模型、决策分析模型和预测预警模型，让数据成为核桃实现核桃产业科学管理、精准施肥、智能化病虫害防治、产量预测、品质评估等，为核桃提供最适宜的生长条件。此外，通过物联网与区块链技术融合实现对核桃产品的可信追溯，以保证核桃产品的品质和安全。物联网在核桃产业中的应用还体现在通过表型技术获取和分析核桃植株的重要表型特征，为核桃产业生产过程精准管理和智慧育种提供了理论支撑和技术支持[27-28]；
同时物联网技术为解决核桃产业发展中品种杂乱、病虫害多、管理粗放、产业链短缺以及销售渠道单一等问题，使得核桃种植、销售更科学、更智慧提供了支撑[29]。
系统已于2020 年12 月29 日开始在凤庆县选择了四个测试点（雪山镇、勐佑镇、大寺乡、小湾镇）开始测试运行，测试显示系统数据传递延迟低于500 ms，数据监测准确率达99%，数据监测实时性延迟300 ms，运行结果表明，平台各项功能均可以正常运行，为降低功耗，监测的各项环境数据间隔30 分钟采集并发送一次，截至目前已采集到163.2 万条核桃环境数据；
并在测试期间通过高精度测试仪器与各传感器监测数据进行比对，以此对传感器参数进行校准，缩小数据误差，提高环境数据的准确性；
至今，系统的相关硬件设施设备、软件平台和数据库系统运行稳定，已经正式为凤庆县的核桃基地提供服务。
本文围绕云南省凤庆县“一县一业”核桃示范县建设需求为基础，基于阿里云物联网平台，运用传感器技术、物联网技术及区块链技术完成了核桃基地环境监测系统的设计及实现，该系统在一定的程度上解决了核桃基地信息化，科技化程度低的痛点，实现了对影响核桃生产的环境参数相关数据的快速、精准采集和监测；
并针对凤庆县核桃基地位置偏远，供电供网难以保障的实际情况下，研究了太阳能供电及NB网络对终端进行供电及网络传输，解决了偏远地区物联网难以工作的痛点，系统开发和应用实施是物联网从桌面到田野的延伸[25]，让农业环境实时在线，将实时采集的传感器数据、气象数据与传统的种植经验相结合，实现农业生产与数字化深度融合，研究成果为山区的农业数据采集和智慧农业的发展提供了一种参考。经测试，系统运行稳定，具有较高应用推广价值。