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摘 要： 高原煙葉種植過程中，一直以來由于天氣因數，對煙葉品質和產量影響較大。采用物聯網技術，通過傳感器獲取煙葉種植過程中的各項數據信息;通過無線通信模塊傳輸數據信息，上層應用系統接收數據，并進行數據歸類，存儲;并對大數據進行分析，反饋到煙葉種植過程
高原煙葉種植過程中，一直以來由于天氣因數，對煙葉品質和產量影響較大。采用物聯網技術，通過傳感器獲取煙葉種植過程中的各項數據信息;通過無線通信模塊傳輸數據信息，上層應用系統接收數據，并進行數據歸類，存儲;并對大數據進行分析，反饋到煙葉種植過程中，提升煙葉品質和產量。本文介紹了以上述技術為基礎，發展物聯網在高原煙葉種植中的應用可行性和應用前景分析。
關鍵詞：物聯網,高原,煙葉種植
1背景介紹
煙葉自引入云南高原地區種植以來，一直作為重要經濟農作物，為云南高原農業的發展做出了重要貢獻。優質的煙葉，需要種植于紅土中，每天至小時的陽光照射。上述條件，都是云南高原所特有的。煙葉是一種喜溫作物，生長發育的適溫是至攝氏度，在零下至攝氏度時，煙株極易死亡。同時，煙葉對于水分的需求，也因不同的生長時期而不同。一般情況下，煙株在生長前期需水量適中，生長中期需水量最多，生長后期需水量最少。而對于惡劣天氣對的影響，煙葉較其他農作物更為敏感，不論是在苗床或大田期，都可能會帶來嚴重的損失�；谏鲜霰尘�，提出運用物聯網技術，對煙葉種植全生命周期精細化，數字化管理，以降低煙葉種植的人力和經濟成本，提升煙葉產量和煙葉品質，降低煙葉種植過程的風險。
2物聯網技術
物聯網技術可分為三層架構，包括感知層、網絡層以及應用層。感知層通過將物理信息的收集并處理，實現數據信息化;通過本地網絡層無線或有線的方式對相應數據進行收集與傳輸;最終可以實現物聯網系統多種智能化應用。
2.1感知層
感知層是通過傳感器，智能控制器，將環境中的化學、生物、物理等信號轉化為數字信息，并傳輸至后端進行數據處理。
2.2網絡層
網絡層通常分為有線傳輸、近距離離線傳輸、傳統互聯網、移動空中網。其中，移動空中網將會成為主流通信方式�；�5G的NB-Iot通信方式，能夠實現數以億計的無線連接。如圖1所示，涵蓋了大多數物聯網通信方式。
2.3應用層
應用層接收來自于網絡層傳輸的數據信息，根據特定應用需求，進行數據歸類，整合，儲存，分析，并將分析結果進行反饋。
3應用前景分析
利用物聯網技術，對煙葉種植全生命周期進行管理，需要對技術基礎，穩定性，成本，經濟價值進行綜合分析。
3.1應用舉例
位于云南高原某煙葉產區，煙葉種植在山區和半山區，基礎設施薄弱，晝夜溫差大，年降雨量不確定性大。對于傳統煙葉種植來說，人力成本高，管理難度大，對天氣影響的抵抗能力差。針對上述問題，在煙葉幼苗時期，需要在塑料大棚種進行播種。塑料大棚中，安裝有溫度傳感器，濕度傳感器，二氧化碳傳感器，光照傳感器，用于獲取塑料大棚中的溫度，濕度，二氧化碳濃度，光照強度等數據。如圖2所示。由各類傳感器，實時獲取大棚中空氣溫濕度，土壤濕度，二氧化碳濃度，光照強度的數據，將通過無線通信模塊，把所有數據周期性的匯總到上層應用系統中。
無線通信模塊，可以采用配備3G/4G無線網卡的設備，也可以采用基于NB-IOT窄帶物聯網通信設備。如圖3所示。上層應用系統，接收到來自無線通信模塊的數據后，將對海量的大數據進行分類整理，并存儲于數據庫中。由于數據量巨大，應用服務器應使用分布式數據儲存;對于一些常用的數據，應該采用內存數據庫的方式進行緩存，以供用戶高效使用。
3.2技術基礎
3.2.1傳感器技術
溫度傳感器：是指能感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器。溫度傳感器的結構如圖4所示，感溫元件主要用于感受溫度并將其轉換為電信號等易于測量的物理參數，經過處理電路將其轉換為相應的溫度數據。濕度傳感器：是指能測量濕度并轉換成0～100%數據輸出的傳感器。濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類。濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發生變化，利用這一特性即可測量濕度。
濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。當環境濕度發生改變時，濕敏電容的介電常數發生變化，使其電容量也發生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。二氧化碳傳感器：是用于檢測二氧化碳濃度的傳感器。二氧化碳是綠色植物進行光合作用的原料之一，作物干重的95%來自光合作用。因此，使用二氧化碳傳感器控制濃度也就成為影響作物產量的重要因素。光照強度傳感器：是指用于檢測光照強度的傳感器。其工作原理是采用先進光電轉換模塊，將光照強度值轉化為電壓值，再經調理電路將此電壓值轉換為0～2V或4～20mA。
3.2.2無線通信技術
3G/4G無線通信模塊：3G/4G模塊是指硬件加載到指定頻段，支持標準的協議，軟硬件高度集成模組化的一種產品的統稱。硬件將射頻、基帶集成在一塊PCB小板上，完成無線接收、發射、基帶信號處理功能。NB-Iot窄帶無線通信模塊：窄帶物聯網是萬物互聯網絡的一個重要分支。NB-Iot構建于蜂窩網絡，只消耗大約180KHz的帶寬，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，以降低部署成本、實現平滑升級。
3.2.3物聯網應用系統
對于上層物聯網應用系統，首先要接收來自于網絡層傳輸的海量數據。由于數據量巨大，網絡連接數非常多，因此，系統必須考慮分布式高并發，分布式存儲。分布式并發：系統為滿足海量連接的需求，部署分布式服務器集群，滿足高并發特性。分布式存儲：利用數據庫服務器集群的功能，內存數據庫高速讀寫的特性，進行分布式存儲的部署。通常大型的關系型數據庫oracle，mysql，sqlserver都已經提供了集群的功能。Mongodb，Redis等內存數據庫，也已經是非常成熟的技術應用。
3.3穩定性
傳感器穩定性傳感器技術經過多年的發展，已經在電器，工業，軍工，航天等行業中普片運用，同時，溫度傳感器，濕度傳感器，二氧化碳傳感器，光照強度傳感器在農業生產過程中，也有許多運用場景。傳感器的穩定性是有保證的。無線通信穩定性在國內4G已經普及的大背景下，無線通信基站已經遍及祖國的各個角落。工信部發布，預計到2020年行政村4G覆蓋率將超過98%。但是，無線網絡傳輸，存在信號屏蔽，信號干擾，數據包丟失等各種異常。因此，無線通信模塊在數據采集和數據傳輸的過程中，需要將采集到的數據進行本地緩存，當網絡發生異常時，數據緩存到本地;當網絡信號正常時，將緩存數據重新發送到上層應用服務器中。
3.4經濟價值
3.4.1成本節約
從根本意義來講，通過物聯網技術，系統根據獲取的溫濕度，二氧化碳，光照強度數據，控制塑料大棚中主要工藝指標，滿足不同階段煙葉生長需求，幫助用戶避免了電，水和肥料的浪費。同時，系統允許用戶在必要時做出相應的調整，實現節能。
3.4.2煙葉品質提升
由于塑料大棚中受外部天氣的影響非常小，大棚內優良的環境指標，能大幅提升煙葉品質和產量，大幅增加種植農戶收入。
3.4.3大數據價值
在整個煙葉種植生命周期過程中，積累了海量大數據。針對這些海量大數據，運用大數據分析算法，可以計算出溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度為輸入因子，對煙葉品質和產量的影響。通過大數據的積累，最終實現大棚智能化反饋控制。
4分析總結
綜上所述，物聯網技術在高原煙葉種植中的應用，已經具備技術基礎，成本優勢，經濟價值等前提。應用物聯網技術，能顯著提高煙葉種植對于惡劣天氣變化的抵抗能力，提升煙葉品質的同時提高煙葉產量。在人工成本不斷提高的今天，物聯網技術能大量減少種植過程中人力的投入，節約種植成本。因此，物聯網技術在煙葉種植中的應用，已經具備大規模推廣的條件。
參考文獻
[1]郁有文，常健，程繼紅.傳感器原理及工程應用(第四版).西安電子科技大學出版
[2]張克平.LTE-B3G/4G移動通信系統無線技術.電子工業出版社.2008年06月.
[3]ViktorMayer-Schonberger，ThomasRamge.ReinventingCapitalismintheAgeofBigData.BasicBooks.2018/2/27，
[4]劉茜.窄帶物聯網(NB-IoT)標準與關鍵技術.電子工業出版社.2013年03月.
[5]余欣榮.物聯網改變農業、農民、農村的新力量.中國農業大學出版社.2016年12月
