面向智慧農業的物聯網系統與實訓平臺開發

張 偉， 江瑩旭， 阮艷鳳, 季大夫

(1. 嘉興學院 機電工程學院， 浙江 嘉興 314001； 2. 浙江清華長三角研究院 信息技術研究所,浙江 嘉興 314006; 3. 嘉興市宏聯電子科技有限公司, 浙江 嘉興 314001)

面向智慧農業的物聯網系統與實訓平臺開發

張 偉1,2， 江瑩旭1， 阮艷鳳3, 季大夫3

(1. 嘉興學院 機電工程學院， 浙江 嘉興 314001； 2. 浙江清華長三角研究院 信息技術研究所,浙江 嘉興 314006; 3. 嘉興市宏聯電子科技有限公司, 浙江 嘉興 314001)

開發了面向智慧農業的物聯網系統開發與實訓平臺，在對農業物聯網感知層、傳輸層、應用層分析的基礎上，設計了系列無線傳感器網絡采集與控制節點、網關節點、GPRS測控終端，開發了中間件與監控中心DEMO程序。通過該平臺，可連接常用農業用傳感器，增刪采集、通信組網與控制設備，并在中間件與DEMO程序基礎上開發上位機軟件。系統開放、靈活、可二次開發，很適于物聯網的示教、開發與實訓。

物聯網; 智慧農業; 實訓; 中間件

自2010年開始，教育部批準了100多所高校設置物聯網工程本科專業[1]。 智慧農業以物聯網技術為支撐，屬農業信息化范疇，是物聯網技術與系統的重要應用對象，并在感知層、網絡層與應用層方面被深入研究[2-4], 但相關研究多面向實際生產應用，而對面向智慧農業的物聯網教學實訓平臺研究還不夠系統，尤其是在實用性與適用性方面還需要深入研究[5-7]。

本文在農業物聯網感知層、傳輸層、應用層分析的基礎上，結合物聯網技術教學需求，設計開發了物聯網系統與實訓平臺。

1 總體功能設計

面向智慧農業的物聯網系統開發與實訓平臺以物聯網三層架構為基礎[8]，即物聯網系統感知層、傳輸層與應用層，如圖1所示。

感知層主要包括檢測土壤、作物與環境信息的傳感器和電磁閥、風機、水簾、卷膜電機、增氧泵等被控設備。

在傳輸層，無線采集節點可接多路傳感器，將采集的信號調理后無線發送或有線發送到網關節點；無線控制節點連接被控設備；網關節點實現無線網絡與GPRS/3G/WiFi/以太網等公網的信息轉換。

應用層包括智慧農業云服務器與瀏覽器/服務器(B/S)結構的管理軟件，智慧農業云服務軟件安裝在服務器，用戶通過Web瀏覽器或移動終端訪問該服務器，從而獲得現場信息。通信進程與分析進程同時運行，可以實時根據所獲得的信息作出智能分析、決策與控制；用戶可通過Web瀏覽器或移動終端實現遠程信息管理。

圖1 智慧農業物聯網系統架構圖

面向智慧農業的物聯網系統開發與實訓平臺是在上述農業物聯網系統架構的基礎上，結合大量農業物聯網應用案例與工程實踐，以及電氣類課程教學實踐進行設計。平臺包括系列無線傳感器網絡采集與控制節點、網關節點、GPRS測控終端，并輔以中間件與監控中心DEMO程序。通過該平臺，可連接常用農業傳感器，增刪采集、通信組網與控制設備，并在中間件與DEMO程序基礎上開發上位機軟件。

2 硬件設計

2.1 WSN采集與控制節點設計

WSN采集與控制節點采用模塊化設計思想(見圖2)。采用Cortex-M3 ARM處理器，將傳感器采集到的信號進行處理后，通過CC2530無線模塊與其他節點進行信息交互。無線通信符合ZigBee通信協議，節點間可通過RS-485串口相互通信。無線控制節點是在采集節點基礎上加控制板模塊組成，控制板上的集成光耦與繼電器用以連接被控設備。電源供應模塊可選擇市電或太陽能供電，以應用于不同場合。

2.2 網關節點設計

在物聯網系統開發與實訓平臺中，網關是現場無線傳感器網絡的協調節點，同時作為信息遠傳節點，即通過GPRS或以太網，建立現場無線傳感器網絡與云服務器的聯系，(見圖3)。采用Cortex-M3 ARM處理器，亦支持通過RS-485串口與其他節點互聯。

圖2 WSN采集與控制節點設計

圖3 網關節點設計

2.3 GPRS測控終端設計

在很多應用場合，現場采集量與控制對象單一，不適合建立分布式無線傳感器測控網絡，因此有必要設計集采集與信息遠傳于一體的測控終端。在本平臺中，GPRS測控終端(見圖4)可以采集8路傳感器信息，并同時融合GPRS遠程通信功能和輸出控制功能。

圖4 GPRS測控終端設計

3 軟件設計

3.1 中間件設計

目前，可供參考的物聯網技術標準有限[9]，物聯網系統集成設計涉及到傳感器選型、傳輸層搭建與應用程序的開發，復雜度較高，對于初學者來說有一定難度，尤其對于測控、電信、電氣、自動化等非計算機軟件專業的學生而言，應用層軟件的開發是個難題。為此，部分研究者對中間件進行了設計[10]。

所謂中間件，是一種獨立的系統軟件或服務程序，在操作系統、網絡和數據庫之上，應用軟件的下層，用于管理計算資源和網絡通信，幫助用戶靈活、高效地開發和集成復雜的應用軟件[11-12]。

針對智慧農業物聯網的應用，設計了開發與實訓平臺中間件并安裝于監控中心的服務器中。它的主要作用是：

(1) 作為通信服務驅動程序與現場硬件設備交互，包括監測數據的收集與控制命令的下發；

(2) 將交互數據、重要過程記錄和結果存放于服務器數據庫中。通過中間件，應用程序開發者可以直接與服務器中數據庫進行交互，專注于數據挖掘與智能分析，而不用直接對復雜的通信進程編程，如建立農藝知識庫、專家系統、預警系統等，實現農藝與物聯網的深度融合。

中間件運行結構原理如圖5所示。服務程序從應用軟件界面發出查詢指令給代理管理器，代理管理器向SQL數據庫發出查詢指令，并將查詢結果返回傳輸層；服務程序為運行在系統上的應用程序提供通信服務，以TCP/IP協議與現場網關節點通信，網關節點作為現場無線傳感器網絡的中心節點，進而可獲取各采集器節點所連接的傳感器信息。

圖5 農業物聯網中間件結構圖

3.2 監控中心DEMO程序設計

為應用程序開發者使用方便，在所開發的物聯網設備與中間件的基礎上，開發了監控中心DEMO程序。

該DEMO程序具備以下基本功能，包括：

(1) 葡萄大棚栽培專家知識庫的建立，具體內容包括何時(不同生長階段)、何種情況下(實時環境狀況，如溫度、濕度、光照，土壤水分與pH值)、做出何種控制或建議(如灌溉、通風、卷膜等)；

(2) 用戶通過Web瀏覽器或移動終端實現農業環境的遠程感知、歷史記錄查詢、報警設置與條件控制，實現作物栽培管理的精準化、可視化、數字化與智能化；應用程序開發人員可在DEMO程序基礎上進行二次開發，以方便教學實踐。

4 總結

該智慧農業物聯網系統與實訓平臺開發，具有開放、靈活、二次開發方便的特點，可用于以下實驗項目。

(1) 感知層實驗?？筛鼡Q各種農業傳感器，包括土壤傳感器(土壤水分、溫度、pH、電導率等)，水質傳感器(pH、溶解氧、電導率、ORP、溫度等)，環境傳感器(風速、風向、光照、雨量、溫濕度、CO2、NH3等)，生物傳感器(葉溫、水勢、經流、果實生長速率等)，視頻信息采信器(多種分辨率攝像頭)。

(2) 傳輸層實驗?？稍鰟h有線或無線采集節點、控制器、網關節點(GPRS/以太網/WiFi接口)等，傳輸層設備自組網，網絡類型可選擇星型網、網狀網、鏈狀網，可選擇支持ZigBee通信協議或農業環境適用的433 MHz自定義協議，亦可自行編寫通信程序。

(3) 應用層實驗。提供中間件與監控中心DEMO程序，輔導學生快速搭建上位機軟件，包括C/S、B/S軟件與云服務架構軟件。軟件開發環境可采用LabVIEW、多種組態軟件，Visual Studio 2005 VC，MFC，.NET Compact Framework、Visual C#、VB等，支持多種數據庫類型。

(4) 控制設備實驗部分?？稍鰟h各種直流設備，如報警燈、繼電器、開關、電磁閥、直流電機等，或者農業生產實際現場的交流用電設備，包括風機、卷簾、卷膜、水泵、水簾、增氧泵、壓縮機等。

(5) 系統集成實驗?？捎糜陔姎忸悓I開放性實驗、SRT項目、大學生挑戰杯項目、國家大學生創新創業訓練計劃項目、畢業設計等。

上述實驗可結合的課程包括：傳感器、測試技術、單片機、控制工程基礎、機電一體化系統設計、工程應用軟件、數據庫、計算機網絡，以及物聯網概論、機器人等選修課程。面向智慧農業的物聯網系統開發與實訓平臺將示教、開發與實訓功能相融合，開放、靈活、二次開發方便，經擴展后亦可面向智能家居、環保監測等物聯網應用教學。

References)

[1] 王志良,閆紀錚,石志國，等.物聯網學科建設與教學實踐探討[J].計算機教育,2012(19):45-49.

[2] 秦懷斌,李道亮,郭理.農業物聯網的發展及關鍵技術應用進展[J].農機化研究,2014,36(4)：246-248.

[3] 嚴璋鵬,彭程.基于物聯網技術的智慧農業實施方案研究[J].西安郵電大學學報,2013,18(4)：105-108.

[4] 施連敏,陳志峰,蓋之華.物聯網在智慧農業中的應用[J].農機化研究,2013,35(6):250-252.

[5] 陳世文.農業物聯網教學系統的探索與研究[J].商,2013(19):306.

[6] 于娜，郭鵬，李乃祥.農業物聯網人才培養模式研究與實踐:以天津農學院為例[J].河北農業大學學報,2014,16(3):37-39.

[7] 朱帥,余小燕.虛擬現實技術在農業物聯網專業教學中的應用[J].科教文匯,2014(25):98-99.

[8] 孫其博,劉杰,黎羴，等.物聯網：概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報,2010,33(3):1-9.

[9] 盧捍華,邵媛媛,孫洪波，等.物聯網發展的標準問題[J].電信科學,2014,30(3):1-4.

[10] 王圣偉,劉剛,馮娟，等.基于消息轉發模式的農業物聯網應用層云計算集成研究[J].中國農業大學學報,2013(4):202-207.

[11] 張偉．面向精細農業的無線傳感器網絡關鍵技術研究[D]．浙江:浙江大學，2013．

[12] 鄭樹泉,王倩,丁志剛.基于Web服務以物為中心的物聯網中間件的研究與設計[J].計算機應用,2013,33(7):2022-2025.

Development of Internet of things system and training platformfacing wisdom agriculture

Zhang Wei1,2, Jiang Yingxu1, Ruan Yanfeng3, Ji Dafu3

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Jiaxing University, Jiaxing 314001, China; 2. Departmentof Information Technology, Yangtze Delta Region Research Institute of Tsinghua University, Zhejiang,Jiaxing 314006, China; 3. Jiaxing HodLia Electronic Technology Co., Ltd, Jiaxing 314001, China)

Considering its influence on the teaching and learning, three structures of agricultural IOT are designed and studied, including the sensing，transportation and application layers, and a series of wireless sensor network nodes are designed, including controlling nodes, control nodes, gateway nodes and GPRS remote terminal unit. Based on above study, the middleware and the DEMO program are also developed. Using this platform, it becomes available to build the agricultural IOT system, including increasing or decreasing the sensors, collection devices, control devices, and all kinds or WSN nodes. And the application software can also be easily developed based on the middleware and DEMO. This system has the open，flexible and convenient characteristics for secondary development, so it is very suitable for IOT teaching，development and practice.

Internet of things (IOT); wisdom agriculture; practice; middleware

2014- 10- 11

浙江省重大科技專項(2013C02014-1)；嘉興市科技計劃項目(2014BY26016)；國家大學生創新創業訓練計劃項目(201310354007)

張偉(1980—)，男，山東沂南，博士，講師，研究方向為農業物聯網、智能測試與傳感網絡.

E-mail：zdwnh@126.com

S126

A

1002-4956(2015)5- 0161- 04