基于阿里云的智慧糧倉監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)*

李 林

（開封大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 開封 475000）

0 引言

根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)Meticulous Research預(yù)測，到2027年，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模將達(dá)到327.5億美元，2019年到2027年的年復(fù)合增長率為15.2%。目前，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行了推廣，這在一定程度上提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平。《中共河南省委關(guān)于制定河南省國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二○三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》指出，打好糧食生產(chǎn)王牌，扛穩(wěn)糧食安全重任，完善糧食儲備體制機(jī)制，提升儲備應(yīng)急能力[1]。

本課題以開封市為例，針對開封市糧食儲藏的現(xiàn)狀，開發(fā)了一套更適合開封市糧食儲藏的，具有高可靠性、安全性、靈活性、可擴(kuò)展性、易操作性的軟硬件結(jié)合的基于阿里云的智慧糧倉監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)程實(shí)時收集糧食儲藏環(huán)境的溫度、濕度、二氧化碳濃度等數(shù)據(jù)信息，監(jiān)視糧倉情況，提供精準(zhǔn)的科研實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，達(dá)到提高糧食儲藏質(zhì)量的目的，從而引領(lǐng)開封市糧食儲藏方式的轉(zhuǎn)變與發(fā)展，促進(jìn)企業(yè)增收。

1 總體方案設(shè)計

通過分析開封市糧食儲藏特征和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，設(shè)計方案基于設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基本工作流程。圍繞物聯(lián)網(wǎng)“全面感知、可靠傳送、智能處理”三層結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，方案的實(shí)施分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個層次。

2 感知層設(shè)計

感知層的傳感器節(jié)點(diǎn)作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺，具有端節(jié)點(diǎn)和路由雙重功能：一方面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理；另一方面，將數(shù)據(jù)融合，經(jīng)多跳路由傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)或其他通信網(wǎng)絡(luò)傳送給觀察者。

感知層節(jié)點(diǎn)設(shè)計原則如下：

1）低功耗（更換一次電池的使用時間盡量長）。設(shè)計中從硬件和軟件兩個方面降低功耗，硬件上盡可能使用低電壓、低功耗的芯片；軟件上可以添置電源管理功能，合理分配能量。

2）良好的射頻性能。同等條件下射頻性能強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)能力強(qiáng)，通信距離也較大。

3）小體積。節(jié)點(diǎn)體積要小，對檢測的目標(biāo)體系不構(gòu)成影響，便于部署。

4）低成本。節(jié)點(diǎn)模塊不能太多且不能太復(fù)雜。

5）可擴(kuò)展性。采用模塊化設(shè)計，根據(jù)不同的需要添加不同的功能模塊，比如，傳感器模塊可以做一個通用口。

感知層選用溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器和二氧化碳傳感器組成數(shù)據(jù)采集器，網(wǎng)關(guān)接電，協(xié)調(diào)器連接網(wǎng)關(guān)繼電器，數(shù)據(jù)采集器連接協(xié)調(diào)器。數(shù)據(jù)采集器用于獲取各項環(huán)境數(shù)據(jù)，繼電器用于控制各個回路上的設(shè)備的開關(guān)。

3 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計

該層設(shè)計采用有線光纖網(wǎng)絡(luò)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的傳輸方式。利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的TCP/IP協(xié)議，以及ZigBee、WIFI、MQTT等短距離無線傳輸技術(shù)，根據(jù)糧倉實(shí)際需要，選擇最優(yōu)傳輸方式，降低通信開銷，提高連接質(zhì)量。

采用ZigBee協(xié)議把傳感器信息傳遞到網(wǎng)關(guān)，該協(xié)議的優(yōu)勢在于自組網(wǎng)能力，最多支持65 000個設(shè)備組網(wǎng)。對于智慧農(nóng)業(yè)來說，ZigBee協(xié)議還有一個寶貴的優(yōu)點(diǎn)，就是它的安全性很高，至今全球尚未出現(xiàn)一起破解先例。

阿里云平臺接收底層數(shù)據(jù)采用MQTT協(xié)議，該協(xié)議是基于TCP/IP協(xié)議棧構(gòu)建的異步通信消息協(xié)議[2]，是一種輕量級的發(fā)布、訂閱信息傳輸協(xié)議。可在不可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行擴(kuò)展，適用于設(shè)備硬件存儲空間或網(wǎng)絡(luò)帶寬有限的場景。使用MQTT協(xié)議，消息發(fā)送者與接收者不受時間和空間的限制。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺支持設(shè)備使用MQTT協(xié)議接入[3]。

4 應(yīng)用層設(shè)計

4.1 上位機(jī)設(shè)計

選擇c#上位機(jī)，通過設(shè)計與開發(fā)保證用戶的良好體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程管理，可實(shí)現(xiàn)對整個糧倉監(jiān)測數(shù)據(jù)的長期記錄，獲取系統(tǒng)監(jiān)測的實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)，并能夠通過接口實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制[4]。

4.1.1 上位機(jī)功能性需求

上位機(jī)功能主要分為三大部分：糧倉的管理、WSN監(jiān)測模塊、上傳阿里云。

1）糧倉的管理模塊功能：主要實(shí)現(xiàn)糧倉的實(shí)時視頻監(jiān)控與糧食入庫、出庫的管理。

2）WSN監(jiān)測模塊功能：主要實(shí)現(xiàn)糧倉環(huán)境參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測。

3）上傳阿里云模塊功能：主要實(shí)現(xiàn)把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)上傳云平臺。

4.1.2 網(wǎng)關(guān)連接模塊

網(wǎng)關(guān)是將ZigBee傳輸節(jié)點(diǎn)進(jìn)行接入，通過它實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的信息采集、信息輸入、信息輸出、集中控制、遠(yuǎn)程控制、聯(lián)動控制等功能。并通過上行接口（WIFI接口、FE接口、GPRS接口）將信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂圃贫说脑O(shè)備。

調(diào)用GateWay對象的Connect()方法建立通道，如果建立成功，則GateWay的Connetct方法返回值為true，反之，則為false。

調(diào)用GateWay對象的DisConnect()方法斷開，如果斷開成功，則GateWay的DisConnetct方法返回值為true，反之，則為false。

4.1.3 糧倉實(shí)時監(jiān)測模塊

1）溫濕度實(shí)時監(jiān)測。設(shè)備類型0x31，數(shù)據(jù)位0，1為溫度值，數(shù)據(jù)位2，3為濕度值；數(shù)據(jù)位4固定值為OxFF。其中，數(shù)據(jù)位0，1通過[數(shù)據(jù)位0*256+數(shù)據(jù)位1)/100]算出空氣溫度整數(shù)部分值，數(shù)據(jù)位0，1通過[數(shù)據(jù)位0*256+數(shù)據(jù)位1)%100]算出空氣溫度小數(shù)部分值；數(shù)據(jù)位2，3通過[數(shù)據(jù)2*256+數(shù)據(jù)位3)/100]算出空氣濕度整數(shù)部分值，數(shù)據(jù)位2，3通過[數(shù)據(jù)位2*256+數(shù)據(jù)位3)%100]算出空氣濕度小數(shù)部分值。核心代碼如下：

2）二氧化碳實(shí)時監(jiān)測。設(shè)備類型0x33，數(shù)據(jù)位0，1為二氧化碳濃度值，數(shù)據(jù)位2，3，4固定為OxFF。其中，數(shù)據(jù)位0，1通過[數(shù)據(jù)位為0*256+數(shù)據(jù)位]計算出二氧化碳濃度值。核心代碼如下：

3）光照強(qiáng)度實(shí)時監(jiān)測。設(shè)備類型0x34，數(shù)據(jù)位0，1為光照強(qiáng)度，數(shù)據(jù)位2，3，4固定為OxFF。其中，數(shù)據(jù)位0，1通過[數(shù)據(jù)位為0*256+數(shù)據(jù)位]計算出光照強(qiáng)度值。核心代碼如下：

糧倉實(shí)時監(jiān)測模塊如圖1所示。

圖1 智慧糧倉上位機(jī)實(shí)時監(jiān)測圖

4.2 物聯(lián)網(wǎng)云平臺系統(tǒng)部署

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺是一個集成了設(shè)備管理、數(shù)據(jù)安全通信和消息訂閱等功能的一體化平臺。向下支持連接海量設(shè)備，采集設(shè)備數(shù)據(jù)上云；向上提供云端API，服務(wù)端可通過調(diào)用云端API將指令下發(fā)至設(shè)備端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

設(shè)備上報數(shù)據(jù)到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。1）創(chuàng)建產(chǎn)品與設(shè)備：在物聯(lián)網(wǎng)平臺上為設(shè)備注冊一個身份，獲取 設(shè) 備 證 書 信 息 （ProductKey、DeviceName和DeviceSecret）。該證書信息將燒錄到設(shè)備上，用于設(shè)備連接物聯(lián)網(wǎng)平臺時，進(jìn)行身份認(rèn)證。2）為產(chǎn)品定義物模型：可以從屬性、服務(wù)和事件三個維度定義產(chǎn)品功能。物聯(lián)網(wǎng)平臺根據(jù)所定義的功能構(gòu)建出產(chǎn)品的數(shù)據(jù)模型，用于云端與設(shè)備端進(jìn)行指定數(shù)據(jù)通信。3）建立設(shè)備與平臺的連接：開發(fā)設(shè)備端SDK，傳入設(shè)備的證書信息，將設(shè)備連接到物聯(lián)網(wǎng)平臺，使設(shè)備激活。4）服務(wù)端訂閱設(shè)備消息：服務(wù)端通過訂閱消息類型，接收設(shè)備相關(guān)消息，如設(shè)備上下線通知、設(shè)備生命周期變更、設(shè)備上報消息等。5）云端下發(fā)指令：使用物聯(lián)網(wǎng)平臺的在線調(diào)試功能，從控制臺下發(fā)指令到設(shè)備端。

使用MQTT協(xié)議把數(shù)據(jù)上傳到阿里云，核心代碼如下：

5 結(jié)果與分析

有效的測試是質(zhì)量控制中非常重要的環(huán)節(jié)。由于該系統(tǒng)是一個復(fù)雜的工程，實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容非常多，測試正是反映工程質(zhì)量的最有效途徑之一，也是保證項目質(zhì)量的重要手段之一，所以必須嚴(yán)格執(zhí)行測試流程和規(guī)范。為保障平臺各項功能正常運(yùn)行，使得平臺性能達(dá)到最優(yōu)，使用有Win7以上操作平臺配置的計算機(jī)，分別采用搜狗和IE瀏覽器對上位機(jī)環(huán)境監(jiān)測模塊和云平臺模塊等功能進(jìn)行逐一測試。測試顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞延遲低于5 000 ms；數(shù)據(jù)監(jiān)測準(zhǔn)確率達(dá)99%；數(shù)據(jù)監(jiān)測實(shí)時性延遲3 000 ms。運(yùn)行結(jié)果表明，平臺各項功能均可以正常運(yùn)行。

6 結(jié)束語

通過構(gòu)建基于阿里云的智慧糧倉監(jiān)測系統(tǒng)，可以很好地改變傳統(tǒng)糧倉信息采集模式。通過農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)測量糧倉的環(huán)境參數(shù)，并把數(shù)據(jù)上傳到阿里云平臺，助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化、科學(xué)化管理，從而提高儲糧品質(zhì)，使糧食產(chǎn)品在市場上贏得更好的聲譽(yù)。