周長(zhǎng)明， 劉 鵬

(成都信息工程學(xué)院 電子工程學(xué)院，四川 成都 610225)

在農(nóng)業(yè)試驗(yàn)田的管理中，需要長(zhǎng)期跟蹤記錄采樣植株的相關(guān)信息。試驗(yàn)田的土壤溫、濕度數(shù)據(jù)以及田間管理中涉及的耕種日期與次數(shù)、施肥量、農(nóng)藥使用量等數(shù)據(jù)，對(duì)于大面積的農(nóng)田管理具有重要的參考價(jià)值[1]。如何準(zhǔn)確、高效、經(jīng)濟(jì)地對(duì)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)田中的采樣植株進(jìn)行標(biāo)定與定位，對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與共享，是提高農(nóng)業(yè)試驗(yàn)田管理和農(nóng)業(yè)信息橫向交流的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

國(guó)內(nèi)外，均已將GPS定位技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備中，測(cè)量土地面積的測(cè)畝儀，以及用于農(nóng)業(yè)大型設(shè)備的導(dǎo)航終端[2]農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。但高精度的GPS定位價(jià)格昂貴，并且現(xiàn)在也沒(méi)有應(yīng)用于試驗(yàn)田植株定位領(lǐng)域的產(chǎn)品。自從云服務(wù)的概念被提出，現(xiàn)已應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。例如農(nóng)場(chǎng)主可直接將他們的數(shù)據(jù)文本上傳至云服務(wù)中，云服務(wù)供應(yīng)商分析這些數(shù)據(jù)，并為農(nóng)場(chǎng)主提供了詳細(xì)的分析報(bào)告[3]。

本文采用GPS和RFID標(biāo)簽協(xié)調(diào)定位的方式，將GPS單點(diǎn)定位轉(zhuǎn)化為GPS的兩點(diǎn)測(cè)距,從而增加了定位的精度，同時(shí)RFID標(biāo)簽還起到標(biāo)記和長(zhǎng)期跟蹤存儲(chǔ)相應(yīng)數(shù)據(jù)的作用[4]。引入云服務(wù)技術(shù)，能夠利用云服務(wù)在高效計(jì)算、海量存儲(chǔ)等方面的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)嵌入式終端在數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面的局限性，降低終端的成本。同時(shí)依靠云服務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范和統(tǒng)一，增強(qiáng)了農(nóng)業(yè)試驗(yàn)田數(shù)據(jù)的共享率，以提高試驗(yàn)田管理的自動(dòng)化水平。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

開發(fā)試驗(yàn)田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，根據(jù)試驗(yàn)田數(shù)據(jù)采集的實(shí)際要求，農(nóng)業(yè)試驗(yàn)田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由分布于試驗(yàn)田中的RFID電子標(biāo)簽，集成了ZigBee模塊的土壤溫、濕度傳感器節(jié)點(diǎn)和手持式采集終端。為了滿足便攜及一定的運(yùn)算能力的要求，以ARM-Linux作為手持式終端的軟硬件基礎(chǔ)，并集成了4個(gè)模塊，分別是ZigBee協(xié)調(diào)器模塊、GPS模塊、RFID讀寫模塊和GPRS模塊。

ZigBee協(xié)調(diào)器模塊用于協(xié)調(diào)管理試驗(yàn)田中的溫、濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)工作，并通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集存儲(chǔ)于傳感器節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)；GPS模塊和試驗(yàn)田中安放的RFID電子標(biāo)簽構(gòu)成系統(tǒng)的定位基礎(chǔ)，通過(guò)RFID電子標(biāo)簽對(duì)采樣植株標(biāo)定及相應(yīng)數(shù)據(jù)的物理存儲(chǔ)，通過(guò)GPS和RFID電子標(biāo)簽的組合定位，實(shí)現(xiàn)采樣植株的定位查找。GPRS模塊用于終端連接云服務(wù)器，并將實(shí)時(shí)的GPS數(shù)據(jù)和捕獲的RFID標(biāo)簽信息發(fā)送給云服務(wù)器,用以對(duì)試驗(yàn)田數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存。

通過(guò)嵌入式QT軟件設(shè)計(jì)的終端人機(jī)交互界面完成數(shù)據(jù)交互工作，通過(guò)特定的數(shù)據(jù)命令設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)終端從云服務(wù)獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。帶有ZigBee模塊的傳感器節(jié)點(diǎn)，按要求定時(shí)采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)收到終端的傳輸數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，將數(shù)據(jù)借助終端提交給云服務(wù)器。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

1.2 云服務(wù)實(shí)現(xiàn)機(jī)制

試驗(yàn)田數(shù)據(jù)采集終端通過(guò)用戶API接口連接到云服務(wù)平臺(tái)，終端在通過(guò)系統(tǒng)用戶驗(yàn)證后，可以應(yīng)用云服務(wù)平臺(tái)中的各種程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種要求。具體實(shí)現(xiàn)機(jī)制如圖2所示。

1.3 采樣植株定位設(shè)計(jì)

在由GPS與RFID電子標(biāo)簽相結(jié)合的定位方式中，RFID電子標(biāo)簽分為基礎(chǔ)標(biāo)簽和隨機(jī)標(biāo)簽兩類?；A(chǔ)標(biāo)簽需要前期安放，將其確切位置信息測(cè)定后存入云服務(wù)平臺(tái)，作為GPS定位的坐標(biāo)參考。而隨機(jī)標(biāo)簽在選擇植株時(shí)安放，標(biāo)簽的位置信息由終端自動(dòng)傳送至云服務(wù)平臺(tái)。

圖1 系統(tǒng)框架圖

圖2 系統(tǒng)的云服務(wù)實(shí)現(xiàn)機(jī)制

云服務(wù)程序會(huì)綜合終端發(fā)來(lái)的GPS定位信息，并讀取的RFID標(biāo)簽信息，繪制試驗(yàn)田的RFID分布圖，實(shí)時(shí)指示終端在RFID分布圖中的位置。運(yùn)動(dòng)距離的獲得首先要將GPS的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系變化值[5],綜合考慮地塊坡度和GPS影響參數(shù)，并借助RFID電子標(biāo)簽的讀取距離確定標(biāo)簽的位置。植株定位原理如圖3所示。

圖3 植株定位原理圖

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)

2.1 終端硬件設(shè)計(jì)與開發(fā)

終端的硬件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，由主控核心板和各功能模塊共同構(gòu)成。主控核心板與各功能模塊通過(guò)串口的方式進(jìn)行通信，LCD觸摸屏作為頁(yè)面顯示和數(shù)據(jù)的交互媒介,硬件配以統(tǒng)一的電源為各部分供電。

主控核心板采用SamsungS3C6410處理器,主頻為 533 MHz,內(nèi)存為 256 MB,Nand-Flash為512 MB。能夠滿足通用操作系統(tǒng)需求，并帶LCD、觸摸屏、串行通信等接口，不需要額外擴(kuò)展。GPRS模塊采用華為GTM900-C模塊，它支持標(biāo)準(zhǔn)及增強(qiáng)的AT命令，能夠提供最高可達(dá)85.6 kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足本設(shè)計(jì)對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸速率的需求。GPS模塊采用CS-91模塊，它采用差分定位方式，定位精度小于5 m，重新捕獲時(shí)間小于0.1 s。RFID讀寫模塊選用AS3991模塊,多卡讀取,穩(wěn)定讀取距離小于1.5 m。通過(guò)設(shè)置基礎(chǔ)標(biāo)簽后，GPS的兩點(diǎn)定位精度小于1 m。ZigBee協(xié)調(diào)器模塊采用REX3U模塊，此模塊自帶ZigBee協(xié)議棧，有效距離400 m。

2.2 云終端軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)

終端的操作系統(tǒng)選擇嵌入式Linux操作系統(tǒng)。嵌入式Linux系統(tǒng)源代碼開放，具有良好的網(wǎng)絡(luò)功能、安裝簡(jiǎn)便、管理相對(duì)靈活，并配有許多成熟的驅(qū)動(dòng)程序，可用于公共外設(shè)。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)首先要完成基礎(chǔ)配置，主要包括系統(tǒng)引導(dǎo)程序UBOOT的移植，內(nèi)核和文件系統(tǒng)的配置。

由于終端采用模塊化設(shè)計(jì)，串口通信在本終端的設(shè)計(jì)中處于重要的位置，因此要對(duì)多個(gè)串口驅(qū)動(dòng)分別編寫。S3C6410處理器帶有4個(gè)UART接口，能夠滿足本設(shè)計(jì)的需求，無(wú)需串口擴(kuò)展。串口驅(qū)動(dòng)采用字符類型的驅(qū)動(dòng)，主要實(shí)現(xiàn)_UART_DRY、_SERIAL_PORT、_SERIAL_OPS 3個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。_UART_DRY數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)串口注冊(cè)，_SERIAL_PORT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)串口參數(shù)的設(shè)置，_SERIAL_OPS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)串口的各種操作。

以嵌入式QT開發(fā)的終端交互界面包含：試驗(yàn)田基本數(shù)據(jù)模塊、試驗(yàn)田管理模塊、RFID標(biāo)簽?zāi)K、試驗(yàn)田溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊、定位索引模塊5個(gè)功能模塊。各功能模塊通過(guò)向云服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)和定位索引圖。

2.3 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)終端集成的ZigBee協(xié)調(diào)器模塊與傳感器節(jié)點(diǎn)以星型的結(jié)構(gòu)構(gòu)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[6-7]，在終端進(jìn)行采集試驗(yàn)田溫、濕度時(shí)，獲得溫、濕度傳感器的采集數(shù)據(jù)。因此系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)不但要集成ZigBee發(fā)射模塊，同時(shí)節(jié)點(diǎn)自身要具有定時(shí)采集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能，為此在傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)中增加了存儲(chǔ)器件。

傳感器節(jié)點(diǎn)軟件的工作流程會(huì)按照設(shè)定的模式，在固定時(shí)間點(diǎn)，通過(guò)傳感器獲得溫濕度數(shù)據(jù)，并保存在節(jié)點(diǎn)中。傳感器節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，只有在接收到終端的協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的命令后，才會(huì)將保存的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，并進(jìn)一步通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳回云服務(wù)器。

2.4 數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)通信中以特定的命令區(qū)分不同的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，每一個(gè)數(shù)據(jù)請(qǐng)求都需要一個(gè)相應(yīng)的命令，依據(jù)終端發(fā)出不同的命令，云服務(wù)平臺(tái)做出相應(yīng)的反應(yīng)，為終端提供所需要的各種服務(wù)。數(shù)據(jù)傳輸命令分為登錄、圖形傳輸、定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)让钚问健Ｍㄐ胖械臄?shù)據(jù)消息包括消息頭和消息體兩部分，消息頭主要說(shuō)明數(shù)據(jù)類型以及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。消息體則是具體的數(shù)據(jù)內(nèi)容。消息頭的字段描述符、字段類型、字節(jié)數(shù)和用途如表1所示。

表1 消息頭的定義表

3 云服務(wù)模擬及系統(tǒng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，對(duì)云服務(wù)器上運(yùn)行的系統(tǒng)應(yīng)用程序進(jìn)行了模擬，包括相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、數(shù)據(jù)處理及溫濕度曲線的繪制程序、植株定位索引圖的生成程序，以及模擬服務(wù)器與終端的各種交互命令的設(shè)置。

根據(jù)終端上傳的GPS實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)模擬云服務(wù)器采樣植株定位索引程序,并綜合參考標(biāo)簽的位置信息，結(jié)合多種影響因素及地塊基本信息，生成實(shí)驗(yàn)區(qū)塊RFID分布及定位索引圖,如圖4所示。

圖4 RFID分布及定位索引圖

此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠滿足試驗(yàn)田對(duì)于數(shù)據(jù)采集的需求，降低了系統(tǒng)開發(fā)的成本。此系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的組合定位方式也可以用于機(jī)器人定位等其他領(lǐng)域?qū)τ跀U(kuò)展云服務(wù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用做了有益嘗試。

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