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(西安航天自動(dòng)化股份有限公司，陜西 西安 710065)

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

李孟，王季壯，田雨，高成

(西安航天自動(dòng)化股份有限公司，陜西 西安 710065)

物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相結(jié)合產(chǎn)生的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，可以有效地提高中國(guó)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化水平，改善目前粗放式的農(nóng)業(yè)管理方式。但是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)復(fù)雜多變的環(huán)境給物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)用帶來(lái)了諸多問(wèn)題。網(wǎng)關(guān)作為物聯(lián)網(wǎng)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，提高網(wǎng)關(guān)的性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，可以有效地提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。介紹了一種設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的思路和方法，通過(guò)軟硬件的模塊化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了網(wǎng)關(guān)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的適應(yīng)性，為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供可靠穩(wěn)定的服務(wù)。

農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)關(guān)；模塊

0 引言

農(nóng)業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合而產(chǎn)生的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，可以有效地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。為了適應(yīng)農(nóng)業(yè)復(fù)雜多變的生產(chǎn)環(huán)境，可以適應(yīng)多種環(huán)境的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)就顯得十分重要，做為物聯(lián)網(wǎng)的核心設(shè)備，可靠穩(wěn)定的網(wǎng)關(guān)可以有效提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性，同時(shí)也可以提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。介紹一種網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)思路和方法，采用模塊化的軟硬件結(jié)構(gòu)以提高網(wǎng)關(guān)的適應(yīng)性，從而滿足農(nóng)業(yè)多種多樣的生產(chǎn)生活環(huán)境。

1 物聯(lián)網(wǎng)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

物聯(lián)網(wǎng)即“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。它將傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)中的用戶擴(kuò)大到了任何物體之間，使之可以進(jìn)行通信和信息的共享。因此，物聯(lián)網(wǎng)可以被定義為通過(guò)射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1]。

中國(guó)一直是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，用占世界9%的耕地養(yǎng)活了世界22%的人口，但是這樣的成就是在大量使用農(nóng)藥化肥，消耗大量水資源，對(duì)土地進(jìn)行嚴(yán)重透支的粗放式管理模式下取得的。它所帶來(lái)的水土流失、生態(tài)環(huán)境惡化和生物多樣性損失等不良影響也日益明顯。在這樣的情況下，物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)相結(jié)合的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)為農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展指出了一條光明道路。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比而言最大的特點(diǎn)是以高新技術(shù)和合理管理?yè)Q來(lái)了對(duì)資源的最優(yōu)利用。它是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的系統(tǒng)工程，讓中國(guó)的農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)低能耗、高效、優(yōu)質(zhì)和環(huán)保等目標(biāo)，是世界農(nóng)業(yè)發(fā)展新的趨勢(shì)。

但是，在實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，物聯(lián)網(wǎng)在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中面臨著地形多變、農(nóng)作物種類繁多和種植面積大等問(wèn)題，傳統(tǒng)的有線方式無(wú)法適應(yīng)和滿足復(fù)雜多變的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，因此，需要更加靈活可靠的組網(wǎng)方式，用于滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的各種現(xiàn)場(chǎng)條件。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，是物聯(lián)網(wǎng)的核心設(shè)備之一，增強(qiáng)網(wǎng)關(guān)對(duì)各種現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)能力，可以有效地提高復(fù)雜環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)生存能力。

2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代將會(huì)扮演非常重要的角色，它將成為連接感知網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的紐帶[2-4]。一般情況下，物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)可分為：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。網(wǎng)關(guān)是連接感知層與網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵設(shè)備。感知層獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)層，最終傳輸至應(yīng)用層，用戶方可從應(yīng)用層獲取需要的信息。同樣，用戶下發(fā)的指令也需要通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳輸至感知層的設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。網(wǎng)關(guān)的另一項(xiàng)重要功能是進(jìn)行協(xié)議的轉(zhuǎn)換。由于感知層的設(shè)備之間使用的通信協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)層并不總是保持一致，這就需要網(wǎng)關(guān)對(duì)感知層上傳的數(shù)據(jù)或者網(wǎng)絡(luò)層下發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議格式的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)的透明傳輸。通過(guò)網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互連，從而增強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的適應(yīng)性。

物聯(lián)網(wǎng)的一種典型應(yīng)用如圖1所示。從圖1可以看出，網(wǎng)關(guān)處于通信的中間環(huán)節(jié)，是連接底層感知層與上層應(yīng)用的關(guān)鍵，網(wǎng)關(guān)可以與多個(gè)節(jié)點(diǎn)建立連接，也可以連接不同的網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)性能的好壞對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能有很大的影響。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用

3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

3.1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)組成

從物理模塊上劃分，網(wǎng)關(guān)通常由以下幾種類型的模塊共同構(gòu)成，網(wǎng)關(guān)的物理模塊之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 物理模塊

3.1.1 路由器

此處的路由器負(fù)責(zé)與感知層的設(shè)備通信。感知層設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)將全部發(fā)送至路由器，隨后交給網(wǎng)關(guān)的核心板進(jìn)行分析和處理。路由器與核心板之間可以通過(guò)串口以太網(wǎng)和USB等方式連接和交換數(shù)據(jù)，除此之外，路由器與核心模塊之間沒(méi)有其他接口，從而最大限度地降低這2個(gè)模塊之間的耦合程度。當(dāng)感知層使用的網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化時(shí)，只需要更換相應(yīng)的路由器即可。例如，感知層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議由ZigBee協(xié)議更換為RuBee協(xié)議時(shí)，只需要將原有的ZigBee協(xié)議路由器更換為RuBee協(xié)議路由器，同時(shí)更改核心模塊中的數(shù)據(jù)解析處理模塊，即可完成不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。這種設(shè)計(jì)可以大幅度提高網(wǎng)關(guān)的接入能力。核心模塊中的數(shù)據(jù)解析處理模塊在后續(xù)會(huì)進(jìn)行討論。

3.1.2 傳輸模塊

由于網(wǎng)關(guān)需要適應(yīng)不同的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，因此，傳輸模塊需要支持不同的傳輸方式，如以太網(wǎng)、WIFI、GPRS和3G等。傳輸模塊與路由器和核心模塊之間可以通過(guò)串口、以太網(wǎng)和USB等方式進(jìn)行連接，除此之外沒(méi)有其他的接口，從而降低傳輸模塊與路由器和核心模塊之間的耦合程度。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸方式發(fā)生變化時(shí)，只需要根據(jù)物理接口更換傳輸模塊即可。由于傳輸模塊的工作負(fù)荷較大，這樣的設(shè)計(jì)在出現(xiàn)故障時(shí)也可以很方便地進(jìn)行更換。

3.1.3 核心模塊

核心模塊負(fù)責(zé)處理從感知層接收到的數(shù)據(jù)。一般情況下，從感知層獲取的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行處理之后才能供用戶使用。例如將采集到的傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為用戶可以直接識(shí)別的溫度和濕度等信息，并根據(jù)網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)層的通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)封裝為符合數(shù)據(jù)格式的消息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送至應(yīng)用層。

數(shù)據(jù)的處理可以在網(wǎng)關(guān)進(jìn)行，也可在應(yīng)用層進(jìn)行，但是，數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)處理可以盡可能早地發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常。當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，可向感知層的傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)重傳命令，重新采集數(shù)據(jù)并發(fā)送，在糾正錯(cuò)誤的同時(shí)保證實(shí)時(shí)性。與此同時(shí)，網(wǎng)關(guān)可以將采集到的數(shù)據(jù)寫入本地日志中，對(duì)出現(xiàn)異常的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記，為日后調(diào)試和故障的分析處理提供第一手資料。

3.1.4 顯示模塊

顯示模塊即用于將采集到的數(shù)據(jù)顯示在網(wǎng)關(guān)的顯示屏上，向用戶顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)的運(yùn)行情況。用戶可以從顯示屏上直觀地了解網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)。

由于農(nóng)作物種類繁多，生長(zhǎng)的環(huán)境也不同，因此，顯示屏的內(nèi)容可以根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行定制。例如，對(duì)于CO2的濃度，室外大田中不需要采集，但是對(duì)于溫室大棚中的農(nóng)作物而言，適當(dāng)?shù)腃O2濃度可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，此時(shí)對(duì)CO2濃度的監(jiān)測(cè)的顯示就很有必要了。

3.1.5 電源模塊

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是一個(gè)7×24 h工作的設(shè)備，因此，對(duì)于電源有著很高的要求。網(wǎng)關(guān)內(nèi)部各個(gè)模塊的工作電壓也不一定相同，需要將220 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換為各個(gè)模塊所需的電壓。常見(jiàn)的電壓為5 V，但是部分元器件有可能需要12 V的電壓。為了增強(qiáng)網(wǎng)關(guān)對(duì)各種器件的適應(yīng)能力，電源模塊需要提供多種常見(jiàn)的工作電壓。

通常網(wǎng)關(guān)使用220 V的標(biāo)準(zhǔn)電源供電，但是在特殊條件下，無(wú)法為網(wǎng)關(guān)提供220 V的電源，網(wǎng)關(guān)需要支持其他供電方式，如通過(guò)太陽(yáng)能電池板提供電能，或者其他方式。因此，在網(wǎng)關(guān)中增加了蓄電池，以備停電時(shí)為網(wǎng)關(guān)中的各個(gè)模塊提供電能，同時(shí)也可以儲(chǔ)備太陽(yáng)能等其他形式提供的電能，保證網(wǎng)關(guān)持續(xù)穩(wěn)定工作。

3.2 網(wǎng)關(guān)模塊組成

從軟件上劃分，網(wǎng)關(guān)可以劃分為以下幾個(gè)模塊，模塊之間的關(guān)系如圖3所示。

3.2.1 數(shù)據(jù)匯聚模塊

網(wǎng)關(guān)可以處理多個(gè)節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)可以從屬于不同的網(wǎng)絡(luò)，不同的網(wǎng)絡(luò)有唯一的網(wǎng)絡(luò)ID。網(wǎng)關(guān)將不同網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯集到一起，為接下來(lái)的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)功能提供數(shù)據(jù)。

圖3 軟件模塊

3.2.2 處理/存儲(chǔ)模塊

處理/存儲(chǔ)模塊是網(wǎng)關(guān)軟件的核心模塊。匯集到網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)通過(guò)這一模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。不同網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)會(huì)有不同的結(jié)構(gòu)，通過(guò)處理/存儲(chǔ)模塊轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的格式，或者用戶可以直接理解的數(shù)據(jù)，如協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)包格式或者將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為用戶可以直觀理解的數(shù)據(jù)等。

3.2.3 接入模塊

由于網(wǎng)關(guān)可以與不同的網(wǎng)絡(luò)連接，不同的網(wǎng)絡(luò)會(huì)有不同的通信協(xié)議，如ZigBee網(wǎng)絡(luò)，ISA100網(wǎng)絡(luò)，WirelessHart網(wǎng)絡(luò)等，網(wǎng)關(guān)的接入模塊可以對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，獲取正確的數(shù)據(jù)包，從而進(jìn)行進(jìn)一步的處理。接入模塊同時(shí)承擔(dān)著數(shù)據(jù)接收到發(fā)送的功能。

3.2.4 地址轉(zhuǎn)換模塊

不同的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)使用不同的編址方式如ZigBee中有16位短地址，ISA100中既有16位的地址，也有128位的地址。在實(shí)際的應(yīng)用中，網(wǎng)關(guān)只需通過(guò)地址找到相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)即可，網(wǎng)關(guān)不必關(guān)心地址是16位還是128位，也不關(guān)心網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式。網(wǎng)關(guān)將這些不同地址的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的地址格式，并建立相應(yīng)的映射關(guān)系，從而簡(jiǎn)化上層應(yīng)用的開發(fā)。映射可以采用地址->ID的方式，將不同類型的地址映射為統(tǒng)一的ID，并采用老化機(jī)制，如果一個(gè)ID在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到數(shù)據(jù)，則將此映射關(guān)系刪除。

3.2.5 數(shù)據(jù)映射模塊

在管理網(wǎng)關(guān)連接的2種或多種網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備時(shí)，建立設(shè)備在通信中的映射關(guān)系，即建立尋址功能，是網(wǎng)關(guān)向上層應(yīng)用提供的一項(xiàng)重要服務(wù)。網(wǎng)關(guān)對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)以及不同網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備建立映射表，同時(shí)對(duì)不同格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，可以有效地簡(jiǎn)化上層應(yīng)用的復(fù)雜程度。

4 結(jié)束語(yǔ)

介紹一種農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的硬件與軟件的設(shè)計(jì)，通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)，使得網(wǎng)關(guān)可以適應(yīng)實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中復(fù)雜多變的環(huán)境，并且，也支持多種網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)的接入，從而擴(kuò)大了網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用范圍。同時(shí)，通過(guò)模塊的劃分，為上層應(yīng)用的開發(fā)提供了良好的支持。

[1] 田美花.基于RFID技術(shù)的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2007.

[2] 黃海昆，鄧佳佳.物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)與應(yīng)用[J].電信科學(xué)，2010，26(4):20-21.

[3] Alcaraz C，Najera P，Lopez J.Wireless sensor networks and thd Internet of things： do we need a complete intergation[EB/OL].[2010-12-01].http：//www.isac.uma.es/seciot10/files/pdf/alcaraz_seciot10_paper.pdf

[4] Oleshchuk V.Internet of things and privacy preserving technologies[C]//Wireless Communication，2007：336-337.

Design of Gateway in the Internet of Things of Agriculture

LIMeng，WANGJizhuang，TIANYu，GAOCheng

( Xi’an Aerospace Automation Co.，Ltd.,Xi’an 710065,China)

Precision agriculture is producted by combination of the Internet of things and Traditional agricultre.It can improve the level of modernization of agriculture of our country and the level of the agriculture management.But the application of agricultural production activities and complex environment for the Internet of things has brought many problems.In the Internet of things，the gateway is a key device.Improve the performance of the gateway and the ability to adapt to the environment can improve the reliability and stability of the whole network effectively.This paper introduces one opinion and method of design of agricultural IOT gateway，through the modular design of hardware and software，to enhance the adaptability of gateway on agricultural activities，provide reliable service for agriculture iot.

agriculture；Internet of things;gateway;mdule

2014-08-07

TP273

A

1001-2257(2014)12-0047-03

李孟(1987-)，男，陜西禮泉人，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)；王季壯(1983-)，男，陜西西安人，工程師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)智能化設(shè)備開發(fā)。