韓鵬輝

（河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州450000）

隨著互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)在我國(guó)的飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的融合越來(lái)越多。食用菌產(chǎn)業(yè)也順勢(shì)而為，從原來(lái)的線下銷售轉(zhuǎn)型為線上的電子交易，出現(xiàn)了許多食用菌電子商務(wù)網(wǎng)站[1]。

食用菌智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是將物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云平臺(tái)等先進(jìn)科技與食用菌產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，提供智能化的食用菌育種、種植氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)；建立機(jī)電一體化的食用菌生產(chǎn)大棚管理方案；共享食用菌電子商務(wù)、溯源、產(chǎn)品銷售展示等云端數(shù)據(jù)和信息，從而形成一整套智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案[2]。其核心是利用了物聯(lián)網(wǎng)的“物-物相聯(lián)”技術(shù)，將傳感器、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)等軟硬件技術(shù)進(jìn)行集成，統(tǒng)一數(shù)據(jù)和信息的管理及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化地食用菌信息整合。

應(yīng)用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)科技，研究了如何從全產(chǎn)業(yè)鏈的角度為食用菌的電子商務(wù)服務(wù)，設(shè)計(jì)食用菌智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，以便更好地服務(wù)于食用菌產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)食用菌電子商務(wù)的需求，食用菌產(chǎn)業(yè)的智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程客戶端、監(jiān)控系統(tǒng)等組成。幾個(gè)主要的功能模塊均基于嵌入式Web 服務(wù)器開(kāi)展設(shè)計(jì)。嵌入式數(shù)據(jù)采集終端負(fù)責(zé)食用菌產(chǎn)業(yè)鏈上的各種數(shù)據(jù)采集；然后將采集數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)Internet 網(wǎng)絡(luò)傳送給遠(yuǎn)程客戶端；監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集和傳輸過(guò)程是否正常，出現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理或調(diào)整。系統(tǒng)各組成部分如圖1 所示。

由圖1 所示，各模塊主要功能如下。

數(shù)據(jù)采集終端：在食用菌育種、生產(chǎn)和物流環(huán)節(jié)的溫度濕度數(shù)據(jù)采集、電子商務(wù)平臺(tái)的客戶信息采集等，這是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心，主要通過(guò)各種溫濕度、氣壓傳感器等硬件設(shè)備來(lái)完成，再通過(guò)傳感器接口上傳原始數(shù)據(jù)，它是監(jiān)控原始數(shù)據(jù)的來(lái)源[3]。

數(shù)據(jù)采集過(guò)程主要有：實(shí)時(shí)采集、預(yù)處理、存儲(chǔ)、按照通信協(xié)議規(guī)定，通過(guò)嵌入式Web 服務(wù)器，將數(shù)據(jù)打包經(jīng)由Internet 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng)。

Internet 傳輸網(wǎng)絡(luò)：Internet 傳輸網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程客戶端和監(jiān)控設(shè)備之間的通信鏈路，是實(shí)現(xiàn)Internet 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)幕A(chǔ)。通信采用GPRS DTU登錄移動(dòng)網(wǎng)關(guān)GGSN 連接遠(yuǎn)程客戶端。

遠(yuǎn)程客戶端：遠(yuǎn)程客戶端主要負(fù)責(zé)將采集數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、接收和匯總。接收監(jiān)控設(shè)備發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、統(tǒng)計(jì)和分析，為智慧農(nóng)業(yè)提供大數(shù)據(jù)支持和輔助決策。

監(jiān)控系統(tǒng)：主要通過(guò)軟件來(lái)完成對(duì)整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的管理和操作，設(shè)計(jì)有系統(tǒng)查詢統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)資料管理、大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)和自動(dòng)預(yù)警等功能。

2 智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要硬件選型

根據(jù)智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)控終端的功能要求，監(jiān)控終端使用深圳市啟點(diǎn)時(shí)代科技有限公司的Embest NXP LPC2378 開(kāi)發(fā)板。該開(kāi)發(fā)板基于Philip（NXP） LPC2378 處理器，內(nèi)部資源豐富，接口種類齊全，非常適合于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

LPC2378 處理器的嵌入式ARM7 開(kāi)發(fā)板使用ARM7TDMI-S 核的高性能32 位RSIC 微處理器，主頻高達(dá)72MHz[4]。片內(nèi)集成4MHz RC 晶振、10/100M以太網(wǎng)帶DMA、PLL 加強(qiáng)型矢量中斷控制器；接口有USB2.0 全速設(shè)備接口、全功能Modem 接口、CAN 2.0B 接口、SD/MMC 記憶卡接口、SPI/SSP 串行接口、I2S 接口和UART 等接口；并且有6 路10 位ADC、4個(gè)32 位捕獲/比較時(shí)鐘、看門狗時(shí)鐘、1 路10 位DAC 和通用I/O，內(nèi)置的PWM 模塊支持3 相馬達(dá)控制、RTC 實(shí)時(shí)鐘帶后備電池，可以有效延長(zhǎng)供電時(shí)間。主芯片功能強(qiáng)大，特提供外圍焊針引線接孔、提供SD/MMC 卡驅(qū)動(dòng)程序，可實(shí)現(xiàn)讀寫卡功能。

選用南京阿達(dá)爾電子科技有限公司生產(chǎn)的ADR-M2310_GPRS Modem 調(diào)制解調(diào)器。該產(chǎn)品采用基于GSM 網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)SIM 大卡、內(nèi)嵌工業(yè)級(jí)的GPRS 模塊，支持標(biāo)準(zhǔn)DB9 串口接口、支持DC5~25V 多重防護(hù)并具有獨(dú)立硬件看門狗和故障自檢自愈功能。

選用Hayes 公司的調(diào)制解調(diào)器，能夠完全支持AT 控制指令集[5]。AT 指令集是數(shù)據(jù)正常通信的很必要控制命令，它包括一組多條設(shè)置命令，例如“設(shè)置模塊串口通信速率、設(shè)置是否自動(dòng)登陸網(wǎng)絡(luò)、設(shè)置當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)情況、設(shè)置IP 地址”等。

3 智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的要求，溫濕度等監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和信息必需通過(guò)終端的傳感器實(shí)時(shí)返回，因此，對(duì)終端傳感器及相關(guān)設(shè)備的實(shí)時(shí)性要求比較高。系統(tǒng)采用了μC/OS-II 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)。嵌入式監(jiān)控終端軟件架構(gòu)如圖2所示。

由圖2 所示，整個(gè)監(jiān)控終端軟件通過(guò)底層的DG驅(qū)動(dòng)、鍵盤驅(qū)動(dòng)、SD 卡驅(qū)動(dòng)、以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)、UART驅(qū)動(dòng)和ADC 驅(qū)動(dòng)等6 個(gè)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成底層硬件的驅(qū)動(dòng)；通過(guò)μC/OS-II 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的同步處理機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)處理，并通過(guò)任務(wù)間的通信與同步機(jī)制來(lái)傳遞數(shù)據(jù)流，有效進(jìn)行操作系統(tǒng)的時(shí)間管理，提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率和實(shí)時(shí)性，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)的實(shí)時(shí)管理和調(diào)度。

而應(yīng)用程序設(shè)計(jì)層則包括了各種通信協(xié)議棧和顯示控制函數(shù)，為客戶端用戶的應(yīng)用程序和底層硬件驅(qū)動(dòng)程序提供接口函數(shù)，編寫各種用戶應(yīng)用程序以滿足不同的系統(tǒng)任務(wù)需求，在智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)中，主要的系統(tǒng)用戶任務(wù)是，傳感器數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)匯總與分析、數(shù)據(jù)的上傳下載、監(jiān)控調(diào)節(jié)指令和人機(jī)交互界面等，要完成這些任務(wù)，應(yīng)用程序需要編寫相應(yīng)的功能模塊。

4 智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議及其實(shí)現(xiàn)

智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)使用的是TCP/IP 協(xié)議，它是一種基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議。按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO） 開(kāi)發(fā)了開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)（OSI） 參考模型。TCP/IP 協(xié)議就是其中的一種參考模型，TCP/IP 沒(méi)有明確區(qū)分接口、服務(wù)和協(xié)議。只有鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層4 個(gè)模型層。鏈路層用于處理與網(wǎng)絡(luò)傳輸媒介之間的物理接口細(xì)節(jié)；網(wǎng)絡(luò)層（也稱互聯(lián)網(wǎng)層） 用于處理分組在網(wǎng)絡(luò)中的活動(dòng)；傳輸層提供應(yīng)用程序通信；應(yīng)用層提供處理應(yīng)用程序的超文本傳輸協(xié)議HTTP、文件傳輸協(xié)議FTP、郵件傳送協(xié)議SMTP 和網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMP 等具體的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

4.1 TCP/IP 的數(shù)據(jù)封裝和解析

在智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中，處理器按照TCP/IP 協(xié)議的規(guī)定，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝，使其從最初的應(yīng)用數(shù)據(jù)包變成最后在以太網(wǎng)中傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)幀。數(shù)據(jù)報(bào)的封裝過(guò)程如圖3 所示。

由圖3 可知，在數(shù)據(jù)包的具體封裝過(guò)程中，用戶數(shù)據(jù)首先加上了用來(lái)區(qū)分不同應(yīng)用功能的應(yīng)用層協(xié)議首部，使之成為應(yīng)用數(shù)據(jù)包；然后再在應(yīng)用數(shù)據(jù)包的首部加上包括了TCP 端口號(hào)、序號(hào)以及確認(rèn)號(hào)等標(biāo)識(shí)和控制信息的TCP 首部，把應(yīng)用數(shù)據(jù)包變成TCP 數(shù)據(jù)包；接下來(lái)在TCP 數(shù)據(jù)包前端加入IP首部，IP 首部包含源站IP 地址、目的站IP 地址、協(xié)議類型以及服務(wù)類型等信息；最后在IP 數(shù)據(jù)包前面加上以太網(wǎng)幀首部，使數(shù)據(jù)包包括了源端與目的端的MAC 地址、幀類型、校驗(yàn)碼信息，就完成了數(shù)據(jù)的封裝工作，使原始數(shù)據(jù)包成為一個(gè)完整的以太網(wǎng)幀。

智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的TCP/IP 數(shù)據(jù)解析過(guò)程是將應(yīng)用數(shù)據(jù)按照TCP/IP 協(xié)議的規(guī)定進(jìn)行打包，使之成為可以在以太網(wǎng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀的過(guò)程稱為數(shù)據(jù)封裝，數(shù)據(jù)包的解析過(guò)程與數(shù)據(jù)封裝過(guò)程相反，是處理器將收到的數(shù)據(jù)幀按照TCP/IP 協(xié)議的規(guī)定去掉各層協(xié)議首部，確定數(shù)據(jù)包中具體信息的過(guò)程。

在TCP/IP 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，最主要的兩項(xiàng)工作就是數(shù)據(jù)包的封裝和解析。系統(tǒng)中，32 位ARM處理器采用查詢的方式，查詢以太網(wǎng)控制器DM9161A 的狀態(tài)，如果以太網(wǎng)控制器接收到新的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，就將該數(shù)據(jù)幀讀入。一個(gè)正確的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，可以是ARP 數(shù)據(jù)包、RARP 數(shù)據(jù)包和IP數(shù)據(jù)包3 類數(shù)據(jù)包中的一種。

在智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中不使用RARP 協(xié)議，僅對(duì)ARP 數(shù)據(jù)包和IP 數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。ARP 協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)IP 地址與物理地址的動(dòng)態(tài)綁定；而IP數(shù)據(jù)包可以解析為TCP 數(shù)據(jù)包、UDP 數(shù)據(jù)包和ICMP 數(shù)據(jù)包，是實(shí)際通信中應(yīng)用最多的數(shù)據(jù)包。

4.2 TCP/IP 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)TCP/IP 協(xié)議采用嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)用的TCP/IP 協(xié)議棧，選用廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司的產(chǎn)品[6]。ZLG/IP 產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)層次清楚、可移植性好等特點(diǎn)。由于和μC/OS-II 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)銜接緊密，開(kāi)發(fā)人員可以在操作系統(tǒng)上自行編寫TCP/IP 協(xié)議棧和其他網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，并根據(jù)需要對(duì)TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行裁剪，使代碼量大大降低，可以有效的節(jié)省系統(tǒng)資源。ZLG/IP 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

ZLG/IP 支持UDP、IP、ICMP、ARP 和以太網(wǎng)協(xié)議等多種協(xié)議。通過(guò)自帶的接口函數(shù)Socket API 來(lái)建立應(yīng)用層協(xié)議：首先，通過(guò)Socket API 函數(shù)在μC/OS-II 操作系統(tǒng)上可以很方便地創(chuàng)建通信鏈接；其次，客戶端的應(yīng)用程序通過(guò)Socket API 函數(shù)，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)TCP/IP 協(xié)議棧的操作，完成網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。Socket API 函數(shù)的功能參數(shù)如表1 所示。

表1 Socket API 函數(shù)表Tab .1 List table of Socket API function

更為重要的是，客戶端和Web 服務(wù)器之間也可以通過(guò)Socket API 函數(shù)實(shí)現(xiàn)Internet 通信，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)程客戶端的數(shù)據(jù)傳輸和控制。主要的創(chuàng)建步驟如下。

第一，服務(wù)器端和客戶端通過(guò)TCP 通信SOCKET（） 創(chuàng)建套接字，從而綁定本地端口；

第二，服務(wù)器端和客戶端通過(guò)bind（） 本地IP 和端口與套接字進(jìn)行連接；

第三，通過(guò)函數(shù)listen（） 設(shè)置服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)連接數(shù)的連接數(shù)；

第四，客戶端通過(guò)connect（） 函數(shù)與遠(yuǎn)程服務(wù)器連接，連接成功后連接序號(hào)并傳遞給服務(wù)器端，并由Recv（） 和Send（） 函數(shù)根據(jù)連接序號(hào)進(jìn)行讀寫操作。服務(wù)器端Accept（） 函數(shù)返回的連接序號(hào)，由Recv（） 和Send（） 函數(shù)根據(jù)客戶端傳遞的連接序號(hào)進(jìn)行讀寫操作；

第五，服務(wù)器端和客戶端完成讀寫操作后，關(guān)閉連接并刪除套接字，結(jié)束通信服務(wù)。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)食用菌智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所涉及的計(jì)算機(jī)軟硬件開(kāi)發(fā)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)等進(jìn)行了研究，從技術(shù)角度探討了物聯(lián)網(wǎng)科技如何更好地服務(wù)于食用菌電子商務(wù)的問(wèn)題，解決了傳統(tǒng)食用菌電子商務(wù)信息采集成本高、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題，監(jiān)控系統(tǒng)還可以通過(guò)Internet 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)和遠(yuǎn)程客戶端的信息交互。后續(xù)系統(tǒng)的智能化升級(jí)還需要做進(jìn)一步的研究。