农业物联网网关设计

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(西安航天自动化股份有限公司，陕西 西安 710065)

农业物联网网关设计

李孟，王季壮，田雨，高成

(西安航天自动化股份有限公司，陕西 西安 710065)

物联网与传统农业相结合产生的精准农业，可以有效地提高中国农业的现代化水平，改善目前粗放式的农业管理方式。但是农业生产活动复杂多变的环境给物联网的运用带来了诸多问题。网关作为物联网中的一个关键环节，提高网关的性能和对环境的适应能力，可以有效地提高整个网络的可靠性和稳定性。介绍了一种设计农业物联网网关的思路和方法，通过软硬件的模块化设计，增强了网关对农业生产活动的适应性，为农业物联网提供可靠稳定的服务。

农业；物联网；网关；模块

0 引言

农业与物联网相结合而产生的精准农业，可以有效地提高农业生产效率。为了适应农业复杂多变的生产环境，可以适应多种环境的物联网网关就显得十分重要，做为物联网的核心设备，可靠稳定的网关可以有效提高整个网络的可靠性，同时也可以提高整个网络的性能。介绍一种网关的设计思路和方法，采用模块化的软硬件结构以提高网关的适应性，从而满足农业多种多样的生产生活环境。

1 物联网与精准农业

物联网即“物物相连的互联网”，是新一代信息技术的重要组成部分。它将传统互联网中的用户扩大到了任何物体之间，使之可以进行通信和信息的共享。因此，物联网可以被定义为通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1]。

中国一直是一个农业大国，用占世界9%的耕地养活了世界22%的人口，但是这样的成就是在大量使用农药化肥，消耗大量水资源，对土地进行严重透支的粗放式管理模式下取得的。它所带来的水土流失、生态环境恶化和生物多样性损失等不良影响也日益明显。在这样的情况下，物联网与农业相结合的精准农业的出现为农业的可持续发展指出了一条光明道路。精准农业与传统农业相比而言最大的特点是以高新技术和合理管理换来了对资源的最优利用。它是一项综合性很强的系统工程，让中国的农业实现低能耗、高效、优质和环保等目标，是世界农业发展新的趋势。

但是，在实际的农业生产过程中，物联网在实现的过程中面临着地形多变、农作物种类繁多和种植面积大等问题，传统的有线方式无法适应和满足复杂多变的农业生产环境，因此，需要更加灵活可靠的组网方式，用于满足农业生产活动中的各种现场条件。物联网网关作为数据的中转站，是物联网的核心设备之一，增强网关对各种现场环境的适应能力，可以有效地提高复杂环境下的网络生存能力。

2 物联网网关

物联网网关在未来的物联网时代将会扮演非常重要的角色，它将成为连接感知网络与传统通信网络的纽带[2-4]。一般情况下，物联网结构可分为：感知层、网络层和应用层。网关是连接感知层与网络层的关键设备。感知层获取的数据通过网关发送至网络层，最终传输至应用层，用户方可从应用层获取需要的信息。同样，用户下发的指令也需要通过网关传输至感知层的设备，从而实现设备的远程控制。网关的另一项重要功能是进行协议的转换。由于感知层的设备之间使用的通信协议与网络层并不总是保持一致，这就需要网关对感知层上传的数据或者网络层下发的数据进行协议格式的转换，实现不同网络之间数据的透明传输。通过网关可以实现异构网络的互连，从而增强物联网设备的适应性。

物联网的一种典型应用如图1所示。从图1可以看出，网关处于通信的中间环节，是连接底层感知层与上层应用的关键，网关可以与多个节点建立连接，也可以连接不同的网关，网关性能的好坏对整个网络的性能有很大的影响。

图1 物联网的典型应用

3 物联网网关设计

3.1 物联网网关组成

从物理模块上划分，网关通常由以下几种类型的模块共同构成，网关的物理模块之间的关系如图2所示。

图2 物理模块

3.1.1 路由器

此处的路由器负责与感知层的设备通信。感知层设备采集到的数据将全部发送至路由器，随后交给网关的核心板进行分析和处理。路由器与核心板之间可以通过串口以太网和USB等方式连接和交换数据，除此之外，路由器与核心模块之间没有其他接口，从而最大限度地降低这2个模块之间的耦合程度。当感知层使用的网络发生变化时，只需要更换相应的路由器即可。例如，感知层的网络协议由ZigBee协议更换为RuBee协议时，只需要将原有的ZigBee协议路由器更换为RuBee协议路由器，同时更改核心模块中的数据解析处理模块，即可完成不同协议之间的转换。这种设计可以大幅度提高网关的接入能力。核心模块中的数据解析处理模块在后续会进行讨论。

3.1.2 传输模块

由于网关需要适应不同的现场环境，因此，传输模块需要支持不同的传输方式，如以太网、WIFI、GPRS和3G等。传输模块与路由器和核心模块之间可以通过串口、以太网和USB等方式进行连接，除此之外没有其他的接口，从而降低传输模块与路由器和核心模块之间的耦合程度。当数据传输方式发生变化时，只需要根据物理接口更换传输模块即可。由于传输模块的工作负荷较大，这样的设计在出现故障时也可以很方便地进行更换。

3.1.3 核心模块

核心模块负责处理从感知层接收到的数据。一般情况下，从感知层获取的数据需要进行处理之后才能供用户使用。例如将采集到的传感器数据转换为用户可以直接识别的温度和湿度等信息，并根据网关与网络层的通信协议，将数据封装为符合数据格式的消息，通过网络层发送至应用层。

数据的处理可以在网关进行，也可在应用层进行，但是，数据在网关处理可以尽可能早地发现数据异常。当出现异常时，可向感知层的传感器发送数据重传命令，重新采集数据并发送，在纠正错误的同时保证实时性。与此同时，网关可以将采集到的数据写入本地日志中，对出现异常的数据进行标记，为日后调试和故障的分析处理提供第一手资料。

3.1.4 显示模块

显示模块即用于将采集到的数据显示在网关的显示屏上，向用户显示实时数据以及系统的运行情况。用户可以从显示屏上直观地了解网络的运行状态。

由于农作物种类繁多，生长的环境也不同，因此，显示屏的内容可以根据实际的需要进行定制。例如，对于CO2的浓度，室外大田中不需要采集，但是对于温室大棚中的农作物而言，适当的CO2浓度可以提高农作物的产量，此时对CO2浓度的监测的显示就很有必要了。

3.1.5 电源模块

物联网网关是一个7×24 h工作的设备，因此，对于电源有着很高的要求。网关内部各个模块的工作电压也不一定相同，需要将220 V的标准电压转换为各个模块所需的电压。常见的电压为5 V，但是部分元器件有可能需要12 V的电压。为了增强网关对各种器件的适应能力，电源模块需要提供多种常见的工作电压。

通常网关使用220 V的标准电源供电，但是在特殊条件下，无法为网关提供220 V的电源，网关需要支持其他供电方式，如通过太阳能电池板提供电能，或者其他方式。因此，在网关中增加了蓄电池，以备停电时为网关中的各个模块提供电能，同时也可以储备太阳能等其他形式提供的电能，保证网关持续稳定工作。

3.2 网关模块组成

从软件上划分，网关可以划分为以下几个模块，模块之间的关系如图3所示。

3.2.1 数据汇聚模块

网关可以处理多个节点上传的数据，节点可以从属于不同的网络，不同的网络有唯一的网络ID。网关将不同网络的数据汇集到一起，为接下来的数据处理和存储功能提供数据。

图3 软件模块

3.2.2 处理/存储模块

处理/存储模块是网关软件的核心模块。汇集到网关的数据通过这一模块进行数据的转换。不同网络的数据会有不同的结构，通过处理/存储模块转换成统一的格式，或者用户可以直接理解的数据，如协议规定的数据包格式或者将串口数据转换为用户可以直观理解的数据等。

3.2.3 接入模块

由于网关可以与不同的网络连接，不同的网络会有不同的通信协议，如ZigBee网络，ISA100网络，WirelessHart网络等，网关的接入模块可以对不同网络中的数据进行识别，获取正确的数据包，从而进行进一步的处理。接入模块同时承担着数据接收到发送的功能。

3.2.4 地址转换模块

不同的数据采集网络使用不同的编址方式如ZigBee中有16位短地址，ISA100中既有16位的地址，也有128位的地址。在实际的应用中，网关只需通过地址找到相对应的节点即可，网关不必关心地址是16位还是128位，也不关心网络的组网方式。网关将这些不同地址的数据转换为统一的地址格式，并建立相应的映射关系，从而简化上层应用的开发。映射可以采用地址->ID的方式，将不同类型的地址映射为统一的ID，并采用老化机制，如果一个ID在一定时间内没有收到数据，则将此映射关系删除。

3.2.5 数据映射模块

在管理网关连接的2种或多种网络中的设备时，建立设备在通信中的映射关系，即建立寻址功能，是网关向上层应用提供的一项重要服务。网关对不同的网络以及不同网络中的设备建立映射表，同时对不同格式的数据进行预处理，可以有效地简化上层应用的复杂程度。

4 结束语

介绍一种农业物联网网关的硬件与软件的设计，通过模块化的设计，使得网关可以适应实际农业生产活动中复杂多变的环境，并且，也支持多种网络和节点的接入，从而扩大了网关的应用范围。同时，通过模块的划分，为上层应用的开发提供了良好的支持。

[1] 田美花.基于RFID技术的生产执行系统关键技术研究[D].青岛：中国海洋大学，2007.

[2] 黄海昆，邓佳佳.物联网网关技术与应用[J].电信科学，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，陕西礼泉人，硕士研究生，研究方向为农业物联网设备开发；王季壮(1983-)，男，陕西西安人，工程师，研究方向为农业智能化设备开发。