面向智慧农业的物联网系统与实训平台开发

张 伟， 江莹旭， 阮艳凤, 季大夫

(1. 嘉兴学院 机电工程学院， 浙江 嘉兴 314001； 2. 浙江清华长三角研究院 信息技术研究所,浙江 嘉兴 314006; 3. 嘉兴市宏联电子科技有限公司, 浙江 嘉兴 314001)

面向智慧农业的物联网系统与实训平台开发

张 伟1,2， 江莹旭1， 阮艳凤3, 季大夫3

(1. 嘉兴学院 机电工程学院， 浙江 嘉兴 314001； 2. 浙江清华长三角研究院 信息技术研究所,浙江 嘉兴 314006; 3. 嘉兴市宏联电子科技有限公司, 浙江 嘉兴 314001)

开发了面向智慧农业的物联网系统开发与实训平台，在对农业物联网感知层、传输层、应用层分析的基础上，设计了系列无线传感器网络采集与控制节点、网关节点、GPRS测控终端，开发了中间件与监控中心DEMO程序。通过该平台，可连接常用农业用传感器，增删采集、通信组网与控制设备，并在中间件与DEMO程序基础上开发上位机软件。系统开放、灵活、可二次开发，很适于物联网的示教、开发与实训。

物联网; 智慧农业; 实训; 中间件

自2010年开始，教育部批准了100多所高校设置物联网工程本科专业[1]。 智慧农业以物联网技术为支撑，属农业信息化范畴，是物联网技术与系统的重要应用对象，并在感知层、网络层与应用层方面被深入研究[2-4], 但相关研究多面向实际生产应用，而对面向智慧农业的物联网教学实训平台研究还不够系统，尤其是在实用性与适用性方面还需要深入研究[5-7]。

本文在农业物联网感知层、传输层、应用层分析的基础上，结合物联网技术教学需求，设计开发了物联网系统与实训平台。

1 总体功能设计

面向智慧农业的物联网系统开发与实训平台以物联网三层架构为基础[8]，即物联网系统感知层、传输层与应用层，如图1所示。

感知层主要包括检测土壤、作物与环境信息的传感器和电磁阀、风机、水帘、卷膜电机、增氧泵等被控设备。

在传输层，无线采集节点可接多路传感器，将采集的信号调理后无线发送或有线发送到网关节点；无线控制节点连接被控设备；网关节点实现无线网络与GPRS/3G/WiFi/以太网等公网的信息转换。

应用层包括智慧农业云服务器与浏览器/服务器(B/S)结构的管理软件，智慧农业云服务软件安装在服务器，用户通过Web浏览器或移动终端访问该服务器，从而获得现场信息。通信进程与分析进程同时运行，可以实时根据所获得的信息作出智能分析、决策与控制；用户可通过Web浏览器或移动终端实现远程信息管理。

图1 智慧农业物联网系统架构图

面向智慧农业的物联网系统开发与实训平台是在上述农业物联网系统架构的基础上，结合大量农业物联网应用案例与工程实践，以及电气类课程教学实践进行设计。平台包括系列无线传感器网络采集与控制节点、网关节点、GPRS测控终端，并辅以中间件与监控中心DEMO程序。通过该平台，可连接常用农业传感器，增删采集、通信组网与控制设备，并在中间件与DEMO程序基础上开发上位机软件。

2 硬件设计

2.1 WSN采集与控制节点设计

WSN采集与控制节点采用模块化设计思想(见图2)。采用Cortex-M3 ARM处理器，将传感器采集到的信号进行处理后，通过CC2530无线模块与其他节点进行信息交互。无线通信符合ZigBee通信协议，节点间可通过RS-485串口相互通信。无线控制节点是在采集节点基础上加控制板模块组成，控制板上的集成光耦与继电器用以连接被控设备。电源供应模块可选择市电或太阳能供电，以应用于不同场合。

2.2 网关节点设计

在物联网系统开发与实训平台中，网关是现场无线传感器网络的协调节点，同时作为信息远传节点，即通过GPRS或以太网，建立现场无线传感器网络与云服务器的联系，(见图3)。采用Cortex-M3 ARM处理器，亦支持通过RS-485串口与其他节点互联。

图2 WSN采集与控制节点设计

图3 网关节点设计

2.3 GPRS测控终端设计

在很多应用场合，现场采集量与控制对象单一，不适合建立分布式无线传感器测控网络，因此有必要设计集采集与信息远传于一体的测控终端。在本平台中，GPRS测控终端(见图4)可以采集8路传感器信息，并同时融合GPRS远程通信功能和输出控制功能。

图4 GPRS测控终端设计

3 软件设计

3.1 中间件设计

目前，可供参考的物联网技术标准有限[9]，物联网系统集成设计涉及到传感器选型、传输层搭建与应用程序的开发，复杂度较高，对于初学者来说有一定难度，尤其对于测控、电信、电气、自动化等非计算机软件专业的学生而言，应用层软件的开发是个难题。为此，部分研究者对中间件进行了设计[10]。

所谓中间件，是一种独立的系统软件或服务程序，在操作系统、网络和数据库之上，应用软件的下层，用于管理计算资源和网络通信，帮助用户灵活、高效地开发和集成复杂的应用软件[11-12]。

针对智慧农业物联网的应用，设计了开发与实训平台中间件并安装于监控中心的服务器中。它的主要作用是：

(1) 作为通信服务驱动程序与现场硬件设备交互，包括监测数据的收集与控制命令的下发；

(2) 将交互数据、重要过程记录和结果存放于服务器数据库中。通过中间件，应用程序开发者可以直接与服务器中数据库进行交互，专注于数据挖掘与智能分析，而不用直接对复杂的通信进程编程，如建立农艺知识库、专家系统、预警系统等，实现农艺与物联网的深度融合。

中间件运行结构原理如图5所示。服务程序从应用软件界面发出查询指令给代理管理器，代理管理器向SQL数据库发出查询指令，并将查询结果返回传输层；服务程序为运行在系统上的应用程序提供通信服务，以TCP/IP协议与现场网关节点通信，网关节点作为现场无线传感器网络的中心节点，进而可获取各采集器节点所连接的传感器信息。

图5 农业物联网中间件结构图

3.2 监控中心DEMO程序设计

为应用程序开发者使用方便，在所开发的物联网设备与中间件的基础上，开发了监控中心DEMO程序。

该DEMO程序具备以下基本功能，包括：

(1) 葡萄大棚栽培专家知识库的建立，具体内容包括何时(不同生长阶段)、何种情况下(实时环境状况，如温度、湿度、光照，土壤水分与pH值)、做出何种控制或建议(如灌溉、通风、卷膜等)；

(2) 用户通过Web浏览器或移动终端实现农业环境的远程感知、历史记录查询、报警设置与条件控制，实现作物栽培管理的精准化、可视化、数字化与智能化；应用程序开发人员可在DEMO程序基础上进行二次开发，以方便教学实践。

4 总结

该智慧农业物联网系统与实训平台开发，具有开放、灵活、二次开发方便的特点，可用于以下实验项目。

(1) 感知层实验。可更换各种农业传感器，包括土壤传感器(土壤水分、温度、pH、电导率等)，水质传感器(pH、溶解氧、电导率、ORP、温度等)，环境传感器(风速、风向、光照、雨量、温湿度、CO2、NH3等)，生物传感器(叶温、水势、经流、果实生长速率等)，视频信息采信器(多种分辨率摄像头)。

(2) 传输层实验。可增删有线或无线采集节点、控制器、网关节点(GPRS/以太网/WiFi接口)等，传输层设备自组网，网络类型可选择星型网、网状网、链状网，可选择支持ZigBee通信协议或农业环境适用的433 MHz自定义协议，亦可自行编写通信程序。

(3) 应用层实验。提供中间件与监控中心DEMO程序，辅导学生快速搭建上位机软件，包括C/S、B/S软件与云服务架构软件。软件开发环境可采用LabVIEW、多种组态软件，Visual Studio 2005 VC，MFC，.NET Compact Framework、Visual C#、VB等，支持多种数据库类型。

(4) 控制设备实验部分。可增删各种直流设备，如报警灯、继电器、开关、电磁阀、直流电机等，或者农业生产实际现场的交流用电设备，包括风机、卷帘、卷膜、水泵、水帘、增氧泵、压缩机等。

(5) 系统集成实验。可用于电气类专业开放性实验、SRT项目、大学生挑战杯项目、国家大学生创新创业训练计划项目、毕业设计等。

上述实验可结合的课程包括：传感器、测试技术、单片机、控制工程基础、机电一体化系统设计、工程应用软件、数据库、计算机网络，以及物联网概论、机器人等选修课程。面向智慧农业的物联网系统开发与实训平台将示教、开发与实训功能相融合，开放、灵活、二次开发方便，经扩展后亦可面向智能家居、环保监测等物联网应用教学。

References)

[1] 王志良,闫纪铮,石志国，等.物联网学科建设与教学实践探讨[J].计算机教育,2012(19):45-49.

[2] 秦怀斌,李道亮,郭理.农业物联网的发展及关键技术应用进展[J].农机化研究,2014,36(4)：246-248.

[3] 严璋鹏,彭程.基于物联网技术的智慧农业实施方案研究[J].西安邮电大学学报,2013,18(4)：105-108.

[4] 施连敏,陈志峰,盖之华.物联网在智慧农业中的应用[J].农机化研究,2013,35(6):250-252.

[5] 陈世文.农业物联网教学系统的探索与研究[J].商,2013(19):306.

[6] 于娜，郭鹏，李乃祥.农业物联网人才培养模式研究与实践:以天津农学院为例[J].河北农业大学学报,2014,16(3):37-39.

[7] 朱帅,余小燕.虚拟现实技术在农业物联网专业教学中的应用[J].科教文汇,2014(25):98-99.

[8] 孙其博,刘杰,黎羴，等.物联网：概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报,2010,33(3):1-9.

[9] 卢捍华,邵媛媛,孙洪波，等.物联网发展的标准问题[J].电信科学,2014,30(3):1-4.

[10] 王圣伟,刘刚,冯娟，等.基于消息转发模式的农业物联网应用层云计算集成研究[J].中国农业大学学报,2013(4):202-207.

[11] 张伟．面向精细农业的无线传感器网络关键技术研究[D]．浙江:浙江大学，2013．

[12] 郑树泉,王倩,丁志刚.基于Web服务以物为中心的物联网中间件的研究与设计[J].计算机应用,2013,33(7):2022-2025.

Development of Internet of things system and training platformfacing wisdom agriculture

Zhang Wei1,2, Jiang Yingxu1, Ruan Yanfeng3, Ji Dafu3

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Jiaxing University, Jiaxing 314001, China; 2. Departmentof Information Technology, Yangtze Delta Region Research Institute of Tsinghua University, Zhejiang,Jiaxing 314006, China; 3. Jiaxing HodLia Electronic Technology Co., Ltd, Jiaxing 314001, China)

Considering its influence on the teaching and learning, three structures of agricultural IOT are designed and studied, including the sensing，transportation and application layers, and a series of wireless sensor network nodes are designed, including controlling nodes, control nodes, gateway nodes and GPRS remote terminal unit. Based on above study, the middleware and the DEMO program are also developed. Using this platform, it becomes available to build the agricultural IOT system, including increasing or decreasing the sensors, collection devices, control devices, and all kinds or WSN nodes. And the application software can also be easily developed based on the middleware and DEMO. This system has the open，flexible and convenient characteristics for secondary development, so it is very suitable for IOT teaching，development and practice.

Internet of things (IOT); wisdom agriculture; practice; middleware

2014- 10- 11

浙江省重大科技专项(2013C02014-1)；嘉兴市科技计划项目(2014BY26016)；国家大学生创新创业训练计划项目(201310354007)

张伟(1980—)，男，山东沂南，博士，讲师，研究方向为农业物联网、智能测试与传感网络.

E-mail：zdwnh@126.com

S126

A

1002-4956(2015)5- 0161- 04