基于数据中心的农业物联网系统的设计

张江南，王 海

(青岛农业大学 网络管理中心，山东 青岛 266109)

0 引 言

物联网(Internet of Things，IoT)[1]是指通过信息传感设备，将需要进行信息传递的物体，按照相关协议与互联网相连接而形成的一种网络，实现物与物之间互联，进而对物体的状态进行实时感知和控制。目前，物联网广泛应用在各个领域，并取得了良好的实际效果[2-4]。它改变了日常生活和劳动生产模式，给人们带来了极大的便利，是未来的主流发展方向。

农业物联网是计算机、互联网、移动通信等信息技术在农业领域的高度集成[5]，是农业信息化、智能化的必要条件。物联网技术应用到农业的生产、经营、管理和服务全产业链中，改变了传统农业模式，加快了农业现代化的发展[6-9]。农业物联网技术通常利用传感器设备实时采集大田、温室等作物相关的环境数据，将数据通过移动通讯技术传输到服务端，服务端针对数据给出相关分析结果[10-12]。虽然现在农业物联网的研究已经取得了诸多成果，但在数据存储和管理方面还有诸多不足。目前农业物联网的数据大都是单独存储、数据不流通。系统的管理分散，用户使用不便利。因此，文中设计了一种基于数据中心的农业物联网系统。

1 系统构架设计

文中提出的农业物联网系统包括数据中心、远端控制器和监控设备，如图1所示。数据中心内使用vmware虚机作为远端服务器和数据存储设备，负责数据集中存储、远程监控和与用户交互；远端控制器采用树莓派3，负责数据的采集分析和加密传输；监控设备分为信息采集设备、视频设备和控制设备。信息采集设备包括温湿度、二氧化碳浓度、土壤温湿度和光照传感器，采集作物环境信息数据。视频设备是网络摄像头，对实验环境进行远程监控。控制模块采用继电器，控制设备的启停。

图1 系统构架

根据实际应用环境的需求，为保证数据采集的准确性，系统硬件全采用工业级设备。远程控制器采用树莓派3，图2为远程控制器硬件构架。远程控制器通过USB转RS485接口连接各个传感器；通过USB转摄像头进行远程监控；通过以太网接口和数据中心进行数据交互；通过GPIO口来控制继电器，进而控制水阀开关；通过SD卡启动系统，并存储文件。

图2 硬件构架

2 系统软件设计

根据系统需求设计远程控制器的软件架构，包括共享内存、信息采集模块、控制模块、加密模块、Web交互界面和数据存储模块六个部分。共享内存模块用来存储各个单元的结构、名称、状态和控制指令，是逻辑程序主要操作对象；数据存储模块在数据中心的服务器内，对各个物联网实验田采集到的各种数据信息进行集中存储，当有信息变化时写入或查询数据库；信息采集控制模块采用RS485通信方式，通过modbus-RTU协议发送指令；控制模块采用GPIO接口，通过其输出高低电平控制继电器，进而控制设备的启停；加密模块在进行数据通信时，把传输数据进行加密；Web交互界面搭建在网络中心的服务器内，方便用户使用；各个功能模块有独立的读写接口，通过调用功能模块的接口完成系统控制。远程控制器的软件构架如图3所示。

3 通信加密算法

由于数据传输存在数据安全问题，结合各个加密算法的优缺点，该系统选择AES算法进行数据加密。AES算法是一种对称加密算法，密钥的分组长度固定，密钥的长度可以改变。它的密钥长度有128 bit、192 bit、256 bit三种，对应10、12、14轮数[13-14]，具有运算速度快，安全性高和资源消耗少等优点。根据该算法设计的系统加密流程如图4所示。

图3 软件构架

图4 加密流程

根据实际的使用需要，加密算法的流程设计如下：

(1)将发送的数据报文进行字节代换[15]，通过一览表法构造一个16×16矩阵的S盒，进行8比特位的输入和输出映射。

(2)将字节代换后的数据进行行移位。每次只对一行进行移位。移位后，数据字节的比特顺序不发生改变，根据行矩阵中的位置进行向左移位。

(3)将移位后的数据进行列混合。取矩阵中的每一列，令其与一个常数矩阵相乘，使得列矩阵中的每一个元素和原列矩阵中的四个元素相关，打乱比特顺序。

(4)将列混合后的数据进行加轮密钥。把列混合后的矩阵作为一个状态，将该状态中的一列作为一个密钥字，用密钥字和每一个状态列相加。

(5)将步骤1～4重复n次，最终得到加密后的报文。

(6)解密过程与加密过程相反。

4 实验结果

该系统在数据中心内搭建了农业物联网平台，可以为各个分散的农业物联网试验设备提供接口，也可以通过合作的方式将服务器直接搭建在网络中心。最终实现在物联网平台上，对分散的农业物联网大田、大棚和实验室等进行统一的管理。目前，以平邑春华生态农场作为实验对象，使用高性能开发板树莓派3，结合工业级的传感器设备，完成了对该农场前端的数据采集。在农业物联网平台上可以查看该农业大田的环境状况，主要包括空气温湿度、实时照度、土壤温湿度和二氧化碳浓度等信息，如图5所示。

图5 农业物联网实时数据展示

为了能直观地看到数据变化，该系统在物联网平台内增加了视图功能，在视图内可以直观看到该农业大田一段时间内各个环境参数随时间的变化情况，如图6所示。

图6 环境参数变化曲线

5 结束语

以数据中心作为依托，搭建农业物联网平台，设计了基于数据中心的农业物联网系统。其优点在于数据集中存储在数据中心内，解决了大量数据进行存储时单台服务器存储不足的问题，也保障了数据传输和存储的安全性。数据的集中存储，便于工作人员统一管理，为后续的农业大数据分析创造了良好的实验环境，因此具有一定的实用价值。同时，该系统也存在一些问题，比如基于RS485的有线传感器，主要是设备的成本问题。有线设备相对于无线设备的可靠性高、维护量少、成本低，但布线十分繁琐。随着无线设备的不断改良，无线设备的价格和功耗也不断降低，在这方面将继续进行改进。