基于阿里云的智慧粮仓监测系统的设计与实现*

李 林

（开封大学信息工程学院，河南 开封 475000）

0 引言

根据市场研究机构Meticulous Research预测，到2027年，农业物联网市场规模将达到327.5亿美元，2019年到2027年的年复合增长率为15.2%。目前，农业物联网技术在河南省农业生产中进行了推广，这在一定程度上提高了农业生产水平。《中共河南省委关于制定河南省国民经济和社会发展第十四个五年规划和二○三五年远景目标的建议》指出，打好粮食生产王牌，扛稳粮食安全重任，完善粮食储备体制机制，提升储备应急能力[1]。

本课题以开封市为例，针对开封市粮食储藏的现状，开发了一套更适合开封市粮食储藏的，具有高可靠性、安全性、灵活性、可扩展性、易操作性的软硬件结合的基于阿里云的智慧粮仓监测系统。该系统能够远程实时收集粮食储藏环境的温度、湿度、二氧化碳浓度等数据信息，监视粮仓情况，提供精准的科研实验数据，达到提高粮食储藏质量的目的，从而引领开封市粮食储藏方式的转变与发展，促进企业增收。

1 总体方案设计

通过分析开封市粮食储藏特征和农业物联网技术的优势，设计方案基于设施农业物联网基本工作流程。围绕物联网“全面感知、可靠传送、智能处理”三层结构的实现，方案的实施分为感知层、网络层和应用层三个层次。

2 感知层设计

感知层的传感器节点作为传感器网络的硬件平台，具有端节点和路由双重功能：一方面，实现数据的采集和处理；另一方面，将数据融合，经多跳路由传送到汇聚节点，最后经互联网或其他通信网络传送给观察者。

感知层节点设计原则如下：

1）低功耗（更换一次电池的使用时间尽量长）。设计中从硬件和软件两个方面降低功耗，硬件上尽可能使用低电压、低功耗的芯片；软件上可以添置电源管理功能，合理分配能量。

2）良好的射频性能。同等条件下射频性能强的网络能力强，通信距离也较大。

3）小体积。节点体积要小，对检测的目标体系不构成影响，便于部署。

4）低成本。节点模块不能太多且不能太复杂。

5）可扩展性。采用模块化设计，根据不同的需要添加不同的功能模块，比如，传感器模块可以做一个通用口。

感知层选用温湿度传感器、光照强度传感器和二氧化碳传感器组成数据采集器，网关接电，协调器连接网关继电器，数据采集器连接协调器。数据采集器用于获取各项环境数据，继电器用于控制各个回路上的设备的开关。

3 网络层设计

该层设计采用有线光纤网络和无线传感网络相结合的传输方式。利用计算机网络中的TCP/IP协议，以及ZigBee、WIFI、MQTT等短距离无线传输技术，根据粮仓实际需要，选择最优传输方式，降低通信开销，提高连接质量。

采用ZigBee协议把传感器信息传递到网关，该协议的优势在于自组网能力，最多支持65 000个设备组网。对于智慧农业来说，ZigBee协议还有一个宝贵的优点，就是它的安全性很高，至今全球尚未出现一起破解先例。

阿里云平台接收底层数据采用MQTT协议，该协议是基于TCP/IP协议栈构建的异步通信消息协议[2]，是一种轻量级的发布、订阅信息传输协议。可在不可靠的网络环境中进行扩展，适用于设备硬件存储空间或网络带宽有限的场景。使用MQTT协议，消息发送者与接收者不受时间和空间的限制。阿里云物联网平台支持设备使用MQTT协议接入[3]。

4 应用层设计

4.1 上位机设计

选择c#上位机，通过设计与开发保证用户的良好体验，实现数据的远程管理，可实现对整个粮仓监测数据的长期记录，获取系统监测的实时数据、历史数据，并能够通过接口实现对执行机构的控制[4]。

4.1.1 上位机功能性需求

上位机功能主要分为三大部分：粮仓的管理、WSN监测模块、上传阿里云。

1）粮仓的管理模块功能：主要实现粮仓的实时视频监控与粮食入库、出库的管理。

2）WSN监测模块功能：主要实现粮仓环境参数的实时监测。

3）上传阿里云模块功能：主要实现把监测到的数据上传云平台。

4.1.2 网关连接模块

网关是将ZigBee传输节点进行接入，通过它实现系统的信息采集、信息输入、信息输出、集中控制、远程控制、联动控制等功能。并通过上行接口（WIFI接口、FE接口、GPRS接口）将信息数据传输到控制云端的设备。

调用GateWay对象的Connect()方法建立通道，如果建立成功，则GateWay的Connetct方法返回值为true，反之，则为false。

调用GateWay对象的DisConnect()方法断开，如果断开成功，则GateWay的DisConnetct方法返回值为true，反之，则为false。

4.1.3 粮仓实时监测模块

1）温湿度实时监测。设备类型0x31，数据位0，1为温度值，数据位2，3为湿度值；数据位4固定值为OxFF。其中，数据位0，1通过[数据位0*256+数据位1)/100]算出空气温度整数部分值，数据位0，1通过[数据位0*256+数据位1)%100]算出空气温度小数部分值；数据位2，3通过[数据2*256+数据位3)/100]算出空气湿度整数部分值，数据位2，3通过[数据位2*256+数据位3)%100]算出空气湿度小数部分值。核心代码如下：

2）二氧化碳实时监测。设备类型0x33，数据位0，1为二氧化碳浓度值，数据位2，3，4固定为OxFF。其中，数据位0，1通过[数据位为0*256+数据位]计算出二氧化碳浓度值。核心代码如下：

3）光照强度实时监测。设备类型0x34，数据位0，1为光照强度，数据位2，3，4固定为OxFF。其中，数据位0，1通过[数据位为0*256+数据位]计算出光照强度值。核心代码如下：

粮仓实时监测模块如图1所示。

图1 智慧粮仓上位机实时监测图

4.2 物联网云平台系统部署

阿里云物联网平台是一个集成了设备管理、数据安全通信和消息订阅等功能的一体化平台。向下支持连接海量设备，采集设备数据上云；向上提供云端API，服务端可通过调用云端API将指令下发至设备端，实现远程控制。

设备上报数据到阿里云物联网平台。1）创建产品与设备：在物联网平台上为设备注册一个身份，获取 设 备 证 书 信 息 （ProductKey、DeviceName和DeviceSecret）。该证书信息将烧录到设备上，用于设备连接物联网平台时，进行身份认证。2）为产品定义物模型：可以从属性、服务和事件三个维度定义产品功能。物联网平台根据所定义的功能构建出产品的数据模型，用于云端与设备端进行指定数据通信。3）建立设备与平台的连接：开发设备端SDK，传入设备的证书信息，将设备连接到物联网平台，使设备激活。4）服务端订阅设备消息：服务端通过订阅消息类型，接收设备相关消息，如设备上下线通知、设备生命周期变更、设备上报消息等。5）云端下发指令：使用物联网平台的在线调试功能，从控制台下发指令到设备端。

使用MQTT协议把数据上传到阿里云，核心代码如下：

5 结果与分析

有效的测试是质量控制中非常重要的环节。由于该系统是一个复杂的工程，实现的内容非常多，测试正是反映工程质量的最有效途径之一，也是保证项目质量的重要手段之一，所以必须严格执行测试流程和规范。为保障平台各项功能正常运行，使得平台性能达到最优，使用有Win7以上操作平台配置的计算机，分别采用搜狗和IE浏览器对上位机环境监测模块和云平台模块等功能进行逐一测试。测试显示系统数据传递延迟低于5 000 ms；数据监测准确率达99%；数据监测实时性延迟3 000 ms。运行结果表明，平台各项功能均可以正常运行。

6 结束语

通过构建基于阿里云的智慧粮仓监测系统，可以很好地改变传统粮仓信息采集模式。通过农业物联网技术测量粮仓的环境参数，并把数据上传到阿里云平台，助力农业生产的智能化、科学化管理，从而提高储粮品质，使粮食产品在市场上赢得更好的声誉。