葛海波, 李彩虹, 安文喆, 吳 昊

(西安郵電大學 電子工程學院， 陜西 西安 710121)

關于智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)設計方面的研究，文獻[2]設計并實現(xiàn)了基于Zigbee的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，對農(nóng)業(yè)管理中溫度及光照等參數(shù)進行實時監(jiān)控，該系統(tǒng)組網(wǎng)靈活、網(wǎng)絡容量大，但Zigbee技術所在的頻段衍射能力較弱，該技術的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)通信穩(wěn)定性有待提高。文獻[3]基于Ipv6的低速個人域標準(ipv6 over low-power personal area networks, 6LoWPAN)無線傳感網(wǎng)絡，設計了農(nóng)業(yè)環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)，完成對特定農(nóng)業(yè)信息的實時監(jiān)測和控制，但該設計數(shù)據(jù)采集量有待提高。文獻[4]基于通用分組無線服務技術(general packet radio service, GPRS)實現(xiàn)了一套農(nóng)業(yè)遠程灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)穩(wěn)定性高和功耗低及成本低，可改善傳統(tǒng)灌溉監(jiān)測系統(tǒng)在實際應用中存在的缺陷，但在實際的應用場景中部署的終端節(jié)點，無法直接與蜂窩網(wǎng)絡之間實現(xiàn)點對點通信，通信速率受到限制。由于傳統(tǒng)通信方式的制約，利用物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代通信技術實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進行監(jiān)測和智能化管理，是提高農(nóng)業(yè)精細化生產(chǎn)和智能化生產(chǎn)的重要方法。

LwM2M(lightweight machine-to-machine)協(xié)議主要為受限設備以及實現(xiàn)低功耗功能而設計。相對于傳統(tǒng)的超文本傳輸協(xié)議(hyper text transfer protocol, HTTP)，使用LwM2M協(xié)議可以大大提高通信效率[5-6]。并且LwM2M協(xié)議具有低功耗性能，適用于點到點的通信，能夠滿足所設計的智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的要求，本文擬依據(jù)LwM2M協(xié)議，設計基于設備域、平臺域和應用域的智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)。系統(tǒng)由硬件和軟件部分構成，硬件部分由具有基于蜂窩網(wǎng)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band internet of things, NB-IoT)通信能力的數(shù)據(jù)傳輸單元組成，軟件部分是基于萬維網(wǎng)(world wide web, WWW)應用的軟件服務平臺[7-8]。采用自封裝的LwM2M協(xié)議軟件開發(fā)工具包 ( software development kit, SDK)在STM32平臺上設計數(shù)據(jù)傳輸單元[9]。數(shù)據(jù)傳輸單元中芯片DFN6SHT20和BH1750完成空氣溫濕度、土壤溫濕度以及太陽光照度的采集，通過其中的NB-IoT模組將數(shù)據(jù)上傳給服務端的Web應用，Web應用端對數(shù)據(jù)傳輸單元進行傳感器數(shù)據(jù)資源一系列功能性操作，實現(xiàn)對農(nóng)作物生長環(huán)境信息進行感知和監(jiān)測，進而控制農(nóng)作物的生長條件。

1 構建智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)

智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)包括感知層、傳輸層和應用層，系統(tǒng)結(jié)構示意圖如圖1所示。智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)采用端到端的開發(fā)模式，即設備域-平臺域-應用域。設備域完成傳感器數(shù)據(jù)，包括空氣溫度、濕度、光照強度的采集，NB-IoT網(wǎng)絡將采集的數(shù)據(jù)上傳至平臺域，平臺訂閱到硬件資源數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)資源進行緩存、入庫和實時處理等一系列操作，應用域則對物聯(lián)數(shù)據(jù)資源進行業(yè)務邏輯開發(fā)，并將主要的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和調(diào)控。

圖1 智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)結(jié)構示意圖

2 系統(tǒng)設備域設計

2.1 數(shù)據(jù)傳輸單元硬件設計

數(shù)據(jù)傳輸單元硬件是智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的硬件組成部分，數(shù)據(jù)傳輸單元硬件包含溫濕度傳感器、微控制器及NB-IoT模組等。數(shù)據(jù)傳輸單元XY-475LME3616的硬件結(jié)構如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸單元XY-475LME3616的硬件結(jié)構

數(shù)據(jù)傳輸單元XY-475LME3616硬件采用“傳感器+微控制單元(microcontroller unit, MCU)+模組”的方式進行數(shù)據(jù)處理。溫濕度傳感器、光照傳感器對農(nóng)作物生長環(huán)境信息進行采集，并將數(shù)據(jù)通過微控制單元，內(nèi)置集成電路(inter-integrated circuit, IIC)或串行外圍接口(serial peripheral interface, SPI)的通信方式，傳輸給單片機STM32，STM32利用內(nèi)部編寫的規(guī)則進行計算，篩選提取傳感器采集的數(shù)據(jù)，并保存有效數(shù)據(jù)。通過透傳方式將有效數(shù)據(jù)傳輸至模組，模組上報數(shù)據(jù)到管理平臺。在數(shù)據(jù)傳輸單元XY-475LME3616硬件結(jié)構中，單片機STM32內(nèi)嵌自寫的LwM2M通信協(xié)議棧，對傳感器的對象資源模型創(chuàng)建提供便利[10]。微控制單元采用意法半導體的STM32L475RCT6，它是32位帶數(shù)字信號處理(digital signal processor, DSP)單元和浮點單元(floating-point unit, FPU)的ARM Cortex-M4內(nèi)核超低功耗單片機，工作頻率為80 MHz，提供256 KB閃存，片內(nèi)外設豐富，主要應用于低功耗物聯(lián)網(wǎng)場景中。

在數(shù)據(jù)傳輸單元XY-475LME3616硬件結(jié)構中，NB-IoT模組采用高新興物聯(lián)ME3616模組，它是一款支持NB-IoT通信標準的窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信模組。在NB-IoT制式下，該模塊可提供高達66 Kbps上行速率和34 Kbps下行速率，其與STM32單片機通過異步串口可實現(xiàn)數(shù)據(jù)透傳。由于ME3616模組異步串口工作電壓為1.8 V，STM32單片機的異步串口工作電平為3.3 V，因此，為實現(xiàn)兩者之間的異步串口通信必須要進行電平匹配。STM32與ME3616的串口電平匹配電路如圖3所示。

1.2 調(diào)查方法 參照衛(wèi)生部規(guī)劃教材，人民衛(wèi)生出版社出版【口腔預防醫(yī)學】口腔流行病學問卷調(diào)查項目要求，自行編制的封閉式調(diào)查問卷，內(nèi)容包括受檢者一般情況如年齡、文化程度、城鄉(xiāng)戶口和受檢者口腔知識、行為及希望獲得口腔保健知識的渠道等。共發(fā)出問卷1 100份，收回有效問卷989份。根據(jù)年齡、文化程度和城鄉(xiāng)差別進行分組：22～29歲組和30～41歲組；低學歷組(大專及以下)和高學歷組(本科及以上)；城市戶口組和農(nóng)村戶口組。

圖3 MCU與NB模組的串口電平匹配電路

在MCU和NB-IoT模組的串口通信中，MCU采用3.3 V電平域的微控制器，而NB-IoT模組因為功耗的原因，采用1.8 V工作電平，導致在串口通信時兩個不同電平域的器件無法直接相連，通過TXB0102D電平可轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)不同工作電平的轉(zhuǎn)換。TXB0102D芯片是一款不可轉(zhuǎn)置的電平轉(zhuǎn)換器，通過在其電源電壓VCCA引腳接入1.2～3.6 V的電平，電源電壓VCCB引腳接入1.65～5.50 V的工作電壓，可實現(xiàn)1.8～3.3 V工作電壓的雙向轉(zhuǎn)換。以此滿足MCU和NB-IoT模組之間的串口通信電平需求。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸單元硬件程序設計

針對農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測高功耗問題，根據(jù)LwM2M協(xié)議進行對象-資源數(shù)據(jù)模型建立，數(shù)據(jù)傳輸單元XY-475LME3616采用定時休眠的方式進入超低功耗模式，以此進一步降低終端節(jié)點的整體功耗。數(shù)據(jù)傳輸單元硬件端基于STM32的程序設計流程如下。

步驟1首先對單片機片內(nèi)和NB-IoT模組進行初始化設置。

步驟2設備終端通過與運營商基站建立無線資源控制(radio resource control, RRC)連接，進行NB-IoT網(wǎng)絡附著，以便于實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

步驟3調(diào)用協(xié)議SDK，創(chuàng)建基于智能對象數(shù)據(jù)模型(Internet protocol for smart objects, IPSO)的傳感器資源，以此實現(xiàn)低功耗。

步驟4判斷平臺注冊成功與否。注冊成功，則進入下一個流程；注冊失敗，則重新注冊，直到注冊成功為止。

步驟5將收集到的農(nóng)業(yè)信息資源上傳，平臺進行接收。

步驟6判斷數(shù)據(jù)傳輸硬件單元是否進入休眠。若已進入休眠狀態(tài)，則進行下一個流程；未進入休眠狀態(tài)，則返回上一個流程。

步驟7數(shù)據(jù)傳輸單元XY-475LME3616進入休眠，15分鐘后自動喚醒。

針對數(shù)據(jù)傳輸單元板載溫濕度傳感器、光照傳感器、微控制器及NB-IoT模組，對NB-IoT模組進行初始化設置，并進行網(wǎng)絡附著，建立智能對象數(shù)據(jù)模型傳感器資源，將傳感器采集的數(shù)據(jù)進行傳輸，以此實現(xiàn)低功耗。判斷平臺注冊成功與否，若成功，則平臺接收上傳的數(shù)據(jù)資源，若注冊失敗，重新注冊。數(shù)據(jù)傳輸完成后，判斷數(shù)據(jù)傳輸單元是否進入休眠狀態(tài)，若進入休眠狀態(tài)，15分鐘后自動喚醒。

2.3 LwM2M協(xié)議對象資源模型的建立

為實現(xiàn)超低功耗并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用LwM2M協(xié)議進行對象-資源數(shù)據(jù)模型創(chuàng)建，將對象屬性結(jié)構體進行優(yōu)化。對象資源數(shù)據(jù)模型將LwM2M客戶端的每一條信息都抽象成為一個資源，資源在邏輯上被組織為對象，每個資源對象都有一個唯一的標識符身份(identification, ID)，且每個對象都可根據(jù)實際需求擁有若干個資源，每個資源根據(jù)認證可擁有一個識別碼。每個資源對應一個傳感器對象某個具體的可操作屬性。在進行實際操作時，必須先對對象進行實例化，然后調(diào)用其屬性。

將采集到的數(shù)據(jù)例如空氣溫濕度、土壤溫濕度、太陽光照度，利用LwM2M協(xié)議建立對象-資源數(shù)據(jù)模型。每一個數(shù)據(jù)作為一個對象，都有唯一的ID。溫度、濕度、太陽光照度分別對應不同的ID，每個對象有不同的資源實例，例如空氣溫度和土壤溫度屬于同一對象的不同資源實例。采用LwM2M協(xié)議進行對象-資源數(shù)據(jù)模型建立，可提高上下行數(shù)據(jù)在傳輸中有效負載的占比，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

LwM2M協(xié)議中的客戶端、對象和資源三者之間的關系如圖4所示。

根據(jù)IPSO下的資源數(shù)據(jù)模型[11]，創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)傳輸單元XY-475LME3616的硬件對象數(shù)據(jù)庫。將空氣溫濕度、土壤溫濕度和光照作為具體對象，分別賦予其ID號。例如將空氣溫度與土壤溫度的ID號均設置為3303，而空氣溫度與土壤溫度作為對象ID的不同資源實例，用數(shù)字1和數(shù)字2表示，此外，設定系統(tǒng)中資源量代碼為5700。硬件對象數(shù)據(jù)庫如表1所示。

圖4 LwM2M客戶端、對象和資源三者關系

對象ID編號對象資源實例編號資源量代碼空氣溫度330315700土壤溫度330325700空氣濕度330415700土壤濕度330425700光照度 330115700

2.4 LwM2M協(xié)議SDK的集成

為簡化數(shù)據(jù)傳輸單元軟件的開發(fā)流程，基于受限CoAP(constrained application protocol)協(xié)議和LwM2M協(xié)議的開源實現(xiàn)，提取其核心協(xié)議內(nèi)容，實現(xiàn)CoAP協(xié)議內(nèi)容二次封裝。在該過程中屏蔽協(xié)議具體實現(xiàn)的復雜性，給出協(xié)議實現(xiàn)的應用程序接口，第三方開發(fā)者移植SDK到自寫的工程目錄下，在硬件端業(yè)務邏輯中調(diào)用由“LwM2M.c”源文件提供的“LwM2M_Resource_add(device,object,objectIns, res) ”函數(shù)即可完成基于IPSO對象資源數(shù)據(jù)模型的創(chuàng)建。調(diào)用“iot_SendData(int8_t *buff,uint32_t len) ”和“iot_ReceiveData(uint_t *buff,uint16_t *read)”兩個函數(shù)可實現(xiàn)資源數(shù)據(jù)的上行、下行處理。LwM2M協(xié)議SDK中C源文件組成描述如表2所示。C源文件實現(xiàn)了LwM2M協(xié)議硬件端注冊到服務器流程，實現(xiàn)LwM2M觀察者和發(fā)現(xiàn)者模式[12]。

表2 LwM2M協(xié)議SDK中C源文件組成描述

3 管理軟件的設計

應用軟件端采用基于瀏覽器/服務器(browser/server, B/S)架構的Web開發(fā)方式[13]，利用SSM(Spring+Spring MVC+Mybatis)框架搭建出農(nóng)業(yè)環(huán)境物聯(lián)信息監(jiān)測系統(tǒng)后臺業(yè)務邏輯層，結(jié)合商業(yè)級數(shù)據(jù)圖表ECharts(enterprise charts)前端可視化技術[14]，實現(xiàn)基于B/S架構的智慧農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測系統(tǒng)。

針對物聯(lián)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)量龐大，對數(shù)據(jù)可操作性要求高的特點，在管理界面中引入ECharts進行數(shù)據(jù)渲染，生成各種可視化交互圖表，進行農(nóng)作物生長環(huán)境信息的可視化呈現(xiàn)。通過可視化管理界面，查詢各個終端設備的遠程數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)圖表，進行監(jiān)測與控制等操作。例如在無人值守時開啟自動管理模式，對大棚內(nèi)溫度進行監(jiān)控，該模式下系統(tǒng)各組件會協(xié)同工作，將棚內(nèi)溫度進行調(diào)節(jié)。對溫度進行監(jiān)控，數(shù)據(jù)可視化參考界面如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)可視化參考界面

圖5作為數(shù)據(jù)可視化界面的一個參考模板，以溫度狀態(tài)為例，橫坐標為溫度變化值，縱坐標為時間的變化值，表示在一天內(nèi)溫度隨時間變化發(fā)生的改變情況。

4 系統(tǒng)測試

在實驗室環(huán)境下，測試數(shù)據(jù)傳輸單元XY-475LME3616的休眠電流值僅為10 uA；正常工作時，整板的工作電流為22 mA，該值包含板載空氣溫濕度傳感器及光照傳感器的工作電流。由于本文中的數(shù)據(jù)傳輸單元都是XY-475LME3616，因此在一個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大棚區(qū)內(nèi)布置5個XY-475LME3616數(shù)據(jù)傳輸單元，數(shù)據(jù)傳輸單元XY-475LME3616實物如圖6所示。。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸單元XY-475LME3616實物

數(shù)據(jù)傳輸單元XY-475LME3616板載多個傳感器，對數(shù)據(jù)傳輸單元XY-475LME3616上電開機后終端首先附著到NB-IoT網(wǎng)絡環(huán)境中，進而注冊到物聯(lián)管理平臺，物聯(lián)管理平臺的IP為“coap://39.108.189.40”，端口號為5683。設定傳感器采樣間隔為5分鐘，數(shù)據(jù)采集傳輸完成后數(shù)據(jù)傳輸單元XY-475LME3616進入休眠狀態(tài)。

系統(tǒng)硬件端包括溫濕度傳感器、水泵和通風控制端傳感器等。溫濕度傳感器采集棚內(nèi)空氣和土壤的溫濕度數(shù)據(jù)值，并將其上傳至平臺端，連續(xù)監(jiān)測7天，系統(tǒng)上行數(shù)據(jù)丟包率如表3所示。

表3 系統(tǒng)7天上行數(shù)據(jù)丟包率

由表3可以看出，在連續(xù)監(jiān)控7天時間里，空氣溫濕度和土壤溫濕度以及光照度的上傳數(shù)據(jù)是2 016條，平臺接收到的數(shù)據(jù)卻不相同。在平臺接收到的數(shù)據(jù)中，光照度的數(shù)據(jù)最多，為2 010條；土壤溫度與濕度的數(shù)據(jù)最少，為2 000條。光照度在上行數(shù)據(jù)傳輸中丟包率最小，為0.298%；土壤溫濕度在上行數(shù)據(jù)傳輸中丟包率最高，為0.794%。系統(tǒng)上行數(shù)據(jù)平均丟包率為0.575%。

為使大棚內(nèi)的溫濕度值保持在適合農(nóng)作物生長的范圍內(nèi)，需要實時監(jiān)控并動態(tài)調(diào)控棚內(nèi)溫濕度值，并通過下發(fā)指令給水泵和通風控制端的傳感器進行調(diào)節(jié)。連續(xù)監(jiān)測7天，系統(tǒng)指令實時下發(fā)的丟包率如表4所示。

表4 系統(tǒng)7天指令實時下發(fā)丟包率

由表4可以看出，在連續(xù)監(jiān)控7天時間里，用戶系統(tǒng)給水泵控制及通風控制端的指令數(shù)據(jù)都為300條。水泵控制端收到的指令數(shù)據(jù)為298條，丟包率為0.667%。通風控制端收到的指令數(shù)據(jù)為299條，丟包率為0.333%。系統(tǒng)實時下發(fā)指令的平均丟包率為0.5%。

在大棚內(nèi)外分別放置一個數(shù)據(jù)傳輸進行數(shù)據(jù)采集，開啟無人值守模式，連續(xù)監(jiān)測3天，記錄3天時間里大棚內(nèi)外空氣溫濕度的變化，大棚內(nèi)外3天時間里空氣平均溫濕度對比如圖7所示。

(a) 3天棚內(nèi)外空氣溫度平均值對比

(b) 3天棚內(nèi)外空氣濕度平均值對比

從圖7可以看出，棚內(nèi)空氣平均溫度的值始終在26 ℃左右以較小幅度上下波動，而棚外空氣平均溫度值波動幅度較大，最高溫度與最低溫度的溫差較大。棚內(nèi)空氣平均濕度波動幅度較小，棚內(nèi)空氣濕度占比一直維持在58%左右，而棚外空氣濕度波動幅度較大。

5 結(jié)語

針對現(xiàn)有農(nóng)業(yè)物聯(lián)信息系統(tǒng)通信方式的數(shù)據(jù)精準性差、功耗高等問題，基于物聯(lián)網(wǎng)的感知層、傳輸層和應用層結(jié)構，利用數(shù)據(jù)傳輸單元完成空氣溫濕度和太陽光照度等信息的采集，通過具有NB-IoT的模組將數(shù)據(jù)上報給服務端Web應用，設計了一種智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)信息系統(tǒng)。結(jié)果表明，利用該系統(tǒng)對大棚內(nèi)上下行數(shù)據(jù)采集7天，該系統(tǒng)上行數(shù)據(jù)平均丟包率為0.575%，系統(tǒng)實時下發(fā)指令的平均丟包率為0.5%，該系統(tǒng)上下行數(shù)據(jù)的平均丟包率為0.537 5%，丟包率低，數(shù)據(jù)精準度高。對于整個系統(tǒng)而言，系統(tǒng)休眠時電流為10 uA，正常工作時電流為22 mA，系統(tǒng)休眠時的電流小于工作時的電流，滿足低功耗要求，符合預期設計目標。