中小型規(guī)模智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點設計

萬雪芬，鄭 濤，崔 劍，蔣學芹，Sardar Muhammad Sohail，楊 義

中小型規(guī)模智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點設計

萬雪芬1,2，鄭 濤3，崔 劍4，蔣學芹5，Sardar Muhammad Sohail5，楊 義5※

（1. 河北省物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控工程技術研究中心，廊坊 065201； 2. 華北科技學院計算機學院，廊坊 065201；3. 燕山大學經(jīng)濟管理學院，秦皇島 066004；4. 北京航空航天大學網(wǎng)絡空間安全學院，北京 100083； 5.東華大學信息科學與技術學院，上海 201620）

為了能夠向中小規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營者提供深度定制的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術，該研究研發(fā)了一種可用于農(nóng)業(yè)設備信息化的智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點。通過該終端節(jié)點將農(nóng)業(yè)設備柔性接入物聯(lián)網(wǎng)體系，并依托管理服務層App實現(xiàn)應用層App功能開發(fā)。系統(tǒng)硬件利用可編程片上系統(tǒng)的IP核重用技術實現(xiàn)對各種農(nóng)業(yè)設備的接入，實現(xiàn)各農(nóng)業(yè)場景中根據(jù)設備具體情況進行定制化應用。系統(tǒng)傳輸層采用LoRa廣域網(wǎng)與藍牙技術，支撐集中式與分布式農(nóng)業(yè)管理服務體系。管理服務層App對底層節(jié)點設備操作與Android功能操作進行封裝，實現(xiàn)應用層與底層功能結構的解耦，避免了應用層App開發(fā)時結構復雜、對底層功能結構變化適應性差、開發(fā)周期長等問題。實踐應用結果表明，該農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點可有效實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)設備的接入，具有1 500 VDC的電磁隔離能力；節(jié)點的LoRa無線數(shù)據(jù)通道在無嚴重降雨的天氣中數(shù)據(jù)包傳輸成功率接近100%，藍牙可支持周圍3 m范圍內(nèi)的移動設備現(xiàn)場接入；管理服務層App可有效支撐應用層功能快速開發(fā)；在直連上位機模式下，應用層App到節(jié)點設備間的功能延時分別小于400與1 700 ms，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，功能支撐可靠。該方法可為國內(nèi)中小規(guī)模農(nóng)業(yè)經(jīng)營者的物聯(lián)網(wǎng)信息化建設提供支持與參考。

物聯(lián)網(wǎng)；農(nóng)業(yè)；智能化；可編程片上系統(tǒng)；LoRa；移動智能設備

0 引 言

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術可以有效優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率[1-2]。而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)設備信息互聯(lián)互通是構建農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的前提條件[3-4]。以往的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息設備往往面向規(guī)模化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，對作為中國農(nóng)業(yè)經(jīng)營者主體的中小規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營者重視不足。這些中小規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營者迫切希望通過農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術解決其日常生產(chǎn)生活當中遇到的問題[5-6]。但因為其生產(chǎn)過程、產(chǎn)品種類、勞作習慣、銷售渠道等因素影響，對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的功能需求差異很大，難以使用標準化的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。此外，中小規(guī)模的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者往往資金有限，難以進行大規(guī)模投入。如何在低成本前提下面向廣大中小規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營者提供物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是中國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領域亟待解決的問題[7-9]。

在面向這一需求的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)中，需要在物聯(lián)網(wǎng)的各層次功能中重點解決以下問題：硬件需要具有極強的通用性，依托具有高度集成化與功能伸縮性的芯片，通過功能裁剪適配滿足不同農(nóng)業(yè)應用場景的需求；系統(tǒng)的傳輸層要成本低、功耗低，終端布局與接入靈活。系統(tǒng)管理服務層承接物理硬件功能結構變化與適配傳輸層通信結構，并具有對應管理功能，向應用層提供信息管理與服務支持；應用層應依托管理服務層功能匹配不同農(nóng)業(yè)應用場景。

近年來，可編程片上系統(tǒng)技術（Programmable System-on-Chip，PSoC）的發(fā)展為在通用硬件結構設計上實現(xiàn)多樣化服務提供了可能。PSoC可在一個硅片上實現(xiàn)功能定制和高度集成化的數(shù)模混合嵌入式系統(tǒng)[10-11]，避免了統(tǒng)一結構硬件平臺與較大差異化應用需求之間的矛盾，基于啁啾擴頻（Chirp Spread Spectrum，CSS）的LoRa低功耗廣域網(wǎng)（Long Range Low Power Wide Area Network，LoRa WAN）具有耐多徑、傳輸距離遠、穿透效果好（尤其在土壤等環(huán)境中傳輸效果優(yōu)異）等優(yōu)點[12-14]，數(shù)據(jù)負載結構能夠封裝不同農(nóng)業(yè)監(jiān)測與管理信息。此外，近年來隨著移動智能設備的發(fā)展，低功耗藍牙技術也為現(xiàn)場分布式信息管理提供了技術支撐[15-17]。

農(nóng)業(yè)智能化精準管理的核心是解決多樣化信息服務問題（主要來自于硬件設備與應用層需求的多樣化）[18-20]。近年來，移動智能設備在農(nóng)業(yè)信息服務[21-22]、數(shù)據(jù)感知[23-24]、分布式農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)等領域都實現(xiàn)了應用[25-26]。但是這些系統(tǒng)針對性較強，難以簡單移植到其他應用場合。如果將與底層硬件及網(wǎng)絡傳輸相關的操作和常用農(nóng)業(yè)業(yè)務相關的Android功能進行封裝，并由其向應用層App提供服務支撐，構建管理服務層App，這一問題可得到有效解決。管理服務層App可有效銜接硬件、網(wǎng)絡和實際應用，并實現(xiàn)功能上的解耦（即消減功能上的相關依賴性）。在管理服務層App的支撐下，應用層App開發(fā)者可將研發(fā)重點集中在功能開發(fā)上，而無需關注硬件設備及Android功能操作等。管理服務層App與終端節(jié)點間通過規(guī)格化的數(shù)據(jù)容器進行信息交互，可方便硬件開發(fā)者進行針對性的設計。

基于以上技術手段，本文設計了一種用于將農(nóng)業(yè)設備接入物聯(lián)網(wǎng)體系，從而實現(xiàn)設備間信息互聯(lián)互通升級的智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點。該節(jié)點由面向農(nóng)業(yè)設備物聯(lián)網(wǎng)接入的終端節(jié)點與配套的管理服務層App組成。終端節(jié)點可在各種農(nóng)業(yè)場景中實現(xiàn)與傳感器、農(nóng)業(yè)機電裝備等的數(shù)據(jù)連接，并在較大范圍內(nèi)構建無線信息交互通道。管理服務層App依托上述節(jié)點硬件結構并整合Android功能，向應用層提供核心功能支持。該設計的優(yōu)勢在于通過終端節(jié)點較強的功能適配性，在不改變原有設備功能的基礎上，利用通用化平臺將種類繁多、功能差異較大的農(nóng)業(yè)設備導入物聯(lián)網(wǎng)體系中。通過管理服務層App屏蔽底層設備硬件的差異性，實現(xiàn)功能封裝，可為不同農(nóng)業(yè)場景中應用層App開發(fā)提供支撐。

1 系統(tǒng)功能結構

本文系統(tǒng)重點針對中小型農(nóng)業(yè)經(jīng)營者存量農(nóng)業(yè)機電設備的信息化升級，系統(tǒng)功能結構覆蓋了由物理設備層到管理服務層的架構，系統(tǒng)功能如圖1所示。

圖1 智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點系統(tǒng)功能圖

在物理設備層中，農(nóng)業(yè)機電設備和終端節(jié)點之間通過具有較強抗電磁干擾特性的數(shù)字或模擬接口交互信息。對于不同的農(nóng)業(yè)機電設備及農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用需求，利用PSoC高度集成化的CPU、存儲器、數(shù)字子系統(tǒng)、模擬子系統(tǒng)、數(shù)字/模擬總線、藍牙、通用數(shù)字模塊等構建IP核（Intellectual Property Core，為改良的原生IP或二次開發(fā)的開發(fā)者IP核），并通過PSoC的IP核對不同場景進行功能適配。在數(shù)據(jù)處理中，終端節(jié)點按照預定格式進行數(shù)據(jù)封裝。終端節(jié)點依托LoRa與藍牙分別向集中式或分布式農(nóng)業(yè)管理體系提供傳輸層數(shù)據(jù)通道。傳輸層的藍牙主要面向智能手機等移動智能設備的現(xiàn)場分布式訪問。集中式體系中，使用PC作為上位機，也可以依托終端節(jié)點結構實現(xiàn)智能手機等移動智能設備作為上位機構建服務管理系統(tǒng)。

管理服務層App建立應用層App與物理設備層、傳輸層和Android操作的功能銜接通道。應用層App通過管理服務層App管理終端節(jié)點，進而實現(xiàn)對終端節(jié)點外接農(nóng)業(yè)機電設備及終端節(jié)點信息的操作與控制。若應用層App需使用數(shù)據(jù)存儲、位置服務等Android系統(tǒng)功能，可直接通過管理服務層App實現(xiàn)。管理服務層App的核心功能是實現(xiàn)應用層與物理設備層/傳輸層和Android系統(tǒng)之間的功能映射，銜接應用頂層與底層。管理服務層App將物理設備層、傳輸層及Android系統(tǒng)功能調(diào)用從面向應用的App中剝離出來，在保障實現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)功能結構的前提下實現(xiàn)了頂層與底層的解耦，在銜接頂層與底層的同時增加了功能適配及拓展，且有助于避免不同Android平臺上的運行差異。

2 終端節(jié)點硬件設計

2.1 微控制器設計

終端節(jié)點硬件在Cypress公司的可編程片上系統(tǒng)PSoC6-CY8CPROTO-063-BLE上進行設計。PSoC6芯片CPU采用雙核結構。主CPU為Arm Cortex-M4F，輔助CPU為Arm Cortex-M0+。常規(guī)標準數(shù)字接口適配采用CY8CPROTO-063-BLE中5組獨立SCB模塊（Run-time Reconfigurable Serial Communication Blocks）；非標準協(xié)議或數(shù)據(jù)，利用PSoC6內(nèi)部的12組UDB模塊（Universal Digital Block）實現(xiàn)對接。

邏輯值和PWM控制信號，分別通過可編程GPIO或PWM功能IP核實現(xiàn)。利用芯片內(nèi)置運算放大器組成輸入跟隨器，并結合高精度模擬通道實現(xiàn)節(jié)點與設備間模擬信息交互。終端節(jié)點藍牙通信功能通過芯片內(nèi)部的藍牙功能實現(xiàn)，可支持BT 5.0、靈敏度-95 dBm。此外，CY8CPROTO-063-BLE在單芯片上集成的多種數(shù)據(jù)功能（如比較器等）、多時鐘系統(tǒng)、觸屏支持、安全功能及增速加密功能（如AES、3DES）等也為實現(xiàn)終端節(jié)點硬件對農(nóng)業(yè)設備及管理服務層App的柔性銜接提供了支撐。

2.2 無線通信設計

終端節(jié)點LoRa采用Semtech公司SX1278的LoRa無線通信模塊。該模塊工作頻段可設定為410～441MHz之間的32個離散信道之一，支持FEC與AES加密，在空曠無遮擋區(qū)域中傳輸距離近10 km。使用該模塊在理想情況下可以構建覆蓋范圍近百平方千米的LoRa網(wǎng)絡，這使得設備聯(lián)網(wǎng)具有較大的余度，設備空間位置的限制也可放寬[27-28]。在農(nóng)業(yè)環(huán)境中由于枝葉遮擋、棚室結構、作業(yè)設備等影響，無線信號在傳輸中往往具有較強的多徑效應。Staniec等研究表明，通過選取較大的擴頻因子（Spreading Factor ，SF），可令LoRa信號在傳輸中獲得接近多徑免疫的效果[29]，所以本設計中主擴頻因子選取SF=10。

終端節(jié)點LoRa采用標準星形網(wǎng)絡拓撲，每個終端節(jié)點賦予一個固定的網(wǎng)內(nèi)ID。終端節(jié)點通信模式設為問詢模式或基于內(nèi)部時序的透傳自主發(fā)送模式。問詢模式下，上位機依照預定的時間輪或其他管理邏輯向終端節(jié)點發(fā)出問詢指令，終端節(jié)點收到指令后執(zhí)行數(shù)據(jù)及控制操作。自主發(fā)送模式下，終端節(jié)點根據(jù)預定的控制邏輯向固定ID發(fā)送LoRa數(shù)據(jù)包。上述2種模式下數(shù)據(jù)包格式一致（如圖2所示）。在信息交互操作中，信息內(nèi)容可大于LoRa協(xié)議中數(shù)據(jù)容器的最大長度。終端節(jié)點LoRa信息格式使用拼接標識指示多個數(shù)據(jù)容器中內(nèi)容的拼接。在交互信息內(nèi)對不同類型的內(nèi)容賦予標簽，終端節(jié)點中PSoC6依據(jù)標簽進行操作。

注：M、N、Z為參數(shù)序號。下同。

移動智能設備與終端節(jié)點間的藍牙通信與LoRa通信類似，通過藍牙數(shù)據(jù)容器承載二者之間的交互信息。該藍牙連接由管理服務層App借助Android藍牙管理功能組件進行管理。管理服務層通過終端節(jié)點實現(xiàn)某一應用功能時，由管理服務層App將終端節(jié)點及設備控制信息通過藍牙信道送往終端節(jié)點。終端節(jié)點根據(jù)該信息執(zhí)行完后再反饋給管理服務層App。需要注意的是，每一個藍牙數(shù)據(jù)包中僅含有一項終端節(jié)點功能操作及其對應的操作參數(shù)。若有多個操作需要執(zhí)行，則依照操作生成的時間順序依次發(fā)送。移動智能設備與終端節(jié)點間的藍牙數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)格式如圖3所示。

圖3 終端節(jié)點藍牙數(shù)據(jù)包格式

2.3 接口設計

在PSoC6和外部設備的信息交互中，部分情況下需要進行協(xié)議轉(zhuǎn)換（如UART轉(zhuǎn)RS232）。而由于周圍環(huán)境與數(shù)據(jù)線纜等原因，有可能引入電磁沖擊。所以在設計中采用電磁隔離型接口，并配合浪涌抑制器。在I2C等用于連接終端節(jié)點周圍嵌入式設備的數(shù)據(jù)總線上，利用符合IEC-60747-5-2及IEC 60950-1標準的隔離芯片實現(xiàn)對沖擊干擾的隔離。在模擬通道與PWM/邏輯通道上，分別采用線性光耦與高速邏輯光耦實現(xiàn)隔離。電源部分采用具較高轉(zhuǎn)換效率及電磁隔離效果的隔離型DC-DC電源。終端節(jié)點使用金屬屏蔽罩對表貼分立接口元件進行電磁屏蔽。終端節(jié)點上還使用NTAG 216格式的NFC（Near Field Communication）滴膠標簽標記終端節(jié)點與已連接農(nóng)業(yè)機電設備的功能與狀態(tài)參數(shù)，以供管理服務層App讀取。終端節(jié)點硬件結構如圖4所示。

2.4 IP核與設計重用

在終端節(jié)點與外部設備的適配中，充分利用PSoC6的IP核結構及設計重用能力（以IP核為核心設計操作元素，在通用化的軟硬件結構上適配多種應用場合的能力）。通過結合PSoC原生IP核與使用Verilog開發(fā)的面向應用的軟硬件功能結構上進行封裝，構建功能IP核結構，進而構建對應的API。用戶在具體環(huán)境中使用時，通過API調(diào)用所需的功能IP核即可。如用戶在應用場景中有多種標準數(shù)據(jù)接口的設備需要連接，通過PSoC Creator圖形化調(diào)用API，于設備接口管理IP中置入每一個設備功能參數(shù)即可實現(xiàn)設備的連接交互（不用進行針對設備的復雜編程）。

圖4 終端節(jié)點硬件結構

假設用戶有一個UART接口設備欲連入終端節(jié)點，用戶可以通過API設定接口類型、設備ID、波特率、連接端口等參數(shù)，無需用戶進行針對具體設備的編程設計。而設備及其數(shù)據(jù)的后續(xù)操作管理、錯誤管理、通信管理等也與此類似，即用戶僅需要在PSoC中進行IP功能“設定+調(diào)用”。IP核重用功能可面向不同場合、依據(jù)API接口管理規(guī)范進行相應IP核功能適配調(diào)用，不需進行針對設備的開發(fā)，可使終端節(jié)點快速、廣泛應用于各種農(nóng)業(yè)場景當中。基于PSoC6-IP核開發(fā)的終端節(jié)點功能結構示意圖如圖5所示。圖中用灰色與白色標出的功能結構分別為PSoC原生IP功能結構與面向應用開發(fā)的IP功能結構。

圖5 基于PSoC6-IP核的終端節(jié)點功能結構示意圖

3 管理服務層App設計

3.1 App結構設計

管理服務層App承接應用層App的功能需求，并將該功能需求關聯(lián)映射到物理設備層、傳輸層及Android系統(tǒng)上，并管理該功能操作的具體執(zhí)行。管理服務層App功能結構及界面如圖6所示。

圖6 管理服務層App功能結構與操作界面

3.2 功能映射

管理服務層App是系統(tǒng)管理服務功能的核心。其作用是實現(xiàn)由上至下的功能映射，且這一映射關系需要能夠靈活修改，并實現(xiàn)長期存儲。具體實現(xiàn)中，若基于AIDL（Android Interface Definition Language）開發(fā)這一映射關系，僅可在應用層App與管理服務層App間實現(xiàn)有效關聯(lián)，而不易將管理服務層向下映射關聯(lián)關系與同層間映射關聯(lián)關系整合到同一結構中。而且基于AIDL開發(fā)應用層App略顯復雜。在對多并發(fā)與實時性要求不嚴格的中小規(guī)模農(nóng)業(yè)管理服務系統(tǒng)中并不必須。所以本系統(tǒng)采用Android Content Provider組件結合SQLite輕型數(shù)據(jù)庫的方式構建映射關系。

在管理服務層App安裝完畢首次啟動時，通過SQLite建立一個功能映射關聯(lián)表。此時由于未獲得終端節(jié)點及設備信息，表中僅含有Android功能操作對應項。當管理服務層App獲得終端節(jié)點外接設備及終端節(jié)點所支持的功能操作后，按照終端節(jié)點ID將其寫入功能映射關聯(lián)表中。終端節(jié)點包含該節(jié)點物理設備層與傳輸層所支持并已規(guī)格化編碼的功能操作及操作參數(shù)。

當應用層App要實現(xiàn)某一功能操作時，應用層App訪問該SQLite中的功能映射關聯(lián)表，通過讀取、寫入等獲得所需數(shù)據(jù)，并將其傳遞給管理應用層App。管理應用層App根據(jù)SQLite表中對應項控制外部設備，或執(zhí)行對應Android功能操作。若無管理服務層App與應用層App操作，該SQLite功能映射關聯(lián)表項內(nèi)容不變。每一功能參數(shù)或操作參數(shù)的第一位邏輯值為0或1，分別代表已完成操作或未完成操作。系統(tǒng)依據(jù)上述操作構建由上至下的功能關聯(lián)映射關系。SQLite功能映射關聯(lián)表中的元素格式如圖7所示。從宏觀角度上，可把上述操作抽象為依托帶有狀態(tài)存儲功能的邏輯接口實現(xiàn)的層次間互聯(lián)。

注：P、Q、K為參數(shù)序號。

3.3 App工作流程

系統(tǒng)工作時，應用層App與管理服務層App、管理服務層App與終端節(jié)點間在邏輯關系上為請求-反饋流程。用戶要使用管理服務層App時，將移動智能設備靠近終端節(jié)點上的NFC標簽獲取終端節(jié)點及設備信息。當應用層App要進行終端節(jié)點、設備或Android功能操作時，通過SQLite功能映射關聯(lián)表向管理服務層App發(fā)出請求，管理服務層根據(jù)請求獲取表中對應項信息，并轉(zhuǎn)化為終端節(jié)點可執(zhí)行的功能及參數(shù)，通過藍牙發(fā)往終端節(jié)點，終端節(jié)點收到該內(nèi)容后執(zhí)行對應操作，并將操作結果通過藍牙發(fā)送給管理服務層App。

管理服務層App收到操作結果信息后，更新SQLite功能映射關聯(lián)表中的對應項。應用層App獲得反饋后獲知該功能操作執(zhí)行情況，并依次支撐對應應用層功能。不難看出，應用層App僅需執(zhí)行基于標識的操作即可，無需對物理設備層與傳輸層進行過多涉及。對Android功能的封裝與此類似。每一個相關Android功能都被賦予一個唯一的功能編號，應用層App在需要調(diào)用某功能時（如將數(shù)據(jù)寫入SD卡）向管理服務層App傳遞該功能編號及相應參數(shù)，管理服務層App據(jù)此完成對應操作，并將結果返回應用層App。

4 工程應用實踐

4.1 應用場景

系統(tǒng)完成后，在秦皇島和連云港地區(qū)進行技術推廣。本文選擇2個較為典型的應用實例具體說明系統(tǒng)的應用方法及效果。

應用場景1：使用者為連云港市某果樹種植戶。該農(nóng)業(yè)經(jīng)營者主要經(jīng)營自家果園，對信息服務功能的主要需求是通過農(nóng)業(yè)感知設備獲得果園中的土壤水分等信息，并手動控制園內(nèi)的灌溉設備。其住宅鄰近果園，希望在管理時可于園中對果樹及周圍情況進行直觀觀察判斷，借助自身經(jīng)驗管控生產(chǎn)過程。

應用場景2：使用者為秦皇島市某溫室大棚承包經(jīng)營者。該農(nóng)業(yè)經(jīng)營者的地塊分散（溫室分處2地，距離約1.2 km，2處溫室距離該農(nóng)業(yè)經(jīng)營者住宅最大距離約0.8 km），經(jīng)營者不僅有對溫室內(nèi)多種機電設備和環(huán)境感知設備聯(lián)網(wǎng)管理的需求，還有雇工管理的需求，并希望在觀光采摘中利用移動智能設備為顧客提供服務。

上述2個應用場景反應了國內(nèi)中小型農(nóng)戶較為普遍的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息升級需求。第1種情況下，農(nóng)業(yè)經(jīng)營者希望信息設備可以輔助其日常作業(yè)，但由于生產(chǎn)規(guī)模和投入產(chǎn)出所限，對物聯(lián)網(wǎng)信息化功能要求不高。第2種情況下，經(jīng)營者希望對生產(chǎn)過程進行精細把控，并希望引入農(nóng)業(yè)旅游服務等商業(yè)模式提高農(nóng)業(yè)附加值。這一類型用戶對設備功能的精準性要求較高。

在傳輸層設計中，第1個場景傾向于現(xiàn)場操作，所以終端節(jié)點與移動智能設備通過藍牙實現(xiàn)點對點通信。第2個場景中，一臺移動智能設備通過藍牙連接一個終端節(jié)點，構成上位機結構（該節(jié)點不接農(nóng)業(yè)設備，專門作為數(shù)據(jù)匯聚使用。為避免混淆，下文稱其為數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點）。數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點與其他連接農(nóng)業(yè)設備的終端節(jié)點間通過LoRa無線傳輸進行通信，形成星型拓撲。上述2個應用場景的網(wǎng)絡拓撲結構如圖8所示。

4.2 基于PSoC設計重用的節(jié)點-設備適配

終端節(jié)點在2個場景中的應用充分發(fā)揮了基于IP核的設計重用方法，在同一結構的硬件節(jié)點上通過調(diào)用不同的IP核適配對應設備實現(xiàn)所需功能，開發(fā)中僅需從設計庫中調(diào)出IP核并進行配置。2個場景中外部設備與終端節(jié)點的IP核設計重用情況如圖9所示。

在場景1中，由于終端節(jié)點和移動設備使用藍牙直連，僅需重用系統(tǒng)原有的藍牙IP核與自開發(fā)的藍牙通信管理IP核。接口上也僅重用邏輯量接口、UART接口及設備接口管理IP核。此外，終端節(jié)點系統(tǒng)管理部分也進行了剪裁，僅保留基本功能。為了發(fā)揮終端節(jié)點的工作效率，保障其可靠性，在MCU相關IP核與錯誤管理IP核上未進行功能剪裁。場景2的終端節(jié)點功能較為復雜，相對于場景1的終端節(jié)點，其設備接口適配中引入種類和數(shù)量更多的原有IP核。為進行遠距離傳輸，重用LoRa相關IP核。為了對數(shù)據(jù)進行可靠性管理及服務支持，重用數(shù)據(jù)操作管理IP核。在上述2個場景中，硬件物理結構完全一致，僅需在設計中激活導入對應的IP核功能即可，這一設計重用功能適配可類比于搭建樂高積木。

圖9 不同應用場景下外部設備與終端節(jié)點的IP核設計重用

4.3 基于管理服務層App的應用層App設計

依托管理服務層App，在2個應用場景中針對不同需求設計對應的應用層App。場景1的應用層App面向現(xiàn)場個人管理使用，場景2由于存在溫室管理與農(nóng)業(yè)旅游的應用需求，分別設計了溫室管理App與觀光服務App。各應用層App與管理服務層App的功能支撐關系如圖10所示。

通過引入管理服務層App，應用層重點針對農(nóng)業(yè)管理應用服務功能開發(fā)，不涉及與節(jié)點、設備、Android功能相關的具體操作。在工程應用實踐中，上述App功能有較大差異，但是借助于管理服務層App均構建了面向具體農(nóng)業(yè)應用需求的應用層App。如設備管理功能作為管理服務層核心功能之一，在場景1中被現(xiàn)場管理App通過請求-反饋實現(xiàn)土壤傳感器讀取及水泵控制。在場景2中，其支撐應用層溫室管理App中監(jiān)測控制、數(shù)據(jù)管理功能，以及應用層觀光服務App中設備操作體驗等功能。若按照以往農(nóng)業(yè)應用App開發(fā)方式，每一個面向應用的App在開發(fā)過程中都需要重復設計功能操作。而利用管理服務層App則可使應用層App直接通過SQLite操作實現(xiàn)所需功能，避免復雜耗時的開發(fā)過程。不難看出，通過管理服務層App的支撐結構，能夠?qū)⒊Ｓ棉r(nóng)業(yè)管理服務功能剝離，實現(xiàn)應用層App輕量化、通用化開發(fā)。這一方法同樣會為App開發(fā)者與使用者帶來開發(fā)周期、穩(wěn)定性、移植性與功能解耦方面的優(yōu)勢。

4.4 測試及應用

2個系統(tǒng)完成后先在實驗室中進行了功能測試。測試中采用和實際工程應用相同的功能架構，移動智能設備與節(jié)點間采用藍牙接入。應用層App向端口發(fā)送信息，通過普源MSO5102邏輯分析儀結合PLA2216邏輯分析儀探頭觀測對應端口的數(shù)字信號，并結合功能映射判斷該端口上數(shù)字信號的正確性。測試結果表明，應用層App可通過管理服務層App及終端節(jié)點在對應設備端口正確交互信息。此外，使用美瑞克RK2670AM耐壓測試儀以60 s為周期對終端節(jié)點隔離型數(shù)字接口及電源隔離接口分別施加1500 VDC高沖擊電壓，加壓次數(shù)共計150次。測試中各設備接口未有擊穿、短路、飛弧等現(xiàn)象，具有較強的電磁隔離性能。

圖10 不同應用場景中管理服務層App與應用層App之間的支撐關系

功能測試完成后在2個場景中進行了實地應用。在場景1中，終端節(jié)點安置于果園靠近住宅的兩側(cè)；在場景2中，節(jié)點布設于溫室中，共計8個節(jié)點（溫室內(nèi)終端節(jié)點7個，分別布設于需要接入物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)設備附近；數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點1個，布設于控制室中）。安裝完成后首先對系統(tǒng)無線傳輸功能進行測試。在場景1中，用戶直接使用藍牙接入終端節(jié)點獲得分布式信息服務。測試中使用者在以終端節(jié)點為中心的圓內(nèi)手持移動智能設備隨機移動并對設備進行操作，同時記錄藍牙連接情況。移動智能設備與終端節(jié)點間的相對位置為隨機量。測試結果表明，手機與終端節(jié)點距離不大于3 m時，系統(tǒng)可保障良好通信。理想無遮蔽情況下，移動智能設備與終端節(jié)點間藍牙通信距離甚至可達10 m以上。場景2中也進行類似的藍牙接入/連接測試，結果與場景1相同。場景2中還對節(jié)點LoRa傳輸效能進行了測試。測試中數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點接收各終端節(jié)點發(fā)來的感知與狀態(tài)數(shù)據(jù)，加上時間戳后存儲在SD卡上的CSV格式文件中。之后比較數(shù)據(jù)時間戳及數(shù)據(jù)有效性，進而通過計算得到數(shù)據(jù)包傳輸成功率。數(shù)據(jù)統(tǒng)計日期為2019年5月1日至7月31日。測試結果表明，溫室與經(jīng)營者住宅處的數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點間的LoRa通信穩(wěn)定。無嚴重降雨的天氣情況下，各終端節(jié)點與數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點間的數(shù)據(jù)包傳輸成功率均值接近100%。溫室內(nèi)終端節(jié)點布局也較為靈活，將終端節(jié)點布置在較低位置上時，LoRa通信也未受到作物枝干、溫室設備等的明顯影響。

在2個應用場景的系統(tǒng)跟蹤服務期內(nèi)（場景1：2019年5月至2019年11月，場景2：2019年3月至2019年10月），通過SQLite對應項目元素的操作失敗記錄（來自于農(nóng)業(yè)管理用戶移動智能設備）及操作體驗調(diào)查（來自于使用過觀光服務App的游客調(diào)查問卷），對系統(tǒng)在實際應用中的功能有效性進行了分析。結果表明當藍牙與節(jié)點形成有效連接且LoRa信道通暢時，通過本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)設備控制、農(nóng)業(yè)過程管理、觀光服務等信息化操作。在集中及分布式管理模式下都未出現(xiàn)節(jié)點功能出錯或失效的情況。實測中，終端節(jié)點外接的220 V農(nóng)電及鉛酸電池的電壓都存在一定波動，周圍也有水泵、電機、繼電器等易產(chǎn)生電磁干擾的設備。但終端節(jié)點在應用中體現(xiàn)了較高的可靠性，未受供電及周邊機電設備的影響。應用測試中，移動智能設備與節(jié)點間使用藍牙直連，應用層App發(fā)起操作請求到終端節(jié)點發(fā)出設備控制信號間的最大延時小于400 ms；上位機模式下，這一最大延時小于1 700 ms。系統(tǒng)設計及用戶滿足要求。由于場景1中不需要LoRa通信模塊等部件，單節(jié)點含傳感器落地費用小于1 000元，應用層App開發(fā)時間小于1周。場景2中硬件成本總計約1.55萬元，應用層App開發(fā)周期小于4周。與項目組前期許培培等[30]提出的類似功能系統(tǒng)相比，硬件設計中免去了針對不同場景的開發(fā)費用。以單人開發(fā)周期計算，App開發(fā)周期從數(shù)月減少到數(shù)周。本設計的效費比、開發(fā)周期等都有較大優(yōu)化。用戶在使用過程中對系統(tǒng)成本、使用便捷度、與管理流程的銜接等方面給予了高度的評價。

5 結 論

為了能夠向中小規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營者提供深度定制的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術，本文設計了可用于農(nóng)業(yè)設備信息化升級的智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點。通過該系統(tǒng)可快速將農(nóng)業(yè)設備接入到物聯(lián)網(wǎng)信息體系當中，并支撐農(nóng)業(yè)應用層App的快速、輕量、多樣化開發(fā)，并在農(nóng)業(yè)場景中進行了實踐應用：

1）終端節(jié)點采用PSoC的IP核重用技術實現(xiàn)農(nóng)業(yè)設備接入。基于通用終端節(jié)點硬件設計，通過IP核可封裝、可重用結構適配多樣化農(nóng)業(yè)機電設備，構建設備接入物聯(lián)網(wǎng)信息體系的通道，不僅避免了對每一個農(nóng)業(yè)應用場景專門的硬件開發(fā)，而且有助于實現(xiàn)針對中小農(nóng)業(yè)經(jīng)營者繁雜需求的功能定制。終端節(jié)點具有成本低廉、開發(fā)周期短、對多樣化場景適應性好等優(yōu)點。

2）系統(tǒng)采用LoRa低功耗廣域網(wǎng)技術構建節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸通道，使節(jié)點可在較大空間范圍內(nèi)進行靈活布局，數(shù)據(jù)交互靈活。移動智能設備借助藍牙實現(xiàn)終端節(jié)點現(xiàn)場接入和現(xiàn)場分布式服務。上述2種傳輸層技術，可以有效支撐集中式與分布式管理服務體系，滿足不同農(nóng)業(yè)經(jīng)營者的差異化需求。

3）管理服務層App對節(jié)點設備相關操作及Android功能等進行封裝，有效銜接了硬件設備、數(shù)據(jù)傳輸、Android操作與應用層App。通過管理服務層App實現(xiàn)應用層App與下層功能結構的解耦，使應用層App開發(fā)不涉及物理設備層、傳輸層及管理服務層的具體功能結構，僅在需要時向管理服務層App進行調(diào)用。依托管理服務層App進行應用層App開發(fā)可快速靈活地滿足不同農(nóng)業(yè)管理服務的定制化需求，解決了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)App開發(fā)過程中功能結構復雜、對硬件底層功能結構變化適應性差、開發(fā)周期長等問題。

4）應用實踐表明，終端節(jié)點與設備間信息交互穩(wěn)定、可靠、靈活。各設備連接端口抗電磁干擾特性較強。傳輸層中LoRa與藍牙可分別為集中式與分布式農(nóng)業(yè)管理服務提供可靠的無線信息傳輸通道。基于管理服務層App構建的應用層App穩(wěn)定可靠，能夠支持差異性較大的農(nóng)業(yè)服務需求。系統(tǒng)具有成本低、開發(fā)應用速度快、功能適配性強等優(yōu)勢。基于本文設計可面向中小規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的物聯(lián)網(wǎng)信息管理需求提供適配性好、成本低、開發(fā)快捷的定制化物聯(lián)網(wǎng)信息化解決方案。

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Design of terminal nodes for small and medium scale intelligent agriculture Internet of Things

Wan Xuefen1,2, Zheng Tao3, Cui Jian4, Jiang Xueqin5, Sardar Muhammad Sohail5, Yang Yi5※

(1.,065201,; 2.,065201,; 3.,066004,; 4.,100083,; 5.,201620,)

Internet of Things (IoT) technology has been increasingly used in agriculture. However, most existing agricultural IoT technologies are focused on providing management and service applications to large scale agriculture. In order to provide customized agricultural IoT technology to small and medium scale agricultural producers and operators, an intelligent agricultural IoT terminal node can be used for flexible information upgrade of agricultural equipments and other related devices was designed in this study. The system consisted of terminal nodes and management/service layer App. Through a terminal node, agricultural equipments and other related devices could be flexibly connected to agriculture IoT information frameworks. The management/service layer App linked to terminal node hardware and support the rapid and low-cost development. In the hardware device layer of the system, the IP core reuse technology of system on programmable chip (PSoC) was used to realize the flexible adaptation and access to various agricultural equipments and other related device. The PSoC of terminal node was designed on Cypress's PSoC 6 (PSoC6-CY8CPROTO-063-BLE). The long-range low-power wide-area network (LoRa LPWAN) technology was adopted in the system to build data transmission channels between terminal nodes, and the LoRa in terminal node was designed on LoRa wireless communication module based on Semtech's SX1278. The nodes use low-power Bluetooth technology to enable mobile smart devices (e.g., smartphones, tablets, etc.) to access the terminal nodes and achieve distributed agriculture management, and the Bluetooth on the terminal node was based on the integrated Bluetooth module in the PSoC6. The management/service layer App encapsulated the operation of the underlying terminal node and Android functions. Android Content Provider component combined with SQLite database was used to realize the mapping relationship between different layers. The introduction of the management/service App made the development of application-layer App faster and more suitable for the diversified needs of agricultural IoT requirements. The system was tested in different agricultural application scenarios. The results showed that terminal nodes could effectively provide information upgrade to agricultural equipment and related devices through IP-core reuse technology, and the electromagnetic isolation capacity of the system reached 1 500 VDC, the success rate of data packet transmission of Lora wireless data channel of node was close to 100% in the weather without severe rainfall, and Bluetooth could support the mobile device field access within 3 m around, in the mode of directly connected upper computer, the function delay between application layer App and node equipment was less than 400 and 1 700 ms respectively, the system ran stably and the function support was reliable. This study can provide support and reference for the information construction of Internet of Things for small and medium scale agricultural operators.

Internet of Things; agriculture; intelligentialize; programmable system-on-chip; LoRa; smart mobile device

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.036

S24; TP311

A

1002-6819(2020)-13-0306-09

萬雪芬，鄭濤，崔劍，等. 中小型規(guī)模智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點設計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2020，36(13)：306-314. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.036 http://www.tcsae.org

Wan Xuefen, Zheng Tao, Cui Jian, et al. Design of terminal nodes for small and medium scale intelligent agriculture Internet of Things[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(13): 306-314. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.036 http://www.tcsae.org

2019-12-18

2020-06-02

國家重點研發(fā)計劃（2018YFC0808306）；廊坊市科學技術研究與發(fā)展計劃資助項目（2019011010）；秦皇島市科學技術研究與發(fā)展計劃項目（201805A016）；河北省物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控工程技術研究中心項目（3142018055，3142016020）

萬雪芬，講師，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術及智慧農(nóng)業(yè)。Email：calmerd@ncist.edu.cn

楊義，博士，副教授，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術及智慧農(nóng)業(yè)。Email：yiyang@dhu.edu.cn

中國農(nóng)業(yè)工程學會會員：萬雪芬（E041200928S）