農業物聯網仿真系統的實現

李湘球，王小鳳，朱德彬，何媛媛，彭 君，麻紅昭

（1.萍鄉市蔬菜科學研究所，江西 萍鄉 337001；2.浙江大學，浙江 杭州 310058）

隨著社會的發展，傳統農業已經不適應當前的需求，為了將物聯網技術引入農業生產，更好地推廣農業物聯網的應用，開發了一套農業物聯網仿真系統，以期能夠提高廣大農民對農業物聯網的認知。

1 農業物聯網仿真系統組成

農業物聯網仿真系統是由感知層仿真設備、智能網關、物聯網平臺3 部分構成。智能網關作為該部分的中樞，起到上傳下達的作用。向下接收仿真設備的傳感器數據和發送控制設備狀態命令，向上傳輸設備數據和接收及傳輸控制設備命令。感知層仿真系統的構成，如圖1所示。

圖1 農業物聯網仿真系統結構圖Fig.1 The structure diagram of the agricultural internet of things simulation system

1.1 智能網關

智能網關由觸摸屏和以stm32 為核心的單片機所構成。其中，觸摸屏通過對現場數據的采集處理，以動畫顯示、流程管制、圖表輸出等形式輸出向使用者提供處理實際工程問題的方案[1]，是負責人機交互的部分；單片機負責軟件部分，具有高性能、低成本、低功耗的特點[2]。實現對現場設備的集中顯示和遠程控制功能。智能網關的結構，如圖2所示。

圖2 智能網關結構Fig.2 The smart gateway structure diagram

1.2 感知層仿真設備

系統中仿真傳感設備的主要功能是集中顯示和改變需要向網關和平臺上傳的數據。本系統中仿真傳感設備的總體結構，如圖3所示。

圖3 仿真傳感設備結構圖Fig.3 The structure diagram of simulated sensing equipment

其中，仿真傳感設備共有32 個，每個采集設備下面有6個參數可進行上傳，以設備2 為例，分別是光照強度、土壤水分、空氣濕度、土壤溫度、空氣溫度和二氧化碳量，這些參數可以根據用戶的不同需要進行修改。觸摸屏在采集頁對這些數據進行集中顯示，分別顯示在2個頁面上，每個頁面上面有16個采集設備的數據，以采集1也為例，如圖4所示。

圖4 采集頁面Fig.4 The collection page

觸摸屏與網關連接通電后，網關上即會顯示正確事先設定的數據，采集器的參數值、類型、單位（光照度等）可以根據客戶自己的需求進行修改。圖中的有線、無線為網關與設備的連接方式選擇，有線為RS485 連接，無線則為433MHz 連接。顯示燈為綠色表示在使用，為紅色則為未使用。

1.3 感知層仿真控制設備

感知層仿真控制設備的主要功能是模擬現場設備，由網關對其進行遠程控制。本系統中的仿真控制設備的總體結構，如圖5所示。

圖5 中，仿真控制設備也有32 個，每個仿真控制設備有兩態控制（開、關）、三態控制（正傳、停、反轉）2 種形式，以控制設備2 和控制設備32 為例進行展示。觸摸屏的控制設備顯示頁共有2 頁，每頁有16 個控制器，以控制1 頁為例，如圖6所示。

其中，頁面上“有”“無”是有線連接和無線連接的簡寫。頁面右下方的表格則是對仿真控制設備的仿真電流顯示，并且可以人為修改。點擊右下方的按鈕即可跳轉至相應的頁面。仿真控制設備顯示為兩態或三態取決于網關下發的控制指令。不同的控制狀態網關下發的命令指示不同：兩態控制時，開的狀態是0001；關的狀態是0000；三態控制時，正轉狀態是0009，反轉狀態是0008，停止狀態是000B（十六進制）；仿真控制設備根據接收到的指令，對控制設備做出響應并且顯示不同命令狀態的顏色。

圖5 仿真控制設備結構圖Fig.5 The structure diagram of simulation control equipment

圖6 控制設備頁面Fig.6 The control device page

2 網關與感知層仿真設備的通信實現

網關與感知層仿真設備的通信是基于Modbus 通信協議實現的。Modbus 協議不僅是第1 個真正應用于工業現場的總線協議，也是一種開放的國際性現場總線標準[3]。標準的Modbus 協議是應用層報文傳輸協議，有ASCII、RTU 2 種方式。本系統中采用RTU 通信方式，直接傳送十六進制的數值，同時采用CRC校驗。

網關作為主設備，感知層仿真設備作為從設備，二者之間采用Modbus 協議進行數據通信。包括32 個傳感器和32個控制器，每個傳感器有光照度、土壤水分、空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、二氧化碳6 個參數；每個控制器可根據網關控制器的不同設置顯示兩路的正反轉控制和四路的開關控制[4]。

2.1 Modbus協議簡介

Modbus協議的消息報文結構，如表1所示。

表1 Modbus協議報文結構Tab.1 The Modbus protocol message structure

圖7 網關與感知層仿真設備通信流程圖Fig.7 The communication flow chart between the gateway and the perceptual layer simulation device

地址碼：通信傳送過程中的第1 個字節。從站的地址碼由用戶設定且是唯一對應的，主站數據信息根據該地址碼發送至對應的從站，進而響應的回送也都是以各自的地址碼開始[5]。本系統中地址分配：仿真傳感設備仿真32 個采集器，地址從1～32；仿真控制設備仿真32個控制器，地址為33～64。

功能碼：通信傳送過程中的第2個字節。根據Modbus通訊協議的規則，1～127是所有的功能碼。在主站發送請求時，從站根據功能碼執行相對應的動作。當從站響應時，從站的功能碼和主站的功能碼一致,說明從站響應了主站，并且執行操作[6]。比如03 功能碼代表主站向子站查詢信息，06 功能碼則代表主站“寫”單寄存器信息發送至子站。

數據區：其具體內容隨功能碼的變化而改變。

CRC 字節：2 個字節的錯誤校驗碼，通常高字節在后，低字節在前。就是將整個字符串（不包括最后的2個字節）按規定的方式進行位移操作,先執行異或運算,再將計算的結果存放在字符串最后的2 個字節內，最后由接收方按照相同的計算方法進行校驗,檢查兩者是否一致[7]。若一致，則可以進行下一步的通信；反之，則重新傳遞信息。

2.2 網關的集中顯示與遠程控制實現

網關的集中顯示數據是由仿真傳感設備或仿真控制設備將模擬的各采集器數據或控制器的狀態傳送至網關單片機，網關單片機與網關MCGS 組態軟件通信將模擬的采集數據或控制器狀態顯示在觸摸屏上，同時上傳到平臺。遠程控制的數據流動方向則與顯示數據流的方向相反：用戶在網關觸摸屏或平臺上下發控制指令，網關單片機接收到指令，發送至仿真控制設備，仿真控制設備對應的控制器做出相應的指令動作。實現該過程的流程圖，如圖7所示。

3 結語

智慧農業是未來農業的發展趨勢。農業物聯網仿真系統可以比較真實地描述農業物聯網系統的運行，對普及農業物聯網的知識和推廣農業物聯網的應用起到推動的作用。