基于龍芯組網(wǎng)的農(nóng)業(yè)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

茍超+李強(qiáng)+劉文樂

摘 要：為了實(shí)時(shí)獲取農(nóng)業(yè)生長環(huán)境信息，提升農(nóng)作物生產(chǎn)效益，文中研制了一種基于龍芯處理器與無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相結(jié)合的農(nóng)業(yè)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。組建了基于龍芯1C的終端采集節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和WiFi網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對CO2濃度、空氣溫濕度、光照強(qiáng)度等農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的采集和無線傳輸；設(shè)計(jì)了基于龍芯3A的數(shù)據(jù)監(jiān)測中心，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與人機(jī)交互。由監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)沙盤環(huán)境信息實(shí)驗(yàn)可知，本系統(tǒng)有效實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的無線組網(wǎng)監(jiān)測，為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測提供了一種新的實(shí)現(xiàn)方式。

關(guān)鍵詞：龍芯；無線網(wǎng)絡(luò)通信；WiFi；農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）12-00-04

0 引 言

農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是農(nóng)業(yè)建設(shè)的重要內(nèi)容，要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)優(yōu)質(zhì)、安全、高產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，必須借助科學(xué)技術(shù)對影響農(nóng)作物生長的環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、智能化監(jiān)測和管理。影響農(nóng)作物生長的環(huán)境信息包括空間氣象信息和土壤環(huán)境參數(shù)信息，對信息的感知、處理和應(yīng)用是農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測研究的主要內(nèi)容[1]。由于農(nóng)業(yè)地形分散、環(huán)境信息多變，為多方位、網(wǎng)絡(luò)化、精準(zhǔn)、快速地采集作物生長環(huán)境信息帶來了諸多困難。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用為解決該問題提供了有效的技術(shù)手段。農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)通過大量傳感器協(xié)作，實(shí)時(shí)感知?dú)庀蟆⑼寥赖绒r(nóng)業(yè)環(huán)境信息，經(jīng)嵌入式系統(tǒng)對信息進(jìn)行處理后，由無線通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳送到監(jiān)測中心，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的遠(yuǎn)程集群化監(jiān)測[2]?；赯igBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對大眾化農(nóng)業(yè)場地環(huán)境信息的精準(zhǔn)監(jiān)測；基于嵌入式系統(tǒng)和GPRS通信技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對環(huán)境信息復(fù)雜、地勢特殊的農(nóng)業(yè)場所的監(jiān)測；基于WSN的農(nóng)田環(huán)境采集節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，結(jié)合嵌入式處理器設(shè)計(jì)了無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)田信息的動(dòng)態(tài)顯示和大容量存儲(chǔ)[3-5]。

隨著“自主可控”概念的提出，國產(chǎn)龍芯系列CPU相繼誕生。龍芯處理器經(jīng)過多年發(fā)展，雖已在國防、航天等信息安全級別較高的領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但在民用領(lǐng)域應(yīng)用相對較少。為了實(shí)現(xiàn)龍芯在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)了基于龍芯處理器組網(wǎng)的農(nóng)業(yè)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用于對空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度、土壤濕度等環(huán)境因子的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并可將采集到的數(shù)據(jù)由匯聚節(jié)點(diǎn)通過無線傳輸發(fā)送到遠(yuǎn)端服務(wù)器供人機(jī)交互。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于龍芯組網(wǎng)的農(nóng)業(yè)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)由信息感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用服務(wù)層組成[6]，如圖1所示。

信息感知層具有采集環(huán)境信息、協(xié)同處理、信息服務(wù)等功能。該層由多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)和一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，采集節(jié)點(diǎn)完成對農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的采集，匯聚節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)同處理和信息服務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層用以傳遞感知層所采集的數(shù)據(jù)和控制信息，建立信息感知層與應(yīng)用服務(wù)層之間信息交互的橋梁。由于藍(lán)牙、紅外傳輸距離短且功耗大，ZigBee數(shù)據(jù)傳輸在多節(jié)點(diǎn)情況下組網(wǎng)復(fù)雜、傳輸速度慢，而WiFi具有傳輸速度快、可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的無縫連接等優(yōu)勢，若實(shí)現(xiàn)WiFi在作物產(chǎn)地全覆蓋，可以直接將移動(dòng)終端設(shè)備接入系統(tǒng)，更適合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求[7]。因此，系統(tǒng)使用WiFi和路由器基站來組建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸層。應(yīng)用服務(wù)層主要通過接收、儲(chǔ)存、分析采集數(shù)據(jù)，為用戶提供特定的服務(wù)，該部分由Web服務(wù)器、MySQL數(shù)據(jù)庫以及具有特定功能的平臺應(yīng)用軟件構(gòu)成。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件是實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)精確采集、傳輸、接收、存儲(chǔ)等功能的基石。系統(tǒng)硬件按不同系統(tǒng)層的功能要求分別設(shè)計(jì)，主要包括環(huán)境采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)。

2.1 采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

通過信息感知層獲取農(nóng)作物所處環(huán)境參數(shù)是最直觀的手段，該層是由許多在空間上分布的自動(dòng)裝置組成的一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，這些裝置通過搭載有多種傳感器的采集節(jié)點(diǎn)協(xié)作監(jiān)測農(nóng)業(yè)環(huán)境信息，因此，采集節(jié)點(diǎn)是該部分最基本的單元。采集節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)主要由電源模塊、主控制模塊（CPU、儲(chǔ)存器等）、信息采集處理模塊（由傳感器和數(shù)模轉(zhuǎn)換功能模塊組成）、無線通信模塊構(gòu)成[8]，如圖2所示。處理器選擇國產(chǎn)芯片Loongson 1C，將傳感器與1C外設(shè)接口相連，以實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)環(huán)境的信息感知。系統(tǒng)采用RT5370無線網(wǎng)絡(luò)模塊通過USB接口與主控器龍芯1C互連，組建感知節(jié)點(diǎn)無線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用服務(wù)層的交互。

系統(tǒng)中獲取環(huán)境因子數(shù)值的傳感器模塊在滿足精度的前提下，盡量選取低功耗的復(fù)合型傳感器。

空氣溫濕度傳感器使用AM2320傳感器，該傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)高精度集成測溫元件，與一個(gè)高性能微處理器相連，具有封裝尺寸小、測量精度高等特點(diǎn)。

光照強(qiáng)度傳感器選擇型號為BH1750FVI的GY-30，它具有寬范圍和高分解、低電流關(guān)斷的特點(diǎn)。

CO2傳感器選擇具有高靈敏度的MG811電化學(xué)傳感器，這款傳感器生命周期長且可靠性高。

PM2.5/PM10傳感器選用激光散射技術(shù)研制的SDS011傳感器，具有高精度、響應(yīng)快的特點(diǎn)。

土壤濕度傳感器選用LM393比較器研制的YL-69傳感器，其感知表面經(jīng)鍍鎳處理后，具備強(qiáng)導(dǎo)電性、寬感應(yīng)性、生命周期長等特點(diǎn)。

2.2 匯聚節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)匯聚節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)組成的重要部分，它將采集節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心通過無線網(wǎng)絡(luò)連接起來，使得系統(tǒng)更具完整性。匯聚節(jié)點(diǎn)是一個(gè)功能強(qiáng)大的終端采集節(jié)點(diǎn)，相比于一般終端采集節(jié)點(diǎn)，其處理能力和通信能力更強(qiáng)，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存能力更大[8]。匯聚節(jié)點(diǎn)主要由電源模塊、主控制模塊、無線網(wǎng)絡(luò)模塊構(gòu)成。匯聚節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在匯聚節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)中，選擇Loongson 1C微處理器，經(jīng)RS 232匯聚節(jié)點(diǎn)可與前端PC通信，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸將嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核和平臺應(yīng)用軟件下載到主控制器中，完成對匯聚節(jié)點(diǎn)整體資源的管理和特定功能的實(shí)現(xiàn)；網(wǎng)絡(luò)模塊采用具有強(qiáng)大功能的WiFi模塊——RTL8188來組建無線網(wǎng)絡(luò)[9]。該模塊核心處理器集成了RTL8196E+RTL8188ER固件，工作頻率為2.4GHz，工作信道數(shù)為14，支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11n/g/b協(xié)議，具有完整的TCP/IP協(xié)議棧，支持DHCP服務(wù)，無線傳輸速率可達(dá)150 Mb/s。此外，使用以太網(wǎng)模塊DM9161組建有線網(wǎng)絡(luò)，通過無線或有線與路由器站點(diǎn)連接，使匯聚節(jié)點(diǎn)具備網(wǎng)絡(luò)功能，實(shí)現(xiàn)與前后端的網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸層由采集端、匯聚端、服務(wù)端所組建的網(wǎng)絡(luò)交互構(gòu)成。endprint

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)均采用龍芯1C作為主控器，不支持本系統(tǒng)的部分設(shè)備，因此，必須根據(jù)設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)、工作時(shí)序、通信方式進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)。系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)包括空氣溫濕度傳感器（AM2320）、光照強(qiáng)度傳感器（BH1750）、WiFi模塊RTL8188和RT5370的驅(qū)動(dòng)開發(fā)。嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)主要包括字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)、塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)[10]。根據(jù)它們各自的特點(diǎn)可知，AM2320和BH1750設(shè)備驅(qū)動(dòng)屬于字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)類，RTL8188和RT5370設(shè)備驅(qū)動(dòng)屬于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)類。系統(tǒng)的整體驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由圖4可知，在AM2320和BH1750驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中主要包括驅(qū)動(dòng)模塊加載函數(shù)、卸載函數(shù)和設(shè)備文件操作接口設(shè)計(jì)[10]。加載函數(shù)包括對設(shè)備的初始化、分配相應(yīng)的設(shè)備號、注冊字符設(shè)備文件結(jié)構(gòu)體；設(shè)備文件操作接口中設(shè)計(jì)了用于與上層應(yīng)用程序進(jìn)行交互的文件操作函數(shù)指針，傳感器通過對這些函數(shù)指針的調(diào)用實(shí)現(xiàn)與1C主控器的數(shù)據(jù)交換。RTL8188和RT5370用于驅(qū)動(dòng)不同的字符設(shè)備，Linux網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基于BSD的Socket機(jī)制，提供流控功能和對多協(xié)議處理的支持，同時(shí)支持對收發(fā)數(shù)據(jù)的緩存[10]。在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)時(shí)，主要編寫了設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能層的相關(guān)函數(shù)以填充net_device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，并將net_device注冊入內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)1C對RTL8188和RT5370的支持。

3.2 采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)主要完成對空氣溫濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度、土壤濕度等環(huán)境信息的實(shí)時(shí)采集。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)傳感器的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇與主控器的最佳通信方式，溫濕度傳感器和光照強(qiáng)度傳感器采用I2C總線協(xié)議與主控器通信；PM2.5/PM10采用UART協(xié)議與主控器通信；CO2濃度傳感器和土壤濕度傳感器是模擬量輸出型傳感器，1C主控器內(nèi)部提供了4路ADC輸入，且滿足傳感器精度要求，所以均采用1C內(nèi)部的ADC與主控器通信。對農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)的采集、轉(zhuǎn)換、算法設(shè)計(jì)如圖5所示。

在設(shè)計(jì)采集應(yīng)用程序時(shí)，為降低系統(tǒng)功率加入休眠和喚醒機(jī)制。使用周期性監(jiān)測工作方式，設(shè)定一個(gè)監(jiān)測周期標(biāo)志，并讓這個(gè)標(biāo)志循環(huán)自減，當(dāng)標(biāo)志大于0時(shí)，各采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)；當(dāng)標(biāo)志為0時(shí)，各采集節(jié)點(diǎn)被喚醒并等待匯聚節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)；當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)出采集命令后，各采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，采集節(jié)點(diǎn)主控制模塊則根據(jù)程序設(shè)計(jì)的算法，將感知到的環(huán)境信息的真實(shí)值轉(zhuǎn)化為程序規(guī)定值，并將采集到的數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的精準(zhǔn)感知。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸軟件將采集節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境信息數(shù)據(jù)上傳到匯聚節(jié)點(diǎn)，并最終傳至龍芯3A監(jiān)測中心。嵌入式Linux操作系統(tǒng)擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，在設(shè)計(jì)中，采用Linux網(wǎng)絡(luò)套接字編程和C/S傳輸模式來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā)。數(shù)據(jù)交換通過函數(shù)Recv（）、Send（）實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)傳輸軟件流程如圖6所示。

3.4 監(jiān)測中心軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測中心主要完成對采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程集中控制、實(shí)時(shí)環(huán)境信息的儲(chǔ)存和數(shù)據(jù)的人機(jī)交互。采用龍芯3A主機(jī)作為監(jiān)測中心服務(wù)平臺，操作系統(tǒng)采用Loongnix，該系統(tǒng)專用于龍芯3A的PC機(jī)和服務(wù)器。監(jiān)控中心軟件主要由Web云服務(wù)器、MySQL數(shù)據(jù)庫、遠(yuǎn)程控制界面、中間件等組成[11]。其軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

由圖7可知，通過Web云服務(wù)和phpMyAdmin完成網(wǎng)頁與數(shù)據(jù)庫的連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)查看數(shù)據(jù)庫中接收到的空氣溫濕度、光照、CO2濃度等農(nóng)業(yè)環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)的功能。鑒于Nginx服務(wù)器在負(fù)載均衡方面的優(yōu)越性[12]，將其運(yùn)用到此農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測中心的Web云服務(wù)器中，可實(shí)現(xiàn)多用戶大并發(fā)的訪問。通過基于Qt界面編程設(shè)計(jì)出的Loongson-Telent遠(yuǎn)程控制平臺界面軟件，運(yùn)行于監(jiān)測中心服務(wù)器中，可通過固定IP連接到采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對它們的遠(yuǎn)程控制。

4 系統(tǒng)測試和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

完成對系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)后，進(jìn)行系統(tǒng)測試工作。測試時(shí)，以實(shí)驗(yàn)室農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)沙盤中的環(huán)境因子為監(jiān)測對象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測試中，在沙盤中布置1個(gè)采集節(jié)點(diǎn)和1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，在06：00-18：00時(shí)間段內(nèi)對沙盤內(nèi)的環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)測，每間隔 1 h采集一次環(huán)境信息。感知層采集節(jié)點(diǎn)接收到采集命令后便實(shí)時(shí)采集環(huán)境信息，數(shù)據(jù)經(jīng)匯聚節(jié)點(diǎn)處理后，通過實(shí)驗(yàn)室路由器經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至龍芯3A監(jiān)控中心并儲(chǔ)存到MySQL數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)沙盤中的空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度、土壤濕度數(shù)據(jù)的無線采集、無線傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控。圖8所示為3A監(jiān)測中心通過Web服務(wù)器連接到MySQL數(shù)據(jù)庫對沙盤中環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示的界面。

5 結(jié) 語

本文針對農(nóng)業(yè)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測的需求，設(shè)計(jì)了基于龍芯處理器組網(wǎng)的新型農(nóng)業(yè)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。文中闡述了系統(tǒng)總體構(gòu)建、硬件設(shè)計(jì)、外圍設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)以及平臺應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)使用國產(chǎn)龍芯1C處理器作為系統(tǒng)感知層的主控器，實(shí)現(xiàn)了對實(shí)驗(yàn)室農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)沙盤環(huán)境信息的采集；使用WiFi技術(shù)組建系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對所采集數(shù)據(jù)的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸；通過搭建在龍芯3A監(jiān)控中心的Web云服務(wù)，連接MySQL數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了對沙盤農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測。因此，本系統(tǒng)采用國產(chǎn)處理器平臺有效地實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的無線組網(wǎng)監(jiān)測，不僅為農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)注入了新鮮血液，也拓展了龍芯處理器的應(yīng)用領(lǐng)域。

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