中小型規(guī)模智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

萬雪芬，鄭 濤，崔 劍，蔣學(xué)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(diǎn)設(shè)計(jì)

萬雪芬1,2，鄭 濤3，崔 劍4，蔣學(xué)芹5，Sardar Muhammad Sohail5，楊 義5※

（1. 河北省物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，廊坊 065201； 2. 華北科技學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，廊坊 065201；3. 燕山大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，秦皇島 066004；4. 北京航空航天大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，北京 100083； 5.東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(shù)，該研究研發(fā)了一種可用于農(nóng)業(yè)設(shè)備信息化的智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)。通過該終端節(jié)點(diǎn)將農(nóng)業(yè)設(shè)備柔性接入物聯(lián)網(wǎng)體系，并依托管理服務(wù)層App實(shí)現(xiàn)應(yīng)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(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種農(nóng)業(yè)設(shè)備的接入，實(shí)現(xiàn)各農(nóng)業(yè)場景中根據(jù)設(shè)備具體情況進(jìn)行定制化應(yīng)用。系統(tǒng)傳輸層采用LoRa廣域網(wǎng)與藍(lán)牙技術(shù)，支撐集中式與分布式農(nóng)業(yè)管理服務(wù)體系。管理服務(wù)層App對(duì)底層節(jié)點(diǎn)設(shè)備操作與Android功能操作進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層與底層功能結(jié)構(gòu)的解耦，避免了應(yīng)用層App開發(fā)時(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)底層功能結(jié)構(gòu)變化適應(yīng)性差、開發(fā)周期長等問題。實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果表明，該農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)設(shè)備的接入，具有1 500 VDC的電磁隔離能力；節(jié)點(diǎn)的LoRa無線數(shù)據(jù)通道在無嚴(yán)重降雨的天氣中數(shù)據(jù)包傳輸成功率接近100%，藍(lán)牙可支持周圍3 m范圍內(nèi)的移動(dòng)設(shè)備現(xiàn)場接入；管理服務(wù)層App可有效支撐應(yīng)用層功能快速開發(fā)；在直連上位機(jī)模式下，應(yīng)用層App到節(jié)點(diǎn)設(shè)備間的功能延時(shí)分別小于400與1 700 ms，系統(tǒng)運(yùn)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(shè)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(dòng)智能設(shè)備

0 引 言

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)設(shè)備信息互聯(lián)互通是構(gòu)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(shè)備往往面向規(guī)?；r(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，對(duì)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(shù)解決其日常生產(chǎn)生活當(dāng)中遇到的問題[5-6]。但因?yàn)槠渖a(chǎn)過程、產(chǎn)品種類、勞作習(xí)慣、銷售渠道等因素影響，對(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(lǐng)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(diǎn)解決以下問題：硬件需要具有極強(qiáng)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(yīng)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(wù)層承接物理硬件功能結(jié)構(gòu)變化與適配傳輸層通信結(jié)構(gòu)，并具有對(duì)應(yīng)管理功能，向應(yīng)用層提供信息管理與服務(wù)支持；應(yīng)用層應(yīng)依托管理服務(wù)層功能匹配不同農(nóng)業(yè)應(yīng)用場景。

近年來，可編程片上系統(tǒng)技術(shù)（Programmable System-on-Chip，PSoC）的發(fā)展為在通用硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)多樣化服務(wù)提供了可能。PSoC可在一個(gè)硅片上實(shí)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(jié)構(gòu)硬件平臺(tái)與較大差異化應(yīng)用需求之間的矛盾，基于啁啾擴(kuò)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(yuǎn)、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(diǎn)[12-14]，數(shù)據(jù)負(fù)載結(jié)構(gòu)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(dòng)智能設(shè)備的發(fā)展，低功耗藍(lán)牙技術(shù)也為現(xiàn)場分布式信息管理提供了技術(shù)支撐[15-17]。

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

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

1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

本文系統(tǒng)重點(diǎn)針對(duì)中小型農(nóng)業(yè)經(jīng)營者存量農(nóng)業(yè)機(jī)電設(shè)備的信息化升級(jí)，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)覆蓋了由物理設(shè)備層到管理服務(wù)層的架構(gòu)，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(diǎn)系統(tǒng)功能圖

在物理設(shè)備層中，農(nóng)業(yè)機(jī)電設(shè)備和終端節(jié)點(diǎn)之間通過具有較強(qiáng)抗電磁干擾特性的數(shù)字或模擬接口交互信息。對(duì)于不同的農(nóng)業(yè)機(jī)電設(shè)備及農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，利用PSoC高度集成化的CPU、存儲(chǔ)器、數(shù)字子系統(tǒng)、模擬子系統(tǒng)、數(shù)字/模擬總線、藍(lán)牙、通用數(shù)字模塊等構(gòu)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(duì)不同場景進(jìn)行功能適配。在數(shù)據(jù)處理中，終端節(jié)點(diǎn)按照預(yù)定格式進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝。終端節(jié)點(diǎn)依托LoRa與藍(lán)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(lán)牙主要面向智能手機(jī)等移動(dòng)智能設(shè)備的現(xiàn)場分布式訪問。集中式體系中，使用PC作為上位機(jī)，也可以依托終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)等移動(dòng)智能設(shè)備作為上位機(jī)構(gòu)建服務(wù)管理系統(tǒng)。

管理服務(wù)層App建立應(yīng)用層App與物理設(shè)備層、傳輸層和Android操作的功能銜接通道。應(yīng)用層App通過管理服務(wù)層App管理終端節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)外接農(nóng)業(yè)機(jī)電設(shè)備及終端節(jié)點(diǎn)信息的操作與控制。若應(yīng)用層App需使用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、位置服務(wù)等Android系統(tǒng)功能，可直接通過管理服務(wù)層App實(shí)現(xiàn)。管理服務(wù)層App的核心功能是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層與物理設(shè)備層/傳輸層和Android系統(tǒng)之間的功能映射，銜接應(yīng)用頂層與底層。管理服務(wù)層App將物理設(shè)備層、傳輸層及Android系統(tǒng)功能調(diào)用從面向應(yīng)用的App中剝離出來，在保障實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)功能結(jié)構(gòu)的前提下實(shí)現(xiàn)了頂層與底層的解耦，在銜接頂層與底層的同時(shí)增加了功能適配及拓展，且有助于避免不同Android平臺(tái)上的運(yùn)行差異。

2 終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)硬件在Cypress公司的可編程片上系統(tǒng)PSoC6-CY8CPROTO-063-BLE上進(jìn)行設(shè)計(jì)。PSoC6芯片CPU采用雙核結(jié)構(gòu)。主CPU為Arm Cortex-M4F，輔助CPU為Arm Cortex-M0+。常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口適配采用CY8CPROTO-063-BLE中5組獨(dú)立SCB模塊（Run-time Reconfigurable Serial Communication Blocks）；非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議或數(shù)據(jù)，利用PSoC6內(nèi)部的12組UDB模塊（Universal Digital Block）實(shí)現(xiàn)對(duì)接。

邏輯值和PWM控制信號(hào)，分別通過可編程GPIO或PWM功能IP核實(shí)現(xiàn)。利用芯片內(nèi)置運(yùn)算放大器組成輸入跟隨器，并結(jié)合高精度模擬通道實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與設(shè)備間模擬信息交互。終端節(jié)點(diǎn)藍(lán)牙通信功能通過芯片內(nèi)部的藍(lán)牙功能實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)硬件對(duì)農(nóng)業(yè)設(shè)備及管理服務(wù)層App的柔性銜接提供了支撐。

2.2 無線通信設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)LoRa采用Semtech公司SX1278的LoRa無線通信模塊。該模塊工作頻段可設(shè)定為410～441MHz之間的32個(gè)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(gòu)建覆蓋范圍近百平方千米的LoRa網(wǎng)絡(luò)，這使得設(shè)備聯(lián)網(wǎng)具有較大的余度，設(shè)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(jié)構(gòu)、作業(yè)設(shè)備等影響，無線信號(hào)在傳輸中往往具有較強(qiáng)的多徑效應(yīng)。Staniec等研究表明，通過選取較大的擴(kuò)頻因子（Spreading Factor ，SF），可令LoRa信號(hào)在傳輸中獲得接近多徑免疫的效果[29]，所以本設(shè)計(jì)中主擴(kuò)頻因子選取SF=10。

終端節(jié)點(diǎn)LoRa采用標(biāo)準(zhǔn)星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)賦予一個(gè)固定的網(wǎng)內(nèi)ID。終端節(jié)點(diǎn)通信模式設(shè)為問詢模式或基于內(nèi)部時(shí)序的透傳自主發(fā)送模式。問詢模式下，上位機(jī)依照預(yù)定的時(shí)間輪或其他管理邏輯向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出問詢指令，終端節(jié)點(diǎn)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(diǎn)根據(jù)預(yù)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(diǎn)LoRa信息格式使用拼接標(biāo)識(shí)指示多個(gè)數(shù)據(jù)容器中內(nèi)容的拼接。在交互信息內(nèi)對(duì)不同類型的內(nèi)容賦予標(biāo)簽，終端節(jié)點(diǎn)中PSoC6依據(jù)標(biāo)簽進(jìn)行操作。

注：M、N、Z為參數(shù)序號(hào)。下同。

移動(dòng)智能設(shè)備與終端節(jié)點(diǎn)間的藍(lán)牙通信與LoRa通信類似，通過藍(lán)牙數(shù)據(jù)容器承載二者之間的交互信息。該藍(lán)牙連接由管理服務(wù)層App借助Android藍(lán)牙管理功能組件進(jìn)行管理。管理服務(wù)層通過終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)某一應(yīng)用功能時(shí)，由管理服務(wù)層App將終端節(jié)點(diǎn)及設(shè)備控制信息通過藍(lán)牙信道送往終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)該信息執(zhí)行完后再反饋給管理服務(wù)層App。需要注意的是，每一個(gè)藍(lán)牙數(shù)據(jù)包中僅含有一項(xiàng)終端節(jié)點(diǎn)功能操作及其對(duì)應(yīng)的操作參數(shù)。若有多個(gè)操作需要執(zhí)行，則依照操作生成的時(shí)間順序依次發(fā)送。移動(dòng)智能設(shè)備與終端節(jié)點(diǎn)間的藍(lán)牙數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)格式如圖3所示。

圖3 終端節(jié)點(diǎn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)包格式

2.3 接口設(shè)計(jì)

在PSoC6和外部設(shè)備的信息交互中，部分情況下需要進(jìn)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(shè)計(jì)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(diǎn)周圍嵌入式設(shè)備的數(shù)據(jù)總線上，利用符合IEC-60747-5-2及IEC 60950-1標(biāo)準(zhǔn)的隔離芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)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(diǎn)使用金屬屏蔽罩對(duì)表貼分立接口元件進(jìn)行電磁屏蔽。終端節(jié)點(diǎn)上還使用NTAG 216格式的NFC（Near Field Communication）滴膠標(biāo)簽標(biāo)記終端節(jié)點(diǎn)與已連接農(nóng)業(yè)機(jī)電設(shè)備的功能與狀態(tài)參數(shù)，以供管理服務(wù)層App讀取。終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.4 IP核與設(shè)計(jì)重用

在終端節(jié)點(diǎn)與外部設(shè)備的適配中，充分利用PSoC6的IP核結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)重用能力（以IP核為核心設(shè)計(jì)操作元素，在通用化的軟硬件結(jié)構(gòu)上適配多種應(yīng)用場合的能力）。通過結(jié)合PSoC原生IP核與使用Verilog開發(fā)的面向應(yīng)用的軟硬件功能結(jié)構(gòu)上進(jìn)行封裝，構(gòu)建功能IP核結(jié)構(gòu)，進(jìn)而構(gòu)建對(duì)應(yīng)的API。用戶在具體環(huán)境中使用時(shí)，通過API調(diào)用所需的功能IP核即可。如用戶在應(yīng)用場景中有多種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口的設(shè)備需要連接，通過PSoC Creator圖形化調(diào)用API，于設(shè)備接口管理IP中置入每一個(gè)設(shè)備功能參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的連接交互（不用進(jìn)行針對(duì)設(shè)備的復(fù)雜編程）。

圖4 終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

假設(shè)用戶有一個(gè)UART接口設(shè)備欲連入終端節(jié)點(diǎn)，用戶可以通過API設(shè)定接口類型、設(shè)備ID、波特率、連接端口等參數(shù)，無需用戶進(jìn)行針對(duì)具體設(shè)備的編程設(shè)計(jì)。而設(shè)備及其數(shù)據(jù)的后續(xù)操作管理、錯(cuò)誤管理、通信管理等也與此類似，即用戶僅需要在PSoC中進(jìn)行IP功能“設(shè)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(jìn)行相應(yīng)IP核功能適配調(diào)用，不需進(jìn)行針對(duì)設(shè)備的開發(fā)，可使終端節(jié)點(diǎn)快速、廣泛應(yīng)用于各種農(nóng)業(yè)場景當(dāng)中?；赑SoC6-IP核開發(fā)的終端節(jié)點(diǎn)功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。圖中用灰色與白色標(biāo)出的功能結(jié)構(gòu)分別為PSoC原生IP功能結(jié)構(gòu)與面向應(yīng)用開發(fā)的IP功能結(jié)構(gòu)。

圖5 基于PSoC6-IP核的終端節(jié)點(diǎn)功能結(jié)構(gòu)示意圖

3 管理服務(wù)層App設(shè)計(jì)

3.1 App結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管理服務(wù)層App承接應(yīng)用層App的功能需求，并將該功能需求關(guān)聯(lián)映射到物理設(shè)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(wù)層App功能結(jié)構(gòu)及界面如圖6所示。

圖6 管理服務(wù)層App功能結(jié)構(gòu)與操作界面

3.2 功能映射

管理服務(wù)層App是系統(tǒng)管理服務(wù)功能的核心。其作用是實(shí)現(xiàn)由上至下的功能映射，且這一映射關(guān)系需要能夠靈活修改，并實(shí)現(xiàn)長期存儲(chǔ)。具體實(shí)現(xiàn)中，若基于AIDL（Android Interface Definition Language）開發(fā)這一映射關(guān)系，僅可在應(yīng)用層App與管理服務(wù)層App間實(shí)現(xiàn)有效關(guān)聯(lián)，而不易將管理服務(wù)層向下映射關(guān)聯(lián)關(guān)系與同層間映射關(guān)聯(lián)關(guān)系整合到同一結(jié)構(gòu)中。而且基于AIDL開發(fā)應(yīng)用層App略顯復(fù)雜。在對(duì)多并發(fā)與實(shí)時(shí)性要求不嚴(yán)格的中小規(guī)模農(nóng)業(yè)管理服務(wù)系統(tǒng)中并不必須。所以本系統(tǒng)采用Android Content Provider組件結(jié)合SQLite輕型數(shù)據(jù)庫的方式構(gòu)建映射關(guān)系。

在管理服務(wù)層App安裝完畢首次啟動(dòng)時(shí)，通過SQLite建立一個(gè)功能映射關(guān)聯(lián)表。此時(shí)由于未獲得終端節(jié)點(diǎn)及設(shè)備信息，表中僅含有Android功能操作對(duì)應(yīng)項(xiàng)。當(dāng)管理服務(wù)層App獲得終端節(jié)點(diǎn)外接設(shè)備及終端節(jié)點(diǎn)所支持的功能操作后，按照終端節(jié)點(diǎn)ID將其寫入功能映射關(guān)聯(lián)表中。終端節(jié)點(diǎn)包含該節(jié)點(diǎn)物理設(shè)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(dāng)應(yīng)用層App要實(shí)現(xiàn)某一功能操作時(shí)，應(yīng)用層App訪問該SQLite中的功能映射關(guān)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(yīng)用層App。管理應(yīng)用層App根據(jù)SQLite表中對(duì)應(yīng)項(xiàng)控制外部設(shè)備，或執(zhí)行對(duì)應(yīng)Android功能操作。若無管理服務(wù)層App與應(yīng)用層App操作，該SQLite功能映射關(guān)聯(lián)表項(xiàng)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(gòu)建由上至下的功能關(guān)聯(lián)映射關(guān)系。SQLite功能映射關(guān)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(chǔ)功能的邏輯接口實(shí)現(xiàn)的層次間互聯(lián)。

注：P、Q、K為參數(shù)序號(hào)。

3.3 App工作流程

系統(tǒng)工作時(shí)，應(yīng)用層App與管理服務(wù)層App、管理服務(wù)層App與終端節(jié)點(diǎn)間在邏輯關(guān)系上為請(qǐng)求-反饋流程。用戶要使用管理服務(wù)層App時(shí)，將移動(dòng)智能設(shè)備靠近終端節(jié)點(diǎn)上的NFC標(biāo)簽獲取終端節(jié)點(diǎn)及設(shè)備信息。當(dāng)應(yīng)用層App要進(jìn)行終端節(jié)點(diǎn)、設(shè)備或Android功能操作時(shí)，通過SQLite功能映射關(guān)聯(lián)表向管理服務(wù)層App發(fā)出請(qǐng)求，管理服務(wù)層根據(jù)請(qǐng)求獲取表中對(duì)應(yīng)項(xiàng)信息，并轉(zhuǎn)化為終端節(jié)點(diǎn)可執(zhí)行的功能及參數(shù)，通過藍(lán)牙發(fā)往終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)收到該內(nèi)容后執(zhí)行對(duì)應(yīng)操作，并將操作結(jié)果通過藍(lán)牙發(fā)送給管理服務(wù)層App。

管理服務(wù)層App收到操作結(jié)果信息后，更新SQLite功能映射關(guān)聯(lián)表中的對(duì)應(yīng)項(xiàng)。應(yīng)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(duì)應(yīng)應(yīng)用層功能。不難看出，應(yīng)用層App僅需執(zhí)行基于標(biāo)識(shí)的操作即可，無需對(duì)物理設(shè)備層與傳輸層進(jìn)行過多涉及。對(duì)Android功能的封裝與此類似。每一個(gè)相關(guān)Android功能都被賦予一個(gè)唯一的功能編號(hào)，應(yīng)用層App在需要調(diào)用某功能時(shí)（如將數(shù)據(jù)寫入SD卡）向管理服務(wù)層App傳遞該功能編號(hào)及相應(yīng)參數(shù)，管理服務(wù)層App據(jù)此完成對(duì)應(yīng)操作，并將結(jié)果返回應(yīng)用層App。

4 工程應(yīng)用實(shí)踐

4.1 應(yīng)用場景

系統(tǒng)完成后，在秦皇島和連云港地區(qū)進(jìn)行技術(shù)推廣。本文選擇2個(gè)較為典型的應(yīng)用實(shí)例具體說明系統(tǒng)的應(yīng)用方法及效果。

應(yīng)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(duì)信息服務(wù)功能的主要需求是通過農(nóng)業(yè)感知設(shè)備獲得果園中的土壤水分等信息，并手動(dòng)控制園內(nèi)的灌溉設(shè)備。其住宅鄰近果園，希望在管理時(shí)可于園中對(duì)果樹及周圍情況進(jìn)行直觀觀察判斷，借助自身經(jīng)驗(yàn)管控生產(chǎn)過程。

應(yīng)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(duì)溫室內(nèi)多種機(jī)電設(shè)備和環(huán)境感知設(shè)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(dòng)智能設(shè)備為顧客提供服務(wù)。

上述2個(gè)應(yīng)用場景反應(yīng)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(jí)需求。第1種情況下，農(nóng)業(yè)經(jīng)營者希望信息設(shè)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(duì)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(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行精細(xì)把控，并希望引入農(nóng)業(yè)旅游服務(wù)等商業(yè)模式提高農(nóng)業(yè)附加值。這一類型用戶對(duì)設(shè)備功能的精準(zhǔn)性要求較高。

在傳輸層設(shè)計(jì)中，第1個(gè)場景傾向于現(xiàn)場操作，所以終端節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)智能設(shè)備通過藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。第2個(gè)場景中，一臺(tái)移動(dòng)智能設(shè)備通過藍(lán)牙連接一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成上位機(jī)結(jié)構(gòu)（該節(jié)點(diǎn)不接農(nóng)業(yè)設(shè)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(diǎn)）。數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)與其他連接農(nóng)業(yè)設(shè)備的終端節(jié)點(diǎn)間通過LoRa無線傳輸進(jìn)行通信，形成星型拓?fù)?。上?個(gè)應(yīng)用場景的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示。

4.2 基于PSoC設(shè)計(jì)重用的節(jié)點(diǎn)-設(shè)備適配

終端節(jié)點(diǎn)在2個(gè)場景中的應(yīng)用充分發(fā)揮了基于IP核的設(shè)計(jì)重用方法，在同一結(jié)構(gòu)的硬件節(jié)點(diǎn)上通過調(diào)用不同的IP核適配對(duì)應(yīng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)所需功能，開發(fā)中僅需從設(shè)計(jì)庫中調(diào)出IP核并進(jìn)行配置。2個(gè)場景中外部設(shè)備與終端節(jié)點(diǎn)的IP核設(shè)計(jì)重用情況如圖9所示。

在場景1中，由于終端節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)設(shè)備使用藍(lán)牙直連，僅需重用系統(tǒng)原有的藍(lán)牙IP核與自開發(fā)的藍(lán)牙通信管理IP核。接口上也僅重用邏輯量接口、UART接口及設(shè)備接口管理IP核。此外，終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)管理部分也進(jìn)行了剪裁，僅保留基本功能。為了發(fā)揮終端節(jié)點(diǎn)的工作效率，保障其可靠性，在MCU相關(guān)IP核與錯(cuò)誤管理IP核上未進(jìn)行功能剪裁。場景2的終端節(jié)點(diǎn)功能較為復(fù)雜，相對(duì)于場景1的終端節(jié)點(diǎn)，其設(shè)備接口適配中引入種類和數(shù)量更多的原有IP核。為進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，重用LoRa相關(guān)IP核。為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性管理及服務(wù)支持，重用數(shù)據(jù)操作管理IP核。在上述2個(gè)場景中，硬件物理結(jié)構(gòu)完全一致，僅需在設(shè)計(jì)中激活導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的IP核功能即可，這一設(shè)計(jì)重用功能適配可類比于搭建樂高積木。

圖9 不同應(yīng)用場景下外部設(shè)備與終端節(jié)點(diǎn)的IP核設(shè)計(jì)重用

4.3 基于管理服務(wù)層App的應(yīng)用層App設(shè)計(jì)

依托管理服務(wù)層App，在2個(gè)應(yīng)用場景中針對(duì)不同需求設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的應(yīng)用層App。場景1的應(yīng)用層App面向現(xiàn)場個(gè)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(yīng)用需求，分別設(shè)計(jì)了溫室管理App與觀光服務(wù)App。各應(yīng)用層App與管理服務(wù)層App的功能支撐關(guān)系如圖10所示。

通過引入管理服務(wù)層App，應(yīng)用層重點(diǎn)針對(duì)農(nóng)業(yè)管理應(yīng)用服務(wù)功能開發(fā)，不涉及與節(jié)點(diǎn)、設(shè)備、Android功能相關(guān)的具體操作。在工程應(yīng)用實(shí)踐中，上述App功能有較大差異，但是借助于管理服務(wù)層App均構(gòu)建了面向具體農(nóng)業(yè)應(yīng)用需求的應(yīng)用層App。如設(shè)備管理功能作為管理服務(wù)層核心功能之一，在場景1中被現(xiàn)場管理App通過請(qǐng)求-反饋實(shí)現(xiàn)土壤傳感器讀取及水泵控制。在場景2中，其支撐應(yīng)用層溫室管理App中監(jiān)測控制、數(shù)據(jù)管理功能，以及應(yīng)用層觀光服務(wù)App中設(shè)備操作體驗(yàn)等功能。若按照以往農(nóng)業(yè)應(yīng)用App開發(fā)方式，每一個(gè)面向應(yīng)用的App在開發(fā)過程中都需要重復(fù)設(shè)計(jì)功能操作。而利用管理服務(wù)層App則可使應(yīng)用層App直接通過SQLite操作實(shí)現(xiàn)所需功能，避免復(fù)雜耗時(shí)的開發(fā)過程。不難看出，通過管理服務(wù)層App的支撐結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒊Ｓ棉r(nóng)業(yè)管理服務(wù)功能剝離，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層App輕量化、通用化開發(fā)。這一方法同樣會(huì)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(yīng)用

2個(gè)系統(tǒng)完成后先在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了功能測試。測試中采用和實(shí)際工程應(yīng)用相同的功能架構(gòu)，移動(dòng)智能設(shè)備與節(jié)點(diǎn)間采用藍(lán)牙接入。應(yīng)用層App向端口發(fā)送信息，通過普源MSO5102邏輯分析儀結(jié)合PLA2216邏輯分析儀探頭觀測對(duì)應(yīng)端口的數(shù)字信號(hào)，并結(jié)合功能映射判斷該端口上數(shù)字信號(hào)的正確性。測試結(jié)果表明，應(yīng)用層App可通過管理服務(wù)層App及終端節(jié)點(diǎn)在對(duì)應(yīng)設(shè)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(duì)終端節(jié)點(diǎn)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(jì)150次。測試中各設(shè)備接口未有擊穿、短路、飛弧等現(xiàn)象，具有較強(qiáng)的電磁隔離性能。

圖10 不同應(yīng)用場景中管理服務(wù)層App與應(yīng)用層App之間的支撐關(guān)系

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

在2個(gè)應(yīng)用場景的系統(tǒng)跟蹤服務(wù)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(duì)應(yīng)項(xiàng)目元素的操作失敗記錄（來自于農(nóng)業(yè)管理用戶移動(dòng)智能設(shè)備）及操作體驗(yàn)調(diào)查（來自于使用過觀光服務(wù)App的游客調(diào)查問卷），對(duì)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的功能有效性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明當(dāng)藍(lán)牙與節(jié)點(diǎn)形成有效連接且LoRa信道通暢時(shí)，通過本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備控制、農(nóng)業(yè)過程管理、觀光服務(wù)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(diǎn)功能出錯(cuò)或失效的情況。實(shí)測中，終端節(jié)點(diǎn)外接的220 V農(nóng)電及鉛酸電池的電壓都存在一定波動(dòng)，周圍也有水泵、電機(jī)、繼電器等易產(chǎn)生電磁干擾的設(shè)備。但終端節(jié)點(diǎn)在應(yīng)用中體現(xiàn)了較高的可靠性，未受供電及周邊機(jī)電設(shè)備的影響。應(yīng)用測試中，移動(dòng)智能設(shè)備與節(jié)點(diǎn)間使用藍(lán)牙直連，應(yīng)用層App發(fā)起操作請(qǐng)求到終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出設(shè)備控制信號(hào)間的最大延時(shí)小于400 ms；上位機(jī)模式下，這一最大延時(shí)小于1 700 ms。系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn)含傳感器落地費(fèi)用小于1 000元，應(yīng)用層App開發(fā)時(shí)間小于1周。場景2中硬件成本總計(jì)約1.55萬元，應(yīng)用層App開發(fā)周期小于4周。與項(xiàng)目組前期許培培等[30]提出的類似功能系統(tǒng)相比，硬件設(shè)計(jì)中免去了針對(duì)不同場景的開發(fā)費(fèi)用。以單人開發(fā)周期計(jì)算，App開發(fā)周期從數(shù)月減少到數(shù)周。本設(shè)計(jì)的效費(fèi)比、開發(fā)周期等都有較大優(yōu)化。用戶在使用過程中對(duì)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(píng)價(jià)。

5 結(jié) 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(shù)，本文設(shè)計(jì)了可用于農(nóng)業(yè)設(shè)備信息化升級(jí)的智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)。通過該系統(tǒng)可快速將農(nóng)業(yè)設(shè)備接入到物聯(lián)網(wǎng)信息體系當(dāng)中，并支撐農(nóng)業(yè)應(yīng)用層App的快速、輕量、多樣化開發(fā)，并在農(nóng)業(yè)場景中進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用：

1）終端節(jié)點(diǎn)采用PSoC的IP核重用技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)設(shè)備接入?；谕ㄓ媒K端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)，通過IP核可封裝、可重用結(jié)構(gòu)適配多樣化農(nóng)業(yè)機(jī)電設(shè)備，構(gòu)建設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)信息體系的通道，不僅避免了對(duì)每一個(gè)農(nóng)業(yè)應(yīng)用場景專門的硬件開發(fā)，而且有助于實(shí)現(xiàn)針對(duì)中小農(nóng)業(yè)經(jīng)營者繁雜需求的功能定制。終端節(jié)點(diǎn)具有成本低廉、開發(fā)周期短、對(duì)多樣化場景適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。

2）系統(tǒng)采用LoRa低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸通道，使節(jié)點(diǎn)可在較大空間范圍內(nèi)進(jìn)行靈活布局，數(shù)據(jù)交互靈活。移動(dòng)智能設(shè)備借助藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場接入和現(xiàn)場分布式服務(wù)。上述2種傳輸層技術(shù)，可以有效支撐集中式與分布式管理服務(wù)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(wù)層App對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)備相關(guān)操作及Android功能等進(jìn)行封裝，有效銜接了硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸、Android操作與應(yīng)用層App。通過管理服務(wù)層App實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層App與下層功能結(jié)構(gòu)的解耦，使應(yīng)用層App開發(fā)不涉及物理設(shè)備層、傳輸層及管理服務(wù)層的具體功能結(jié)構(gòu)，僅在需要時(shí)向管理服務(wù)層App進(jìn)行調(diào)用。依托管理服務(wù)層App進(jìn)行應(yīng)用層App開發(fā)可快速靈活地滿足不同農(nóng)業(yè)管理服務(wù)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)硬件底層功能結(jié)構(gòu)變化適應(yīng)性差、開發(fā)周期長等問題。

4）應(yīng)用實(shí)踐表明，終端節(jié)點(diǎn)與設(shè)備間信息交互穩(wěn)定、可靠、靈活。各設(shè)備連接端口抗電磁干擾特性較強(qiáng)。傳輸層中LoRa與藍(lán)牙可分別為集中式與分布式農(nóng)業(yè)管理服務(wù)提供可靠的無線信息傳輸通道?；诠芾矸?wù)層App構(gòu)建的應(yīng)用層App穩(wěn)定可靠，能夠支持差異性較大的農(nóng)業(yè)服務(wù)需求。系統(tǒng)具有成本低、開發(fā)應(yīng)用速度快、功能適配性強(qiáng)等優(yōu)勢?；诒疚脑O(shè)計(jì)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(diǎn)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFC0808306）；廊坊市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2019011010）；秦皇島市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（201805A016）；河北省物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目（3142018055，3142016020）

萬雪芬，講師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)及智慧農(nóng)業(yè)。Email：calmerd@ncist.edu.cn

楊義，博士，副教授，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)及智慧農(nóng)業(yè)。Email：yiyang@dhu.edu.cn

中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)會(huì)員：萬雪芬（E041200928S）