基于云平臺的城市綠地墑情系統(tǒng)

陳　巖，高　峰，董文菲，王克棟，郭　宏（.北京工商大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院，北京00048；.昆山諾金傳感技術(shù)有限公司，江蘇昆山5300）

基于云平臺的城市綠地墑情系統(tǒng)

陳巖1，高峰1，董文菲1，王克棟1，郭宏2
（1.北京工商大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院，北京100048；2.昆山諾金傳感技術(shù)有限公司，江蘇昆山215300）

采用ZigBee技術(shù)、GPRS技術(shù)和云平臺技術(shù)等相結(jié)合，設(shè)計了一種基于云平臺的城市綠地墑情監(jiān)測系統(tǒng)模型。相對于傳統(tǒng)墑情監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建立，理論上可縮短50%以上的開發(fā)周期，且維護擴展更加簡單。實驗結(jié)果表明：ZigBee組網(wǎng)可達200個節(jié)點以上，傳輸距離1600m，GPRS通信消耗節(jié)省60%以上，生命周期可延長3～5年，云平臺監(jiān)測控制方便穩(wěn)定。

云平臺；墑情監(jiān)測；節(jié)水灌溉

0　引言

目前，我國城市綠地灌溉普遍采取的粗放型大水漫灌的模式。灌溉用水利用率極低，對水資源造成了的極大浪費。為了進行最合理的灌溉以節(jié)約水資源，必須要對城市綠地墑情狀況進行實時監(jiān)測，并采取智能化的節(jié)水灌溉措施［1］。

近幾年，云技術(shù)迅速發(fā)展。云計算一般具有五大特征：大規(guī)模、平滑擴展、資源共享、動態(tài)分配和跨地域［2］。典型的云計算服務(wù)平臺有亞馬遜的彈性云AmzonEC2、Apache的開源項目Hadoop、谷歌的AppEngine、微軟的Azure等。我國也十分重視云計算技術(shù)的發(fā)展及對相關(guān)產(chǎn)業(yè)的培育，國內(nèi)的三大電信運營商紛紛向云計算轉(zhuǎn)型，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)阿里巴巴、百度分別推出了阿里云和百度云，其他企業(yè)也在不斷推出相應(yīng)的云平臺［3］。

針對目前城市綠地墑情監(jiān)測方面的迫切需要，本文預(yù)想設(shè)計一個基于云平臺的城市綠地墑情監(jiān)測系統(tǒng)，利用它可以為城市綠地遠程節(jié)水灌溉提供可靠的數(shù)據(jù)和參考，對灌溉的狀況進行精確管理。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

基于云平臺的城市綠地墑情監(jiān)測系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)的墑情監(jiān)測系統(tǒng)，并結(jié)合云計算的特點，應(yīng)具有如下特征［4］：

1）服務(wù)性

云平臺內(nèi)部的運行機制對用戶而言是屏蔽的，用戶只是得到云平臺的服務(wù)。對于普通用戶來說，可以看作是云平臺的服務(wù)對象。墑情監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)到云平臺，用戶通過手機、平板電腦或PC終端從云端獲取數(shù)據(jù)，并將控制信息通過網(wǎng)關(guān)上傳到云端。用戶需要做的只是接入到系統(tǒng)中，以獲取標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)，而不是像傳統(tǒng)墑情監(jiān)測平臺那樣從網(wǎng)關(guān)獲取信息并且需要通過特定手持設(shè)備才能進行操作。因此，整個系統(tǒng)極大地簡化了網(wǎng)關(guān)的功能，使網(wǎng)關(guān)僅作為數(shù)據(jù)通道存在，而非系統(tǒng)的中樞。

2）可靠性

云平臺采用分布式存儲方式，在大量計算機群中存儲以提供整個系統(tǒng)的可靠性。目前，國內(nèi)如阿里云，國外如Ayla等服務(wù)商在經(jīng)過多年發(fā)展后，整個系統(tǒng)都已經(jīng)非常穩(wěn)定可靠。采用其云平臺服務(wù)廠商構(gòu)建墑情監(jiān)測服務(wù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的自建服務(wù)器平臺，可以極大地保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

3）經(jīng)濟性

相比于傳統(tǒng)的獨立結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，云平臺提供的計算與硬件設(shè)備利用率將會更高。傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)功能復(fù)雜，設(shè)計開發(fā)難度很大，周期長，而基于云平臺的墑情監(jiān)測網(wǎng)關(guān)，只需支持基本的TCP/IP協(xié)議與GPRS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

基于云平臺的城市綠地監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示，整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想［5］。下部的整個墑情監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)就是被控對象，通過GPRS模塊作為橋梁，其可以通過網(wǎng)關(guān)模塊的Internet連接到云服務(wù)器上進行數(shù)據(jù)的交換和處理；最上邊的就是用戶終端，用戶就可以通過云服務(wù)器終端和手持設(shè)備對墑情監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)進行遠程監(jiān)控和控制。其中硬件節(jié)點模塊負責(zé)傳感器數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過壓縮等處理后通過GPRS模塊上傳到云服務(wù)器端，云端進行處理后存貯下來，并在用戶需要時通過網(wǎng)頁終端和APP呈現(xiàn)給用戶。

圖1　基于云平臺的城市綠地監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)Fig 1　Overall architecture of urban green space monitoring system based on cloud platform

2　系統(tǒng)各部分設(shè)計方案

2.1墑情監(jiān)測云平臺的選擇

本文選用國外創(chuàng)新型物聯(lián)網(wǎng)廠商Ayla Networks云平臺解決方案。Ayla提供了一個云端應(yīng)用程序支持平臺，開發(fā)者可以利用Alya云平臺容易且低成本地將任何硬件設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)上，且Ayla提供了通用的軟件，創(chuàng)建了一個自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)以加速硬件設(shè)備連接到云端再到應(yīng)用程序的開發(fā)和支持。Ayla物聯(lián)網(wǎng)云端網(wǎng)絡(luò)將創(chuàng)新的云端服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備與移動設(shè)備應(yīng)用程序中的固件結(jié)合起來，并且無需對已有模式做任何實質(zhì)性的設(shè)計修改或變更。

Ayla云平臺主要有如下優(yōu)勢：簡化項目開發(fā)、縮短開發(fā)周期、增加利潤率、增加業(yè)務(wù)敏捷性，且加快創(chuàng)新速度、降低總風(fēng)險、差異化競爭等。

Ayla云平臺的架構(gòu)圖如圖2所示。它包括三個主要組件：Ayla嵌入式固件、Ayla云服務(wù)以及Ayla應(yīng)用程序庫。通過在這些組件上設(shè)置專業(yè)軟件，實現(xiàn)終端服務(wù)。

圖2　Ayla云平臺架構(gòu)Fig 2　Architecture of Ayla cloud platform

1）Ayla嵌入式固件

Ayla嵌入式固件在網(wǎng)關(guān)上運行。它將完全優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包和附加協(xié)議合并在一起，再將設(shè)備與Ayla云服務(wù)相連接。墑情監(jiān)測系統(tǒng)通過基于標(biāo)準(zhǔn)的連接模塊同云端進行連接，縮短了設(shè)計中通常要求的艱巨的軟件質(zhì)量控制和硬件驗證周期。

2）Ayla云服務(wù)

Ayla云服務(wù)是Ayla云平臺的核心。分布式的基于云計算的架構(gòu)提供高效的連通性能。應(yīng)用程序啟用服務(wù)簡化了應(yīng)用程序的開發(fā)。可操作的支持服務(wù)通過提供領(lǐng)域內(nèi)設(shè)備的可見性，用戶控制政策與自動化遠程軟件升級程序服務(wù)于規(guī)?？蛻簟?/p>

3）Ayla應(yīng)用程序庫

Ayla應(yīng)用程序庫包含豐富的應(yīng)用程序接口來創(chuàng)建應(yīng)用程序，并安全地控制在智能手機或平板電腦，或網(wǎng)頁接口上使用其服務(wù)。它支持iOS和安卓移動設(shè)備應(yīng)用程序。墑情監(jiān)測系統(tǒng)通過Ayla應(yīng)用程序接口，在網(wǎng)頁端和APP端進行監(jiān)控終端的開發(fā)，極大地縮短了開發(fā)周期。

2.2墑情監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方案

2.2.1監(jiān)測節(jié)點的設(shè)計方案

采取模塊化分離設(shè)計的思想，對項目中的硬件設(shè)計部分均作了模塊化的處理。節(jié)點共分為硬件底板模塊、STM32主控制器最小系統(tǒng)模塊、ZigBee收發(fā)模塊、GPRS遠程收發(fā)模塊和雙電源模塊。將硬件底板模塊作為整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的母版電路，將其他模塊均作為子電路模塊安放在該母版電路上。這樣即實現(xiàn)了各個模塊的獨立性與統(tǒng)一性。各模塊之間的協(xié)調(diào)運作使本網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的運行效率大大提升，從而帶來功耗的降低和總體穩(wěn)定性的提高。硬件節(jié)點的電路設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

2.2.2雙電源模塊的設(shè)計方案

圖3　墑情監(jiān)測節(jié)點硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖Fig 3　Structure diagram of node hardware design for moisture monitoring

電源模塊的優(yōu)越性能是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點長期穩(wěn)定工作的關(guān)鍵設(shè)計之一。該模塊的設(shè)計框圖如圖4所示。本文設(shè)計一種基于TI公司BQ25504電源管理芯片的太陽能和鋰電池雙電源系統(tǒng)，在軟件中輔以豐富的電源管理程序［6］，如圖5。系統(tǒng)利用太陽能電池板、鋰電池和BQ25504芯片構(gòu)成電源。利用TPS6132 DC—DC模塊輸出一路5V電壓，再利用MIC5205 LDO模塊輸出一路3.3V電壓，以滿足墑情監(jiān)測節(jié)點5V和3.3V的電源輸入［7］。在軟件設(shè)計時，通過模擬開關(guān)的使用、數(shù)據(jù)融合算法減少數(shù)據(jù)傳輸量和低功耗設(shè)計［8］等方式，最大限度地節(jié)約能量。

3　系統(tǒng)運行分析

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，用戶可以通過網(wǎng)頁終端實時監(jiān)測節(jié)點運行情況，并對各個節(jié)點的土壤墑情情況進行監(jiān)測。系統(tǒng)運行實時監(jiān)測的土壤溫度和濕度情況分別如圖6和圖7所示。從圖上可以看出：終端頁面可以對墑情狀況進行實時的監(jiān)測。由于增加了冗余數(shù)據(jù)處理算法［9］，當(dāng)數(shù)據(jù)有較大變動或者一定時間內(nèi)，數(shù)據(jù)都會自動采集并上傳到云平臺中。在圖6中，土壤濕度迅速上升是由于對土壤進行了澆灌。

在網(wǎng)頁上還可以方便地添加新節(jié)點，添加頁面圖如圖8所示。Name為新增加的采集節(jié)點分配的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識名，Display name為顯示在終端上的名字，Base Type可以選擇采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型。

圖6　節(jié)點1監(jiān)測的土壤實時溫度Fig 6　Soil realtime temperature monitored by node 1

圖7　節(jié)點1監(jiān)測的土壤實時濕度Fig 7　Soil realtime humidity monitored by node 1

圖8　添加監(jiān)測節(jié)點頁面Fig 8　Page of adding monitoring node

經(jīng)長時間測試表明：系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的運行。ZigBee組網(wǎng)可達 200個節(jié)點以上，IPX天線傳輸距離1600 m，數(shù)據(jù)處理后GPRS通信消耗節(jié)省60%以上，雙電源系統(tǒng)可供電10年以上。由于篇幅有限，本文就不對各項測試指標(biāo)進行更多贅述。

4　結(jié)論

云平臺本質(zhì)上是一種更加靈活、高效、低成本的解決方案［10］。利用云平臺技術(shù)與墑情監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，解決了傳統(tǒng)墑情監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)周期長，功能難擴展，監(jiān)測不便（只能在固定終端上監(jiān)測）、數(shù)據(jù)存儲不安全等缺點。本文所述基于云平臺的墑情監(jiān)測系統(tǒng)對其他監(jiān)測系統(tǒng)也有一定參考意義。

［1］何新林，郭生練，盛東，等.土壤墑情自動測報系統(tǒng)在綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)的應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23（8）：170-175.

［2］顧宏明.基于云平臺的移動醫(yī)療健康服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2012.

［3］胡春明.基于云平臺的鋼鐵制造業(yè)成本管理系統(tǒng)研究與實現(xiàn)［D］.上海：復(fù)旦大學(xué)，2012.

［4］高聚銀.基于云平臺的智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

［5］陳巖，楊東軒，郭宏，等.低功耗綠地墑情監(jiān)測WSNs節(jié)點［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2012，31（7）：107-110.

［6］蔡理金.嵌入式手持終端電源管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.

［7］胡奇勛，段渭軍，王福豹.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點太陽能電源系統(tǒng)設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011（6）：199-202.

［8］張大蹤，楊濤，魏東梅.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗設(shè)計綜述［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（5）：10-14.

［9］林蔚，祝啟龍.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能型數(shù)據(jù)融合算法［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2011，32（10）：1386-1390.

［10］盧曉龍，牛沖，劉同文，等.基于云平臺的山東省地質(zhì)災(zāi)害綜合服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.山東國土資源，2015（2）：46-49.

Soil moisture monitoring system of urban green space based on cloud platform

CHEN Yan1，GAO Feng1，DONG Wen-fei1，WANG Ke-dong1，GUO Hong2
（1.School of Computer and Information Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China；
2.Kunshan Nokisens SAC Co Ltd，Kunshan 215300，China）

Combine ZigBee and GPRS with cloud platform technology，design system model based on cloud platform.Compared with traditional soil moisture monitoring system，development cycles can be shortern 50%in theory，and it is more，easier to maintain and extend.Experimental results indicate that ZigBee networking can have more than 200 nodes and the transmission distance is 1600m，communication consumption of GPRS can save more than 60%，life-cycle can extend 3～5 years，cloud platform monitoring is convenient and stable.

cloud platform；moisture monitoring；water-saving irrigation

TP274.5

A

1000—9787（2016）06—0104—03

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0104—03

2016—03—11

陳巖（1963-），女，甘肅天水人，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用。