基于IPv6和異構(gòu)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)智能網(wǎng)關(guān)型的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廖建尚

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，廣東廣州 510650)

《“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)三年行動(dòng)實(shí)施方案》[1]提到在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)區(qū)域試驗(yàn)工程方面，要大力推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，在國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)率先取得突破，建成一批大田種植、設(shè)施園藝、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)示范基地。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，不同的應(yīng)用領(lǐng)域，其物聯(lián)網(wǎng)實(shí)施特點(diǎn)不一致，導(dǎo)致了物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用發(fā)展較為緩慢。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用研究引起了越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注，其中智能網(wǎng)關(guān)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中是一個(gè)較為關(guān)鍵的技術(shù)，承擔(dān)了數(shù)據(jù)的匯集、封裝和傳輸，目前對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)的研究還非常少，尤其多網(wǎng)絡(luò)融合的智能網(wǎng)關(guān)研究更少。

智能網(wǎng)關(guān)是指一種能夠匯集、分析、封裝、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)與信息的裝備與技術(shù)。美國(guó)、日本在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域方面已經(jīng)有了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，荷蘭有較好的農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)體系[2]，韓國(guó)建有農(nóng)業(yè)科技服務(wù)體系，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展[3]。我國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)逐漸有了一定的發(fā)展，在環(huán)境監(jiān)控、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等方面有一定的應(yīng)用[4-5]，但關(guān)于智能網(wǎng)關(guān)的研究還比較少。智能網(wǎng)關(guān)在智能家居、熱力管網(wǎng)系統(tǒng)、水箱控制等領(lǐng)域有了一定的研究[6-9]。

有學(xué)者提出了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法[10-11]，但是都沒(méi)有提到智能網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)。趙小強(qiáng)等設(shè)計(jì)了1種基于ZigBee/3G的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)管系統(tǒng)，用于水箱溫度的監(jiān)控，但在應(yīng)用方面有一定的局限性[12]。張海輝等提出1種基于WinCE系統(tǒng)的可配置無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)WSN(wireless sensor network)網(wǎng)關(guān)體系結(jié)構(gòu)ReGA(Re-configurable Gateway Architecture)，能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)可視化設(shè)備和監(jiān)測(cè)綜合管理，但其設(shè)計(jì)平臺(tái)并不適用在其他Linux等開(kāi)源系統(tǒng)的應(yīng)用[13]。

有一些學(xué)者對(duì)異構(gòu)型網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了研究。王子卿等提出了適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的異構(gòu)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖水域采樣數(shù)據(jù)的查詢(xún)和處理，但僅僅只有一個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)，異構(gòu)網(wǎng)關(guān)在應(yīng)用層的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，不適用在復(fù)雜的農(nóng)業(yè)環(huán)境的監(jiān)控[14]。譚立志等提出1種基于ARM+FPGA的智能家居異構(gòu)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)(Wi-Fi)、家庭設(shè)備、家居環(huán)境傳感控制網(wǎng)絡(luò)等多種網(wǎng)絡(luò)的融合，但是缺乏對(duì)IPv的支持，也不適用與數(shù)據(jù)量大的農(nóng)業(yè)環(huán)境[15]。陳美鎮(zhèn)等提出了基于Android系統(tǒng)的溫室異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測(cè)智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，初步實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)，僅僅用于ZigBee、RS-485、Wi-Fi 3種網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，沒(méi)有設(shè)備的控制功能和IPv6的功能[16]。

還有一些學(xué)者對(duì)IPv6網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了研究。向敏等設(shè)計(jì)了1款應(yīng)用于智能電網(wǎng)的IPv6多接入通信網(wǎng)關(guān)，但僅僅局限于電網(wǎng)領(lǐng)域[17]。姚崇高等提出了1種基于IPv6的家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，但僅局限于家庭環(huán)境[18]?；艉陚サ忍岢鰧Pv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)，但缺乏異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建[19]。

智能網(wǎng)關(guān)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的研究中有一定進(jìn)展，但也存在不足，主要體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)涉及領(lǐng)域多，如大田種植、設(shè)施園藝、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖等不同系統(tǒng)。不同的系統(tǒng)采用的信息監(jiān)控的技術(shù)要求不一致，過(guò)去單一的IPv6系統(tǒng)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿(mǎn)足日益發(fā)展的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的快速和廣泛應(yīng)用。因此，本研究提出了1種基于IPv6和異構(gòu)型無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方法，采用不同無(wú)線網(wǎng)絡(luò)滿(mǎn)足不同的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)需求。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)2個(gè)方面的功能，一是農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境信息采集與監(jiān)測(cè)，如空氣的溫濕度、光照度、土壤濕度、二氧化碳濃度、各種微量元素監(jiān)測(cè)等等；二是農(nóng)作物環(huán)境控制，如噴淋、灌溉、遮陽(yáng)罩的控制等等。本研究提出了1種基于IPv6的智能網(wǎng)關(guān)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)功能如圖1所示。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)發(fā)，其中節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集通過(guò)3種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。3種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分別是802.15.4、藍(lán)牙和Wi-Fi，并通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用層的通信。

2 基于IPv6智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要在感知層實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境信息采集與監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)環(huán)境控制，感知層實(shí)現(xiàn)的環(huán)境采集和控制需要通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)和應(yīng)用層通信。本研究設(shè)計(jì)了1種IPv6智能網(wǎng)關(guān)，集成了3種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的多種系統(tǒng)的信息采集和監(jiān)控。

2.1 智能網(wǎng)關(guān)整體設(shè)計(jì)

IPv6智能網(wǎng)關(guān)集成了3種不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊，每種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊獨(dú)立與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。802.15.4模塊通過(guò)串口連接與網(wǎng)關(guān)通信，藍(lán)牙模塊通過(guò)USB連接保證藍(lán)牙無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，Wi-Fi模塊通過(guò)USB連接保證Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。為了實(shí)現(xiàn)多無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合通信，IPv6網(wǎng)關(guān)將3種不同的通信渠道統(tǒng)一中轉(zhuǎn)到TUN虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備[20]處理，從而實(shí)現(xiàn)3種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)同時(shí)在IPv6網(wǎng)關(guān)上正常通信，整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

802.15.4模塊通過(guò)串口驅(qū)動(dòng)發(fā)送感知層數(shù)據(jù)包到TUN服務(wù)，通過(guò)TUN服務(wù)轉(zhuǎn)換成IPv6數(shù)據(jù)包，并轉(zhuǎn)發(fā)到TUN虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一處理并發(fā)送出去；藍(lán)牙模塊和Wi-Fi模塊通過(guò)分別通過(guò)藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)、Wi-Fi驅(qū)動(dòng)發(fā)送感知層數(shù)據(jù)包到指定的服務(wù)程序，該服務(wù)通過(guò)指定端口將感知層數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給TUN服務(wù)，TUN服務(wù)將根據(jù)端口號(hào)生成Socket處理，將發(fā)送過(guò)來(lái)的感知層數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成IPv6數(shù)據(jù)包，轉(zhuǎn)發(fā)到TUN虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一中轉(zhuǎn)。

2.2 智能網(wǎng)關(guān)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)IPv6異構(gòu)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，智能網(wǎng)關(guān)采用了虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備TUN。TUN提供與硬件的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備完全相同的功能，模擬網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備，處理相應(yīng)數(shù)據(jù)包如IP數(shù)據(jù)封包，并向操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送數(shù)據(jù)包，從而接收外部數(shù)據(jù)，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)，用于連接應(yīng)用層和內(nèi)核層，應(yīng)用層可以通過(guò)TUN設(shè)備向用戶(hù)空間發(fā)送數(shù)據(jù)[20]。為了更好地與各種無(wú)線節(jié)點(diǎn)通信，本研究設(shè)計(jì)1種TUN服務(wù)程序、Wi-Fi網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序和藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序，完成和無(wú)線模塊間的通信，其中TUN服務(wù)程序和設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2.1 802.15.4邊界路由器與網(wǎng)關(guān)通信設(shè)計(jì) 邊界路由器要收集其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，需要先創(chuàng)建1個(gè)被稱(chēng)為DODAG的根節(jié)點(diǎn)，邊界路由器通過(guò)感知層通信協(xié)議(Perception layer communication protocol，PLCP)獲取網(wǎng)絡(luò)地址后，為自身配置1個(gè)IPv6的地址，然后再創(chuàng)建1個(gè)新的根節(jié)點(diǎn)，其他感知層的節(jié)點(diǎn)加入到這個(gè)根節(jié)點(diǎn)中，實(shí)現(xiàn)和節(jié)點(diǎn)的無(wú)線數(shù)據(jù)通信。

邊界路由器需要將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，設(shè)計(jì)過(guò)程如下：首先802.15.4邊界路由器將收集的無(wú)線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)串口驅(qū)動(dòng)把感知層數(shù)據(jù)包發(fā)送給TUN服務(wù)，然后TUN服務(wù)將其轉(zhuǎn)換為IPv6數(shù)據(jù)包后轉(zhuǎn)發(fā)給TUN虛擬設(shè)備，接著由TUN虛擬設(shè)備將IPv6數(shù)據(jù)包上報(bào)到Linux內(nèi)核的IPv6層，最后經(jīng)過(guò)TCP協(xié)議發(fā)送給APP；反之，應(yīng)用層APP將IPv6數(shù)據(jù)包請(qǐng)求發(fā)送到智能網(wǎng)關(guān)的TUN虛擬設(shè)備，TUN服務(wù)將TUN虛擬設(shè)備發(fā)過(guò)來(lái)的IPv6數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成感知層數(shù)據(jù)包后通過(guò)串口發(fā)送給802.15.4邊界路由器，最后通過(guò)802.15.4無(wú)線模塊將感知層數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的802.15.4模塊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的控制。

2.2.2 Wi-Fi模塊與網(wǎng)關(guān)通信設(shè)計(jì) Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以工作在AP(access point)模式和Sta(station)模式下，智能網(wǎng)關(guān)的Wi-Fi設(shè)置為AP模式下，無(wú)線節(jié)點(diǎn)是設(shè)置為Sta模式，智能網(wǎng)關(guān)的Wi-Fi模塊將多個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

Wi-Fi模塊需要實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)通信，設(shè)計(jì)了1個(gè)Wi-Fi服務(wù)程序完成Wi-Fi無(wú)線模塊和TUN之間通信，應(yīng)用層APP將IPv6數(shù)據(jù)包發(fā)送給TUN虛擬設(shè)備，TUN服務(wù)將TUN虛擬設(shè)備發(fā)過(guò)來(lái)的IPv6數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成感知層數(shù)據(jù)包，TUN服務(wù)與Wi-Fi網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序建立網(wǎng)絡(luò)連接后，通過(guò)端口將感知層數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給Wi-Fi網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序，Wi-Fi網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序?qū)⒏兄獙訑?shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)底層的Wi-Fi驅(qū)動(dòng)，最后通過(guò)Wi-Fi模塊將感知層數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)上其他的Wi-Fi模塊節(jié)點(diǎn)。Wi-Fi網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序如圖4所示。

2.2.3 藍(lán)牙模塊與網(wǎng)關(guān)通信設(shè)計(jì) 藍(lán)牙模塊與網(wǎng)關(guān)通信，設(shè)計(jì)了1個(gè)藍(lán)牙服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)藍(lán)牙無(wú)線模塊和TUN之間的通信，APP應(yīng)用端將IPv6數(shù)據(jù)包請(qǐng)求發(fā)送給TUN虛擬設(shè)備，TUN服務(wù)將TUN虛擬設(shè)備發(fā)過(guò)來(lái)的IPv6數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成感知層數(shù)據(jù)包，TUN服務(wù)與藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序建立TCP連接后，通過(guò)指定端口轉(zhuǎn)發(fā)給藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序通過(guò)該端口將感知層數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)底層的藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)，繼而通過(guò)藍(lán)牙模塊將感知層數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)上其他的藍(lán)牙模塊節(jié)點(diǎn)，其中藍(lán)牙服務(wù)程序過(guò)程與Wi-Fi類(lèi)似。藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序流程如圖5所示。

2.2.4 TUN服務(wù)程序軟件設(shè)計(jì) TUN服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)的功能有：(1)讀取串口、Wi-Fi網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序和藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序的感知層數(shù)據(jù)包，并轉(zhuǎn)發(fā)到TUN虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；(2)讀取TUN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的感知層數(shù)據(jù)包，并轉(zhuǎn)發(fā)到串口、Wi-Fi網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序和藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序；(3)將發(fā)送過(guò)來(lái)的感知層數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成IPv6數(shù)據(jù)包。

TUN服務(wù)實(shí)現(xiàn)了讀串口、Wi-Fi網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序和藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序的感知層數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)到TUN虛擬設(shè)備，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了讀取TUN虛擬設(shè)備數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)到串口、Wi-Fi網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序和藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序，詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖6所示。

2.3 異構(gòu)無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

感知層的3類(lèi)無(wú)線節(jié)點(diǎn)接收到傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)之后，將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到節(jié)點(diǎn)處理器的IPv6層，然后將IPv6層的數(shù)據(jù)包封裝成感知層數(shù)據(jù)包，再通過(guò)串口發(fā)送給節(jié)點(diǎn)的無(wú)線模塊，無(wú)線模塊將感知層數(shù)據(jù)包傳輸給網(wǎng)關(guān)無(wú)線模塊；同時(shí)，節(jié)點(diǎn)無(wú)線模塊接收智能網(wǎng)關(guān)無(wú)線模塊發(fā)過(guò)來(lái)的感知層數(shù)據(jù)包，并通過(guò)串口發(fā)送給STM32處理器[21]的IPv6層處理，從而實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制。其設(shè)計(jì)如圖7所示。

3 與智能網(wǎng)關(guān)通信的感知層設(shè)計(jì)

3.1 感知層通信協(xié)議

為實(shí)現(xiàn)感知層和智能網(wǎng)關(guān)通信，本研究設(shè)計(jì)了1套感知層通信協(xié)議PLCP，用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的串行通信，定義了在串行線路上將數(shù)據(jù)包封裝成幀，PLCP定義了起始符和結(jié)束符：S和E，中間包含若干個(gè)數(shù)據(jù)包。表1是PLCP的數(shù)據(jù)幀格式，處理器通過(guò)串口給無(wú)線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需遵循PLCP協(xié)議。

表1 PLCP的幀格式

無(wú)線模塊無(wú)線接收到數(shù)據(jù)之后，也將數(shù)據(jù)按照PLCP協(xié)議封裝數(shù)據(jù)，通過(guò)串口發(fā)送給STM32。無(wú)線模塊的作用是將數(shù)據(jù)進(jìn)行收、發(fā)。無(wú)線模塊可以理解成STM32的無(wú)線網(wǎng)卡。STM32與無(wú)線模塊通過(guò)串口進(jìn)行通信。為了方便無(wú)線模塊設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，本研究定義了1套無(wú)線模塊的節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)對(duì)無(wú)線模塊的通信與控制。表2是節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議的詳細(xì)功能表。

STM32向無(wú)線模塊只能發(fā)送?M、!P、!C和!S 4個(gè)指令，無(wú)線模塊向STM32可以發(fā)送!M、!P、!C和!R 4個(gè)指令。發(fā)送指令時(shí)，同樣需要遵循PLCP的通信協(xié)議，如用?M指令可以查詢(xún)無(wú)線模塊MAC地址，其格式如表3所示。

表2 PLCP節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議

表3 ?M指令發(fā)送幀格式

3.2 感知層的核心設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)感知層設(shè)計(jì)，本研究在STM32處理器上引入Contiki操作系統(tǒng)[22-23]，利用Contiki系統(tǒng)的多任務(wù)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制。Contiki實(shí)現(xiàn)了1種輕量級(jí)的名為protothread的線程模型，該模型類(lèi)似于線程概念，多個(gè)線程共享同一個(gè)任務(wù)，并提供1種可選的任務(wù)搶占機(jī)制、基于事件和消息傳遞的進(jìn)程間通信機(jī)制。

Contiki系統(tǒng)任務(wù)需要進(jìn)行一系列初始化，包括硬件初始化和進(jìn)程初始化，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需要選擇Wi-Fi、藍(lán)牙或者802.15.4 3種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的其中1種并進(jìn)行初始化，設(shè)置MAC地址和初始化PLCP以及IPv6數(shù)據(jù)隊(duì)列緩沖區(qū)初始化，接著啟動(dòng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程，初始化RPL[24]，加入無(wú)線網(wǎng)路，最后啟動(dòng)自定義進(jìn)程。本研究設(shè)計(jì)了1套事件機(jī)制，定時(shí)產(chǎn)生1個(gè)事件，通過(guò)輪詢(xún)進(jìn)入到特定的進(jìn)程，并對(duì)事件進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制。節(jié)點(diǎn)核心設(shè)計(jì)的流程如圖8所示。

3.3 采集類(lèi)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

采集類(lèi)傳感器主要包括光敏傳感器、溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器等，這類(lèi)傳感器主要是用于采集大棚環(huán)境信息。以光敏傳感器為例，對(duì)采集類(lèi)傳感器進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，在初始化傳感器后，用定時(shí)器設(shè)定采集的時(shí)間，然后等待事件的到來(lái)，不斷輪詢(xún)傳感器事件，有選擇地采集和上傳數(shù)據(jù)，并接受應(yīng)用層通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，采集數(shù)據(jù)和上傳至網(wǎng)關(guān)，具體設(shè)計(jì)如圖9所示。

3.4 控制類(lèi)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

控制類(lèi)傳感器主要包括繼電器傳感器、電機(jī)傳感器、排氣扇傳感器和水泵傳感器等，這類(lèi)傳感器主要用于控制設(shè)備的狀態(tài)。控制類(lèi)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)設(shè)備的控制和工作狀態(tài)的采集，初始化傳感器后，用定時(shí)器設(shè)定采集的時(shí)間，然后等待事件的到來(lái)，不斷輪詢(xún)傳感器事件，有選擇地進(jìn)行設(shè)備控制和狀態(tài)采集，另外也可以接收應(yīng)用層通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)發(fā)來(lái)的控制命令，先進(jìn)行解析，然后進(jìn)行設(shè)備控制和狀態(tài)采集，具體設(shè)計(jì)如圖10所示。

4 測(cè)試與分析

以廣東省廣州市南沙區(qū)某地農(nóng)業(yè)園區(qū)為例說(shuō)明具體應(yīng)用。將660 m2的大棚作為實(shí)際部署環(huán)境，把每個(gè)大棚按約 22 m×10 m的大小分割成3個(gè)區(qū)域。整個(gè)園區(qū)配置1臺(tái)服務(wù)器、若干臺(tái)路由器和交換機(jī)，每個(gè)大棚的3個(gè)區(qū)域分別配置802.15.4無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，另外節(jié)點(diǎn)的配置包括每個(gè)區(qū)域配置2個(gè)溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)、2個(gè)光敏傳感器節(jié)點(diǎn)、2個(gè)土壤溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)、2個(gè)大棚側(cè)窗開(kāi)啟節(jié)點(diǎn)、2個(gè)灌溉模塊節(jié)點(diǎn)、2個(gè)排氣模塊節(jié)點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行智能網(wǎng)關(guān)測(cè)試和應(yīng)用驗(yàn)證。

4.1 智能網(wǎng)關(guān)測(cè)試

智能網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)測(cè)試，選擇9個(gè)不同的傳感器，分成3組，分別組成802.15.4無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)情況如圖11所示。從圖11可以看出，智能網(wǎng)關(guān)分別和3個(gè)不同的子智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，3個(gè)子智能網(wǎng)關(guān)也能成功組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，驗(yàn)證了智能網(wǎng)關(guān)的正確性。

4.2 應(yīng)用驗(yàn)證

通過(guò)Android設(shè)計(jì)的移動(dòng)終端和PC終端軟件，從應(yīng)用層采集農(nóng)業(yè)環(huán)境的數(shù)據(jù)和設(shè)備控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)全部節(jié)點(diǎn)信息的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制，設(shè)置采集節(jié)點(diǎn)的采集周期為30 s，系統(tǒng)測(cè)試溫室大棚環(huán)境數(shù)據(jù)。

對(duì)大棚溫度、濕度、光照度的采集，圖12是數(shù)據(jù)采集的效果圖，圖中是2017年3月7日09：31獲取的數(shù)據(jù)，其中大棚溫度21 ℃，濕度是61%，光照度為14 660 lx。圖13-A、圖13-B、圖13-C分別為大棚溫度、濕度和光照度在2017年2月14日至2017年3月5日的歷史記錄情況。每天當(dāng)中，白天光照度和溫度較高，且溫度和光照度逐漸上升，濕度會(huì)逐漸下降，下午到晚上溫度和光照度逐漸下降，濕度逐漸增加，符合當(dāng)?shù)貢r(shí)節(jié)的情況。

4.3 測(cè)試分析

由測(cè)試結(jié)果可知，農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境信息的數(shù)據(jù)采集傳感器可以正確獲取數(shù)據(jù)，并根據(jù)強(qiáng)度大小來(lái)決定是否啟動(dòng)環(huán)境控制設(shè)備，尤其是光照控制、溫濕度控制、灌溉控制的效果明顯，從而實(shí)現(xiàn)了智能農(nóng)業(yè)環(huán)境的平衡控制，驗(yàn)證了IPv6和異構(gòu)型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)型智能網(wǎng)關(guān)的有效性和正確性。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了1種基于IPv6和異構(gòu)型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)智能網(wǎng)關(guān)型的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)合TUN服務(wù)實(shí)現(xiàn)了3種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(802.15.4無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)牙無(wú)線網(wǎng)絡(luò))與網(wǎng)關(guān)的通信設(shè)計(jì)，并對(duì)無(wú)線模塊通信進(jìn)行異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合設(shè)計(jì)，為了更好地采集數(shù)據(jù)和控制設(shè)備，定義了感知層通信協(xié)議并完成了感知層的核心層設(shè)計(jì)、采集類(lèi)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)以及控制類(lèi)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，基于IPv6和異構(gòu)型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)可以實(shí)時(shí)采集農(nóng)業(yè)大棚的空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度等環(huán)境信息，并根據(jù)閾值的實(shí)時(shí)控制來(lái)調(diào)節(jié)大棚環(huán)境，使大棚農(nóng)作物生長(zhǎng)在一個(gè)最好的環(huán)境中，促進(jìn)作物健康生長(zhǎng)，達(dá)到良好的效果。本研究有如下特點(diǎn)：(1)基于IPv6的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)部署了IPv6地址，滿(mǎn)足日益壯大的環(huán)境采集要求，更有效地采集數(shù)據(jù)和設(shè)備控制，有利于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用；(2)智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了多種異構(gòu)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，可以應(yīng)用在農(nóng)業(yè)的多個(gè)領(lǐng)域，為農(nóng)業(yè)應(yīng)用提供更有效的服務(wù)，也為進(jìn)一步農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成平臺(tái)建設(shè)提供技術(shù)支持。

智能網(wǎng)關(guān)適應(yīng)各種行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和增加農(nóng)作物的生長(zhǎng)智能分析是本課題今后的研究重點(diǎn)。

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