設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)研究

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摘要：在設(shè)施農(nóng)業(yè)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)進(jìn)行升級(jí)，提高設(shè)施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化水平，使用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以簡(jiǎn)化物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施。介紹了一種采用無線接入和有線接入、可級(jí)聯(lián)的設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)關(guān)；物聯(lián)網(wǎng)；設(shè)施農(nóng)業(yè)

在設(shè)施農(nóng)業(yè)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)進(jìn)行升級(jí)，提高設(shè)施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化水平，實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)，比如在遠(yuǎn)程就可實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)環(huán)境的溫濕度、光照等情況，可實(shí)現(xiàn)天窗開閉、風(fēng)機(jī)運(yùn)行和水簾降溫等程序的遠(yuǎn)程控制或自動(dòng)控制。在實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)過程種也存在一些問題：1）在物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)體系中，包含傳感器的感知層的信息種類較大，比如有溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等，傳感器的類型較多，它們的接口和協(xié)議也是多種多樣，比如模擬接口、RS485接口、Zig⁃Bee接口；2）不同類型的通信技術(shù)都只能各自組網(wǎng)，通信的接收端必須有對(duì)應(yīng)通信發(fā)送端的接收器才能完成數(shù)據(jù)通信，因此控制中心的計(jì)算機(jī)需要連接不同的接收器接入不同的傳感器的網(wǎng)絡(luò)，還需要解析不同的協(xié)議；3）傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)，比如Zigbee、RS485等屬于近距離通信，如果要傳輸數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程服務(wù)器，就需要增加設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換；4）大量傳感器接入到服務(wù)器，會(huì)增加服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，需要更高性能的服務(wù)器。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是連接感知層和網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)備，是物聯(lián)網(wǎng)的重要設(shè)備，具有網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)交換等功能，使用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以簡(jiǎn)化物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施，可以解決上述問題。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能配置

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

本方案的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，由上行通信接口、下行通信接口、主控模塊等部分組成（見圖1）。1）上行通信接口，連接遠(yuǎn)程服務(wù)器（云端系統(tǒng)）、用戶終端，在硬件上主要包括上行通信模塊、接口電路，在軟件上主要包括模塊驅(qū)動(dòng)程序、上行通信協(xié)議處理程序。2）下行通信接口，連接傳感器、控制器等設(shè)備終端，在硬件上主要包括下行通信模塊、接口電路，在軟件上主要包括模塊驅(qū)動(dòng)程序、下行通信協(xié)議處理程序。3）主控模塊是網(wǎng)關(guān)的核心部分，在硬件上由高級(jí)單片機(jī)和外圍接口電路構(gòu)成，在軟件上主要包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序、協(xié)議轉(zhuǎn)換程序等。上行接口主要是連接遠(yuǎn)程服務(wù)，需要使用遠(yuǎn)程通信技術(shù)，主要包括Internet通信、移動(dòng)通信等。上行通信模塊主要包括用于接入Internet網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)通信模塊、WiFi通信模塊，用于接入移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的GPRS通信模塊、4G通信模塊、NB-IOT通信模塊等。下行接口主要是連接傳感器和控制器，一般使用的是短距離通信技術(shù)，主要包括RS485、Zig⁃Bee、WiFi、LoRa等；而對(duì)于4～20mA等模擬量的設(shè)備，并不直接接入網(wǎng)關(guān)，需要一個(gè)變送器或采集器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以數(shù)字通信的方式接入到網(wǎng)關(guān)。下行通信模塊主要包括RS485通信模塊、ZigBee通信模塊、WiFi通信模塊、Lora通信模塊等。主控模塊通過UART、SPI、I2C等接口和上行通信模塊、下行通信模塊連接，通信模塊由主控模塊進(jìn)行配置和控制。網(wǎng)關(guān)的工作原理如下：網(wǎng)關(guān)通過WiFi或RS485等下行通信接口連接到傳感器終端或風(fēng)機(jī)、遮陽(yáng)等控制器，通過WiFi或以太網(wǎng)等上行通信接口接入到Internet網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)連接遠(yuǎn)程服務(wù)器；服務(wù)器的數(shù)據(jù)或指令通過上行接口傳輸?shù)街骺啬K，主控模塊根據(jù)上行通信協(xié)議取出數(shù)據(jù)后，進(jìn)行處理，根據(jù)下行協(xié)議重新打包，經(jīng)下行通信接口轉(zhuǎn)發(fā)到傳感器終端、控制器；傳感器終端、控制器的數(shù)據(jù)，由下行接口上傳到主控模塊經(jīng)處理后轉(zhuǎn)發(fā)到上行接口，傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器。在此過程中，網(wǎng)關(guān)完成了網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

1.2系統(tǒng)功能配置

本方案的網(wǎng)關(guān)功能配置如下：1）上行接口：具有1個(gè)WiFi接口、1個(gè)以太網(wǎng)接口，支持TCP/UDP、HTTP通信協(xié)議，采用Client工作模式，可通過上行接口連接遠(yuǎn)程服務(wù)器。2）下行接口：具有1個(gè)RS485接口，半雙工、波特率可配置、主站工作模式，支持Modbus通信協(xié)議；具有1個(gè)WiFi接口，主站工作模式，支持TCP/UDP、Modbus通信協(xié)議，可通過下行接口接入傳感器或控制器。3）工作電壓：DC5V；4）指示燈：電源指示燈、通信指示燈、狀態(tài)指示燈。

2硬件和軟件的設(shè)計(jì)

本方案的網(wǎng)關(guān)采用模塊化設(shè)計(jì)，通信模塊直接選用市面上已有的通信模塊，需要根據(jù)選定的具體通信模塊設(shè)計(jì)接口電路、編寫模塊驅(qū)動(dòng)程序。

2.1硬件設(shè)計(jì)

2.1.1主控模塊主控模塊以32位高級(jí)單片機(jī)STM32F407ZG為控制核心，該單片機(jī)使用3.3VDC工作電源，具有1024kB的flashROM、192kB的RAM，并支持通過FSMC接口擴(kuò)展RAM，具有3個(gè)I2C接口、6個(gè)UART接口、2個(gè)SPI接口、1個(gè)SDIO接口，內(nèi)部RTC模塊。

2.1.2上行通信接口上行通信模塊主要包括1個(gè)WiFi通信、1個(gè)以太網(wǎng)通信模塊。其中WiFi通信模塊使用ESP8266通信模塊，通過UART連接到主控模塊的UART3；以太網(wǎng)通信模塊使用W5500通信模塊，通過SPI連接到主控模塊的SPI2。

2.1.3下行通信接口下行通信模塊主要包括1個(gè)WiFi通信模塊、1個(gè)RS485通信模塊。其中WiFi通信模塊使用USR-WIFI232-XXX通信模塊，通過UART連接到主控模塊的UART2；RS485通信模塊使用MAX485通信模塊，連接到主控模塊的UART4。

2.1.4存儲(chǔ)、顯示部分主控模塊通過FSMC接口連接IS62WV51216擴(kuò)展RAM，可存儲(chǔ)512k雙字節(jié)（1024kB）大小的數(shù)據(jù)，用于在協(xié)議處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程的變量存儲(chǔ)；通過I2C接口I2C1連接EPROM存儲(chǔ)器24C02，可存儲(chǔ)256×8（2kbits）大小的數(shù)據(jù)，用于存儲(chǔ)配置參數(shù)；通過SDIO連接SD卡，用于存儲(chǔ)運(yùn)行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)具有1個(gè)電源指示燈、1個(gè)運(yùn)行狀態(tài)指示燈、1個(gè)上行接口通信指示燈、1個(gè)下行接口通信指示燈，主控模塊通過4個(gè)IO口驅(qū)動(dòng)4個(gè)LED燈。除了指示燈，沒有其他顯示器件，可通過調(diào)試串口或者上行接口查詢系統(tǒng)信息和狀態(tài)。主控模塊的UART1作為調(diào)試串口。

2.1.5電源部分電源部分使用外接5VDC穩(wěn)壓電源，負(fù)載能力不小于10W。通過電源接口接入電路板，在電路板上通過LDO穩(wěn)壓電路輸出3.3VDC穩(wěn)壓電源作為工作電源。

2.2軟件設(shè)計(jì)

2.2.1軟件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和方案軟件設(shè)計(jì)主要包括：通信接口驅(qū)動(dòng)程序、模塊的驅(qū)動(dòng)程序、通信協(xié)議處理程序、配置程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序，完成通信接口接入、遠(yuǎn)程連接、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。由于RTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在系統(tǒng)層已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了任務(wù)的調(diào)度，在多任務(wù)系統(tǒng)開發(fā)中比較有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)本方案的硬件支持運(yùn)行RTOS，因此采用基于RTOS進(jìn)行開發(fā)。

2.2.2軟件的層次結(jié)構(gòu)采用分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，軟件的結(jié)構(gòu)從下到上分成：硬件驅(qū)動(dòng)層、模塊驅(qū)動(dòng)層、網(wǎng)絡(luò)通信層、應(yīng)用層。硬件驅(qū)動(dòng)層完成對(duì)硬件的配置和驅(qū)動(dòng)，包括系統(tǒng)時(shí)鐘的配置、IO的配置、UART接口的驅(qū)動(dòng)、SPI接口的驅(qū)動(dòng)、I2C接口的驅(qū)動(dòng)、FSMC接口的驅(qū)動(dòng)等。模塊驅(qū)動(dòng)層完成對(duì)通信模塊、存儲(chǔ)模塊等外接模塊的配置和驅(qū)動(dòng)，包括上行接口中的WiFi通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊的驅(qū)動(dòng)，下行接口中的WiFi通信模塊、RS485通信模塊等的驅(qū)動(dòng)，存儲(chǔ)模塊的驅(qū)動(dòng)等。網(wǎng)絡(luò)通信層完成網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)傳輸、協(xié)議的處理，包括RS485通信、TCP/UDP、HTTP、Mod⁃bus等。應(yīng)用層完成業(yè)務(wù)功能，包括系統(tǒng)配置、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、信息采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。

2.2.3任務(wù)的分配和調(diào)度系統(tǒng)使用了FREE—RTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在RTOS系統(tǒng)層采用分時(shí)調(diào)度的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)線程（簡(jiǎn)稱線程）的切換。系統(tǒng)分配6個(gè)線程，各線程優(yōu)先級(jí)一致，由RTOS系統(tǒng)分時(shí)調(diào)度，將各種業(yè)務(wù)定義成不同的業(yè)務(wù)任務(wù)（簡(jiǎn)稱任務(wù)），每個(gè)線程執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)業(yè)務(wù)任務(wù)。線程1完成系統(tǒng)配置、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)指示任務(wù)；線程2完成上行接口處理任務(wù)；線程3完成下行接口處理任務(wù)；線程4完成協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)；線程5完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)；線程6完成信息采集任務(wù)。由于各個(gè)線程是無限循環(huán)并且是并行執(zhí)行的，為了對(duì)各個(gè)線程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，取一個(gè)狀態(tài)字并為每個(gè)線程設(shè)定一個(gè)狀態(tài)位。每個(gè)線程在循環(huán)一輪都給對(duì)應(yīng)的狀態(tài)位置位，線程1每隔100ms要對(duì)各個(gè)線程的狀態(tài)位進(jìn)行檢測(cè)。如果所有線程對(duì)應(yīng)的狀態(tài)位都置位，則清零狀態(tài)字并驅(qū)動(dòng)狀態(tài)指示燈亮或滅。因此系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，狀態(tài)指示燈是閃爍的。

3主要功能的設(shè)計(jì)

接入功能、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能、協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，是網(wǎng)關(guān)要實(shí)現(xiàn)的主要功能。

3.1上行接口的設(shè)計(jì)

上行接口主要是連接遠(yuǎn)程服務(wù)，需要使用遠(yuǎn)程通信技術(shù)，使用的通信協(xié)議是TCP/UDP，以及基于TCP/UDP的HTTP、Modbus等。TCP/UDP屬于傳輸層協(xié)議，由通信模塊實(shí)現(xiàn)，在模塊驅(qū)動(dòng)層通過對(duì)模塊的配置，可以啟動(dòng)相關(guān)功能，因此在硬件設(shè)計(jì)上，需要選擇支持TCP/UDP功能的通信模塊。本系統(tǒng)所用的上行通信模塊均支持TCP/UDP功能，其中WiFi通信模塊通過UART通信使用相應(yīng)的AT指令進(jìn)行配置，以太網(wǎng)通信模塊通過SPI通信配置模塊相應(yīng)的寄存器進(jìn)行配置。HTTP、Modbus等運(yùn)行在TCP之上，屬于應(yīng)用層協(xié)議，由主控模塊實(shí)現(xiàn)，通過協(xié)議處理程序完成。HTTP協(xié)議在Web應(yīng)用中得到廣泛的應(yīng)用；Modbus協(xié)議在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式。通過上行接口，實(shí)現(xiàn)以下功能：1）使用的是HTTP協(xié)議對(duì)網(wǎng)關(guān)參數(shù)的配置和查詢：網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)一個(gè)WebServer，可以處理HTTP協(xié)議的GET方法請(qǐng)求。通過瀏覽器打開配置頁(yè)面對(duì)參數(shù)進(jìn)行查詢和配置，網(wǎng)關(guān)作為TCPServer，需要打開監(jiān)聽端口。2）使用Modbus協(xié)議將傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器：網(wǎng)關(guān)作為TCPClient連接到TCPServer，由服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求網(wǎng)關(guān)作為從設(shè)備響應(yīng)數(shù)據(jù)。Mod⁃bus協(xié)議有專門的TCP格式，這里只是將TCP作為數(shù)據(jù)鏈路，報(bào)文使用的是Modbus-RTU格式。

3.2下行接口的設(shè)計(jì)

下行接口主要是連接傳感器、下級(jí)網(wǎng)關(guān)，包括1個(gè)WiFi接口、1個(gè)RS485接口。WiFi接口配置成AP模式，下級(jí)網(wǎng)關(guān)的上行WiFi以及采用WiFi通信的傳感器可以連接到到這個(gè)AP。在通信上，配置成TCPServer，打開監(jiān)聽端口，下級(jí)網(wǎng)關(guān)、傳感器作為TCPClient連接到這個(gè)端口，使用TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于RS485通信是半雙工的，模塊需要配置成主機(jī)模式，由網(wǎng)關(guān)發(fā)起通信。RS485通信的校驗(yàn)位和波特率等參數(shù)設(shè)計(jì)成可配置以適應(yīng)實(shí)際設(shè)備的通信參數(shù)。在往下行接口發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)發(fā)送到所有通過WiFi接口連接的傳感器、通過RS485接口連接的傳感器以及通過WiFi接口連接的下級(jí)網(wǎng)關(guān)。

3.3數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換功能的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)指的是將數(shù)據(jù)從下行接口轉(zhuǎn)發(fā)到上行接口，或?qū)?shù)據(jù)從上行接口轉(zhuǎn)發(fā)到下行接口。在轉(zhuǎn)發(fā)的過程中，由于兩個(gè)接口的通信協(xié)議不用，需要根據(jù)接收口的協(xié)議將數(shù)據(jù)接收讀取解析出來，經(jīng)過一定的處理后，按發(fā)送口的通信協(xié)議重新打包發(fā)送，這個(gè)就是協(xié)議轉(zhuǎn)換。整個(gè)過程就是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的接收、解包、處理、封裝、轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)關(guān)采用多種可配置的模式實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，運(yùn)行的時(shí)候根據(jù)配置執(zhí)行下列模式中的一個(gè)模式：模式1為直接透?jìng)髂Ｊ?。運(yùn)行此模式的時(shí)候，系統(tǒng)將上行接口的數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)發(fā)到下行接口，由于下行接口有多個(gè)端口，數(shù)據(jù)將依次轉(zhuǎn)發(fā)到各個(gè)端口，下行接口的數(shù)據(jù)也依次直接轉(zhuǎn)發(fā)到上行接口。模式2為協(xié)議透?jìng)髂Ｊ?。運(yùn)行此模式的時(shí)候，會(huì)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議核對(duì)，符合Modbus協(xié)議格式的數(shù)據(jù)將被轉(zhuǎn)發(fā)，不符合的數(shù)據(jù)將在本地被處理：按其他協(xié)議處理或丟棄。

3.4級(jí)聯(lián)功能的設(shè)計(jì)

級(jí)聯(lián)功能可以給系統(tǒng)帶來靈活性，通過級(jí)聯(lián)功能可以實(shí)現(xiàn)：通信的中繼進(jìn)而達(dá)到延長(zhǎng)通信距離的功能；分級(jí)擴(kuò)展進(jìn)而達(dá)到擴(kuò)大接入能力的功能；分組接入進(jìn)而提高系統(tǒng)性能和簡(jiǎn)化系統(tǒng)管理。本系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)功能通過WiFi通信接口實(shí)現(xiàn)：本級(jí)網(wǎng)關(guān)的上行WiFi模塊打開STA模式，上級(jí)網(wǎng)關(guān)的下行WiFi模塊打開AP模式；本級(jí)網(wǎng)關(guān)的上行WiFi接入到上級(jí)網(wǎng)關(guān)的下行WiFi；上級(jí)網(wǎng)關(guān)把本機(jī)網(wǎng)關(guān)看成一個(gè)傳感器終端，本機(jī)網(wǎng)關(guān)把上級(jí)網(wǎng)關(guān)看成一個(gè)服務(wù)器；按正常的模式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換。級(jí)聯(lián)之后的系統(tǒng)，只有一個(gè)頂級(jí)網(wǎng)關(guān)連接到服務(wù)器。從頂級(jí)網(wǎng)關(guān)看，所有的傳感器設(shè)備都是連接在本網(wǎng)關(guān)的下行WiFi接口上，可以把下級(jí)的級(jí)聯(lián)網(wǎng)關(guān)看成透明的。

4結(jié)束語(yǔ)

使用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以簡(jiǎn)化物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施，但是目前并沒有標(biāo)準(zhǔn)的、通用的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以選用，需要針對(duì)具體的應(yīng)用而開發(fā)相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。本方案的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主要針對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)，以無線通信為主要通信方式，這樣便于設(shè)備的安裝和布置，同時(shí)也保留了以太網(wǎng)、RS485有線通信方式以滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求。在通信接口的設(shè)計(jì)上，并沒有把所有的通信方式都接入。上行接口只接入WiFi通信模塊和以太網(wǎng)通信模塊，用于接入Internet網(wǎng)絡(luò)；如果想使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，可以考慮把通信模塊替換成GPRS通信模塊、4G通信模塊、NB-IOT通信模塊等。下行接口只接入WiFi通信模塊、RS485通信模塊，可實(shí)現(xiàn)傳感器和控制器的無線接入和有線接入；如果需要實(shí)現(xiàn)ZigBee、LoRa、藍(lán)牙等通信的接入，可以增加相應(yīng)的通信模塊。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉長(zhǎng)欖.應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展[J].福建農(nóng)機(jī)，2019（1）：6-8.

作者：葉長(zhǎng)欖 單位：福建省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所