基于Web Services的嵌入式農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)測控系統

摘要：目前農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)測控系統數據交換普遍采用基于socket的簡(jiǎn)單通信。為解決使用socket通信產(chǎn)生的數據交換復雜，系統耦合性大的問(wèn)題，將Web Services技術(shù)應用到linux的嵌入式農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)測控中，并給出了測控系統體系結構及軟、硬件實(shí)現方法。Web Service技術(shù)使得嵌入式測控系統有了標準的數據表示格式和數據交換協(xié)議，提高了開(kāi)發(fā)效率，便于系統修改、定制，實(shí)驗結果表明，該系統性能穩定，無(wú)線(xiàn)數據采集與設備控制能達到實(shí)際需求，具有較高的實(shí)用性。

物聯(lián)網(wǎng)ZigBee技術(shù)以其低成本、低功耗、高可靠性的特點(diǎn)被廣泛應用于農業(yè)測控系統中，實(shí)現了無(wú)線(xiàn)數據采集和控制。孫玉文等設計了基于嵌入式ZigBee技術(shù)的農田信息服務(wù)系統，韓華峰等設計了基于ZigBee網(wǎng)絡(luò )的溫室環(huán)境遠程監控系統等等。盡管我國農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方面的應用有所突破，但依然存在許多問(wèn)題。目前農業(yè)測控系統中ZigBee測控網(wǎng)絡(luò )與服務(wù)器數據交換一般通過(guò)嵌入式設備使用socket通信，數據被透明的傳送至服務(wù)器，其數據格式、發(fā)送方式、響應方式等都是自定義的私有協(xié)議，上層軟件的開(kāi)發(fā)者需要根據私有協(xié)議處理數據通信?；趕ocket的簡(jiǎn)單私有協(xié)議使得系統耦合性加大、系統靈活性降低。如果系統內測控的溫室類(lèi)型及數量較多時(shí)，數據處理將變得復雜，系統開(kāi)發(fā)的復雜性和成本大大增加。為解決這個(gè)問(wèn)題，將Web Services技術(shù)引入到嵌入式測控系統中。Web Services服務(wù)不依賴(lài)于任何語(yǔ)言和平臺，只要遵循相關(guān)協(xié)議用戶(hù)就可以像調用本地服務(wù)一樣調用該服務(wù)，而不必了解底層的通信細節。

1 系統總體結構

基于Web Services的嵌入式農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)測控系統的總體結構如圖1所示。

現場(chǎng)設備中的ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò )、視頻采集模塊、執行機構控制模塊，完成信息采集和設備控制。linux智能網(wǎng)關(guān)層是本系統的關(guān)鍵部分，網(wǎng)關(guān)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )收集、存儲環(huán)境數據，控制現場(chǎng)執行機構，并對外提供數據查詢(xún)、設備控制等web Services接口，數據傳輸部分使用無(wú)線(xiàn)WIFI網(wǎng)橋連接現場(chǎng)設備與服務(wù)器。服務(wù)器主要提供數據庫服務(wù)、業(yè)務(wù)邏輯管理、用戶(hù)交互等服務(wù)。

2 系統功能模塊設計

2.1 ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )與無(wú)線(xiàn)控制節點(diǎn)

本系統的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )采用CC2530射頻芯片及溫濕度、光照、土壤濕度等傳感器構成，在ZigBee Pro協(xié)議棧的基礎上進(jìn)行應用開(kāi)發(fā)，CC2530結合一個(gè)完全集成的、高性能的RF收發(fā)器與一個(gè)增強型的8051微處理器，提供101 dB的鏈路質(zhì)量，具有較高的靈敏度和良好的抗干擾性，使得整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )具有低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò )容量大、采樣點(diǎn)布置靈活的優(yōu)點(diǎn)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)協(xié)調器、一個(gè)或多路由設備和多個(gè)終端設備組成。協(xié)調器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的核心，負責網(wǎng)絡(luò )的組建，維護網(wǎng)絡(luò )的運行，使得各個(gè)節點(diǎn)和路由器間相互通信，路由器負責數據的中轉，終端設備負責采集傳感器數據、控制繼外部設備，協(xié)調器通過(guò)串口與智能網(wǎng)關(guān)相連，透明轉發(fā)數據。

ZigBee終端節點(diǎn)有兩部分組成：核心板和擴展版。核心板上主要由CC2530芯片、必需外部電路、天線(xiàn)等組成，主要完成數據傳輸以及控制擴展板功能，擴展板主要有三種：模擬量采集板、數字量采集板、設備控制板。模擬量采集版主要由電壓、電流采集電路組成，數字量采集板主要由RS232、RS485、I2C等數字接口電路組成，設備控制板主要由繼電器和PWM接口等組成。根據不同的傳感器和控制設備選用不同的擴展版，既增加了ZigBee節點(diǎn)的靈活性又降低了成本和復雜性。

2.2 無(wú)線(xiàn)WIFI局域網(wǎng)

在實(shí)際生產(chǎn)中溫室距離服務(wù)器的距離較遠且分布離散，如果通過(guò)雙絞線(xiàn)、光纖等有線(xiàn)方式連接溫室中的智能網(wǎng)關(guān)和云服務(wù)器，不但成本高、布線(xiàn)不便、影響農業(yè)生產(chǎn);3G網(wǎng)絡(luò )帶寬窄、受無(wú)線(xiàn)信號影響大，流量費非常昂貴，不適合傳輸高清視頻?？紤]視頻服務(wù)需要較大帶寬和智能網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器的距離較遠，而無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋具有安裝靈活、通信帶寬較寬、通信距離長(cháng)(目前無(wú)線(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通信距離可達幾公里甚至幾十公里)等特點(diǎn)，采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋連接是較好的組網(wǎng)選擇。

2.3 智能網(wǎng)關(guān)

2.3.1 智能網(wǎng)關(guān)的硬件結構及操作系統

智能網(wǎng)關(guān)的硬件系統主要由ARM處理器構成。本系統的ARM處理器是三星公司的S3C6410微處理器，S3C6410是一款低功率、高性?xún)r(jià)比、高性能的用于移動(dòng)電話(huà)和通用處理RSIC處理器。主要硬件資源及接口包括128M SRAM芯片，256M Nand Flash芯片，一個(gè)以太網(wǎng)口、兩個(gè)USB接口、4個(gè)RS232口等其他數字接口。

智能網(wǎng)關(guān)上運行經(jīng)過(guò)剪裁的linux 3.0.1版本操作系統，以及YAFFS2可讀寫(xiě)文件系統，同時(shí)載入串口驅動(dòng)、USBHost驅動(dòng)(用以支持U盤(pán)、USB WIFI、USB 3G等)、網(wǎng)卡驅動(dòng)等外設驅動(dòng)，以支持應用軟件運行。

2.3.2 智能網(wǎng)關(guān)Web Services服務(wù)

Web Services是本系統的重要組成部分，從表面上看，Web Services服務(wù)就是一個(gè)Web應用程序，它向外界暴露出一個(gè)API接口，用戶(hù)可以通過(guò)編程方式在Internet上調用這些Web Services應用程序。從深層次上看，Web服務(wù)是一種新的Web應用程序分支，它們是自包含、自描述、模塊化的應用，可以在網(wǎng)絡(luò )中被描述、發(fā)布、查找、調用。Web Services基于可擴展的標記語(yǔ)言(XML)消息交換，其所使用協(xié)議都是開(kāi)放的標準協(xié)議，調用接口更加規范且與平臺無(wú)關(guān);調用方法采用簡(jiǎn)單對象訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議(SOAP)，其定義了其消息格式，實(shí)現實(shí)體間的信息交換;使用Web Services描述語(yǔ)言(WSDL)描述網(wǎng)絡(luò )服務(wù)及其訪(fǎng)問(wèn)信息，WSDL描述了Web Services及其函數、參數和返回值等。

本系統的軟件架構如圖2：主要有Web Serice接口層、服務(wù)抽象層、信息采集與控制層。

1)Web Services接口層

由于嵌入式系統的計算及存儲資源有限，本文使用gSOAP輕量級的開(kāi)源工具實(shí)現Web Serices網(wǎng)絡(luò )接口。gSOAP編譯工具提供了一個(gè)SOAP /XML關(guān)于C/C++語(yǔ)言的實(shí)現，屏蔽了SOAP協(xié)議的具體實(shí)現細節，系統開(kāi)發(fā)者只需關(guān)注具體的邏輯實(shí)現即可。gSOAP開(kāi)發(fā)工具主要由gSoap編譯器和運行時(shí)庫組成，gSoap編譯器包括WSDL解析器(wsdl2h)、存根和框架編譯器(soapcpp2)，WSDL解析器可以把WSDL文件解析成相應的C/C++的頭文件(.h)主要用于Web Service客戶(hù)端開(kāi)發(fā)，存根和框架編譯器根據頭文件中函數定義生成存根和框架文件主要用于Web Service服務(wù)端開(kāi)發(fā)，stdsoap2.c是運行時(shí)庫文件，編譯時(shí)必須包含該文件。本系統中嵌入式網(wǎng)關(guān)對外服務(wù)，所以只實(shí)現服務(wù)端程序。開(kāi)發(fā)服端的應用程序的過(guò)程如圖3所示。

開(kāi)發(fā)服務(wù)端程序，用戶(hù)定義一個(gè)C/C++頭文件(.h)，這個(gè)頭文件包含服務(wù)函數的名稱(chēng)、輸入/輸出參數和相應的數據類(lèi)型聲明，聲明的函數需要在相應的C/C++文件中實(shí)現。該頭文件經(jīng)gSoap編譯器編譯后，即可生成服務(wù)端端框架以及WSDL文件。獲取傳感器參數和控制設備的頭文件如圖4所示。

這個(gè)頭文件定義了Web Service的基本屬性：通信方式、文字編碼、命名空間、服務(wù)地址、接口參數聲明以及兩個(gè)服務(wù)接口函數ns_sen sor、ns_device。

依據圖定義的頭文件，按照圖服務(wù)端開(kāi)發(fā)步驟系統Web服務(wù)的實(shí)現程序的主要代碼如圖5所示。

2)服務(wù)抽象層

服務(wù)抽象層屏蔽不同傳感器和可控設備的細節，為gSoap網(wǎng)絡(luò )接口層提供支持，如圖6兩個(gè)接口函數的具體實(shí)現方法就屬于這一層。傳感器數據來(lái)源可能來(lái)自數據庫、其他進(jìn)程、或者ZigBee網(wǎng)絡(luò )等等，而實(shí)現一個(gè)設備動(dòng)作(如簾幕收展)因為耗時(shí)較長(cháng)需要創(chuàng )建新進(jìn)程控制多個(gè)繼電器協(xié)同工作。這就需要將抽象的查詢(xún)和控制命令解析為具體的實(shí)現過(guò)程，當新增、修改指令時(shí)只需修改本層即可。

3)信息采集與控制層

信息采集和控制層主要完成具體的數據采集和控制過(guò)程。信息采集主要指通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )將模擬傳感器的電流或電壓值轉換為數字值或按照通信協(xié)議獲取數字傳感器的測量值?？刂浦饕父鶕橄髮拥脑O備控制命令完成具體設備的控制，如控制ZigBee板某個(gè)載繼電器的閉合或者通過(guò)某個(gè)PWM接口控制步進(jìn)電機運轉。當有新的物理設備加入時(shí)，只需要修改本層代碼即可。

2.4 視頻監控

由于通用ARM處理器核心不包含DSP視頻處理模塊，因此如果通過(guò)軟件實(shí)現視頻編碼及流化，實(shí)踐表明一般只能實(shí)現較低幀率且較低分辨率的輸出，畫(huà)質(zhì)較差，容易造成CPU占用率高、系統不穩定。如果加入IPC(網(wǎng)絡(luò )攝像機)專(zhuān)業(yè)處理器會(huì )造硬件成本和軟件研發(fā)成本巨大提高。近年來(lái)監控產(chǎn)品價(jià)格逐漸降低，選擇成熟穩定的網(wǎng)絡(luò )攝像機作為視頻監控是較好的方案。網(wǎng)絡(luò )攝像機一般會(huì )提供SDK(軟件開(kāi)發(fā)包)這使得視頻開(kāi)發(fā)快捷方便。

2.5 應用層

根據軟件工程松耦合分層設計思想和農業(yè)生產(chǎn)需求額多樣性，本系統中的應用層設計劃分力應用服務(wù)子層、業(yè)務(wù)邏輯子層以及用戶(hù)交互子層。每一層都抽象地定義各自的功能以及對外接口。這樣每層都可以使用任何開(kāi)發(fā)語(yǔ)言(如C#，Java等)獨立地開(kāi)發(fā)，層與層之間通過(guò)統一的接口進(jìn)行通信，目前層與層通信采用了共享數據庫數據以及進(jìn)程間通信技術(shù)，避免系統某一層的改變影響其他層。

3 系統運行與測試

本系統已成功應用于江蘇某農業(yè)科技示范園內的兩座玻璃溫室。位于辦公區的服務(wù)器距離溫室距離大于500米，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋可以流暢的查看高清視頻，觀(guān)察植物生長(cháng)狀況。每個(gè)溫室內包括DHT21溫濕度傳感器(單總線(xiàn))、JTBQ-6光照傳感器(電流輸出)、S-100H二氧化碳傳感器(電壓輸出)，溫室具有側窗、天窗、保溫幕等多種設備需要控制，ZigBee控制節點(diǎn)連接了24路繼電器模塊，以完成復雜的控制過(guò)程。

服務(wù)器端開(kāi)發(fā)使用.net平臺(開(kāi)個(gè)工具為VS2010和SQLServer2008)的C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，包括數據管理及控制模塊和Web網(wǎng)站，數據管理及控制調用嵌入式網(wǎng)關(guān)的Web Service接口完成數據采集、存儲和設備控制，開(kāi)發(fā)時(shí)只需引用gSoap生成的WSDL文件VS2010會(huì )自動(dòng)生成相應的類(lèi)，開(kāi)發(fā)者只需使用這些類(lèi)而不必了解具體實(shí)現過(guò)程，在圖5頭文件中定義的接口在VS2010中生成的類(lèi)如圖6所示。

Web網(wǎng)站完成與用戶(hù)交互，用戶(hù)可以登入網(wǎng)站查看數據，控制設備等，通過(guò)視頻查看植物生長(cháng)狀況。

4 結束語(yǔ)

本文構建了基于嵌入式Web Services的農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)測控系統，實(shí)現了大規模的農業(yè)測控方案。嵌入式網(wǎng)關(guān)通過(guò)web Services技術(shù)將Zigbee無(wú)線(xiàn)測控網(wǎng)絡(luò )與Internet鏈接起來(lái)，使得的底層設備數據獲取與設備控制都有相同的表示方式和操作方法，實(shí)現了異構網(wǎng)絡(luò )的互操作，測控網(wǎng)絡(luò )獲得極大的靈活性，程序設計者都將從復雜的底層數據處理中解脫出來(lái)，大大降低了開(kāi)發(fā)和維護的難度。