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農(nóng)業(yè)試驗田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)
來源：電子技術應用2013年第10期
周長明,， 劉 鵬
成都信息工程學院 電子工程學院， 四川 成都610225
摘要： 系統(tǒng)以云服務為依托,以集成ZigBee協(xié)調(diào)器模塊,、GPS 模塊,、GPRS 模塊、RFID讀寫模塊的ARM-Linux嵌入式終端為媒介,，以分布于試驗田中的RFID電子標簽和溫,、濕度傳感器為基礎。GPS和RFID電子標簽組成組合定位模式,，對實驗田中的采樣植株進行標定,。ZigBee 協(xié)調(diào)器模塊用于管理試驗田溫、濕度傳感器網(wǎng)絡,，通過此網(wǎng)絡采集試驗田溫,、濕度數(shù)據(jù)；GPRS 模塊用于與云服務器建立遠程無限網(wǎng)絡連接,，并實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的傳輸,。使用嵌入式QT開發(fā)了終端上的應用模塊，實現(xiàn)了終端的人機交互和控制管理,。借助對云服務器的模擬驗證表明,，系統(tǒng)達到了設計要求。
中圖分類號： TP274
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)10-0124-03
Development of an agriculture experimental field-data acquisition system
Zhou Changming,， Liu Peng
Electronic Engineering College, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China
Abstract： An agriculture experimental field-data acquisition system is developed based on Cloud Servers, with a terminal integrated of the ZigBee coordinator module, GPS module, GPRS module and RFID reading and writing module as medium, based on RFID electronic tags and temperature and humidity sensor distributed in the field. The combination of positioning of GPS and RFID electronic label is carried out on the agriculture experimental field sampling in the plant. ZigBee module is used for coordinating and managing the experimental field temperature and humidity sensors network collects the data through the network. GPRS module is used for the remote communicating and transferring the data between the system and the cloud server. Using embedded QT, it develops an embedded application module, which realizes human-computer interaction and control and manage the terminal. It is proved that this system have reached the design requirements though the simulation of Cloud Server.
Key words : calibration,； location； data collection,； Cloud Service

    在農(nóng)業(yè)試驗田的管理中,，需要長期跟蹤記錄采樣植株的相關信息。試驗田的土壤溫,、濕度數(shù)據(jù)以及田間管理中涉及的耕種日期與次數(shù),、施肥量、農(nóng)藥使用量等數(shù)據(jù),，對于大面積的農(nóng)田管理具有重要的參考價值[1],。如何準確、高效,、經(jīng)濟地對農(nóng)業(yè)試驗田中的采樣植株進行標定與定位,，對相應數(shù)據(jù)進行采集與共享,，是提高農(nóng)業(yè)試驗田管理和農(nóng)業(yè)信息橫向交流的關鍵環(huán)節(jié)。

    國內(nèi)外,，均已將GPS定位技術應用于設備中,，測量土地面積的測畝儀， 以及用于農(nóng)業(yè)大型設備的導航終端[2]農(nóng)業(yè)領域,。但高精度的GPS定位價格昂貴,，并且現(xiàn)在也沒有應用于試驗田植株定位領域的產(chǎn)品。自從云服務的概念被提出,，現(xiàn)已應用于各個領域,。例如農(nóng)場主可直接將他們的數(shù)據(jù)文本上傳至云服務中，云服務供應商分析這些數(shù)據(jù),，并為農(nóng)場主提供了詳細的分析報告[3],。
    本文采用GPS和RFID標簽協(xié)調(diào)定位的方式，將GPS單點定位轉(zhuǎn)化為GPS的兩點測距,從而增加了定位的精度,，同時RFID標簽還起到標記和長期跟蹤存儲相應數(shù)據(jù)的作用[4],。引入云服務技術，能夠利用云服務在高效計算,、海量存儲等方面的優(yōu)點,，彌補嵌入式終端在數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲方面的局限性,，降低終端的成本,。同時依靠云服務對數(shù)據(jù)進行規(guī)范和統(tǒng)一，增強了農(nóng)業(yè)試驗田數(shù)據(jù)的共享率,，以提高試驗田管理的自動化水平,。
1 系統(tǒng)總體設計
1.1 系統(tǒng)架構(gòu)
    開發(fā)試驗田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，根據(jù)試驗田數(shù)據(jù)采集的實際要求,，農(nóng)業(yè)試驗田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由分布于試驗田中的RFID電子標簽,，集成了ZigBee模塊的土壤溫、濕度傳感器節(jié)點和手持式采集終端,。為了滿足便攜及一定的運算能力的要求,，以ARM-Linux作為手持式終端的軟硬件基礎,，并集成了4個模塊,，分別是ZigBee協(xié)調(diào)器模塊、GPS模塊,、RFID讀寫模塊和GPRS模塊,。
    ZigBee協(xié)調(diào)器模塊用于協(xié)調(diào)管理試驗田中的溫、濕度傳感器網(wǎng)絡工作,，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡采集存儲于傳感器節(jié)點中的數(shù)據(jù),；GPS模塊和試驗田中安放的RFID電子標簽構(gòu)成系統(tǒng)的定位基礎，通過RFID電子標簽對采樣植株標定及相應數(shù)據(jù)的物理存儲，通過GPS和RFID電子標簽的組合定位,，實現(xiàn)采樣植株的定位查找,。GPRS模塊用于終端連接云服務器，并將實時的GPS數(shù)據(jù)和捕獲的RFID標簽信息發(fā)送給云服務器,用以對試驗田數(shù)據(jù)進行處理和保存,。
    通過嵌入式QT軟件設計的終端人機交互界面完成數(shù)據(jù)交互工作,，通過特定的數(shù)據(jù)命令設計，實現(xiàn)終端從云服務獲取相應的數(shù)據(jù),。帶有ZigBee模塊的傳感器節(jié)點,，按要求定時采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)儲存起來,，當收到終端的傳輸數(shù)據(jù)請求時,，將數(shù)據(jù)借助終端提交給云服務器。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示,。

1.2 云服務實現(xiàn)機制
    試驗田數(shù)據(jù)采集終端通過用戶API接口連接到云服務平臺,，終端在通過系統(tǒng)用戶驗證后，可以應用云服務平臺中的各種程序,，實現(xiàn)系統(tǒng)的各種要求,。具體實現(xiàn)機制如圖2所示。

1.3 采樣植株定位設計
    在由GPS與RFID電子標簽相結(jié)合的定位方式中,，RFID電子標簽分為基礎標簽和隨機標簽兩類,。基礎標簽需要前期安放,，將其確切位置信息測定后存入云服務平臺,，作為GPS定位的坐標參考。而隨機標簽在選擇植株時安放,，標簽的位置信息由終端自動傳送至云服務平臺,。
    云服務程序會綜合終端發(fā)來的GPS定位信息，并讀取的RFID標簽信息,，繪制試驗田的RFID分布圖,，實時指示終端在RFID分布圖中的位置。運動距離的獲得首先要將GPS的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為大地坐標系變化值[5],綜合考慮地塊坡度和GPS影響參數(shù),，并借助RFID電子標簽的讀取距離確定標簽的位置,。植株定位原理如圖3所示。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)
2.1終端硬件設計與開發(fā)
     終端的硬件設計采用模塊化的設計方式,，由主控核心板和各功能模塊共同構(gòu)成,。主控核心板與各功能模塊通過串口的方式進行通信，LCD觸摸屏作為頁面顯示和數(shù)據(jù)的交互媒介,硬件配以統(tǒng)一的電源為各部分供電,。
     主控核心板采用SamsungS3C6410處理器,主頻為533 MHz,內(nèi)存為256 MB,NandFlash為512 MB ,。能夠滿足通用操作系統(tǒng)需求,，并帶LCD、觸摸屏,、串行通信等接口,，不需要額外擴展。GPRS模塊采用華為GTM900-C模塊,，它支持標準及增強的AT命令,，能夠提供最高可達85.6 kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足本設計對于數(shù)據(jù)傳輸速率的需求,。GPS模塊采用CS-91模塊,，它采用差分定位方式，定位精度小于5 m,，重新捕獲時間小于0.1 s,。RFID讀寫模塊選用AS3991模塊,多卡讀取,穩(wěn)定讀取距離小于1.5 m。通過設置基礎標簽后,，GPS的兩點定位精度小于1 m,。ZigBee協(xié)調(diào)器模塊采用REX3U模塊，此模塊自帶ZigBee協(xié)議棧,，有效距離400 m,。
2.2 云終端軟件設計與開發(fā)
    終端的操作系統(tǒng)選擇嵌入式Linux操作系統(tǒng)。嵌入式 Linux 系統(tǒng)源代碼開放,，具有良好的網(wǎng)絡功能,、安裝簡便、管理相對靈活,，并配有許多成熟的驅(qū)動程序,，可用于公共外設。本系統(tǒng)軟件設計首先要完成基礎配置,，主要包括系統(tǒng)引導程序UBOOT的移植,，內(nèi)核和文件系統(tǒng)的配置。
    由于終端采用模塊化設計,，串口通信在本終端的設計中處于重要的位置,，因此要對多個串口驅(qū)動分別編寫。S3C6410處理器帶有4個UART接口,，能夠滿足本設計的需求,，無需串口擴展。串口驅(qū)動采用字符類型的驅(qū)動,，主要實現(xiàn)_UART_DRY,、_SERIAL_PORT、_SERIAL_OPS 3個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),。_UART_DRY數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要實現(xiàn)串口注冊,，_SERIAL_PORT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要實現(xiàn)串口參數(shù)的設置，_SERIAL_OPS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要是實現(xiàn)對串口的各種操作,。
    以嵌入式QT開發(fā)的終端交互界面包含：試驗田基本數(shù)據(jù)模塊,、試驗田管理模塊、RFID標簽模塊,、試驗田溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊,、定位索引模塊5個功能模塊。各功能模塊通過向云服務器發(fā)送請求獲得相應的數(shù)據(jù)和定位索引圖,。
2.3 傳感器節(jié)點設計
    系統(tǒng)終端集成的ZigBee協(xié)調(diào)器模塊與傳感器節(jié)點以星型的結(jié)構(gòu)構(gòu)建無線網(wǎng)絡[6-7],，在終端進行采集試驗田溫、濕度時,，獲得溫,、濕度傳感器的采集數(shù)據(jù)。因此系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點不但要集成ZigBee發(fā)射模塊,，同時節(jié)點自身要具有定時采集,、存儲數(shù)據(jù)的功能，為此在傳感器節(jié)點的硬件設計中增加了存儲器件,。
     傳感器節(jié)點軟件的工作流程會按照設定的模式,，在固定時間點，通過傳感器獲得溫濕度數(shù)據(jù),，并保存在節(jié)點中,。傳感器節(jié)點存儲的數(shù)據(jù)，只有在接收到終端的協(xié)調(diào)器發(fā)來的命令后,，才會將保存的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器,，并進一步通過GPRS網(wǎng)絡傳回云服務器。
2.4 數(shù)據(jù)通信協(xié)議設計
    數(shù)據(jù)通信中以特定的命令區(qū)分不同的數(shù)據(jù)請求,，每一個數(shù)據(jù)請求都需要一個相應的命令,，依據(jù)終端發(fā)出不同的命令，云服務平臺做出相應的反應,，為終端提供所需要的各種服務,。數(shù)據(jù)傳輸命令分為登錄、圖形傳輸,、定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)让钚问?。通信中的?shù)據(jù)消息包括消息頭和消息體兩部分，消息頭主要說明數(shù)據(jù)類型以及數(shù)據(jù)長度,。消息體則是具體的數(shù)據(jù)內(nèi)容,。消息頭的字段描述符、字段類型,、字節(jié)數(shù)和用途如表1所示,。

3 云服務模擬及系統(tǒng)驗證
    為驗證系統(tǒng)的可行性,，對云服務器上運行的系統(tǒng)應用程序進行了模擬，包括相應數(shù)據(jù)庫的建立,、數(shù)據(jù)處理及溫濕度曲線的繪制程序,、植株定位索引圖的生成程序，以及模擬服務器與終端的各種交互命令的設置,。
    根據(jù)終端上傳的GPS實時定位數(shù)據(jù)模擬云服務器采樣植株定位索引程序,并綜合參考標簽的位置信息,，結(jié)合多種影響因素及地塊基本信息，生成實驗區(qū)塊RFID分布及定位索引圖,如圖4所示,。

 

 

    此系統(tǒng)的設計能夠滿足試驗田對于數(shù)據(jù)采集的需求,，降低了系統(tǒng)開發(fā)的成本。此系統(tǒng)中設計的組合定位方式也可以用于機器人定位等其他領域?qū)τ跀U展云服務在農(nóng)業(yè)領域的應用做了有益嘗試,。
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