基于Web Services的嵌入式农业物联网测控系统

摘要：目前农业物联网测控系统数据交换普遍采用基于socket的简单通信。为解决使用socket通信产生的数据交换复杂，系统耦合性大的问题，将Web Services技术应用到linux的嵌入式农业物联网测控中，并给出了测控系统体系结构及软、硬件实现方法。Web Service技术使得嵌入式测控系统有了标准的数据表示格式和数据交换协议，提高了开发效率，便于系统修改、定制，实验结果表明，该系统性能稳定，无线数据采集与设备控制能达到实际需求，具有较高的实用性。

物联网ZigBee技术以其低成本、低功耗、高可靠性的特点被广泛应用于农业测控系统中，实现了无线数据采集和控制。孙玉文等设计了基于嵌入式ZigBee技术的农田信息服务系统，韩华峰等设计了基于ZigBee网络的温室环境远程监控系统等等。尽管我国农业物联网方面的应用有所突破，但依然存在许多问题。目前农业测控系统中ZigBee测控网络与服务器数据交换一般通过嵌入式设备使用socket通信，数据被透明的传送至服务器，其数据格式、发送方式、响应方式等都是自定义的私有协议，上层软件的开发者需要根据私有协议处理数据通信。基于socket的简单私有协议使得系统耦合性加大、系统灵活性降低。如果系统内测控的温室类型及数量较多时，数据处理将变得复杂，系统开发的复杂性和成本大大增加。为解决这个问题，将Web Services技术引入到嵌入式测控系统中。Web Services服务不依赖于任何语言和平台，只要遵循相关协议用户就可以像调用本地服务一样调用该服务，而不必了解底层的通信细节。

1 系统总体结构

基于Web Services的嵌入式农业物联网测控系统的总体结构如图1所示。

现场设备中的ZigBee传感器网络、视频采集模块、执行机构控制模块，完成信息采集和设备控制。linux智能网关层是本系统的关键部分，网关通过ZigBee网络收集、存储环境数据，控制现场执行机构，并对外提供数据查询、设备控制等web Services接口，数据传输部分使用无线WIFI网桥连接现场设备与服务器。服务器主要提供数据库服务、业务逻辑管理、用户交互等服务。

2 系统功能模块设计

2.1 ZigBee无线传感网络与无线控制节点

本系统的无线传感网络采用CC2530射频芯片及温湿度、光照、土壤湿度等传感器构成，在ZigBee Pro协议栈的基础上进行应用开发，CC2530结合一个完全集成的、高性能的RF收发器与一个增强型的8051微处理器，提供101 dB的链路质量，具有较高的灵敏度和良好的抗干扰性，使得整个无线传感网络具有低成本、低功耗、网络容量大、采样点布置灵活的优点。

ZigBee网络由一个协调器、一个或多路由设备和多个终端设备组成。协调器是整个网络的核心，负责网络的组建，维护网络的运行，使得各个节点和路由器间相互通信，路由器负责数据的中转，终端设备负责采集传感器数据、控制继外部设备，协调器通过串口与智能网关相连，透明转发数据。

ZigBee终端节点有两部分组成：核心板和扩展版。核心板上主要由CC2530芯片、必需外部电路、天线等组成，主要完成数据传输以及控制扩展板功能，扩展板主要有三种：模拟量采集板、数字量采集板、设备控制板。模拟量采集版主要由电压、电流采集电路组成，数字量采集板主要由RS232、RS485、I2C等数字接口电路组成，设备控制板主要由继电器和PWM接口等组成。根据不同的传感器和控制设备选用不同的扩展版，既增加了ZigBee节点的灵活性又降低了成本和复杂性。

2.2 无线WIFI局域网

在实际生产中温室距离服务器的距离较远且分布离散，如果通过双绞线、光纤等有线方式连接温室中的智能网关和云服务器，不但成本高、布线不便、影响农业生产;3G网络带宽窄、受无线信号影响大，流量费非常昂贵，不适合传输高清视频。考虑视频服务需要较大带宽和智能网关与服务器的距离较远，而无线网桥具有安装灵活、通信带宽较宽、通信距离长(目前无线点对点通信距离可达几公里甚至几十公里)等特点，采用无线网桥连接是较好的组网选择。

2.3 智能网关

2.3.1 智能网关的硬件结构及操作系统

智能网关的硬件系统主要由ARM处理器构成。本系统的ARM处理器是三星公司的S3C6410微处理器，S3C6410是一款低功率、高性价比、高性能的用于移动电话和通用处理RSIC处理器。主要硬件资源及接口包括128M SRAM芯片，256M Nand Flash芯片，一个以太网口、两个USB接口、4个RS232口等其他数字接口。

智能网关上运行经过剪裁的linux 3.0.1版本操作系统，以及YAFFS2可读写文件系统，同时载入串口驱动、USBHost驱动(用以支持U盘、USB WIFI、USB 3G等)、网卡驱动等外设驱动，以