基于食用菌电子商务的智慧农业物联网系统.pdf

中国食用菌 EDIBLE FUNGI OF CHINA Vol 39 No 1 DOI 10 13629 ki 53 1054 2020 01 051 中国食用菌 2020 39 1 178 181 EDIBLE FUNGI OF CHINA CN53 1054 Q ISSN 1003 8310 作者简介 韩鹏辉 1985 女 硕士 讲师 主要从事供应链 电子商务 跨境电子商务方面研究 E mail 976326380 收稿日期 2019 11 04 基于食用菌电子商务的智慧农业物联网系统 韩鹏辉 河南经贸职业学院 河南郑州 450000 摘要 为了促进食用菌电子商务的发展 基于嵌入式Web服务器开发设计了智慧农业物联网系统 表明了系统 软件设计方案 主要硬件的选型和网络通讯协议的实现方法 介绍了监控系统等模块的主要功能 实现了远程 客户端与嵌入式监控系统的信息交互 解决了食用菌电子商务相关数据的采集 监控和管理问题 系统具有运 行稳定 数据处理实时性强的特点 关键词 食用菌 电子商务 物联网 嵌入式 监控 协议 中图分类号 S646 TP391 TN929 5 S126 文献标志码 A 文章编号 1003 8310 2020 01 0178 04 The Internet of Things System of Intelligent Agriculture Based on E commerce of Edible Fungi HAN Peng hui Henan Institute of Economics and Trade zhengzhou 450000 China Abstract In order to promote the development of e commerce of edible fungi the Intelligent Agricultural Internet of things sys tem is developed and designed based on Embedded Web server The design scheme of the system software the selection of the main hardware and the realization method of the network communication protocol are given The main functions of monitoring system and other modules are introduced The information interaction between remote client and embedded monitoring system is realized and the problems of data collection monitoring and management of e commerce using bacteria are solved The system has the characteristics of stable operation and real time data processing Key words edible fungi e commerce Internet of things embedded monitoring protocol 随着互联网产业在我国的飞速发展 互联网与 农业经济的融合越来越多 食用菌产业也顺势而为 从原来的线下销售转型为线上的电子交易 出现了 许多食用菌电子商务网站 1 食用菌智慧农业物联网系统是将物联网 人工 智能 云平台等先进科技与食用菌产业相结合 提 供智能化的食用菌育种 种植气象环境监测 建立 机电一体化的食用菌生产大棚管理方案 共享食用 菌电子商务 溯源 产品销售展示等云端数据和信 息 从而形成一整套智慧农业物联网解决方案 2 其 核心是利用了物联网的 物 物相联 技术 将传感 器 网络 计算机等软硬件技术进行集成 统一数 据和信息的管理及应用 实现自动化 智能化地食 用菌信息整合 应用先进的物联网科技 研究了如何从全产业 链的角度为食用菌的电子商务服务 设计食用菌智 慧农业物联网系统 以便更好地服务于食用菌产业 的发展 1 智慧农业物联网系统整体设计 根据食用菌电子商务的需求 食用菌产业的智 慧农业物联网系统由数据采集终端 传输网络 远 程客户端 监控系统等组成 几个主要的功能模块 均基于嵌入式Web服务器开展设计 嵌入式数据采 集终端负责食用菌产业链上的各种数据采集 然后 将采集数据信息经过 Internet 网络传送给远程客户 第39卷 第1期 端 监控系统负责监测数据采集和传输过程是否正 常 出现问题及时处理或调整 系统各组成部分如 图1所示 由图1所示 各模块主要功能如下 数据采集终端 在食用菌育种 生产和物流环 节的温度湿度数据采集 电子商务平台的客户信息 采集等 这是物联网系统的核心 主要通过各种温 湿度 气压传感器等硬件设备来完成 再通过传感 器接口上传原始数据 它是监控原始数据的来源 3 数据采集过程主要有 实时采集 预处理 存 储 按照通信协议规定 通过嵌入式Web服务器 将数据打包经由Internet网络发送给监控系统 Internet传输网络 Internet传输网络主要实现远 程客户端和监控设备之间的通信链路 是实现Inter net网络数据远程传输的基础 通信采用GPRS DTU 登录移动网关GGSN连接远程客户端 远程客户端 远程客户端主要负责将采集数据的 监测 接收和汇总 接收监控设备发来的数据信息 并将数据存入系统数据库 对数据进行汇总 统计和 分析 为智慧农业提供大数据支持和辅助决策 监控系统 主要通过软件来完成对整个物联网 系统的管理和操作 设计有系统查询统计 数据资 料管理 大数据预测和自动预警等功能 2 智慧农业物联网系统主要硬件选型 根据智慧农业物联网系统监控终端的功能要求 监控终端使用深圳市启点时代科技有限公司的Em best NXP LPC2378 开发板 该开发板基于 Philip NXP LPC2378处理器 内部资源丰富 接口种类 齐全 非常适合于物联网系统 LPC2378 处理器的嵌入式 ARM7 开发板使用 ARM7TDMI S核的高性能32位 RSIC微处理器 主 频高达72MHz 4 片内集成4MHz RC晶振 10 100M 以太网带DMA PLL加强型矢量中断控制器 接口 有USB2 0全速设备接口 全功能Modem接口 CAN 2 0B接口 SD MMC记忆卡接口 SPI SSP串行接口 I2S接口和UART等接口 并且有6路10位 ADC 4 个 32 位捕获 比较时钟 看门狗时钟 1 路 10 位 DAC和通用I O 内置的PWM模块支持3相马达控 制 RTC实时钟带后备电池 可以有效延长供电时 间 主芯片功能强大 特提供外围焊针引线接孔 提 供SD MMC卡驱动程序 可实现读写卡功能 选用南京阿达尔电子科技有限公司生产的 ADR M2310 GPRS Modem调制解调器 该产品采用 基于 GSM 网络的标准 SIM 大卡 内嵌工业级的 GPRS 模块 支持标准 DB9 串口接口 支持 DC5 25V多重防护并具有独立硬件看门狗和故障自检自 愈功能 选用Hayes公司的调制解调器 能够完全支持 AT控制指令集 5 AT指令集是数据正常通信的很必 要控制命令 它包括一组多条设置命令 例如 设 置模块串口通信速率 设置是否自动登陆网络 设 置当前网络注册情况 设置IP地址 等 3 智慧农业物联网系统软件设计 根据智慧农业物联网系统监控系统的要求 温 湿度等监控数据和信息必需通过终端的传感器实时 返回 因此 对终端传感器及相关设备的实时性要 求比较高 系统采用了 C OS II嵌入式实时操作系 统作为软件平台 嵌入式监控终端软件架构如图 2 所示 由图2所示 整个监控终端软件通过底层的DG 驱动 键盘驱动 SD卡驱动 以太网驱动 UART 驱动和ADC驱动等6个驱动程序来完成底层硬件的 驱动 通过 C OS II嵌入式实时操作系统的同步处 理机制来实现多任务处理 并通过任务间的通信与 图1 智慧农业物联网系统总体框图 Fig 1 OveralldiagramofintelligentagricultureInternetofthingssystem 图2 智慧农业物联网系统软件架构 Fig 2 Software architecture of intelligent agriculture Interne of things system 韩鹏辉 基于食用菌电子商务的智慧农业物联网系统 179 中国食用菌 EDIBLE FUNGI OF CHINA Vol 39 No 1 同步机制来传递数据流 有效进行操作系统的时间 管理 提高了整个系统的效率和实时性 从而实现 监控系统任务的实时管理和调度 而应用程序设计层则包括了各种通信协议栈和 显示控制函数 为客户端用户的应用程序和底层硬 件驱动程序提供接口函数 编写各种用户应用程序 以满足不同的系统任务需求 在智慧农业物联网系 统监控系统中 主要的系统用户任务是 传感器数 据的采集和存储 数据汇总与分析 数据的上传下 载 监控调节指令和人机交互界面等 要完成这些 任务 应用程序需要编写相应的功能模块 4 智慧农业物联网系统网络通讯协议及其 实现 智慧农业物联网系统使用的是TCP IP协议 它 是一种基础的网络通讯协议 按照国际标准化组织 ISO 开发了开放式系统互联 OSI 参考模型 TCP IP协议就是其中的一种参考模型 TCP IP没有 明确区分接口 服务和协议 只有链路层 网络层 传输层 应用层4个模型层 链路层用于处理与网 络传输媒介之间的物理接口细节 网络层 也称互 联网层 用于处理分组在网络中的活动 传输层提 供应用程序通信 应用层提供处理应用程序的超文 本传输协议HTTP 文件传输协议FTP 邮件传送协 议SMTP和网络管理协议SNMP等具体的网络应用 4 1 TCP IP的数据封装和解析 在智慧农业物联网系统的网络数据发送过程中 处理器按照 TCP IP 协议的规定 对数据包进行封 装 使其从最初的应用数据包变成最后在以太网中 传输的以太网帧 数据报的封装过程如图 3 所示 图3 物联网系统数据封装过程 Fig 3 Data encapsulation process of Internet of things system 由图3可知 在数据包的具体封装过程中 用 户数据首先加上了用来区分不同应用功能的应用层 协议首部 使之成为应用数据包 然后再在应用数 据包的首部加上包括了TCP端口号 序号以及确认 号等标识和控制信息的TCP首部 把应用数据包变 成 TCP 数据包 接下来在 TCP 数据包前端加入 IP 首部 IP 首部包含源站 IP 地址 目的站 IP 地址 协议类型以及服务类型等信息 最后在IP数据包前 面加上以太网帧首部 使数据包包括了源端与目的 端的MAC地址 帧类型 校验码信息 就完成了数 据的封装工作 使原始数据包成为一个完整的以太 网帧 智慧农业物联网系统的TCP IP数据解析过程是 将应用数据按照TCP IP协议的规定进行打包 使之 成为可以在以太网中传输的数据帧的过程称为数据 封装 数据包的解析过程与数据封装过程相反 是 处理器将收到的数据帧按照TCP IP协议的规定去掉 各层协议首部 确定数据包中具体信息的过程 在TCP IP协议的实现过程中 最主要的两项工 作就是数据包的封装和解析 系统中 32 位 ARM 处理器采用查询的方式 查询以太网控制器 DM9161A的状态 如果以太网控制器接收到新的以 太网数据帧 就将该数据帧读入 一个正确的以太 网数据帧 可以是ARP数据包 RARP数据包和IP 数据包3类数据包中的一种 在智慧农业物联网系统中不使用 RARP 协议 仅对ARP数据包和IP数据包进行解析 ARP协议 可以实现主机IP地址与物理地址的动态绑定 而IP 数据包可以解析为 TCP 数据包 UDP 数据包和 ICMP数据包 是实际通信中应用最多的数据包 4 2 TCP IP协议的实现 智慧农业物联网系统TCP IP协议采用嵌入式系 统开发用的TCP IP协议栈 选用广州周立功单片机 发展有限公司的产品 6 ZLG IP产品具有结构层次清 180 第39卷 第1期 楚 可移植性好等特点 由于和 C OS II 实时操作 系统衔接紧密 开发人员可以在操作系统上自行编写 TCP IP协议栈和其他网络通信协议 并根据需要对 TCP IP协议进行裁剪 使代码量大大降低 可以有效 的节省系统资源 ZLG IP产品的结构如图4所示 ZLG IP支持UDP IP ICMP ARP和以太网协 议等多种协议 通过自带的接口函数Socket API 来 建立应用层协议 首先 通过 Socket API 函数在 C OS II 操作系统上可以很方便地创建通信链接 其次 客户端的应用程序通过Socket API 函数 也 可以实现对TCP IP协议栈的操作 完成网络传输功 能 Socket API函数的功能参数如表1所示 更为重要的是 客户端和Web服务器之间也可 以通过Socket API函数实现Internet通信 从而实现 监控系统和远程客户端的数据传输和控制 主要的 创建步骤如下 第一 服务器端和客户端通过TCP通信SOCK ET 创建套接字 从而绑定本地端口 第二 服务器端和客户端通过 bind 本地 IP和端口与套接字进行连接 第三 通过函数listen 设置服务器监听连 接数的连接数 第四 客户端通过connect 函数与远程服 务器连接 连接成功后连接序号并传递给服务器端 并由 Recv 和 Send 函数根据连接序号进 行读写操作 服务器端Accept 函数返回的连接 序号 由 Recv 和 Send 函数根据客户端 传递的连接序号进行读写操作 第五 服务器端和客户端完成读写操作后 关 闭连接并删除套接字 结束通信服务 5 结论 通过对食用菌智慧农业物联网系统所涉及的计 算机软硬件开发技术 网络通讯协议的实现等进行 了研究 从技术角度探讨了物联网科技如何更好地 服务于食用菌电子商务的问题 解决了传统食用菌 电子商务信息采集成本高 数据传输实时性差等问 题 监控系统还可以通过Internet网络实现和远程客 户端的信息交互 后续系统的智能化升级还需要做 进一步的研究 参考文献 1 蔡锦发 电子商务与食用菌供销流通 J 食药用菌 2015 1 1 2 2 谢洪亮 江苏淮安市洪泽区农业物联网建设实践与发展探 索 J 农业工程技术 2018 17 74 75 3 宋卫东 王明友 肖宏儒 基于物联网技术的食用菌生产 智能化测控系统 J 中国农机化 2012 04 144 146 153 4 蔡杰 杨立新 徐红星 食用菌菇房物联网系统组成与设 备选型分析 J 绿色科技 2017 21 78 80 5 尹光辉 基于ZigBee技术的食用菌栽培环境监控系统的研 究 J 电脑编程技巧与维护 2017 21 75 76 79 6 马秀飞 基于物联网及云计算的智慧农业生产管理系统研 究 J 河南农业 2018 484 32 56 58 图4 ZLG IP结构框图 Fig 4 Structure diagram of ZLG IP 表1 Socket API函数表 Tab 1 List table of Socket API function 函数名称 函数功能 bind 对已创建的SOCKET绑定本地IP地址和本地端口 socket 创建一个SOCKET listen 设定TCP服务器需要监听的连接数 accept 用于TCP服务器确认客户机的连接 recv TCP通讯连接建立后 读取所得到的数据 send TCP通讯连接建立后 发送数据 close 关断TCP连接 connect 用于TCP主动连接 一般是TCP客户端 closesocket 删除已建立的SOCKET recvfrom 用于UDP通讯时接收数据 sendto 用于UDP通讯时发送数据 韩鹏辉 基于食用菌电子商务的智慧农业物联网系统 181