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

    國內外，均已將GPS定位技術應用于設備中，測量土地面積的測畝儀， 以及用于農業大型設備的導航終端[2]農業領域。但高精度的GPS定位價格昂貴，并且現在也沒有應用于試驗田植株定位領域的產品。自從云服務的概念被提出，現已應用于各個領域。例如農場主可直接將他們的數據文本上傳至云服務中，云服務供應商分析這些數據，并為農場主提供了詳細的分析報告[3]。
    本文采用GPS和RFID標簽協調定位的方式，將GPS單點定位轉化為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據的作用[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點，彌補嵌入式終端在數據處理、數據存儲方面的局限性，降低終端的成本。同時依靠云服務對數據進行規范和統一，增強了農業試驗田數據的共享率，以提高試驗田管理的自動化水平。
1 系統總體設計
1.1 系統架構
    開發試驗田數據采集系統，根據試驗田數據采集的實際要求，農業試驗田數據采集系統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協調器模塊、GPS模塊、RFID讀寫模塊和GPRS模塊。
    ZigBee協調器模塊用于協調管理試驗田中的溫、濕度傳感器網絡工作，并通過ZigBee無線網絡采集存儲于傳感器節點中的數據；GPS模塊和試驗田中安放的RFID電子標簽構成系統的定位基礎，通過RFID電子標簽對采樣植株標定及相應數據的物理存儲，通過GPS和RFID電子標簽的組合定位，實現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數據和捕獲的RFID標簽信息發送給云服務器,用以對試驗田數據進行處理和保存。
    通過嵌入式QT軟件設計的終端人機交互界面完成數據交互工作，通過特定的數據命令設計，實現終端從云服務獲取相應的數據。帶有ZigBee模塊的傳感器節點，按要求定時采集數據，并將數據儲存起來，當收到終端的傳輸數據請求時，將數據借助終端提交給云服務器。系統的總體框圖如圖1所示。

1.2 云服務實現機制
    試驗田數據采集終端通過用戶API接口連接到云服務平臺，終端在通過系統用戶驗證后，可以應用云服務平臺中的各種程序，實現系統的各種要求。具體實現機制如圖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的數據轉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，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 數據采集系統開發
2.1終端硬件設計與開發
     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據的交互媒介,硬件配以統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,內存為256 MB,NandFlash為512 MB 。能夠滿足通用操作系統需求，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的數據傳輸速率，滿足本設計對于數據傳輸速率的需求。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協調器模塊采用REX3U模塊，此模塊自帶ZigBee協議棧，有效距離400 m。
2.2 云終端軟件設計與開發
    終端的操作系統選擇嵌入式Linux操作系統。嵌入式 Linux 系統源代碼開放，具有良好的網絡功能、安裝簡便、管理相對靈活，并配有許多成熟的驅動程序，可用于公共外設。本系統軟件設計首先要完成基礎配置，主要包括系統引導程序UBOOT的移植，內核和文件系統的配置。
    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。串口驅動采用字符類型的驅動，主要實現_UART_DRY、_SERIAL_PORT、_SERIAL_OPS 3個數據結構。_UART_DRY數據結構主要實現串口注冊，_SERIAL_PORT數據結構主要實現串口參數的設置，_SERIAL_OPS數據結構主要是實現對串口的各種操作。
    以嵌入式QT開發的終端交互界面包含：試驗田基本數據模塊、試驗田管理模塊、RFID標簽模塊、試驗田溫濕度數據采集模塊、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送請求獲得相應的數據和定位索引圖。
2.3 傳感器節點設計
    系統終端集成的ZigBee協調器模塊與傳感器節點以星型的結構構建無線網絡[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據。因此系統中的傳感器節點不但要集成ZigBee發射模塊，同時節點自身要具有定時采集、存儲數據的功能，為此在傳感器節點的硬件設計中增加了存儲器件。
     傳感器節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據，并保存在節點中。傳感器節點存儲的數據，只有在接收到終端的協調器發來的命令后，才會將保存的數據發送給協調器，并進一步通過GPRS網絡傳回云服務器。
2.4 數據通信協議設計
    數據通信中以特定的命令區分不同的數據請求，每一個數據請求都需要一個相應的命令，依據終端發出不同的命令，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。數據傳輸命令分為登錄、圖形傳輸、定位數據傳輸等命令形式。通信中的數據消息包括消息頭和消息體兩部分，消息頭主要說明數據類型以及數據長度。消息體則是具體的數據內容。消息頭的字段描述符、字段類型、字節數和用途如表1所示。

3 云服務模擬及系統驗證
    為驗證系統的可行性，對云服務器上運行的系統應用程序進行了模擬，包括相應數據庫的建立、數據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。
    根據終端上傳的GPS實時定位數據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，結合多種影響因素及地塊基本信息，生成實驗區塊RFID分布及定位索引圖,如圖4所示。

    此系統的設計能夠滿足試驗田對于數據采集的需求，降低了系統開發的成本。此系統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對于擴展云服務在農業領域的應用做了有益嘗試。
參考文獻
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[6] FUKATSU T，NANSEKI T. Monitoring system for farming  operations with wearable devices utilized sensor networks[J]．Sensors，2009(9)：6171-6184.
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