基于QQ物聯(lián)平臺的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭貴林 曾志威

摘要：針對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)成本高、交互性差、兼容性差、擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于騰訊QQ（即時(shí)通信軟件）物聯(lián)平臺的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，介紹系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)以i.MX283處理器作為開發(fā)平臺，基于嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)，移植QQ物聯(lián)軟件開發(fā)工具包（SDK），實(shí)現(xiàn)了手機(jī)QQ與系統(tǒng)的交互功能。系統(tǒng)使用通用串行總線（USB）攝像頭獲取實(shí)時(shí)圖像;使用RS485總線作為控制網(wǎng)關(guān)，接入環(huán)境監(jiān)測傳感器。實(shí)現(xiàn)了手機(jī)QQ對農(nóng)場的視頻監(jiān)控，對水質(zhì)、氣象、土壤等環(huán)境信息的監(jiān)測。系統(tǒng)已成功應(yīng)用于成都蒲江農(nóng)場，結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定、易用，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有一定指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng);QQ物聯(lián);視頻監(jiān)控;傳感器;iMX283處理器

中圖分類號： S126;TP274+.2? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）05-0187-05

收稿日期：2017-12-13

基金項(xiàng)目：賽爾網(wǎng)絡(luò)下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目（編號：NGII20160617）。

作者簡介：鄭貴林（1963—），男，山西太原人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事智慧建筑、智能電網(wǎng)、海洋波浪能發(fā)電技術(shù)和傳感器技術(shù)等方面研究。E-mail：glzheng@whu.edu.cn。

通信作者：曾志威，碩士研究生，主要從事智能儀器儀器表、物聯(lián)網(wǎng)方向研究。E-mail：zhiweizeng@whu.edu.cn。

“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)逐步融入農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)等傳統(tǒng)行業(yè)，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)綜合了傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，能提高農(nóng)作物生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，增加經(jīng)濟(jì)收入[1]。實(shí)現(xiàn)對農(nóng)場的視頻監(jiān)控以及對水質(zhì)、氣象、土壤等農(nóng)場環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測和管控，對改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、提升農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平具有重要作用[2]。綜合當(dāng)前研究現(xiàn)狀，農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)歷著傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場監(jiān)測、使用電腦作為終端監(jiān)測、使用手機(jī)應(yīng)用程序（APP）監(jiān)測的演變[3]。目前較為流行的電腦終端、手機(jī)APP監(jiān)測方式存在如下缺點(diǎn)：設(shè)備廠商須要自己構(gòu)建服務(wù)器、開發(fā)手機(jī)APP電腦客戶端，整個(gè)系統(tǒng)成本高、兼容性差;由于平臺的不統(tǒng)一，用戶須要安裝不同的應(yīng)用，交互性差，沒有好的用戶體驗(yàn)。

本研究設(shè)計(jì)的基于QQ（即時(shí)通信軟件）物聯(lián)平臺的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，使用了QQ物聯(lián)智能硬件開發(fā)平臺，將QQ賬號體系及關(guān)系鏈、QQ消息通道能力等核心能力提供給系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)、電腦QQ客戶端對農(nóng)場的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、環(huán)境信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查看以及歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)作用。同時(shí)使用QQ物聯(lián)平臺，減少了服務(wù)器架設(shè)、降低了APP開發(fā)難度、統(tǒng)一了APP設(shè)計(jì)規(guī)范，極大地減少了系統(tǒng)構(gòu)建的成本，提高了用戶體驗(yàn)[4]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本研究的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體上可分為3個(gè)部分，即環(huán)境監(jiān)測傳感器、嵌入式終端、QQ物聯(lián)平臺。為了解決野外供電問題，系統(tǒng)整體使用太陽能板供電，蓄電池作為不間斷電源（UPS）。嵌入式終端獲取傳感器數(shù)據(jù)，本地存儲(chǔ)，格式化上傳到QQ物聯(lián)平臺云服務(wù)器，服務(wù)器推送信息給手機(jī)、電腦客戶端查閱。系統(tǒng)整體架構(gòu)見圖1。

1.1 環(huán)境監(jiān)測傳感器

環(huán)境監(jiān)測傳感器是農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，傳感器實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息的獲取。本系統(tǒng)選用的傳感器主要包括幾大類：攝像頭傳感器，用于獲取實(shí)時(shí)圖像信息;水質(zhì)監(jiān)測傳感器，用于獲取水位、水溫、pH值、電導(dǎo)率、溶解氧含量等信息;氣象監(jiān)測傳感器，用于獲取風(fēng)向、風(fēng)速、大氣溫度、濕度、壓力、降水量、PM2.5、CO2濃度等信息;土壤監(jiān)測傳感器，用于獲取土壤溫度、濕度、pH值、養(yǎng)分等信息。4類傳感器配合工作，實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息的全方位獲取。

1.2 嵌入式終端

嵌入式終端由數(shù)據(jù)采集模塊、視頻監(jiān)控模塊、電源管理模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等組成[5]。數(shù)據(jù)采集模塊采用RS485總線接口，連接水質(zhì)、氣象、土壤監(jiān)測傳感器，可以很方便地拓展傳感器。視頻監(jiān)控模塊通過通用串行總線（USB）接口連接攝像頭傳感器，實(shí)現(xiàn)高速圖像采集。電源管理模塊管理太陽能板和蓄電池，使用繼電器為每一路傳感器單獨(dú)供電，采用間歇供電方式，降低系統(tǒng)功耗，提高傳感器使用壽命。網(wǎng)絡(luò)通訊模塊采用第3代移動(dòng)通信技術(shù)/第4代移動(dòng)通信技術(shù)（3G/4G）通訊，移植了QQ物聯(lián)軟件開發(fā)工具包（SDK），將數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)本地保存數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)故障情況下，終端仍能正常采集傳感器數(shù)據(jù)并本地保存;網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，終端讀取歷史數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，確保數(shù)據(jù)的完整性。

1.3 QQ物聯(lián)平臺

QQ物聯(lián)平臺是騰訊公司2014年發(fā)布的智能硬件開發(fā)平臺，用于實(shí)現(xiàn)智能硬件設(shè)備和手機(jī)QQ軟件的互聯(lián)互通。智能硬件設(shè)備移植了QQ物聯(lián)SDK后，便可獲得QQ賬號體系及關(guān)系鏈、QQ消息通道能力等核心能力，用戶可在QQ中通過二維碼掃描、局域網(wǎng)內(nèi)查找等方式找到設(shè)備，添加為好友。通過設(shè)備好友內(nèi)嵌的超級文本標(biāo)記語言（HTML）頁面，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)APP客戶端功能，例如獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、查看歷史數(shù)據(jù)等。

2 嵌入式終端硬件設(shè)計(jì)

2.1 核心電路設(shè)計(jì)

終端選用i.MX283處理器作為開發(fā)平臺，飛思卡爾半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的i.MX283處理器是一款低功耗、高性能的應(yīng)用處理器，基于ARM926EJ-STM內(nèi)核，主頻高達(dá)454 MHz，集成 128 kB 靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）、128 kB只讀存儲(chǔ)器（ROM），具有2路USB接口、4路串行外設(shè)（SPI）接口、6路USART接口和1路10/100 M以太網(wǎng)MAC控制器，外接有128 M DDR2內(nèi)存、128 M NAND FLASH[6]。i.MX283處理器核心電路見圖2。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

終端選用RS485總線接口采集數(shù)據(jù)。RS485是隸屬于開放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型（OSI）物理層的電氣特性規(guī)定為2線、半雙工、多點(diǎn)通訊的標(biāo)準(zhǔn)。RS485接口采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力強(qiáng)，最長可以傳輸 1 200 m 以上（通訊速率小于12.5 kB/s），數(shù)據(jù)最高傳輸速率可達(dá)4.375 MB/s（傳輸距離小于10 m），其單級最多可接32個(gè)控制設(shè)備節(jié)點(diǎn)[7]。RS485收發(fā)器ADM2483芯片采用了磁隔離（iCoupler）技術(shù)，是一款集成式電氣隔離器件，隔離電壓高達(dá)2 500 V，能有效保護(hù)系統(tǒng)[8]。RS485總線接口電路見圖3。

2.3 電源管理模塊設(shè)計(jì)

終端選用CN3722作為電源管理模塊。CN3722是一款太陽能板供電的同步中壓脈寬調(diào)制（PWM）降壓DC/DC充電控制器，具有太陽能最大功率點(diǎn)跟蹤功能[9]。在輸入端，通過MP管腳接電阻分壓網(wǎng)絡(luò)（R28和R32）檢測太陽能電池電壓，此管腳電壓被調(diào)制到1.04 V，通過內(nèi)置最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）算法，實(shí)現(xiàn)太陽能電池最大功率點(diǎn)追蹤;在輸出端，通過FB管腳接電阻分壓網(wǎng)絡(luò)（R26和R30）檢測電池電壓、采樣電阻（R25）檢測充電電流，實(shí)現(xiàn)對單節(jié)或多節(jié)磷酸鐵鋰電池或鋰電池充電管理。CN3722電路見圖4。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

終端選用安全數(shù)碼（SD）卡作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。SD卡是在多媒體卡（MMC）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，它被廣泛地應(yīng)用于便攜式裝置。SD卡一般支持2種操作模式：SD卡模式、SPI模式。主機(jī)可以選擇以上任意一種接口來和SD卡通訊。本設(shè)計(jì)中選用SPI模式，SD卡存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)見圖5。

2.5 通訊模塊設(shè)計(jì)

終端選用USR-G402TF作為通訊模塊。USR-G402TF是濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司的一款5模12頻4G模塊，支持移動(dòng)/聯(lián)通2G、3G、4G和電信4G網(wǎng)絡(luò)高速接入，即使在偏遠(yuǎn)的山區(qū)，也可以保持通訊鏈路。模塊通過USB 2.0G高速接口連接處理器，內(nèi)置傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議（TCP/IP協(xié)議），具有6.25、18.75 MB/s的最大上下行通訊速率。

2.6 視頻監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

終端選用IMX179攝像頭模組作為視頻監(jiān)控模塊。IMX179是索尼公司的一款最新第3代背照式技術(shù)高清攝像頭，具有800萬像素，優(yōu)秀的暗光能力，支持免驅(qū)協(xié)議，支持USB接口。在使用過程中可以在Linux系統(tǒng)中直接插入通用攝像頭驅(qū)動(dòng)，通過Linux視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)（V4L2）接口讀取攝像頭數(shù)據(jù)，USB設(shè)備連接見圖6。

3 嵌入式終端軟件設(shè)計(jì)

終端軟件基于Linux 2.6.35.3平臺開發(fā)，配有廠商提供的USB驅(qū)動(dòng)程序、RS485串口驅(qū)動(dòng)程序、4G模塊驅(qū)動(dòng)程序、攝像頭驅(qū)動(dòng)程序、TF卡驅(qū)動(dòng)程序等。終端軟件主要包括傳感器數(shù)據(jù)采集任務(wù)和QQ物聯(lián)平臺通訊任務(wù)。

3.1 傳感器數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測傳感器通過RS485總線組網(wǎng)接入終端，終端定時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)。當(dāng)采集周期到來時(shí)，終端通過控制繼電器輸出依次給傳感器供電，等待傳感器初始化完成，采集傳感器數(shù)據(jù)，關(guān)閉傳感器電源。采集程序流程見圖7。

攝像頭監(jiān)測傳感器使用USB免驅(qū)攝像頭，在Linux系統(tǒng)中可以像訪問普通文件一樣進(jìn)行讀寫等操作，降低了開發(fā)難度，提高了系統(tǒng)兼容性。采集程序通過V4L2接口讀取攝像頭數(shù)據(jù)。V4L2是Linux系統(tǒng)下針對UVC免驅(qū)USB設(shè)備的編程框架，為上層應(yīng)用程序提供一系列的接口函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對視頻設(shè)備的操作，進(jìn)而完成視頻圖像的采集[10]，攝像頭采集流程見圖8。

3.2 QQ物聯(lián)平臺通訊設(shè)計(jì)

QQ物聯(lián)平臺開發(fā)流程包括以下步驟：（1）建立開發(fā)者賬號;（2）創(chuàng)建新設(shè)備;（3）配置設(shè)備后臺;（4）創(chuàng)建設(shè)備序列號和秘鑰;（5）QQ物聯(lián)設(shè)備端功能實(shí)現(xiàn);（6）整體測試。終端硬件軟件開發(fā)環(huán)境搭建好后，到QQ物聯(lián)官網(wǎng)下載對應(yīng)版本的SDK，得到Tencent_iot_SDK開發(fā)包[11]。SDK主要文件及功能見表1。

環(huán)境監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)通過SDK中datapoint結(jié)構(gòu)體打包后，調(diào)用tx_report_data_points函數(shù)上報(bào)datapoint數(shù)據(jù)。datapoint結(jié)構(gòu)體成員變量主要包含unsigned int類型的id和char *類型的value，id標(biāo)識不同類型傳感器，便于后臺識別，value指向JSON格式字符串，用于傳遞各種傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

攝像頭監(jiān)測傳感器通過V4L2接口讀取視頻數(shù)據(jù)，存入共享內(nèi)存中。SDK內(nèi)部一個(gè)線程負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送到QQ物聯(lián)平臺，調(diào)用tx_set_video_data函數(shù)發(fā)送每一幀視頻數(shù)據(jù)。攝像頭采集數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻數(shù)據(jù)，功耗大，流量多。攝像頭默認(rèn)不開啟，當(dāng)需要訪問視頻數(shù)據(jù)時(shí)，可遠(yuǎn)程開啟攝像頭，以降低系統(tǒng)功耗，減少流量使用。

4 QQ物聯(lián)輕APP設(shè)計(jì)

QQ物聯(lián)輕APP是用戶用手機(jī)端操作設(shè)備的主控制界面。當(dāng)用戶綁定了環(huán)境監(jiān)測設(shè)備后，在“我的設(shè)備”列表中，點(diǎn)擊該設(shè)備，進(jìn)入的第一個(gè)界面即為設(shè)備的輕APP。輕APP主要分為公共模板和自定義HTML5等2種形式。公共模板為QQ物聯(lián)為通用的設(shè)備類別官方設(shè)計(jì)開發(fā)的輕APP，通過QQ物聯(lián)后臺配置就可以使用，能夠滿足基本通用功能。自定義HTML5可以根據(jù)QQ物聯(lián)的設(shè)計(jì)規(guī)范和deciveAPI（JavaScript接口）來實(shí)現(xiàn)更加定制化的輕APP，將頁面的統(tǒng)一資源定位符（URL）地址提交到QQ物聯(lián)后臺，即可完成在QQ中直接內(nèi)嵌使用[4]。本系統(tǒng)采用自定義HTML設(shè)計(jì)，輕APP界面如圖9所示。

5 系統(tǒng)應(yīng)用與總結(jié)

本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)已成功應(yīng)用于成都蒲江農(nóng)場，安裝有5個(gè)站點(diǎn)，在野外無人值守的惡劣環(huán)境下，由太陽能板和蓄電池供電，通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，穩(wěn)定運(yùn)行2年多時(shí)間，為農(nóng)場生產(chǎn)決策提供了數(shù)據(jù)支持（圖10）。系統(tǒng)接入QQ物聯(lián)平臺，可以通過QQ客戶端方便快捷地查看農(nóng)場各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)和實(shí)時(shí)視頻信息，同時(shí)還可以把設(shè)備分享給消費(fèi)者，提高了系統(tǒng)的交互性，增強(qiáng)消費(fèi)者對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的安全感[12]。

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