基于QQ物聯平臺的農業環境監測系統設計

鄭貴林 曾志威

摘要：針對傳統農業環境監測系統成本高、交互性差、兼容性差、擴展性差等缺點，設計基于騰訊QQ（即時通信軟件）物聯平臺的農業環境監測系統，介紹系統的整體設計和具體實現。系統以i.MX283處理器作為開發平臺，基于嵌入式Linux系統開發，移植QQ物聯軟件開發工具包（SDK），實現了手機QQ與系統的交互功能。系統使用通用串行總線（USB）攝像頭獲取實時圖像;使用RS485總線作為控制網關，接入環境監測傳感器。實現了手機QQ對農場的視頻監控，對水質、氣象、土壤等環境信息的監測。系統已成功應用于成都蒲江農場，結果表明，系統穩定、易用，對農業生產有一定指導作用。

關鍵詞：農業物聯網;QQ物聯;視頻監控;傳感器;iMX283處理器

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

收稿日期：2017-12-13

基金項目：賽爾網絡下一代互聯網技術創新項目（編號：NGII20160617）。

作者簡介：鄭貴林（1963—），男，山西太原人，博士，教授，博士生導師，主要從事智慧建筑、智能電網、海洋波浪能發電技術和傳感器技術等方面研究。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、物聯網方向研究。E-mail：zhiweizeng@whu.edu.cn。

“互聯網+”技術逐步融入農業、畜牧業等傳統行業，農業物聯網系統綜合了傳感器技術、自動控制技術、網絡通訊技術，能提高農作物生產效率，降低生產成本，增加經濟收入[1]。實現對農場的視頻監控以及對水質、氣象、土壤等農場環境信息的實時監測和管控，對改造傳統農業、提升農業現代化水平具有重要作用[2]。綜合當前研究現狀，農業環境監測系統經歷著傳統的人工現場監測、使用電腦作為終端監測、使用手機應用程序（APP）監測的演變[3]。目前較為流行的電腦終端、手機APP監測方式存在如下缺點：設備廠商須要自己構建服務器、開發手機APP電腦客戶端，整個系統成本高、兼容性差;由于平臺的不統一，用戶須要安裝不同的應用，交互性差，沒有好的用戶體驗。

本研究設計的基于QQ（即時通信軟件）物聯平臺的農業環境監測系統，使用了QQ物聯智能硬件開發平臺，將QQ賬號體系及關系鏈、QQ消息通道能力等核心能力提供給系統，可以實現手機、電腦QQ客戶端對農場的實時視頻監控、環境信息數據的實時查看以及歷史數據的統計和分析，對農業生產具有一定的指導作用。同時使用QQ物聯平臺，減少了服務器架設、降低了APP開發難度、統一了APP設計規范，極大地減少了系統構建的成本，提高了用戶體驗[4]。

1 系統架構

本研究的農業環境監測系統總體上可分為3個部分，即環境監測傳感器、嵌入式終端、QQ物聯平臺。為了解決野外供電問題，系統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據，本地存儲，格式化上傳到QQ物聯平臺云服務器，服務器推送信息給手機、電腦客戶端查閱。系統整體架構見圖1。

1.1 環境監測傳感器

環境監測傳感器是農業環境監測系統的核心部分，傳感器實現了對農業生產信息的獲取。本系統選用的傳感器主要包括幾大類：攝像頭傳感器，用于獲取實時圖像信息;水質監測傳感器，用于獲取水位、水溫、pH值、電導率、溶解氧含量等信息;氣象監測傳感器，用于獲取風向、風速、大氣溫度、濕度、壓力、降水量、PM2.5、CO2濃度等信息;土壤監測傳感器，用于獲取土壤溫度、濕度、pH值、養分等信息。4類傳感器配合工作，實現了對農業生產信息的全方位獲取。

1.2 嵌入式終端

嵌入式終端由數據采集模塊、視頻監控模塊、電源管理模塊、網絡通訊模塊、數據存儲模塊等組成[5]。數據采集模塊采用RS485總線接口，連接水質、氣象、土壤監測傳感器，可以很方便地拓展傳感器。視頻監控模塊通過通用串行總線（USB）接口連接攝像頭傳感器，實現高速圖像采集。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供電，采用間歇供電方式，降低系統功耗，提高傳感器使用壽命。網絡通訊模塊采用第3代移動通信技術/第4代移動通信技術（3G/4G）通訊，移植了QQ物聯軟件開發工具包（SDK），將數據上傳到云服務器。數據存儲模塊負責本地保存數據，在網絡故障情況下，終端仍能正常采集傳感器數據并本地保存;網絡恢復后，終端讀取歷史數據上傳到服務器，確保數據的完整性。

1.3 QQ物聯平臺

QQ物聯平臺是騰訊公司2014年發布的智能硬件開發平臺，用于實現智能硬件設備和手機QQ軟件的互聯互通。智能硬件設備移植了QQ物聯SDK后，便可獲得QQ賬號體系及關系鏈、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、局域網內查找等方式找到設備，添加為好友。通過設備好友內嵌的超級文本標記語言（HTML）頁面，可以實現傳統APP客戶端功能，例如獲取實時數據、查看歷史數據等。

2 嵌入式終端硬件設計

2.1 核心電路設計

終端選用i.MX283處理器作為開發平臺，飛思卡爾半導體設計的i.MX283處理器是一款低功耗、高性能的應用處理器，基于ARM926EJ-STM內核，主頻高達454 MHz，集成 128 kB 靜態隨機存取存儲器（SRAM）、128 kB只讀存儲器（ROM），具有2路USB接口、4路串行外設（SPI）接口、6路USART接口和1路10/100 M以太網MAC控制器，外接有128 M DDR2內存、128 M NAND FLASH[6]。i.MX283處理器核心電路見圖2。

2.2 數據采集模塊設計

終端選用RS485總線接口采集數據。RS485是隸屬于開放式系統互聯通信參考模型（OSI）物理層的電氣特性規定為2線、半雙工、多點通訊的標準。RS485接口采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力強，最長可以傳輸 1 200 m 以上（通訊速率小于12.5 kB/s），數據最高傳輸速率可達4.375 MB/s（傳輸距離小于10 m），其單級最多可接32個控制設備節點[7]。RS485收發器ADM2483芯片采用了磁隔離（iCoupler）技術，是一款集成式電氣隔離器件，隔離電壓高達2 500 V，能有效保護系統[8]。RS485總線接口電路見圖3。

2.3 電源管理模塊設計

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制（PWM）降壓DC/DC充電控制器，具有太陽能最大功率點跟蹤功能[9]。在輸入端，通過MP管腳接電阻分壓網絡（R28和R32）檢測太陽能電池電壓，此管腳電壓被調制到1.04 V，通過內置最大功率點追蹤（MPPT）算法，實現太陽能電池最大功率點追蹤;在輸出端，通過FB管腳接電阻分壓網絡（R26和R30）檢測電池電壓、采樣電阻（R25）檢測充電電流，實現對單節或多節磷酸鐵鋰電池或鋰電池充電管理。CN3722電路見圖4。

2.4 數據存儲模塊設計

終端選用安全數碼（SD）卡作為數據存儲模塊。SD卡是在多媒體卡（MMC）的基礎上發展而來，是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設備，它被廣泛地應用于便攜式裝置。SD卡一般支持2種操作模式：SD卡模式、SPI模式。主機可以選擇以上任意一種接口來和SD卡通訊。本設計中選用SPI模式，SD卡存儲電路設計見圖5。

2.5 通訊模塊設計

終端選用USR-G402TF作為通訊模塊。USR-G402TF是濟南有人物聯網技術有限公司的一款5模12頻4G模塊，支持移動/聯通2G、3G、4G和電信4G網絡高速接入，即使在偏遠的山區，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，內置傳輸控制協議/因特網互聯協議（TCP/IP協議），具有6.25、18.75 MB/s的最大上下行通訊速率。

2.6 視頻監控模塊設計

終端選用IMX179攝像頭模組作為視頻監控模塊。IMX179是索尼公司的一款最新第3代背照式技術高清攝像頭，具有800萬像素，優秀的暗光能力，支持免驅協議，支持USB接口。在使用過程中可以在Linux系統中直接插入通用攝像頭驅動，通過Linux視頻設備驅動（V4L2）接口讀取攝像頭數據，USB設備連接見圖6。

3 嵌入式終端軟件設計

終端軟件基于Linux 2.6.35.3平臺開發，配有廠商提供的USB驅動程序、RS485串口驅動程序、4G模塊驅動程序、攝像頭驅動程序、TF卡驅動程序等。終端軟件主要包括傳感器數據采集任務和QQ物聯平臺通訊任務。

3.1 傳感器數據采集設計

環境監測傳感器通過RS485總線組網接入終端，終端定時采集傳感器數據。當采集周期到來時，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，采集傳感器數據，關閉傳感器電源。采集程序流程見圖7。

攝像頭監測傳感器使用USB免驅攝像頭，在Linux系統中可以像訪問普通文件一樣進行讀寫等操作，降低了開發難度，提高了系統兼容性。采集程序通過V4L2接口讀取攝像頭數據。V4L2是Linux系統下針對UVC免驅USB設備的編程框架，為上層應用程序提供一系列的接口函數，可以實現對視頻設備的操作，進而完成視頻圖像的采集[10]，攝像頭采集流程見圖8。

3.2 QQ物聯平臺通訊設計

QQ物聯平臺開發流程包括以下步驟：（1）建立開發者賬號;（2）創建新設備;（3）配置設備后臺;（4）創建設備序列號和秘鑰;（5）QQ物聯設備端功能實現;（6）整體測試。終端硬件軟件開發環境搭建好后，到QQ物聯官網下載對應版本的SDK，得到Tencent_iot_SDK開發包[11]。SDK主要文件及功能見表1。

環境監測傳感器數據通過SDK中datapoint結構體打包后，調用tx_report_data_points函數上報datapoint數據。datapoint結構體成員變量主要包含unsigned int類型的id和char *類型的value，id標識不同類型傳感器，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時數據。

攝像頭監測傳感器通過V4L2接口讀取視頻數據，存入共享內存中。SDK內部一個線程負責將數據發送到QQ物聯平臺，調用tx_set_video_data函數發送每一幀視頻數據。攝像頭采集數據、網絡傳輸視頻數據，功耗大，流量多。攝像頭默認不開啟，當需要訪問視頻數據時，可遠程開啟攝像頭，以降低系統功耗，減少流量使用。

4 QQ物聯輕APP設計

QQ物聯輕APP是用戶用手機端操作設備的主控制界面。當用戶綁定了環境監測設備后，在“我的設備”列表中，點擊該設備，進入的第一個界面即為設備的輕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物聯為通用的設備類別官方設計開發的輕APP，通過QQ物聯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QQ物聯的設計規范和deciveAPI（JavaScript接口）來實現更加定制化的輕APP，將頁面的統一資源定位符（URL）地址提交到QQ物聯后臺，即可完成在QQ中直接內嵌使用[4]。本系統采用自定義HTML設計，輕APP界面如圖9所示。

5 系統應用與總結

本研究設計的系統已成功應用于成都蒲江農場，安裝有5個站點，在野外無人值守的惡劣環境下，由太陽能板和蓄電池供電，通過4G網絡傳輸數據，穩定運行2年多時間，為農場生產決策提供了數據支持（圖10）。系統接入QQ物聯平臺，可以通過QQ客戶端方便快捷地查看農場各項環境參數和實時視頻信息，同時還可以把設備分享給消費者，提高了系統的交互性，增強消費者對農產品質量的安全感[12]。

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