沈 文,徐 曦,李亞寧,楊 雪,鄧依婷

(1.湖南工業(yè)大學 計算機學院,湖南 株洲 412007；2.智能信息感知及處理技術湖南省重點實驗室,湖南 株洲 412007)

0 引 言

近年來,以物聯(lián)網數字化技術為核心新技術不斷深入至智能養(yǎng)殖各個環(huán)節(jié)[1]。質量檢測是設備出廠之前的必備流程,智能養(yǎng)殖設備作為新生產物,同樣需要質量檢測。網關是數據匯聚節(jié)點,承擔與底層設備、云平臺的數據交互,可應用于此場景。在此之前,廖建尚等人[2]將智能網關應用在農業(yè)物聯(lián)網協(xié)議統(tǒng)一上,葛聰樂等人[3]以網關為核心設計了傳感數據監(jiān)控系統(tǒng),趙佶[4]則提到網關的邊緣計算應用。但是這些方法場景各異,并不適合特定產品質量檢測。

為了應對某公司智能養(yǎng)殖設備的標準化質檢,設計了一種基于智能養(yǎng)殖設備的邊緣計算質量檢測網關,創(chuàng)造性地在邊緣側使用質檢網關對智能養(yǎng)殖設備進行質量檢測。實現(xiàn)對數據協(xié)議、設備功能、數據通信方面的檢測。并對質檢邊緣計算邏輯、數據存儲、可視化、數據傳輸等進行設計。

1 總體設計與檢測原理

圖1是質量檢測網關系統(tǒng)總體架構。該系統(tǒng)硬件主要由網關主板、通信模塊(ZigBee)、串口、網口、無線模塊組成。其中，網關硬件為天啟科技Firefly-RK3399開發(fā)板,基于6核的ARM?64位處理器,主頻為1.8 GHz,支持Linux，Ubuntu，Android 等系統(tǒng)。質檢系統(tǒng)為三層架構：終端設備、網關、云平臺。

圖1 邊緣質檢網關架構

質檢原理為在邊緣質檢網關中設計一整套設備質檢邏輯,與終端設備進行數據交互,當終端設備的某個限位或規(guī)定的理想結果值回傳給網關設備,質檢網關在邊緣側對終端傳輸的數據進行邊緣計算并比對特定規(guī)則,從而確定檢測結果；并將每個設備測試的結果(成功或失敗原因)存儲在本地數據庫中,同時將檢測結果發(fā)送到云平臺存儲。

2 網關邊緣計算后臺設計

網關的邊緣計算后臺作為整個質檢邏輯的重要支撐,是整個系統(tǒng)的大腦,所有檢測邏輯處理都在本部分實現(xiàn),也是本文的核心。網關系統(tǒng)包含與底層智能終端數據交互、數據邊緣解析判斷、數據庫設計、與云平臺的數據交互等部分。后臺開發(fā)主要在Linux,Ubuntu系統(tǒng)環(huán)境下,采用Jetbrains公司的C/C++跨平臺集成開發(fā)環(huán)境CLion進行軟件開發(fā)。

2.1 后臺總體設計

圖2是邊緣計算質檢網關后臺檢測框圖。從圖2可見,向下的通信方式采用串口、ZigBee,WiFi,LAN等四種方式。其中智能車主分為四部分：環(huán)控系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、主控網關。多個設備將集合成為智能車設備,為了方便對整體的測試采用異步測試方式進行。開發(fā)單獨的測試程序對車進行質檢,得到相應的結果后將數據傳回主質檢網關。攝像頭則采用網線直連接方式并與網關組成局域網進行。其他串口設備,將通過質檢網關對各同類設備逐一測試。該測試僅在軟件層面對設備進行測試,硬件設備測試在此不作敘述。

圖2 邊緣計算質檢網關后臺檢測框圖

2.2 質檢測試流程

圖3是質檢網關測試流程圖。主要分為三大類：智能車、串口交互(ZigBee)型設備、攝像頭。

圖3 質檢流程框圖

智能車采用單獨模塊進行質檢。第一,獲取車中傳感器主板外接的傳感器數據,判斷是否設備異常；第二,則是攝像頭數據,通過內部配置拍照回傳命令,發(fā)送給攝像頭終端,將所拍照片傳回；第三,則是智能車主板數據,包括小車運行狀態(tài)、位置、電壓、運行模式、巡檢圈數、告警數據等；最后,車網關自身數據：心跳、服務、網關ID等信息都將通過獨立質檢程序獲取,并將所有信息寫入文件中等待質檢網關遠程獲取。ZigBee設備根據不同的協(xié)議功能將測試不同的項目,通過命令交互檢測。攝像頭與質檢網關通過建立UDP連接進行數據交互,支持實時抓拍。如有需求,也支持邊緣加載算法接口對圖片進行邊緣計算。算法調用方式可歸納為：1)接收到的圖片臨時放入一個容器vector〈char〉存儲；2)顯示加載算法.so文件,并初始化創(chuàng)建算法實例；3)每張圖片vector〈char〉將執(zhí)行固定的調用接口：

void algAPI(const void *picData=NULL,

const long DataSize=0,

void *Params=NULL,

void *AlgResult=NULL);

最后獲取結果AlgResult參數。

2.3 質檢數據存儲

網關采用SQLite3輕量級嵌入式數據庫,具有可移植、無須配置、可自給自足、無服務器等優(yōu)勢[5]。本文中主要創(chuàng)建了4個數據表：用戶數據表、規(guī)則表、測試記錄表、測試結果表。其中用戶數據則存儲用戶名、密碼、待測試項等信息；規(guī)則表是傳感器數據及其他可量化判斷的異常判斷依據；測試記錄表則詳細存儲了每個設備的所有測試過程；測試結果表存儲單個設備測試的ID號、測試時間、測試結果等。

2.4 消息隊列遙測傳輸協(xié)議數據上報

消息隊列遙測傳輸協(xié)議(MQTT)是ISO 標準發(fā)布/訂閱(publish/subscribe)模式消息通信協(xié)議[6]。具有開源、輕量、簡單和易于實現(xiàn)等特點,在嵌入式物聯(lián)網通信領域被廣泛使用,原理如圖4所示。網關將所有檢測結果通過JSON組包成圖5格式,包括網關ID,終端設備ID,檢測結果及類型等,以特定主題發(fā)布到服務端,待其他訂閱方訂閱獲取。

圖4 MQTT原理圖

圖5 MQTT推送JSON格式圖

3 QT界面設計

3.1 QT技術

QT技術源于諾基亞公司的界面開發(fā)平臺。由于具有良好的跨平臺(兼容多種系統(tǒng)：如Linux、Window 、Android等)、可擴展、開發(fā)簡單等特點,現(xiàn)被廣泛運用于嵌入式終端、物聯(lián)網、數據采集等系統(tǒng)中[7～9]。QT5集成了可視化的本地調試器,開發(fā)環(huán)境Qt Creator包含各種源碼包、UI界面。本文系統(tǒng)采用Ubuntu系統(tǒng),支持QT界面,適用于此開發(fā)場景。本場景中由于后臺庫采用Cmake方式編譯,為了方便界面接口調用,QT也采用此方式編譯。

3.2 質檢網關界面設計

質檢網關的主控平臺采用Linux,QT的方式進行設計,也是人機交互的唯一界面系統(tǒng)。界面系統(tǒng)通過調用邊緣計算后臺應用程序接口(application programming interface,API)的方式進行數據交互,其中后臺處理邏輯已生成動態(tài)庫,供界面系統(tǒng)直接調用。界面系統(tǒng)可主要分為4個部分：登錄部分、設備選型、測試輸入與開?？刂?、設備檢測結果接收部分。

圖6是界面系統(tǒng)示意圖,采用水平布局,左邊一列主要作為設備型號選擇操作。采用QtreeWeight方式生成界面UI,右上為主要的輸入控制操作區(qū),即設備輸入設備的目標地址,被檢測設備ID等基本信息,通過開始、停止按鈕控件對設備進行操作。右下主空白部分作為檢測輸出窗口,動態(tài)顯示被檢測項目與結果,并給出最終結論為測試合格。整體邏輯設計流程如下：1)登錄、主控、結果接收的UI界面設計；2)啟動鍵盤與登錄窗,輸入密碼校驗；3)根據數據庫中檢測項信息遍歷并新增多個QTreeWidgetItem對象,并為其增加設備的子類型；4)通過信號與槽機制跳轉到控制操作平臺上,根據傳輸不同的測試類型有不同的操作界面，分為設備地址、設備ID、網關ID三種類型；5)測試接收與測試開始同步進行,啟用后臺接收API,接收線程將所有測試數據接收到本地并實時進行邏輯判斷。

圖6 質檢網關界面示意

4 系統(tǒng)測試與分析

4.1 功能測試

為了證明本質檢網關的功能性,依據各設備協(xié)議,對設備檢測時長、設備類型、邏輯功能性進行逐一測試。表1是測試項目表,舉例以下4種設備進行測試詳細說明。1)傳感器：配置上報地址、測試心跳、ID類型、傳感數據(溫度、濕度、氣壓、氨氣、PM10、風速、光感、煙感)值是否在正常范圍內。2)飼喂器：配置上報地址、ID類型校驗、心跳、下料、噴霧、沖洗、堵轉告警、空轉告警。3)攝像頭：攝像頭綁定、心跳、ID校驗、拍照獲圖,并將圖像展示。4)智能車：智能車將讀取外設測試傳感器數據測試是否有異常值；攝像頭心跳ID校驗、拍照獲圖；測試小車電壓、前進狀態(tài)、位置、心跳及ID校驗等。

表1 智能設備檢測項目

通過以上測試方法,完全模擬現(xiàn)場真實使用環(huán)境測試設備,智能車采用24 V供電、其他設備12 V供電。通過模擬異常情況,預估測試結果,與質檢網關測試結果對比,一致則表示設計符合要求。同時為了檢驗MQTT功能,使用MQTT.fx軟件訂閱質檢網關主題查看測試結果。經過本地測試表明,改質檢網關測試ZigBee設備單個設備30次以上,偶發(fā)存在單條數據接收丟包,出現(xiàn)概率低于1 %；并且所有類型設備測試時間控制在3 min以內。

4.2 性能測試

ZigBee設備：測試并記錄最大指令數,噴淋62條、卷被65條、飼喂45條、傳感器26條、料線水線12條,任意一條指令收發(fā)在1 s內完成。給設備升級收發(fā)指令超過500條指令未出現(xiàn)失敗現(xiàn)象,在數據交互上滿足測試需求。智能車：測試有多個WiFi終端,同局域網內具有8個終端設備,NMAP掃描時間最長10 s,最短1 s,在正式測試場景不超過3設備,滿足現(xiàn)有需求。攝像頭：采用真實場景測試,一個網關網口接入并串聯(lián)交換機,最高接入36個攝像頭正常拍照取圖；小車攝像頭網關同時加載3個算法,CPU占用不超過60 %,內存占用超過12.7 %,在合理范圍內。以上結果表明,該質檢網關性能優(yōu)越,能支撐常規(guī)的業(yè)務應用。

目前該邊緣質檢網關已在沈陽、北京等幾個組裝廠使用,常用質檢網關記錄的測試指令數據已超過2萬條,測試設備數超過2千個,檢測記錄中失敗數目超過100個,控制了產品出廠質量,具有實用性。

5 結束語

根據產品質檢需求,設計了對智能養(yǎng)殖設備進行質量檢測的邊緣質檢網關。分別對質檢網關的邊緣后臺、QT人機交互系統(tǒng)、設備通信傳輸與數據存儲等方面做了設計。質量檢測網關,是應用于特定場景的質量檢測系統(tǒng),在邊緣側對智能設備進行質檢,對于設備的通信質量,設備功能具有良好的檢測效果。該產品已實際應用在工廠生產環(huán)節(jié),為出廠質檢提供了軟件檢測依據。在設備出廠檢測中,質檢網關在軟件層面對智能養(yǎng)殖終端設備質量進行了把控,對于農業(yè)設備智能化、設備質量檢測溯源具有重要意義。