馬建為，李江榮，田 原

（延安大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，陜西延安 716000）

生產(chǎn)生活中，環(huán)境參數(shù)是較為敏感的數(shù)據(jù)，對工業(yè)生產(chǎn)工藝、工業(yè)設(shè)備的工作狀態(tài)［1］、人的生命財(cái)產(chǎn)安全［2］、農(nóng)作物的生長成熟［3］都有重要影響。開發(fā)部署環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，加強(qiáng)對環(huán)境參數(shù)指標(biāo)的監(jiān)測，可以為處理生產(chǎn)生活中的環(huán)境問題提供重要依據(jù)。

傳統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)多采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu)，檢測終端作為下位機(jī)負(fù)責(zé)環(huán)境參數(shù)檢測，服務(wù)器作為上位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、命令下達(dá)、人機(jī)交互等［4］。但這種傳統(tǒng)的上下位機(jī)結(jié)構(gòu)往往采用有線通信，其成本高昂且部署復(fù)雜，難以滿足實(shí)際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)上報(bào)、可視化等復(fù)雜需求。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)更多采用物聯(lián)網(wǎng)的三層模型結(jié)構(gòu)［5］，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中，感知層取代了下位機(jī)的概念，應(yīng)用層取代了上位機(jī)的概念，信息傳輸?shù)姆绞?、方法則被單獨(dú)抽象為網(wǎng)絡(luò)層。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合有線和無線通信等信息傳輸方式，其抽象的邏輯層次較上下位機(jī)結(jié)構(gòu)能更清晰地劃分環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，為數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)上報(bào)、可視化乃至更復(fù)雜的應(yīng)用層需求提供了設(shè)計(jì)依據(jù)和技術(shù)方案。

在工程實(shí)踐方面，阿里云、華為云、騰訊云、亞馬遜云、中國移動(dòng)、中國聯(lián)通、谷歌等服務(wù)商都提出了自己的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)方案［6-8］，可用于環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)。但是目前，多數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)方案沒有統(tǒng)一的操作系統(tǒng)支持，各抽象層的實(shí)現(xiàn)方法相對獨(dú)立，系統(tǒng)集成過程相對復(fù)雜，系統(tǒng)開發(fā)部署的效率相對較低。與其他物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)方案相比，華為以鴻蒙操作系統(tǒng)為核心，提供了一個(gè)接入無關(guān)、安全可靠、開放和彈性伸縮的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，是物聯(lián)網(wǎng)端到端的整體解決方案，用戶因此可實(shí)現(xiàn)對應(yīng)用的快速集成。特別是華為開發(fā)的開源、開放的鴻蒙操作系統(tǒng)是面向多智能終端、全場景的分布式操作系統(tǒng)，定位于圍繞應(yīng)用場景，將人和設(shè)備有機(jī)聯(lián)系在一起，構(gòu)建由虛擬終端支持起來的物聯(lián)網(wǎng)世界［9-10］。該操作系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)在多種智能終端上實(shí)現(xiàn)極速發(fā)現(xiàn)、極速連接、硬件互助、資源共享［11］。應(yīng)用鴻蒙操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，并利用華為物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)整合系統(tǒng)，可提高系統(tǒng)開發(fā)和部署效率。

本文基于OpenHarmony 的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以華為海思處理器開發(fā)板為核心板，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)終端技術(shù)，圍繞環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)需求，應(yīng)用華為鴻蒙操作系統(tǒng)中的開源部分，即OpenHarmony，開發(fā)終端設(shè)備底層業(yè)務(wù)代碼及應(yīng)用程序，并應(yīng)用華為物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)整合系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能包括：環(huán)境參數(shù)采集、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)上報(bào)、指令下發(fā)、異常告警等。該設(shè)計(jì)方案適用于智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市、智能家居等需要環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的應(yīng)用場景，從而達(dá)到高效開發(fā)和快速部署應(yīng)用系統(tǒng)的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1 所示，采用四層物聯(lián)網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層［12］。

其中，系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)檢測功能被劃分到感知層，負(fù)責(zé)完成溫濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境信息采集任務(wù)；網(wǎng)絡(luò)層包括網(wǎng)絡(luò)接入功能以及信息傳輸功能。這里面，信息傳輸功能主要是將感知層獲取的數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)系統(tǒng)，同時(shí)將云服務(wù)器的信息或指令下發(fā)給感知層設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)層可使用Wi-Fi、NB-IoT、藍(lán)牙等通信方式接入網(wǎng)絡(luò)，采用MQTT 協(xié)議等推送數(shù)據(jù)信息到平臺(tái)層和應(yīng)用層。云服務(wù)主要支持平臺(tái)層功能，負(fù)責(zé)設(shè)備管理、命令下發(fā)、信息存儲(chǔ)等管理功能。應(yīng)用層則利用云服務(wù)器提供的服務(wù)或手機(jī)等用戶終端來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化及客戶交互。

圖1 四層物聯(lián)網(wǎng)模型及功能劃分

基于OpenHarmony 的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的功能邏輯如圖2所示。設(shè)計(jì)方案以小熊派鴻蒙開發(fā)板為核心實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層和感知層的主要功能。該開發(fā)板使用海思微處理器，運(yùn)行OpenHarmony 操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)包括系統(tǒng)外設(shè)初始化、網(wǎng)絡(luò)接入、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)上報(bào)等功能。平臺(tái)層和應(yīng)用層功能則由云服務(wù)器和小熊派鴻蒙開發(fā)板協(xié)同實(shí)現(xiàn)，其中云服務(wù)采用華為云平臺(tái)。

圖2 系統(tǒng)功能邏輯

在系統(tǒng)開發(fā)和工程實(shí)踐中，各功能模塊可依據(jù)實(shí)際需求重新調(diào)整和劃分，并作為系統(tǒng)更新的依據(jù)。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于OpenHarmony 的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)以小熊派鴻蒙開發(fā)板為核心。開發(fā)板連接E53 擴(kuò)展板，通過I2C 總線控制E53擴(kuò)展板上搭載的溫濕度傳感器SHT30、光照強(qiáng)度傳感器BH1750、LED 燈、電機(jī)等外設(shè)。開發(fā)板搭載有一枚海思Hi3861RNIV100 處理器芯片，其上運(yùn)行OpenHarmony操作系統(tǒng)以管理軟硬件資源。開發(fā)板通過海思處理器上集成的Wi-Fi SoC芯片接入網(wǎng)絡(luò)，利用MQTT協(xié)議與平臺(tái)層、應(yīng)用層進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)感知層數(shù)據(jù)的聯(lián)網(wǎng)推送上報(bào)和應(yīng)用層指令下發(fā)。客戶可利用手機(jī)端或華為云提供的Web端獲取環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)對LED燈、電機(jī)等設(shè)備的控制。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1.1 核心開發(fā)板

設(shè)計(jì)方案選取了型號(hào)為BearPi-HM Nano 的小熊派鴻蒙開發(fā)板作為核心開發(fā)板。如圖4所示，該開發(fā)板外形大小尺寸為73.2 mm × 62.7 mm ×11.1 mm，采用三段式設(shè)計(jì)，功能區(qū)域清晰明了。開發(fā)板采用USB Type-C 5V 電壓供電，預(yù)留E53 擴(kuò)展板接口，系統(tǒng)功耗低且易于擴(kuò)展。該開發(fā)板帶有NFC 標(biāo)簽，支持實(shí)現(xiàn)華為鴻蒙系統(tǒng)的“一碰即傳”功能。

圖4 Bear Pi-HM Nano開發(fā)板外形

BearPi-HM Nano 開發(fā)板搭載的海思Hi3861 RNIV100 微處理器如圖5 所示。該處理器是一款32位微處理器，高度集成制式為IEEE802.11b/g/n的SoC Wi-Fi 芯片，支持正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，向下兼容直接序列擴(kuò)頻（DSSS）和補(bǔ)碼鍵控（CCK）技術(shù)。

圖5 海思Hi3861RNIV100微處理器外形

1.1.2 小熊派E53擴(kuò)展板

如圖6所示，E53擴(kuò)展板是尺寸為5 cm×3 cm大小的擴(kuò)展板，接口為20 引腳。設(shè)計(jì)方案選取的E53_IA1擴(kuò)展板上的溫濕度傳感器SHT30支持2.4~5.5 V電壓供電，測量范圍為溫度–40 ℃~125 ℃、相對濕度0%~100%。光照強(qiáng)度傳感器BH1750，支持2.4~3.6 V電壓供電，運(yùn)行溫度-40 ℃~85 ℃，測量范圍1~655 35 Lx。

1.2 軟件開發(fā)

軟件的開發(fā)可在OpenHarmony 內(nèi)核抽象層（kernel abstract layer，KAL）之上進(jìn)行。內(nèi)核抽象層為用戶提供進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理和外設(shè)管理等操作系統(tǒng)功能。鴻蒙的內(nèi)核抽象層同時(shí)支持CMSIS（Common Microcontroller Software Interface Standard）和 POSIX（Portable Operating System Interface）［13］2 種應(yīng)用程序接口標(biāo)準(zhǔn)。本次開發(fā)采用輕量級(jí)系統(tǒng)中常用的CMSIS標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 E53_IA1型擴(kuò)展板外形

1.2.1 環(huán)境參數(shù)檢測

環(huán)境參數(shù)檢測通過對E53擴(kuò)展板上的傳感器操作實(shí)現(xiàn)。獲取到的溫濕度及光照強(qiáng)度等環(huán)境信息通過串口通信打印到終端，當(dāng)光照強(qiáng)度過低或者當(dāng)溫度、濕度超標(biāo)時(shí)，則觸發(fā)警報(bào)，開啟LED 燈標(biāo)識(shí)、電機(jī)振動(dòng)標(biāo)志。流程如圖7所示。

圖7 環(huán)境參數(shù)檢測流程

1.2.2 Wi-Fi通信

核心開發(fā)板通過擴(kuò)展板采集各項(xiàng)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)后，需要通過Wi-Fi 聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)上報(bào)華為云端。海思Hi3861RNIV100 微處理器SoC Wi-Fi 芯片連接Wi-Fi流程如圖8所示。

1.2.3 MQTT協(xié)議

消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議（message queuing telemetry transport，MQTT），是一種基于TCP/IP 協(xié)議的即時(shí)通訊協(xié)議，采用發(fā)布/訂閱（publish/subscribe）模式為處于網(wǎng)絡(luò)層上的傳感器與平臺(tái)層、應(yīng)用層提供實(shí)時(shí)消息服務(wù)。MQTT 協(xié)議開銷低、帶寬占用小，易于實(shí)現(xiàn)，在物聯(lián)網(wǎng)工程中應(yīng)用廣泛。如圖9所示，作為MQTT 協(xié)議的客戶端，開發(fā)板上需要布置相關(guān)業(yè)務(wù)代碼，主要包括網(wǎng)絡(luò)連接信息結(jié)構(gòu)體定義、MQTT 客戶端信息結(jié)構(gòu)體、MQTT 客戶端初始化、MQTT 客戶端連接代理服務(wù)器、訂閱MQTT 消息、發(fā)布MQTT 消息等。這些業(yè)務(wù)代碼，本文的設(shè)計(jì)采用鴻蒙系統(tǒng)項(xiàng)目下的第三方代碼進(jìn)行布置。

圖8 Wi-Fi連接流程

圖9 MQTT即時(shí)通訊協(xié)議

1.3 系統(tǒng)集成

1.3.1 開發(fā)工具鏈

本文的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境布置在Windows 及Linux操作系統(tǒng)上，如圖10 所示。系統(tǒng)編譯環(huán)境在Linux系統(tǒng)下建立，使用集成開發(fā)環(huán)境DevEco Device Tool，該開發(fā)環(huán)境以插件的形式部署在Visual Studio Code 上。應(yīng)用程序使用C 語言編寫，通過GN（Generate Ninja）、Ninja 和SCons 實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的工程管理，其安裝配置需要Python 及gcc 編譯器的支持。開發(fā)環(huán)境還需要安裝npm 和hpm 等鴻蒙操作系統(tǒng)的組包和發(fā)行版管理工具。

圖10 開發(fā)工具鏈

Windows 操作系統(tǒng)上需要布置燒寫工具HiBurn，它是針對海思Hi3861 芯片的專用燒寫工具，用來向開發(fā)板燒寫編譯好的系統(tǒng)鏡像。為了與開發(fā)板進(jìn)行通信，需要在Windows 系統(tǒng)上安裝終端工具，如MobaXterm等工具。

為了提高工作效率，Windows與Linux操作系統(tǒng)可通過網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)共享開發(fā)過程中所需要的文件，例如在Linux 操作系統(tǒng)上安裝網(wǎng)絡(luò)磁盤服務(wù)samba等。

1.3.2 系統(tǒng)整合

系統(tǒng)整合主要包括云平臺(tái)配置和開發(fā)板底層業(yè)務(wù)代碼修改兩部分工作。

華為云平臺(tái)的配置主要完成終端設(shè)備在云平臺(tái)上的設(shè)備注冊，這包括：創(chuàng)建產(chǎn)品，選擇設(shè)備的通信協(xié)議類型以及數(shù)據(jù)格式等設(shè)備信息，云平臺(tái)為產(chǎn)品分配ID 號(hào)；添加服務(wù)，定義服務(wù)類型，在服務(wù)屬性中設(shè)置數(shù)據(jù)類型、訪問權(quán)限以及相關(guān)的命令操作。

底層業(yè)務(wù)代碼修改在獲取設(shè)備ID 后進(jìn)行。設(shè)備的云平臺(tái)注冊數(shù)據(jù)信息需要寫入核心板底層相關(guān)業(yè)務(wù)代碼中，這些代碼主要實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備與云平臺(tái)的連接、數(shù)據(jù)推送和命令接收等功能。

用戶與設(shè)備終端之間使用MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息傳遞，這需要通過MQTT 代理服務(wù)完成。用戶可以獨(dú)立架設(shè)MQTT 代理服務(wù)器，例如在開發(fā)工具鏈中Windows 系統(tǒng)上使用開源MQTT 組件Mosquitto 實(shí)現(xiàn)MQTT 代理服務(wù)，用戶也可以通過云服務(wù)運(yùn)營商獲取MQTT代理服務(wù)。本文的系統(tǒng)整合采用華為云的MQTT代理服務(wù)器。

2 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試階段首先測試核心板功能，然后進(jìn)行系統(tǒng)整合。

為了測試核心板的功能，關(guān)閉了華為云與設(shè)備的連接。系統(tǒng)工作時(shí)，通過串口與PC 機(jī)進(jìn)行通信，并在串口終端捕獲如下信息。如圖11可見，系統(tǒng)能夠正常獲取光照強(qiáng)度、溫濕度等環(huán)境參數(shù)信息，其中，當(dāng)光照強(qiáng)度低于10 Lx 時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行補(bǔ)光操作并發(fā)出警告。

系統(tǒng)整合階段，如圖12、圖13 所示。首先在華為云端創(chuàng)建了“環(huán)境參數(shù)監(jiān)測”的產(chǎn)品，并指定通信協(xié)議類型為MQTT 協(xié)議，添加了溫度、濕度、光照強(qiáng)度、LED 燈狀態(tài)、電機(jī)狀態(tài)等服務(wù)屬性以及對LED燈、電機(jī)等外設(shè)進(jìn)行開關(guān)控制的命令。注冊設(shè)備并獲得該設(shè)備ID、配置設(shè)備密鑰。將上述信息添加到系統(tǒng)底層業(yè)務(wù)代碼中，并在底層代碼中配置Wi-Fi，使設(shè)備可連接至外部網(wǎng)絡(luò)。

圖11 串口終端打印環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)

圖12 華為云端注冊產(chǎn)品

圖13 華為云端服務(wù)屬性及命令配置

系統(tǒng)工作時(shí)，將環(huán)境參數(shù)取整并聯(lián)網(wǎng)上報(bào)華為云端，華為云端獲得聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)如圖14所示。對LED燈、電機(jī)狀態(tài)的控制指令，均可從華為云端向設(shè)備下發(fā)。

如圖15 所示，PC 機(jī)串口終端與云端數(shù)據(jù)信息一致，核心板執(zhí)行了從云端下發(fā)的控制指令，LED燈與電機(jī)依照控制指令改變工作狀態(tài)。

對比上述數(shù)據(jù)可知，終端系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集工作正常，終端上報(bào)數(shù)據(jù)與華為云端數(shù)據(jù)一致，云端下發(fā)指令在終端系統(tǒng)上正確執(zhí)行。測試結(jié)果說明，該系統(tǒng)具備了環(huán)境參數(shù)采集、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)上報(bào)、指令下發(fā)、異常告警等功能，設(shè)計(jì)功能均獲實(shí)現(xiàn)。由于利用OpenHarmony 操作系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，采用華為物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)整合，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中，系統(tǒng)底層業(yè)務(wù)代碼編寫勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，系統(tǒng)調(diào)試快捷高效。采用OpenHarmony 進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)，可使設(shè)計(jì)開發(fā)工作更集中于應(yīng)用層中的業(yè)務(wù)邏輯設(shè)計(jì)，這大大提高了系統(tǒng)開發(fā)效率，加快了系統(tǒng)部署速度。

圖14 華為云端環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)

圖15 串口終端打印環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本文研究的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用華為物聯(lián)網(wǎng)解決方案，硬件選用帶有海思Hi3681處理器的輕量級(jí)終端，軟件選擇在OpenHarmony 操作系統(tǒng)上進(jìn)行開發(fā)，網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)代碼選擇OpenHarmony下的第三方代碼，并應(yīng)用華為云服務(wù)平臺(tái)整合系統(tǒng)。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)上報(bào)和指令下發(fā)等功能，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的正確性。該設(shè)計(jì)方案功能邏輯清晰，硬件靈巧輕便，開發(fā)工具鏈易于搭建、使用，軟件開發(fā)勞動(dòng)強(qiáng)度降低。與其他物聯(lián)網(wǎng)解決方案相比，采用華為物聯(lián)網(wǎng)解決方案，應(yīng)用OpenHarmony設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)開發(fā)效率，系統(tǒng)部署迅速，該設(shè)計(jì)方案適合在需要環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的相關(guān)應(yīng)用場景中使用。后續(xù)將加強(qiáng)應(yīng)用層上的數(shù)據(jù)可視化及環(huán)境參數(shù)控制等相關(guān)業(yè)務(wù)邏輯設(shè)計(jì)方面的工作。