農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)移動監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

萬春旭

摘要：在人力成本提升、農(nóng)業(yè)從業(yè)者結(jié)構(gòu)性短缺的今天，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)成為有效提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的最佳手段之一。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)移動化監(jiān)控系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)軟件系統(tǒng)中的一部分，它讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理者在空間和時(shí)間上得到解放。該文分析了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)移動化監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的核心技術(shù)，具體介紹了這些技術(shù)的特點(diǎn)和使用方法，同時(shí)總結(jié)了一套高效、易用的開發(fā)模式。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng);移動監(jiān)控系統(tǒng);Android

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）14-0004-03

1 背景

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，但不是一個(gè)農(nóng)業(yè)強(qiáng)國。要把14億人的飯碗端在自己的手里，需要大力發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)。從大力倡導(dǎo)發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械化、到向以色列學(xué)習(xí)設(shè)施農(nóng)業(yè)，再到現(xiàn)在全面發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，我國農(nóng)業(yè)在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的升級[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，讓農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)精準(zhǔn)化、節(jié)約化、工業(yè)化，擺脫人力密集、靠天吃飯等傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)弊端。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)具有技術(shù)成熟，開發(fā)成本低、建設(shè)收益明顯等特點(diǎn)，在當(dāng)今的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中被廣泛應(yīng)用。它的典型應(yīng)用場景有智能養(yǎng)殖、智能溫室、農(nóng)業(yè)產(chǎn)品跟蹤溯源等[2]。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)移動化監(jiān)控系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的軟件部分，通過它可以實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境和流通環(huán)節(jié)等，節(jié)約勞動力成本，提升農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)。很多農(nóng)業(yè)企業(yè)在尋求高效低成本地開發(fā)一個(gè)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)移動化監(jiān)控系統(tǒng)的方法。

1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1.1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)

一個(gè)完整的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在技術(shù)架構(gòu)方面，可分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層三個(gè)層次，圖1展示了三個(gè)層的主要功能，以及層與層之間的邏輯關(guān)系。

感知層的核心功能是信息采集，傳輸層采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)，是進(jìn)行信息交換和傳遞數(shù)據(jù)的通路。應(yīng)用層包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)展示及任務(wù)執(zhí)行等功能。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的三個(gè)層次分別賦予了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)全面感知、可靠傳輸、有效優(yōu)化及智能處理等特征。

1.2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)移動化監(jiān)控系統(tǒng)

從項(xiàng)目工程建設(shè)角度，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可分為硬件和軟件兩大塊。硬件包括感知層的信息采集設(shè)備、傳輸層的網(wǎng)絡(luò)與相關(guān)設(shè)備、應(yīng)用層的控制器和電機(jī)。軟件平臺包括云平臺、大數(shù)據(jù)系統(tǒng)、專家決策支撐系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺等[3]。大數(shù)據(jù)系統(tǒng)、專家決策支撐系統(tǒng)由于開發(fā)成本高，中小型農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中一般租用公共平臺或直接使用人工決策機(jī)制。云平臺是一個(gè)必要部分，不同的云平臺功能差異較大，有的只是一個(gè)數(shù)據(jù)存儲和轉(zhuǎn)發(fā)平臺，有的在數(shù)據(jù)存儲外擁有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力。云平臺可以定制開發(fā)，也可以租用收費(fèi)或免費(fèi)公共云平臺。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示，環(huán)境數(shù)值預(yù)警，遠(yuǎn)程控制等。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的表現(xiàn)形式可以是PC軟件、Web網(wǎng)站和移動應(yīng)用等形式[4]。早期農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺只有PC軟件，用戶在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境邊的監(jiān)控室里，通過軟件操控整個(gè)智能系統(tǒng)。后來發(fā)展為基于互聯(lián)網(wǎng)的Web應(yīng)用，通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制。隨著5G技術(shù)的應(yīng)用，移動化監(jiān)控應(yīng)用成為標(biāo)配，它在時(shí)間和空間上解放了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。早期建設(shè)的農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)環(huán)境，在人力成本逐年提高的情況下，急需升級配置移動監(jiān)控應(yīng)用。一套高效率、低成本的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)移動化監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)模式，可以幫助農(nóng)業(yè)企業(yè)快速搭建一個(gè)農(nóng)業(yè)移動化監(jiān)控系統(tǒng)。

2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)移動化監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 JSON數(shù)據(jù)格式

JSON 是存儲和交換文本信息的語法，它與平臺和語言無關(guān)，主要用于跨平臺的數(shù)據(jù)交換，與XML類似，但它比XML更小、更快，更易解析。在基于Android的移動應(yīng)用開發(fā)中，JSON體積小、傳遞速度快的特性，具有更大的優(yōu)勢，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)移動化監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)中被廣泛使用。移動監(jiān)控系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺之間交換的數(shù)據(jù)大部分采用JSON格式。上傳云平臺時(shí)，需要把數(shù)據(jù)包裝成JSON格式，從云平臺取回JSON格式數(shù)后，需要從中解析出需要的數(shù)據(jù)。Android通過JSONObject類來生成和解析JSON格式數(shù)據(jù)，JSONObject類下有g(shù)etString（）、getJSONObject（）和getJSONArray（）三個(gè)方法用于處理不同數(shù)據(jù)類型。當(dāng)數(shù)據(jù)嵌套多層時(shí)，需要從外到里一層層的解析。為提高開發(fā)效率和降低出錯的可能，建議使用開源插件，常用的有Gson、JackJson、FastJson等幾種。其中GSON是Google官方開發(fā)的Java類庫，它實(shí)現(xiàn)了用面向?qū)ο蟮姆绞教幚鞪SON格式數(shù)據(jù)，它可以很方便地實(shí)現(xiàn)JSON字符串與Java對象之間的相互轉(zhuǎn)化。

2.2 網(wǎng)絡(luò)訪問與線程

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)移動管理系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺需要進(jìn)行頻繁的數(shù)據(jù)交換，與其他多媒體類系統(tǒng)相比，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)移動管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)訪問數(shù)據(jù)量相對較少。因此，大部分物聯(lián)網(wǎng)云平臺采用URL通信方式。在Android 6.0以后的版本中通過HttpURLConnection實(shí)現(xiàn)HTTP請求，網(wǎng)絡(luò)訪問過程可分為以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：

1）生成URL類地址對象，具體語句為：URL url = new URL（url）;

2）通過URL對象建立與服務(wù)器的連接：HttpURLConnection conn = （HttpURLConnection） url.openConnection（）;

3）設(shè)置HttpURLConnection的相關(guān)參數(shù)，例如請求方式、請求時(shí)限等;

4）從HttpURLConnection連接中取得數(shù)據(jù)輸入流InputStream，由輸入流讀入字符輸入流。輸入的數(shù)據(jù)如果有中文，還需要對中文進(jìn)行編碼處理;

5）在線程中讀入數(shù)據(jù)無法直接顯示到界面中，需要使用Handler對象處理線程之間的消息處理。

由于網(wǎng)絡(luò)訪問的非即時(shí)響應(yīng)特性，執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)訪問時(shí)需要開啟子線程。網(wǎng)絡(luò)訪問與線程處理混合在一起，讓實(shí)現(xiàn)難度加備。Android開發(fā)團(tuán)隊(duì)于2013年推出了綜合的網(wǎng)絡(luò)通信框架Volley，它適用于“一次網(wǎng)絡(luò)通信中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，但網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)比較頻繁的應(yīng)用”，這一特點(diǎn)非常契合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)移動管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)訪問。Volley最核心的兩個(gè)類分別是： JSON請求類：JsonObjectRequest和請求隊(duì)列類：RequestQueue。RequestQueue主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)請求的線程處理，所有網(wǎng)絡(luò)請求都需要加入到RequestQueue隊(duì)列中，才能被系統(tǒng)調(diào)度執(zhí)行。JsonObjectRequest是一個(gè)Json格式的網(wǎng)絡(luò)請求類，通過網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)返回監(jiān)聽Response.Listener和Response.ErrorListener來處理網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)果。

RequestQueue myQue = Volley.newRequestQueue（context）;

StringRequest stringRequest = new StringRequest（Request.Method.GET，url，

new Response.Listener（） {

@Override

public void onResponse（String response） {

//網(wǎng)絡(luò)請求成功后，回調(diào)處理代碼在該方法中

}

}， new Response.ErrorListener（） {

@Override

public void onErrorResponse（VolleyError error） {

//網(wǎng)絡(luò)請求失敗后，回調(diào)處理代碼在該方法中

}

}）;

stringRequest.setTag（tag）;

myQue.add（stringRequest）; //網(wǎng)絡(luò)訪問加入線程隊(duì)列中

2.3 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

Android系統(tǒng)配備了SQLite數(shù)據(jù)庫，它占用系統(tǒng)資源少、功能全面，同時(shí)也保留了JDBC操作方法和SQL指令體系。SQLite提供了兩個(gè)數(shù)據(jù)庫操作類，分別是SQLiteDatabase和SQLiteOpenHelper。SQLiteOpenHelper用于數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建、打開和版本更新，但它是一個(gè)抽象類，不用直接使用，需要自己定義一個(gè)繼承于它的類，并實(shí)現(xiàn)主要方法。SQLiteDatabase是一個(gè)數(shù)據(jù)庫訪問類，是SQLite數(shù)據(jù)庫操作的基礎(chǔ)，這個(gè)類里面封裝了一系列數(shù)據(jù)庫操作的API，通過它可以進(jìn)行數(shù)據(jù)庫相關(guān)操作，如添加、查詢、更新、刪除等[5]。SQLite類操作數(shù)據(jù)庫時(shí)，需要自己撰寫SQL語句，當(dāng)數(shù)據(jù)表的字段較多時(shí)，編碼與后期維護(hù)的工作量將非常大。ORMLite數(shù)據(jù)庫框架采用“對象關(guān)系映射”方式管理數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫表與Java對象一一對應(yīng)，通過使用Java類中的方法實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)表操作。Java類中的“屬性”對應(yīng)用數(shù)據(jù)表中的“字段”，ORMLite通過給Java類中的“屬性”和“方法”添加Java注解的方式，讓Java類與數(shù)據(jù)表之間建立映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)操作Java類的屬性和方法就能直接改變數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)。下面這段代碼是ORMLite“對象關(guān)系映射”的應(yīng)用實(shí)例，數(shù)據(jù)表名稱為：senseInfo，對應(yīng)的類名為：SensenInfo。這個(gè)類里面的id屬性，對應(yīng)數(shù)據(jù)表中名為id的字段，該字段為自增類型主鍵。

@DatabaseTable（tableName = "senseInfo"） //建立表與類之間一對一的關(guān)系

public class SenseInfo {

//建立字段名與類屬性之間一對一的關(guān)系

@DatabaseField（generatedId = true，columnName = "id"）

public int id;

//空的構(gòu)造方法一定要有，否則數(shù)據(jù)庫會創(chuàng)建失敗

public SenseInfo（）{}

}

2.4 數(shù)據(jù)的圖表展示

將農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)以圖表形式呈現(xiàn)出來，可以幫助管理者更好地了解不同數(shù)據(jù)間的比例關(guān)系和變化趨勢，方便管理者做出合理的推斷和預(yù)測。Android原生API支持圖表種類多，但功能繁復(fù)，操作難度大。為了減少開發(fā)難度，推薦使用開源圖表框架，如MPAndroidChart、achartengine、GraphView等，每種框架都有各自的特色，根據(jù)應(yīng)用需要選擇一種直接套用即可。MPAndroidChart因其功能強(qiáng)大和使用簡單成為主流圖表框架。它支持線狀圖、柱狀圖、散點(diǎn)圖、柱狀圖、氣泡圖、餅狀圖和蜘蛛網(wǎng)狀圖，同時(shí)支持圖表的縮放、拖動、選擇和動畫等運(yùn)行功能。

MPAndroidChart中不同圖表的生成方式不盡相同，但總體上可以歸納為7個(gè)步：step1：實(shí)例化圖表對象-> step2：生成圖中所有點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)（Entry組成的List）-> step3：生成數(shù)據(jù)軸標(biāo)簽（String類型組成的List，與上一步的List數(shù)量相等）-> step4：生成坐標(biāo)點(diǎn)集生成一條線的數(shù)據(jù)集（DataSet）-> step5：由數(shù)據(jù)集生成圖表數(shù)據(jù)源對象（Data）-> step6：把數(shù)據(jù)源加載到圖表中-> step7：刷新圖表。

2.5 App Inventor的快速搭建模式

前面介紹了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)移動化監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)中用到的數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)、圖表等開發(fā)技術(shù)，但對于項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)不足的程序員，即使全部掌握了這些技術(shù)，要獨(dú)立開發(fā)一個(gè)完整的項(xiàng)目，難度還是很大。如果遇上項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間緊、技術(shù)能力不足、團(tuán)隊(duì)人員又少的情況，推薦使用可視化快速移動應(yīng)用開發(fā)工具：App Inventor。App Inventor簡稱ai2，是谷歌公司開發(fā)的基于web的可視化Android系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)工具，現(xiàn)轉(zhuǎn)由麻省理工學(xué)院（MIT）運(yùn)維。ai2采用的是在線編碼+手機(jī)或模擬器測試的開發(fā)模式，本地計(jì)算機(jī)只需Java運(yùn)行環(huán)境和瀏覽器，再配一個(gè)Android系統(tǒng)的手機(jī)用于項(xiàng)目測試。在線開發(fā)最核心的是服務(wù)器，ai2官方服務(wù)器在麻省理工，國內(nèi)目前有兩三個(gè)漢化的、持續(xù)更新并穩(wěn)定運(yùn)行的服務(wù)器，華南理工大學(xué)楊道全開發(fā)管理的WxBit漢化版（服務(wù)器地址為：https：//app.wxbit.com/）運(yùn)行比較穩(wěn)定。

ai2中UI通過拖拽和屬性設(shè)置方式實(shí)現(xiàn)組件的擺放和樣式設(shè)計(jì)，功能邏輯采用圖形化編程模式，有過樂高開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的人對這種方式會非常的熟悉。ai2外在表現(xiàn)形式是“圖形化”“積木式”，但它本質(zhì)上還是一個(gè)面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，跳出積木編程思維，從面向?qū)ο蟮倪壿嫿嵌冉鈽?gòu)，ai2的項(xiàng)目結(jié)構(gòu)如圖2所示。組件和行為是一個(gè)應(yīng)用的核心，變量、方法是一種編程手段和方式。ai2中有常用的標(biāo)簽、文本框、按鈕、動畫等可視化組件，還有傳感器、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)訪問等不可見的組件。事件和事件響應(yīng)模塊幾乎涵蓋了所有程序邏輯相關(guān)功能。能滿足農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)移動化監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的大部分需求，但在數(shù)據(jù)存儲和圖表展示方面還需要利用其他資源配套使用。

ai2提供的網(wǎng)絡(luò)微數(shù)據(jù)庫是一個(gè)開發(fā)者共享數(shù)據(jù)庫，采用“key：value”存儲方式，如果遇到key相同時(shí)，后存的value會覆蓋前面的value值。為了數(shù)據(jù)安全性，ai2為深入開發(fā)用戶也提供了自己建立數(shù)據(jù)庫的方法，官方數(shù)據(jù)庫平臺（http：// appinventorapi.com /create-a-web-database-python-2-7）上面有創(chuàng)建自己的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的詳細(xì)介紹，按照上面的說明操作就可以建立起屬于自己的部署在互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)庫，而且與App Inventor的協(xié)議兼容，谷歌的云服務(wù)工具會分配給你一個(gè)網(wǎng)址，把網(wǎng)絡(luò)微數(shù)據(jù)庫中的網(wǎng)址改成這個(gè)網(wǎng)址，就可以訪問個(gè)人數(shù)據(jù)庫，并用它來創(chuàng)建基于網(wǎng)絡(luò)的移動應(yīng)用建立屬于自己的互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)庫。ai2網(wǎng)絡(luò)微數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)的HTTP請求來向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，如果要向網(wǎng)絡(luò)微數(shù)據(jù)庫里“保存數(shù)據(jù)”時(shí)，發(fā)送的頭部參數(shù)為Accept：application/json，發(fā)送的數(shù)據(jù)為：["STORED"，"標(biāo)簽"，"值"]。如果要從網(wǎng)絡(luò)微數(shù)據(jù)庫中取數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送的數(shù)據(jù)為：["VALUE"， "標(biāo)簽"]，根據(jù)這些特性，也可以自己編寫網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫存取服務(wù)器。

ai2在圖形化方面提供了最基礎(chǔ)的圖形繪制功能，從理論角度來說，通過這些線條、圖形的繪制功能也能夠畫出一張圖表來。但用這種模式繪制一張圖表，就類似于憑借個(gè)人力量蓋一座樓。要比較快捷的制作一張圖表，可以借助一些圖表專用工具，如Google Chart API和ECharts等。這兩個(gè)工具都用于生成基本網(wǎng)頁的圖表，在ai2中需要借助“網(wǎng)絡(luò)瀏覽”組件，通過瀏覽器組件展示靜態(tài)圖表。

3 結(jié)束語

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)移動監(jiān)控系統(tǒng)因?yàn)橐苿踊h(yuǎn)程控制的優(yōu)勢，成為新建的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的標(biāo)配。同時(shí)，很多早期建設(shè)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，也在做移動化升級。如何高效、低成本的開發(fā)一個(gè)實(shí)用性強(qiáng)的移動監(jiān)控應(yīng)用，是很多農(nóng)業(yè)企業(yè)最關(guān)心的問題。使用本文給出的核心開發(fā)技術(shù)，農(nóng)業(yè)企業(yè)信息化從業(yè)人員也能開發(fā)出實(shí)用的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)移動監(jiān)控系統(tǒng)，節(jié)約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，從而助力鄉(xiāng)村振興。

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