大規(guī)模用水節(jié)點(diǎn)的灌溉物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王志強(qiáng),鈕丹丹，王佳興，高鑫，吳昊，夏倩，蔣永年，郭亞*

(1. 江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122； 2. 江蘇省互聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)發(fā)展中心，江蘇 南京 210017； 3. 江蘇中農(nóng)物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司，江蘇 宜興 214200)

水資源缺乏一直是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要問(wèn)題.在中國(guó)農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的80%左右，但由于農(nóng)業(yè)灌溉效率普遍低下，農(nóng)業(yè)水的利用率僅為45%，而水資源利用率高的國(guó)家已達(dá)70%～80%.中國(guó)農(nóng)業(yè)用水被大量浪費(fèi)，其原因除農(nóng)業(yè)灌溉控制技術(shù)本身不完善外，很大程度上是因?yàn)椴荒芗皶r(shí)地監(jiān)控各灌溉點(diǎn)的灌溉水流量信息.因此解決農(nóng)業(yè)灌溉用水信息獲取困難的問(wèn)題，對(duì)于緩解水資源的緊缺非常重要.

目前國(guó)內(nèi)外基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化灌溉系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的組網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集、顯示存儲(chǔ)等基本監(jiān)控功能，以及將傳感器數(shù)據(jù)上傳至管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智慧決策灌溉.例如：美國(guó)利用“3S”技術(shù)獲取、傳送、處理各類農(nóng)業(yè)信息，通過(guò)此技術(shù)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)灌溉.但該技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且難以建立網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)關(guān)系，而且還存在信號(hào)誤差等問(wèn)題[1-2].BATCHES等[3]開(kāi)發(fā)了一套用于評(píng)價(jià)地下滴灌合理性的專家系統(tǒng)，用于滴灌器的排布選擇.PLANT等[4]針對(duì)棉花的生產(chǎn)灌溉問(wèn)題，利用CLARE專家系統(tǒng)外殼進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，考慮了作物蒸騰量、灌溉等各種問(wèn)題，知識(shí)庫(kù)非常豐富.夏繼紅等[5]利用人工智能的相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)節(jié)水灌溉智能系統(tǒng)，可以針對(duì)某種特定的作物形成有效的灌溉策略，但該系統(tǒng)只考慮單一作物，未考慮農(nóng)田間的其他相互制約關(guān)系.屈曉淵等[6]基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將各種傳感器構(gòu)成智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田的在線檢測(cè)和灌溉自動(dòng)化控制.李聰聰?shù)萚7]針對(duì)中國(guó)土壤水分流失和水資源浪費(fèi)問(wèn)題，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無(wú)線傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)智能灌溉系統(tǒng)，可以用于檢測(cè)區(qū)域內(nèi)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)的土壤水分信息，根據(jù)不同作物的生長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行控制決策，并使用Simulink仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性.趙焱[8]基于ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了分布式節(jié)水灌溉采集監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì).但此類節(jié)水灌溉物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)大多處于初步階段，并未考慮工業(yè)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)、節(jié)點(diǎn)反向控制、服務(wù)器結(jié)點(diǎn)宕機(jī)、系統(tǒng)權(quán)限管理、海量數(shù)據(jù)的并發(fā)等實(shí)際問(wèn)題，這些問(wèn)題會(huì)隨監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的增多而一一顯現(xiàn).因此現(xiàn)有的系統(tǒng)大多不能滿足多節(jié)點(diǎn)、大規(guī)模這一基本需求.

為了有效解決上述問(wèn)題，針對(duì)此類實(shí)際性需求，文中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì).此外，為實(shí)現(xiàn)實(shí)用性大規(guī)模用水節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS-RTU協(xié)議作為傳感器接入平臺(tái)的通用協(xié)議，任何傳感器只要滿足該協(xié)議即可接入該監(jiān)控系統(tǒng)成為系統(tǒng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)之一.同時(shí)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)權(quán)限分級(jí)管理功能，方便大規(guī)模應(yīng)用的管理.

1 節(jié)水灌溉監(jiān)控模型

農(nóng)業(yè)用水具有點(diǎn)多、面廣、分散和量小等特點(diǎn)[8-9]，因此，對(duì)農(nóng)業(yè)用水量的檢測(cè)比較困難.可在每個(gè)用水點(diǎn)部署1個(gè)或多個(gè)流量傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)用水區(qū)域部署1個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn).傳感器節(jié)點(diǎn)用于采集節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絅B-IOT網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議打包后上傳至核心網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換操作后進(jìn)入IOT服務(wù)器，IOT服務(wù)器部署在云服務(wù)器上，核心網(wǎng)絡(luò)可以直接連接該服務(wù)器IP地址.IOT服務(wù)器同時(shí)連接WEB服務(wù)器，WEB服務(wù)器同網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)控制、網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)以及用戶信息目錄等協(xié)同工作，能夠提供驗(yàn)證授權(quán)、賬戶服務(wù)以及數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能.流量監(jiān)控端可以使用任意一臺(tái)連接外網(wǎng)的主機(jī)瀏覽器，通過(guò)http請(qǐng)求訪問(wèn)WEB服務(wù)器以獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行顯示存儲(chǔ)等數(shù)據(jù)操作，并為監(jiān)控員提供決策支持[10-11].節(jié)水灌溉系統(tǒng)監(jiān)控模型如圖1所示.

圖1 節(jié)水灌溉監(jiān)控模型圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成：Device設(shè)備群、服務(wù)器以及客戶端[12].其中Device設(shè)備群即物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中感知層的傳感器設(shè)備，在本灌溉流量監(jiān)控系統(tǒng)中采用電磁流量計(jì)作為傳感器件，傳感器通過(guò)RS-485串口連接方式發(fā)送數(shù)據(jù)至NB-IOT結(jié)點(diǎn)，并通過(guò)此節(jié)點(diǎn)向服務(wù)器發(fā)送傳感器數(shù)據(jù).服務(wù)器端設(shè)計(jì)負(fù)載均衡集群系統(tǒng)，采用Nginx技術(shù)，通過(guò)輪訓(xùn)算法分配線程池IOT服務(wù)器，同時(shí)使WEB服務(wù)器中網(wǎng)頁(yè)端靜態(tài)資源與動(dòng)態(tài)資源分離，實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜結(jié)合的效果.MySQL服務(wù)器采用集群策略，利用MyCAT分片將IOT中數(shù)據(jù)寫入主數(shù)據(jù)庫(kù)中，網(wǎng)頁(yè)端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求通過(guò)訪問(wèn)從數(shù)據(jù)庫(kù)獲得.具體服務(wù)器可分為3個(gè)服務(wù)器程序：IOT服務(wù)器、MySQL服務(wù)器以及WEB服務(wù)器.IOT服務(wù)器主要用于接收底層Device群上傳的數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)解析后通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)接口存儲(chǔ)進(jìn)行數(shù)據(jù)持久化，MySQL服務(wù)器主要運(yùn)行MySQL守護(hù)進(jìn)程，定期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份以及對(duì)過(guò)量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行整合刪除等操作，WEB服務(wù)主要用于處理客戶端請(qǐng)求，提供驗(yàn)證授權(quán)、賬戶服務(wù)以及查詢數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容并將數(shù)據(jù)可視化的功能.客戶端部分包括WEB網(wǎng)頁(yè)客戶端和微信小程序客戶端，管理員可根據(jù)需要自行選擇需要使用的客戶端類型，2種類型的客戶端數(shù)據(jù)和狀態(tài)共享[13]，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

系統(tǒng)通過(guò)電磁流量計(jì)傳感器設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)流量監(jiān)控，由IOT服務(wù)器端獲取設(shè)備數(shù)據(jù)并以MODBUS協(xié)議進(jìn)行解析[14]，基于TCP協(xié)議將各測(cè)量點(diǎn)測(cè)量所得數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)持久化.在WEB服務(wù)器中進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)信息等操作，保證WEB網(wǎng)頁(yè)客戶端和微信小程序客戶端獲取信息的有效性和實(shí)時(shí)性.為降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，IOT服務(wù)器和WEB服務(wù)器之間通過(guò)MySQL進(jìn)行連通，少部分需要兩者連通的采用HTTP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換.

2.2 IOT服務(wù)器總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中IOT服務(wù)器設(shè)計(jì)基于TCP的C/S模式(客戶端/服務(wù)器模式)開(kāi)發(fā)，為保證服務(wù)器的高擴(kuò)展性和高兼容性，將服務(wù)器的功能分為4個(gè)大塊，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的低耦合高內(nèi)聚性.四大模塊分別為連接器模塊、服務(wù)模塊、系統(tǒng)配置及本地資源模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)資源模塊.各模塊詳細(xì)功能描述及實(shí)現(xiàn)如下所示.

2.2.1 IOT服務(wù)器連接器模塊實(shí)現(xiàn)

采用socket編程技術(shù)，在本地建立TCP服務(wù)器，創(chuàng)建連接時(shí)將進(jìn)行核心配置的初始化,該TCP進(jìn)程綁定本機(jī)指定端口即傳感器硬件網(wǎng)關(guān)的連接端口.IOT服務(wù)器維護(hù)一個(gè)連接守護(hù)進(jìn)程(connection daemon)，連接守護(hù)進(jìn)程將繼承監(jiān)聽(tīng)器接口，創(chuàng)建連接守護(hù)進(jìn)程后就可以調(diào)用監(jiān)聽(tīng)方法進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，具體功能實(shí)現(xiàn)如下：

1) 監(jiān)聽(tīng)連接功能:服務(wù)器的開(kāi)始，創(chuàng)建1個(gè)繼承監(jiān)聽(tīng)器接口的連接器，專門負(fù)責(zé)管理待連接的客戶端，當(dāng)創(chuàng)建連接的時(shí)候會(huì)進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，服務(wù)器端口此時(shí)綁定，當(dāng)創(chuàng)建后就可以開(kāi)啟監(jiān)聽(tīng)，每當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到連接就調(diào)用系統(tǒng)的線程資源進(jìn)行分配處理.

2) 連接過(guò)濾功能:此功能為系統(tǒng)可擴(kuò)展功能，開(kāi)發(fā)人員可根據(jù)需求設(shè)計(jì)加入不同的連接過(guò)濾器，加入的連接過(guò)濾器可根據(jù)需求過(guò)濾掉不想要接入的連接，但不會(huì)影響系統(tǒng)整體運(yùn)行，此連接過(guò)濾功能類似系統(tǒng)防火墻.

2.2.2 IOT服務(wù)器服務(wù)模塊實(shí)現(xiàn)

該模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)獲取的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理以及持久化操作，具體功能如下：

1) 檢測(cè)設(shè)備的正確應(yīng)答:在經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)分類處理后，進(jìn)入對(duì)應(yīng)服務(wù)內(nèi)部，首先將會(huì)檢測(cè)該連接的登錄信息的正確性，不正確則丟棄.

2) 與設(shè)備進(jìn)行信息傳輸，將獲得的有效信息加入數(shù)據(jù)庫(kù)：對(duì)獲取的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)傳感器接入時(shí)選擇的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，解析完成后將有用的數(shù)據(jù)裝入數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)持久化處理.

3) 解析WEB的消息請(qǐng)求，完成請(qǐng)求的內(nèi)容：IOT服務(wù)器與WEB服務(wù)器進(jìn)行信息直接交換時(shí)采用HHTP協(xié)議，在一定程度上簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜度.對(duì)于WEB的請(qǐng)求，IOT服務(wù)器按照HTTP協(xié)議的格式解析WEB請(qǐng)求，根據(jù)內(nèi)容將請(qǐng)求消息發(fā)送給終端設(shè)備或?qū)EB的請(qǐng)求給予回復(fù).

2.2.3 系統(tǒng)配置資源及本地資源模塊實(shí)現(xiàn)

該模塊主要對(duì)系統(tǒng)配置資源文件等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)定，方便二次開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)調(diào)試，具體功能實(shí)現(xiàn)如下所示：

1) 配置資源保存，且易于修改：該服務(wù)器的所有配置信息都放置在指定的配置文件資源中進(jìn)行管理，開(kāi)發(fā)和維護(hù)人員可以根據(jù)自身需求靈活更改和擴(kuò)展系統(tǒng)配置以實(shí)現(xiàn)各種擴(kuò)展功能.

2) 系統(tǒng)日志：服務(wù)器中操作流程及一些報(bào)錯(cuò)信息由log4j2系統(tǒng)日志一并管理，可隨時(shí)查看，方便運(yùn)維人員后期系統(tǒng)維護(hù).

3) 用戶自定義協(xié)議:定義協(xié)議解析的抽象模板類，用戶可根據(jù)實(shí)際的業(yè)務(wù)需求，繼承該模板實(shí)現(xiàn)自定義協(xié)議類后交由系統(tǒng)自動(dòng)維護(hù)，系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)議解析時(shí)會(huì)通過(guò)反射執(zhí)行自定義解析方法.

4) 設(shè)備映射表管理：IOT服務(wù)器將維護(hù)1個(gè)設(shè)備與IP的映射表，將在線設(shè)備的設(shè)備號(hào)和IP對(duì)應(yīng)關(guān)系加入該映射表，方便取用和查看.

2.3 WEB服務(wù)器總體設(shè)計(jì)

WEB是系統(tǒng)的交互樞紐，主要功能實(shí)現(xiàn)包括3部分：與IOT服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互、與MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互以及與客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互.前兩者采用nginx服務(wù)器分配動(dòng)態(tài)服務(wù)器處理資源信息，客戶端訪問(wèn)靜態(tài)資源需訪問(wèn)靜態(tài)資源服務(wù)器.在與IOT服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的過(guò)程中均采用HTTP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，規(guī)范了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換格式.在與客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的過(guò)程中，引入了身份-權(quán)限管理系統(tǒng)，不同身份的管理員擁有的權(quán)限不同，可進(jìn)行不同的操作，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性.服務(wù)器功能實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示.

圖3 WEB服務(wù)器功能實(shí)現(xiàn)流程圖

2.4 MySQL服務(wù)器總體設(shè)計(jì)

MySQL服務(wù)器主要維護(hù)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)守護(hù)進(jìn)程(DB daemon)，該守護(hù)進(jìn)程輸入后臺(tái)服務(wù)進(jìn)程，主要用于定時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行刪除、匯總等操作，為數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行瘦身，防止數(shù)據(jù)庫(kù)過(guò)飽和導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降.DB daemon的功能是對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)獲取周數(shù)據(jù)、月數(shù)據(jù)、年數(shù)據(jù)，并分別進(jìn)行存儲(chǔ)，隨后刪除處理后剩余的無(wú)用歷史數(shù)據(jù),保證了以最小的存儲(chǔ)代價(jià)實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的可達(dá)性.

同時(shí)采用MySQL集群技術(shù)，設(shè)置主從數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)定主庫(kù)寫、從庫(kù)讀的模式.利用MyCAT中間件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)讀寫分離，多節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡，解決當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器宕機(jī)時(shí)，節(jié)點(diǎn)無(wú)法工作的情況.寫入主數(shù)據(jù)中的信息利用二進(jìn)制文件會(huì)自動(dòng)更新至從數(shù)據(jù)庫(kù)中，保證了主從數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的一致性，使后期維護(hù)更加方便.

3 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)整體由微信小程序和WEB管理網(wǎng)頁(yè)兩部分組成.微信小程序主要設(shè)計(jì)為可進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)查詢以及簡(jiǎn)單的設(shè)備管理等操作，主要包含設(shè)備查詢、數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備控制、客服服務(wù)4個(gè)功能模塊，用戶可直接通過(guò)微信賬號(hào)驗(yàn)證登錄.WEB網(wǎng)頁(yè)前端設(shè)計(jì)主要采用HTML+CSS+JS編程技術(shù)，在前端界面的實(shí)現(xiàn)上采用Layui前端開(kāi)發(fā)框架，更加輕量和簡(jiǎn)單.文中所述系統(tǒng)主要功能模塊及描述如表1所示.

表1 系統(tǒng)主要功能模塊及描述

在測(cè)試實(shí)例中主要測(cè)試WEB網(wǎng)頁(yè)設(shè)備管理功能和數(shù)據(jù)查詢功能的實(shí)現(xiàn).測(cè)試項(xiàng)目和觀察結(jié)果如表2所示，測(cè)試過(guò)程中人為使其中某一服務(wù)器節(jié)點(diǎn)宕機(jī).

表2 測(cè)站管理項(xiàng)目測(cè)試表

4 結(jié) 論

結(jié)合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)技術(shù)、前后端開(kāi)發(fā)技術(shù)等設(shè)計(jì)了一套農(nóng)業(yè)灌溉多節(jié)點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，基于MODBUS協(xié)議以及TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)查詢和遠(yuǎn)程管理等功能，可以有效緩解因各用水點(diǎn)信息不足導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)等熱點(diǎn)問(wèn)題.具體如下：

1) 相比于其他的監(jiān)控系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)基本的灌溉數(shù)據(jù)監(jiān)控、設(shè)備控制等功能性需求的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)融入了權(quán)限管理模式，結(jié)合RBAC思想，設(shè)計(jì)權(quán)限管理系統(tǒng)，不同身份的用戶登錄具有不同的可執(zhí)行的操作權(quán)限.

2) 為實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模用水節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控管理需求，著重設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了IOT服務(wù)器和WEB服務(wù)器2個(gè)服務(wù)器進(jìn)程，其中IOT服務(wù)器面向底層傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，解決大量數(shù)據(jù)并發(fā)以及協(xié)議統(tǒng)一問(wèn)題.

3) 實(shí)現(xiàn)了工業(yè)通用協(xié)議的解析，用戶也可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求自定義協(xié)議解析方法添加至系統(tǒng)，為多設(shè)備、多協(xié)議的統(tǒng)一接入管理提供了有效的解決方案.對(duì)原先部署的節(jié)點(diǎn)只需要進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議包裝即可接入監(jiān)控系統(tǒng)，使該監(jiān)控系統(tǒng)相較于其他類似灌溉系統(tǒng)可以更好地應(yīng)用于大規(guī)模用水節(jié)點(diǎn)的灌溉監(jiān)控情景.