基于MQTT的草莓溫室物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姬麗雯，高菊玲，劉永華

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇句容 212400）

0 引言

草莓是我國農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收的重要產(chǎn)業(yè)，我國的草莓生產(chǎn)面積和產(chǎn)量居世界第一。目前草莓大多采用溫室設(shè)施栽培生產(chǎn)，能提前上市，提高生產(chǎn)效益，因而對草莓溫室的管理十分重要。

草莓溫室環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控是抵御自然災(zāi)害，提高自動(dòng)化程度的重要途徑[1]。如果依靠人工采集數(shù)據(jù)、現(xiàn)場調(diào)控設(shè)施，不僅會造成工作效率低、采集數(shù)據(jù)誤差大，還會影響最終的控制效果。基于物聯(lián)網(wǎng)的草莓溫室監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測草莓的生長環(huán)境信息，并對設(shè)施環(huán)境進(jìn)行智能化調(diào)控，以提高生產(chǎn)管理水平，促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變[2]。朱均超等設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，但是無法通過設(shè)施控制調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)[3]。柳軍等實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測，并列舉了溫室調(diào)控的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但并沒有進(jìn)行配套的控制功能開發(fā)[4]。

本文通過物聯(lián)網(wǎng)和傳感技術(shù)的融合，設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)草莓溫室環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程控制。使用輕量級的通信協(xié)議MQTT，降低了通信成本，在帶寬受限的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景中具有較好的傳輸性能。采用分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以使傳感器實(shí)現(xiàn)即插即用。設(shè)計(jì)響應(yīng)式監(jiān)控平臺，滿足不同終端用戶需求。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于MQTT的草莓溫室物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)由三層架構(gòu)組成，分別為物理感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和終端應(yīng)用層[5]，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。物理感知層處于系統(tǒng)的最底層，分為數(shù)據(jù)采集模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊。通過傳感器采集到環(huán)境參數(shù)，輸入到采集控制器中進(jìn)行匯總，將匯總后的數(shù)據(jù)送到無線終端設(shè)備DTU。DTU作為數(shù)據(jù)傳輸單元，可以將環(huán)境參數(shù)通過GPRS方式傳輸至網(wǎng)絡(luò)傳輸層的云服務(wù)器，也可以將云服務(wù)器處理后的控制命令轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)輸送給執(zhí)行控制器，用以調(diào)節(jié)溫室設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)層將接收到的環(huán)境參數(shù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，并響應(yīng)終端的查詢和控制請求。終端應(yīng)用層提供多種類型終端的人機(jī)交互接口，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和溫室設(shè)備的遠(yuǎn)程調(diào)控，并具有歷史數(shù)據(jù)查看、系統(tǒng)管理、設(shè)備管理功能。

圖1?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 物理感知層

感知層的作用是采集和傳輸草莓溫室環(huán)境參數(shù)[6，7]，并通過控制器對溫室設(shè)備進(jìn)行調(diào)控，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該層包括匯總數(shù)據(jù)及控制設(shè)備的采集控制節(jié)點(diǎn)、用于數(shù)據(jù)采集的環(huán)境傳感器、溫室環(huán)境控制設(shè)備，另外，為將溫室環(huán)境數(shù)據(jù)方便可靠的傳輸至網(wǎng)絡(luò)層，本層還包括網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊DTU。

圖2?感知層結(jié)構(gòu)框圖

采集控制器系統(tǒng)是物理感知層的核心。系統(tǒng)的處理器采用了西門子的CPU226PLC，該款處理器具有充足的數(shù)字量I/O接口，并可以擴(kuò)展模擬量輸入模塊，實(shí)現(xiàn)溫室設(shè)備的手動(dòng)/自動(dòng)控制模式切換，環(huán)境數(shù)據(jù)的匯總，以及溫室設(shè)備的控制，PLC的輸入輸出分配表見表1。

表1?PLC輸入輸出分配表

由圖3所示，PLC的輸入接口除了連接溫室設(shè)備獨(dú)立控制按鈕外，還要連接數(shù)據(jù)采集傳感器。需要采集的環(huán)境因子有6個(gè)參數(shù)，分別是空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度。因傳感器的輸出值為模擬量，PLC需要外接兩個(gè)模擬輸入模塊EM231，用以將傳感器采集到的模擬量數(shù)據(jù)匯集到PLC中。PLC的輸出連接控制溫室設(shè)備運(yùn)行的交流接觸器和報(bào)警用指示燈。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，PLC選用自帶的RS485通信接口與網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊DTU進(jìn)行通信。傳感器的數(shù)據(jù)輸入到PLC中，經(jīng)過打包發(fā)送到DTU中。考慮到溫室所處環(huán)境偏僻，所以使用性價(jià)比高、靈活性好的GPRS通信方式，將DTU的數(shù)據(jù)傳輸至云服務(wù)器。

圖3?PLC的硬件接線圖

3 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

網(wǎng)絡(luò)傳輸層是連接物理感知層和中間應(yīng)用層的中間環(huán)節(jié)，負(fù)責(zé)將物理感知層收集到的環(huán)境參數(shù)打包上傳，同時(shí)將終端應(yīng)用層的用戶指令進(jìn)行下傳。

圖4?網(wǎng)絡(luò)傳輸層的傳輸原理

本層的數(shù)據(jù)傳輸功能應(yīng)用MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)。從感知層傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，將各個(gè)智能網(wǎng)關(guān)定義成消息的發(fā)布者，環(huán)境參數(shù)通過服務(wù)器傳輸，同時(shí)將響應(yīng)終端定義成訂閱者，實(shí)現(xiàn)草莓溫室環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。在控制溫室設(shè)備時(shí)，則是把響應(yīng)終端定義成發(fā)布者，代理服務(wù)器將用戶的控制指令發(fā)送到訂閱了對應(yīng)主題的控制設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)溫室設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。網(wǎng)絡(luò)傳輸層的傳輸原理如圖4所示。

智能網(wǎng)關(guān)和響應(yīng)終端通過MQTT協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，訂閱與發(fā)布必須要有主題。草莓溫室的數(shù)據(jù)采集和控制都需要相應(yīng)的主題，因此在監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層傳輸時(shí)需要兩個(gè)維度的主題，分別是采集數(shù)據(jù)主題和控制命令主題：

采集數(shù)據(jù)主題“Iot／GreenhouseID／SensorID／Data”，該主題主要用于傳輸傳感器編號、傳感器狀態(tài)、傳感器數(shù)據(jù)（環(huán)境數(shù)據(jù)）等消息。

控制命令主題“Iot／GreenhouseID／DeviceID／Control”，該主題主要用于傳輸物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中客戶對溫室設(shè)備的控制命令。主題中各關(guān)鍵字解釋見表2。

表2?主題關(guān)鍵字

4 終端應(yīng)用層

終端應(yīng)用層提供了人機(jī)交互平臺。用戶可以實(shí)時(shí)查看溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，回放歷史數(shù)據(jù)。管理員賬號可以遠(yuǎn)程控制溫室設(shè)備，進(jìn)行設(shè)備管理和系統(tǒng)管理。應(yīng)用層采用了瀏覽器/服務(wù)器（B/S）結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，靜態(tài)界面使用Bootstrap開源框架，響應(yīng)式布局，可以適配多種用戶終端。在靜態(tài)界面中插入JSP文件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)加載和自動(dòng)刷新。引入echarts開源可視化圖標(biāo)庫，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的折線表示。

5 系統(tǒng)測試

溫室物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)搭建完成后，置于江蘇農(nóng)博園草莓溫室內(nèi)進(jìn)行測試。測試過程中系統(tǒng)運(yùn)行正常，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確可靠，控制設(shè)備響應(yīng)迅速。界面操作流暢無卡頓，數(shù)據(jù)返回迅速，具有良好的人機(jī)交互性能。系統(tǒng)顯示界面如圖5所示。

圖5?系統(tǒng)顯示界面

溫室環(huán)境數(shù)據(jù)作為衡量參數(shù)，以同一傳感器上傳的50個(gè)數(shù)據(jù)為一組，得到系統(tǒng)測得的平均監(jiān)測值和實(shí)地平均監(jiān)測值的參數(shù)對比，如圖表3所示。經(jīng)過對比，六種環(huán)境參數(shù)誤差均小于5%，系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，效果良好。

表3?環(huán)境參數(shù)對比

6 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相融合，促進(jìn)草莓產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。本文設(shè)計(jì)的草莓溫室物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，具有歷史數(shù)據(jù)查看、系統(tǒng)管理、設(shè)備管理等功能，提高溫室管理水平。