基于開源ThingsBoard平臺的智慧溫室升級改造

摘要：文章通過基于人工智能物聯(lián)網(wǎng)AIoT的在線實訓(xùn)仿真平臺ThingsBoard，完成智慧溫室的環(huán)境信息檢測、恒溫設(shè)備控制和智能告警等工作，以ThingsBoard平臺為架構(gòu)核心進行項目部署，完成項目安裝配置結(jié)果的檢測、智慧溫室項目儀表板的創(chuàng)建、溫度曲線組件的顯示和自動溫控系統(tǒng)規(guī)則鏈的設(shè)置，實現(xiàn)了智慧溫室在環(huán)境監(jiān)測和智能控制方面的進一步改造。相較于常規(guī)的物聯(lián)網(wǎng)方案，文章引入以ThingsBoard平臺為核心的新架構(gòu)，方便系統(tǒng)解決方案的移植和拓展，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一站式管理，有助于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、降低管理控制成本，具有一定的理論和實踐價值。

關(guān)鍵詞：智慧溫室；AIoT技術(shù)；ThingsBoard平臺；智能控制

中圖分類號：TP274? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）05-0028-04

0 引言

隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，民眾對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和物種的豐富性提出了更高的要求。為了滿足農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)供給需求，智慧溫室的種植方式和管理模式也有了較快的發(fā)展［1］。目前，發(fā)達國家的農(nóng)業(yè)已進入農(nóng)業(yè)智慧化階段，智慧型農(nóng)業(yè)技術(shù)也已實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。與之相比，我國智慧農(nóng)業(yè)仍缺乏基礎(chǔ)研究和技術(shù)積累，各項先進的關(guān)鍵技術(shù)仍處于實驗室研發(fā)和中試階段，特別在智慧溫室環(huán)境監(jiān)測和自動控制方面，技術(shù)的合理性與全面性還有較大的提升空間［2］。當前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以通信技術(shù)為手段，提供信息獲取、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)分析處理等服務(wù)，從而實現(xiàn)人、機、物之間的互聯(lián)。在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連接數(shù)以萬計，迎來高速發(fā)展階段［3］。AIoT（Artificial Intelligence & Internet of Things，人工智能物聯(lián)網(wǎng)）融合AI技術(shù)和IoT技術(shù)，通過物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生、收集海量的數(shù)據(jù)存儲于云端、邊緣端，再通過大數(shù)據(jù)分析以及更高形式的人工智能，實現(xiàn)萬物數(shù)據(jù)化、萬物智聯(lián)化。融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)形成智能化生態(tài)體系是目前國內(nèi)外研究的焦點。為進一步提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、降低管理和控制成本，本文借助AIoT的開源平臺ThingsBoard，實現(xiàn)溫室智能化在環(huán)境監(jiān)測和智能控制方面的進一步改造，構(gòu)建一個物聯(lián)網(wǎng)智慧感知數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一站式智慧管理，進一步優(yōu)化農(nóng)作物生長環(huán)境，對增收增產(chǎn)具有重大意義。

1 需求分析

溫度是農(nóng)作物生命活動的重要生存因子，對農(nóng)作物的生長發(fā)育影響很大。農(nóng)作物各項生理活動都要求有最低溫度、最適溫度和最高溫度標準，這是溫度的三基點。植物在最適溫度下生長發(fā)育良好，超過最高溫度或低于最低溫度便生長不良甚至死亡。溫室（greenhouse）又稱為暖房，能透光、保溫（或加溫），在不適宜農(nóng)作物生長的季節(jié)，能提供溫室生育期、提高作物產(chǎn)量，多用于低溫季節(jié)喜溫蔬菜、花卉等植物的栽培或育苗等。溫室系統(tǒng)的設(shè)計包括增溫系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)、降溫系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)等，其中包括含有排風(fēng)扇、熱風(fēng)扇、溫度感應(yīng)器的溫控系統(tǒng)及恒溫系統(tǒng)控制箱，以適時調(diào)節(jié)溫度。

本文基于開源的ThingsBoard平臺對溫室進行智能化改造，搭建一個物聯(lián)網(wǎng)智能恒溫系統(tǒng)，通過測量溫室內(nèi)外溫度，使用恒溫機和空氣循環(huán)機2種方式實現(xiàn)溫室環(huán)境監(jiān)測管理和自動恒溫控制，并盡可能地降低能耗。當室內(nèi)溫度超過用戶指定閾值時，系統(tǒng)根據(jù)溫室內(nèi)外溫度自行決定是否啟動“恒溫”設(shè)備，并在物聯(lián)網(wǎng)平臺端實時顯示溫室內(nèi)外的溫度、濕度數(shù)據(jù)以及溫度調(diào)節(jié)控制設(shè)備是否啟動等信息。系統(tǒng)搭建完成后，需為用戶提供智能恒溫系統(tǒng)的設(shè)計圖紙并附上文字說明和數(shù)據(jù)手冊，清晰描述系統(tǒng)的執(zhí)行邏輯。智慧溫室智能恒溫控制邏輯如圖1所示。

具體改造需求描述如下：①室內(nèi)溫度正常時，恒溫機和空氣循環(huán)機不工作；②室內(nèi)溫度異常、室外溫度正常時，空氣循環(huán)機工作；③室內(nèi)溫度異常、室外溫度異常時，恒溫機工作；④使用物聯(lián)網(wǎng)平臺的組態(tài)軟件開發(fā)用戶界面，顯示室內(nèi)、室外溫度情況（實時數(shù)值、動態(tài)曲線）和執(zhí)行設(shè)備狀態(tài)；⑤使用物聯(lián)網(wǎng)平臺的組態(tài)軟件完善系統(tǒng)功能，繪制控制系統(tǒng)鏈路邏輯，實時展示恒溫機與空氣循環(huán)機的工作狀態(tài)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 解決方案

該系統(tǒng)以AIoT平臺為核心，由IoT設(shè)備層、IoT接入層、IoT平臺層和IoT應(yīng)用層4層技術(shù)棧組成［4］。通過感知設(shè)備獲取溫室內(nèi)外環(huán)境信息，再由MQTT、CoAP和HTTP等協(xié)議完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)并上傳至IoT平臺，完成數(shù)據(jù)的分析處理并展示數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)功能策略實現(xiàn)溫室的環(huán)境監(jiān)測和恒溫控制。溫室智能化改造實現(xiàn)方案如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)配置

（1）傳感/執(zhí)行設(shè)備。由于溫室面積不大，考慮到系統(tǒng)搭建的成本問題，選用支持Modbus RTU協(xié)議通信的RS485設(shè)備完成溫室環(huán)境信息采集，設(shè)備包括RS485溫濕度傳感器節(jié)點（室內(nèi)和室外2種）和Adam4150數(shù)據(jù)采集模塊。選用同樣支持該通信協(xié)議的執(zhí)行器（220V暖風(fēng)機作為恒溫機和220V風(fēng)機作為空氣循環(huán)機）連接到RS485總線［5］。

（2）網(wǎng)關(guān)。選用Linux基金會支持的邊緣計算開源平臺EdgeX Foundry，部署在路由器或交換機等邊緣設(shè)備上，為傳感設(shè)備或其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供即插即用功能和管理功能，進一步收集和管理數(shù)據(jù)，輸出到邊緣計算應(yīng)用或AIoT平臺做進一步處理。

（3）AIoT平臺。選用基于Java的開源平臺ThingsBoard作為本系統(tǒng)的核心平臺，該平臺在架構(gòu)先進性、功能完整性、文檔完備性等方面優(yōu)于眾多物聯(lián)網(wǎng)平臺，能較好地實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)項目的管理、開發(fā)與擴展，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備管理和數(shù)據(jù)可視化。本系統(tǒng)將該平臺用于數(shù)據(jù)收集、處理、可視化和設(shè)備管理，主要包含用戶添加、設(shè)備添加、設(shè)備分配、報警和規(guī)則鏈等功能。通過物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的標準協(xié)議（MQTT、CoAP和HTTP）實現(xiàn)傳感/執(zhí)行設(shè)備的連接，支持云和本地部署2種方式［6］。該平臺能夠定義設(shè)備、資產(chǎn)和客戶之間的關(guān)系，完成設(shè)備管理和警報管理；可進行水平擴展，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化；有一定的容錯性及海量的設(shè)備容量和高效的處理性能，不會丟失數(shù)據(jù)。該平臺還能提供管理實體的核心服務(wù)，例如設(shè)備及憑據(jù)，規(guī)則鏈及規(guī)則節(jié)點，租戶、客戶和平臺的關(guān)系，小部件和儀表板，警報和事件，等等。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)方式

3.1 設(shè)置Modbus RTU匯聚模塊

在仿真設(shè)備界面分別安裝2個RS485溫濕度傳感器（室內(nèi)和室外），安裝Adam4150數(shù)據(jù)采集模塊，通過RS485轉(zhuǎn)RS232的轉(zhuǎn)換模塊接入網(wǎng)關(guān)設(shè)備的串口；安裝暖風(fēng)機作為恒溫機、風(fēng)機作為空氣循環(huán)機，通過中間繼電器接到Adam4150的輸出端口。雙擊設(shè)備地址碼，在彈出的界面進行設(shè)置，該系統(tǒng)Modbus設(shè)備地址的分配情況如下：室內(nèi)溫濕度傳感器為地址1，數(shù)據(jù)采集模塊Adam4150為地址2，室外溫濕度傳感器為地址3。給所有設(shè)備供上電源，最終形成Modbus RTU匯聚模塊。該匯聚模塊是RS485總線跟ThingsBoard網(wǎng)關(guān)之間的關(guān)鍵節(jié)點，用于完成數(shù)據(jù)上傳和指令下達任務(wù)。

3.2 部署EdgeX（ireland）作為ThingsBoard網(wǎng)關(guān)

在仿真平臺主界面，選擇“虛擬機服務(wù)”，記錄頁面中顯示的虛擬機IP和開放的端口范圍，然后通過Docker-Compose方式完成EdgeX的安裝。將EdgeX添加到ThingsBoard平臺連接器tb-gateway上，用于轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備和IoT平臺的傳感數(shù)據(jù)和命令。所有配置到EdgeX的設(shè)備所發(fā)送的傳感數(shù)據(jù)，都會被tb-gateway轉(zhuǎn)發(fā)到ThingsBoard平臺，而從平臺的規(guī)則鏈或者儀表板上發(fā)送給執(zhí)行設(shè)備的RPC請求，也會被tb-gateway轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的設(shè)備。

將EdgeX（ireland）部署為ThingsBoard網(wǎng)關(guān)的步驟如下：編輯連接器的配置→修改設(shè)備模組總線服務(wù)→啟動配置參數(shù)→修改設(shè)備配置文件→修改UI和consul的映射端口→重新打開瀏覽器界面→輸入虛擬機IP與端口號30001→打開EdgeX的UI設(shè)計界面。

3.3 部署ThingsBoard項目實體

智慧溫室項目采用開源的ThingsBoard平臺作為核心平臺，需要在該平臺上為智慧溫室項目設(shè)計一個實時數(shù)據(jù)監(jiān)控儀表盤進行數(shù)據(jù)實時監(jiān)控，并設(shè)計報警和恒溫控制策略［7］。為了實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)顯示的儀表盤和策略，需要添加相應(yīng)的資產(chǎn)、設(shè)備配置類型、設(shè)備等信息，以及設(shè)置相關(guān)的資產(chǎn)/設(shè)備關(guān)系。ThingsBoard作為教學(xué)實驗平臺，可通過一個平臺租戶賬號，實現(xiàn)多個IoT工程，每個IoT工程需要在使用的實體類型、資產(chǎn)類型加上一個前綴，以區(qū)別不同的IoT工程。本項目智慧溫室所有類型都加一個green前綴。AIoT在線工程仿真實訓(xùn)平臺ThingsBoard界面如圖3所示。智慧溫室項目具體部署辦法如下。

（1）創(chuàng)建項目資產(chǎn)。將設(shè)備配置文件中的傳感器、執(zhí)行器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備添加到平臺上，創(chuàng)建項目資產(chǎn)列表，添加網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

（2）檢查項目安裝配置結(jié)果。在仿真設(shè)備平臺上開啟模擬實驗，通過檢查設(shè)備配置文件所列設(shè)備是否自動創(chuàng)建成功來檢查EdgeX網(wǎng)關(guān)的部署是否正確，如果設(shè)備列表不完全，重新檢查網(wǎng)關(guān)的配置文件；點擊溫度、濕度傳感器，如果有遙測數(shù)據(jù)顯示，說明設(shè)備配置成功。修改設(shè)備類型，編輯溫濕度傳感器的設(shè)備類型級標簽值，將設(shè)備名稱、設(shè)備標簽和設(shè)備配置文件一一對應(yīng)；修改設(shè)備與資產(chǎn)的關(guān)系，通常是包含與被包含的關(guān)系，該系統(tǒng)中項目資產(chǎn)智慧溫室包含溫濕度傳感器、暖風(fēng)機和風(fēng)機等各種設(shè)備；修改設(shè)備與設(shè)備之間的關(guān)系，在設(shè)備名稱、關(guān)聯(lián)方向、關(guān)聯(lián)類型和關(guān)聯(lián)的設(shè)備等方面建立設(shè)備與設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)，例如暖風(fēng)機和風(fēng)機設(shè)備與溫濕度傳感器設(shè)備是從屬關(guān)系。在鍵名稱、鍵值類型和鍵值3個方面設(shè)置實體服務(wù)端屬性，并將實體名稱、實體類型、實體標簽和實體服務(wù)端屬性一一對應(yīng)。

（3）創(chuàng)建智慧溫室項目儀表板。登錄IoT平臺，創(chuàng)建項目儀表板，在智慧溫室仿真場景中（也可稱為地圖）顯示溫濕度傳感器、恒溫機和空氣循環(huán)機等設(shè)備。打開儀表板編輯界面，在儀表板添加組件，在實體別名管理界面添加實體別名，室內(nèi)溫度、室外溫度的過濾類型同為“單個實體”，而溫室設(shè)備過濾類型為“關(guān)系查詢”；在三級選擇項里，室內(nèi)溫度和室外溫度的類型為“設(shè)備”，而溫室設(shè)備的類型為“根實體”，并且只有溫室設(shè)備是多實體存在的。將上述連接好的傳感、執(zhí)行和網(wǎng)關(guān)設(shè)備在仿真平臺上運行，能看到設(shè)備上報的遙測數(shù)據(jù)，在添加地圖組件的數(shù)據(jù)源時，列表中能看到設(shè)備的遙測變量和設(shè)備服務(wù)端屬性的變量。添加圖片地圖組件和數(shù)據(jù)源，注意在添加風(fēng)扇設(shè)備的狀態(tài)值時，需要手動輸入該狀態(tài)值變量；修改地圖標題為“智慧溫室”，修改溫室背景圖、實體在地圖上的顯示名稱、實體標簽信息顯示函數(shù)及實體提示信息顯示函數(shù)；添加實體顯示圖片，修改圖表顯示函數(shù)和圖片地圖組件尺寸，設(shè)置實體在地圖上為“可拖拽模式”，修改溫度返回值。

（4）添加溫度曲線顯示組件。在界面中添加并顯示智慧溫室室內(nèi)外溫濕度歷史數(shù)據(jù)的圖表組件；設(shè)置曲線組件數(shù)據(jù)源，并調(diào)整尺寸和位置；在編輯界面修改曲線組件標題；設(shè)置曲線組件參數(shù)為“平滑顯示模式”。

（5）設(shè)置溫度控制自動排氣扇策略。通過ThingsBoard平臺自身的規(guī)則鏈庫進行報警鏈的設(shè)置。根據(jù)室內(nèi)外的環(huán)境溫度控制空氣循環(huán)機和恒溫機，從空氣循環(huán)機或恒溫機的角度出發(fā)，獲取室內(nèi)外的溫度值，根據(jù)溫控需求，判斷是否需要發(fā)送開啟或停止的命令請求。例如，當傳感器獲取到的溫室內(nèi)溫度高于50℃時會出發(fā)高溫警報，并打開空氣循環(huán)機降溫，報警信息展示在平臺儀表盤，由用戶自行決定是否清除警報。設(shè)置具體步驟如下：①打開規(guī)則鏈編輯界面，添加獲取室內(nèi)溫度節(jié)點并連線input節(jié)點，作為其輸入源，按照相同的步驟添加獲取室外溫度節(jié)點；②添加生成RPC消息節(jié)點，加入生成RPC消息的代碼；③從生成RPC消息節(jié)點輸出的數(shù)據(jù)需要過濾再發(fā)送到設(shè)備，從過濾器列表中拖拽1個Script節(jié)點到編輯區(qū)，完成消息檢測節(jié)點的添加；④從動作列表中拖拽1個rpc call request節(jié)點到編輯區(qū)，并輸入節(jié)點名稱“發(fā)送RPC”。

（6）將智慧溫室溫控規(guī)則鏈加入根規(guī)則鏈。在規(guī)則鏈庫列表中，打開Root Rule Chain，從Message Type Switch拉出的1條Post telemetry連線到智慧溫室溫控控制鏈。

（7）檢查智慧溫室溫控規(guī)則鏈結(jié)果。運行EdgeX設(shè)備，開啟仿真設(shè)備平臺的模擬實驗。設(shè)置恒溫觸發(fā)條件，將溫濕度傳感器的閾值設(shè)定為15～35 ℃，此溫度為農(nóng)作物生長的適宜溫度。修改仿真實驗平臺室內(nèi)溫濕度傳感器和室外溫濕度傳感器的測試條件，檢查恒溫機和空氣循環(huán)機的運行效果。當室內(nèi)、室外溫度均為20 ℃時，恒溫機和空氣循環(huán)機都不運轉(zhuǎn)；當室內(nèi)溫度為12 ℃、室外溫度為20 ℃時，空氣循環(huán)機運轉(zhuǎn)；當室內(nèi)、室外溫度均為12 ℃時，恒溫機運轉(zhuǎn)。

4 結(jié)語

本文從智慧溫室的實際改造需求出發(fā)，基于開源的ThingsBoard平臺給出詳細的系統(tǒng)設(shè)計方案，進行項目安裝配置結(jié)果的檢測、智慧溫室項目儀表板的創(chuàng)建、溫度曲線組件的顯示和自動溫控系統(tǒng)規(guī)則鏈的設(shè)置，完成智慧溫室的環(huán)境信息展示、自動恒溫設(shè)備控制和智能報警等工作。該系統(tǒng)解決方案可以移植到其他智能數(shù)據(jù)監(jiān)測和設(shè)備控制的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，有一定的理論和實踐價值。由于當前ThingsBoard平臺操作復(fù)雜、用戶門檻高，因此后續(xù)研究重點可放在進一步改善開發(fā)平臺的可操作性上，提升用戶體驗感，促進物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算等核心關(guān)鍵技術(shù)與農(nóng)業(yè)的深度融合。

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*2022年河南省高等學(xué)校重點科研項目“萬物互聯(lián)視域下物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)助力鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略脫貧攻堅應(yīng)用研究”（22B520032）。

【作者簡介】李雅迪，女，河南鄭州人，碩士，任職于鄭州財稅金融職業(yè)學(xué)院，助教，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、人工智能圖像處理。

【引用本文】李雅迪.基于開源ThingsBoard平臺的智慧溫室升級改造［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2023（5）：28-31.