基于MQTT的草莓溫室物聯(lián)網監(jiān)控系統(tǒng)設計

姬麗雯，高菊玲，劉永華

（江蘇農林職業(yè)技術學院，江蘇句容 212400）

0 引言

草莓是我國農業(yè)增效、農民增收的重要產業(yè)，我國的草莓生產面積和產量居世界第一。目前草莓大多采用溫室設施栽培生產，能提前上市，提高生產效益，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)控是抵御自然災害，提高自動化程度的重要途徑[1]。如果依靠人工采集數(shù)據、現(xiàn)場調控設施，不僅會造成工作效率低、采集數(shù)據誤差大，還會影響最終的控制效果。基于物聯(lián)網的草莓溫室監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程監(jiān)測草莓的生長環(huán)境信息，并對設施環(huán)境進行智能化調控，以提高生產管理水平，促進農業(yè)發(fā)展方式轉變[2]。朱均超等設計了基于物聯(lián)網的農業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，但是無法通過設施控制調節(jié)環(huán)境參數(shù)[3]。柳軍等實現(xiàn)了溫室環(huán)境數(shù)據的采集和監(jiān)測，并列舉了溫室調控的執(zhí)行機構，但并沒有進行配套的控制功能開發(fā)[4]。

本文通過物聯(lián)網和傳感技術的融合，設計物聯(lián)網監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)草莓溫室環(huán)境參數(shù)的實時采集和遠程控制。使用輕量級的通信協(xié)議MQTT，降低了通信成本，在帶寬受限的農業(yè)物聯(lián)網應用場景中具有較好的傳輸性能。采用分布式系統(tǒng)設計，可以使傳感器實現(xiàn)即插即用。設計響應式監(jiān)控平臺，滿足不同終端用戶需求。

1 系統(tǒng)總體架構

基于MQTT的草莓溫室物聯(lián)網控制系統(tǒng)由三層架構組成，分別為物理感知層、網絡傳輸層和終端應用層[5]，總體結構如圖1所示。物理感知層處于系統(tǒng)的最底層，分為數(shù)據采集模塊和執(zhí)行機構模塊。通過傳感器采集到環(huán)境參數(shù)，輸入到采集控制器中進行匯總，將匯總后的數(shù)據送到無線終端設備DTU。DTU作為數(shù)據傳輸單元，可以將環(huán)境參數(shù)通過GPRS方式傳輸至網絡傳輸層的云服務器，也可以將云服務器處理后的控制命令轉換為串口數(shù)據輸送給執(zhí)行控制器，用以調節(jié)溫室設備。網絡層將接收到的環(huán)境參數(shù)存儲到數(shù)據庫中，并響應終端的查詢和控制請求。終端應用層提供多種類型終端的人機交互接口，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據的實時監(jiān)測和溫室設備的遠程調控，并具有歷史數(shù)據查看、系統(tǒng)管理、設備管理功能。

圖1?系統(tǒng)總體結構

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備進行調控，結構框圖如圖2所示。該層包括匯總數(shù)據及控制設備的采集控制節(jié)點、用于數(shù)據采集的環(huán)境傳感器、溫室環(huán)境控制設備，另外，為將溫室環(huán)境數(shù)據方便可靠的傳輸至網絡層，本層還包括網絡傳輸模塊DTU。

圖2?感知層結構框圖

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，并可以擴展模擬量輸入模塊，實現(xiàn)溫室設備的手動/自動控制模式切換，環(huán)境數(shù)據的匯總，以及溫室設備的控制，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備獨立控制按鈕外，還要連接數(shù)據采集傳感器。需要采集的環(huán)境因子有6個參數(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度。因傳感器的輸出值為模擬量，PLC需要外接兩個模擬輸入模塊EM231，用以將傳感器采集到的模擬量數(shù)據匯集到PLC中。PLC的輸出連接控制溫室設備運行的交流接觸器和報警用指示燈。

為了實現(xiàn)數(shù)據的可靠傳輸，PLC選用自帶的RS485通信接口與網絡傳輸模塊DTU進行通信。傳感器的數(shù)據輸入到PLC中，經過打包發(fā)送到DTU中。考慮到溫室所處環(huán)境偏僻，所以使用性價比高、靈活性好的GPRS通信方式，將DTU的數(shù)據傳輸至云服務器。

圖3?PLC的硬件接線圖

3 網絡傳輸層

網絡傳輸層是連接物理感知層和中間應用層的中間環(huán)節(jié)，負責將物理感知層收集到的環(huán)境參數(shù)打包上傳，同時將終端應用層的用戶指令進行下傳。

圖4?網絡傳輸層的傳輸原理

本層的數(shù)據傳輸功能應用MQTT協(xié)議實現(xiàn)。從感知層傳輸數(shù)據時，將各個智能網關定義成消息的發(fā)布者，環(huán)境參數(shù)通過服務器傳輸，同時將響應終端定義成訂閱者，實現(xiàn)草莓溫室環(huán)境參數(shù)的遠程監(jiān)測。在控制溫室設備時，則是把響應終端定義成發(fā)布者，代理服務器將用戶的控制指令發(fā)送到訂閱了對應主題的控制設備上，實現(xiàn)溫室設備的遠程控制。網絡傳輸層的傳輸原理如圖4所示。

智能網關和響應終端通過MQTT協(xié)議進行數(shù)據傳輸時，訂閱與發(fā)布必須要有主題。草莓溫室的數(shù)據采集和控制都需要相應的主題，因此在監(jiān)控系統(tǒng)網絡層傳輸時需要兩個維度的主題，分別是采集數(shù)據主題和控制命令主題：

采集數(shù)據主題“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（環(huán)境數(shù)據）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)網系統(tǒng)中客戶對溫室設備的控制命令。主題中各關鍵字解釋見表2。

表2?主題關鍵字

4 終端應用層

終端應用層提供了人機交互平臺。用戶可以實時查看溫室環(huán)境數(shù)據，回放歷史數(shù)據。管理員賬號可以遠程控制溫室設備，進行設備管理和系統(tǒng)管理。應用層采用了瀏覽器/服務器（B/S）結構進行開發(fā)，靜態(tài)界面使用Bootstrap開源框架，響應式布局，可以適配多種用戶終端。在靜態(tài)界面中插入JSP文件實現(xiàn)數(shù)據的動態(tài)加載和自動刷新。引入echarts開源可視化圖標庫，實現(xiàn)歷史數(shù)據的折線表示。

5 系統(tǒng)測試

溫室物聯(lián)網監(jiān)控系統(tǒng)搭建完成后，置于江蘇農博園草莓溫室內進行測試。測試過程中系統(tǒng)運行正常，數(shù)據采集準確可靠，控制設備響應迅速。界面操作流暢無卡頓，數(shù)據返回迅速，具有良好的人機交互性能。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)據作為衡量參數(shù)，以同一傳感器上傳的50個數(shù)據為一組，得到系統(tǒng)測得的平均監(jiān)測值和實地平均監(jiān)測值的參數(shù)對比，如圖表3所示。經過對比，六種環(huán)境參數(shù)誤差均小于5%，系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據準確，效果良好。

表3?環(huán)境參數(shù)對比

6 結語

物聯(lián)網技術與設施農業(yè)生產相融合，促進草莓產業(yè)轉型升級。本文設計的草莓溫室物聯(lián)網監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了環(huán)境數(shù)據的實時采集和設備的遠程控制，具有歷史數(shù)據查看、系統(tǒng)管理、設備管理等功能，提高溫室管理水平。