基于MQTT的溫室環(huán)境智能管理系統.pdf

機械裝備研發(fā) Research Development of Machinery and Equipment 129 2020 年 2 月下 基于 MQTT 的溫室環(huán)境智能管理系統 冀金泉 趙明富 李國厚 侯志松 河南科技學院 河南 新鄉(xiāng) 453003 摘 要 文章針對目前溫室環(huán)境管理系統組網方式復雜 跨網段遠程控制困難以及依賴于第三方平臺等問題 提出了一種基于MQTT的溫室環(huán)境 智能管理系統設計 該系統使用智能網關 在協助處理異常數據的同時 構建MQTT協議的發(fā)布者與訂閱者 結合相關應用通過調控環(huán)境參數 為農產品的生產過程提供適宜的生長環(huán)境 該設計實現了對多場地 多溫室設備遠程控制指令的安全傳遞和跨網段管理 完成了溫室環(huán)境管理系 統數據的平臺式呈現和存儲 為作物生長環(huán)境的最優(yōu)智能化管理提供了技術支持 此外 還可以應用于作物育種 園藝培植和畜牧養(yǎng)殖等相關智 能管理領域 關鍵詞 溫室環(huán)境 智能網關 MQTT 中圖分類號 S625 5 文獻標志碼 A 文章編號 1672 3872 2020 04 0129 03 基金項目 河南省高等學校重點科研項目 18B520015 作者簡介 冀金泉 1990 男 河南新鄉(xiāng)人 碩士 研究方向 智能 信息處理與優(yōu)化算法 通訊作者 侯志松 1979 男 河南安陽人 副教授 研究方向 智 能信息處理與優(yōu)化算法 圖 1 溫室環(huán)境智能管理系統模型圖 設施農業(yè)克服了傳統農業(yè)生產中惡劣自然環(huán)境的影響 提高了農作物的成活率 溫室環(huán)境管理系統作為設施農業(yè)的 重要組成部分 為實現現代農業(yè)提供了技術支持 溫室環(huán)境 管理系統通過對溫室環(huán)境參數的監(jiān)測 并將這些參數進行傳 輸 存儲和分析 根據分析結果或人工對溫室設備的控制 完成農作物生長過程的調控 1 當前常見溫室環(huán)境管理系統 設備的遠程控制實現途徑有兩種 一是受限于局域網內控制 二是依賴于第三方云平臺服務 這樣的系統遠遠不滿足目前 溫室環(huán)境管理系統對數據使用率和安全性的需求 同時當前 溫室環(huán)境管理系統在組網結構上較多考慮了點對點的數據傳 輸 針對整個溫室環(huán)境的多點監(jiān)控考慮較少 2 3 文章基于MQTT Message Queuing Telemetry Transport 消息隊列遙測傳輸 協議完成了一種溫室環(huán)境智能管理系統 的設計 該設計主要完成的是在組網結構簡單快捷的前提下 完成對溫室環(huán)境參數的采集 跨網段傳輸 存儲并實時顯示 以及根據數據分析平臺預設的算法來判斷農作物當前的生長 狀態(tài) 從而給遠程控制設備下達控制指令來改善農作物生長 環(huán)境 該方案設計的溫室環(huán)境智能管理系統模型圖如圖1所示 1 相關工作 農業(yè)物聯網通過傳感器網絡實時獲取農作物的生長環(huán)境 參數 或將這些參數作為物聯網自動控制部分的參變量進而 對生長環(huán)境進行自動控制 保證農作物有一個良好的 適宜 的生長環(huán)境 同時還可以幫助農民及時了解農作物生長狀態(tài) 發(fā)現農業(yè)生產過程中類似病蟲害等問題 從而準確地提供可靠 的解決方案 這樣可以將農業(yè)逐漸地從以人力為中心 依賴 于孤立機械的生產模式轉向以信息和軟件為中心的生產模式 為現代精準農業(yè)提供科學依據 進而達到增加產量 改善品種 調節(jié)生長周期 提高經濟效益的目的 4 目前溫室環(huán)境管理系統主要具有環(huán)境參數信息的獲取功 能 參數信息的傳遞與處理功能和對能改變環(huán)境參數相關設 備的遠程控制功能 所管理的環(huán)境參數及對環(huán)境參數進行精 確控制 一直是農業(yè)物聯網的關鍵技術 這要求管理系統可 以根據農作物各階段生長狀態(tài)的不同 實現分階段的環(huán)境管 理 5 通過對以往的農業(yè)生產經驗的總結 發(fā)現環(huán)境中的光 溫 氣 濕的參數會直接影響著作物的生長效率 6 對作物 的生長也起著關鍵性的控制作用 多數溫室環(huán)境管理系統通 常圍繞這四個因素展開研究設計 如何實現對這些環(huán)境參數 進行采集 跨網段傳遞 存儲并處理成了當前溫室環(huán)境管理 The Intelligent management system for greenhouse environment based on MQTT Abstract In view of the problems of complex networking difficult remote control across network segments and relying on the third party platform of greenhouse environmental management system this paper proposed a design of greenhouse environmental intelligent management system based on MQTT The system used an intelligent gateway to assist in processing abnormal data while constructing publishers and subscribers of the MQTT protocol and combining relevant applications to regulate the environmental parameters to provide a suitable growth environment for the production process of agricultural products The design realized the safe transmission and remote network segment management of the remote control instructions for multi site and multi greenhouse equipment completed the platform like presentation and storage of greenhouse environmental management system data which provided technical support for the optimal intelligent management of crop growth environment In addition this design can also be applied to related intelligent management fields such as crop breeding horticultural cultivation and animal husbandry Key Words greenhouse environment intelligent gateway mqtt Ji Jinquan Zhao Mingfu Li Guohou Hou Zhisong Henan Institute of Science and Technology Xinxiang Henan 453003 130 2020 年 2 月下 機械裝備研發(fā) Research Development of Machinery and Equipment 圖 2 溫室環(huán)境智能管理系統體系架構 系統研究的熱點 2 系統設計 2 1 整體架構設計 為了滿足當前溫室環(huán)境的智能管理 實現系統所應具備 的各項功能 結合當前各種計算機信息技術 系統建立感知層 網絡層和應用層的三層體系架構 完成從數據采集 跨網段 傳遞 存儲 處理及結果反饋的過程 7 9 溫室環(huán)境智能管理 系統架構設計如圖 2所示 圖 3 MQTT 協議工作過程 圖 4 基于 MQTT 協議的網絡層 2 1 1 感知層 感知層主要包含兩部分 傳感器節(jié)點和智能網關 傳感 器節(jié)點是由一組傳感器和數據集成模塊構成 即運用在系統 中完成環(huán)境參數采集的光傳感器 溫度傳感器 CO 2 濃度傳感器 濕度傳感器和相應的數模轉換模塊 用來獲取環(huán)境中的光照 強度和時間 溫度 CO 2 濃度 相對濕度等物理量參數 智能 網關的設計可以將多個傳感器節(jié)點所獲取到的環(huán)境參數進行 融合 對數據進行初步的處理 刪除無效數據并檢測設備狀態(tài) 保證各個傳感器節(jié)點正常有效地運轉 2 1 2 網絡層 網絡層所具有的主要功能分為兩部分 1 通過與多個網 關的連接來獲得到目標農產品的環(huán)境參數數據 并將這些數據 在局域網內打包和上傳 實現環(huán)境參數信息的實時動態(tài)感知 2 與各種應用接口進行連接 為溫室環(huán)境智能管理系統提供 重要的網絡服務功能 打破局域網的網絡限制 同時實現數 據的存儲和跨網段傳輸 使系統可以對各種資源進行管理 如設備管理 設備日志 數據倉庫以及部分數據處理等功能 2 1 3 應用層 應用層由控制設備 數據展示平臺 數據分析系統和其 他相關應用組成的 控制設備用來響應溫室環(huán)境智能管理系 統的反饋 主要應用在農作物生長過程中光 溫 氣 濕的 調節(jié)設備 數據展示平臺提供溫室運行狀態(tài)視圖 用戶可通 過Web端和移動端在線地查看各種環(huán)境參數 實時管理溫室 環(huán)境系統 數據分析系統基于已有農業(yè)生產經驗 對獲取到 的環(huán)境參數進行融合判斷 通過擬合農作物的生長曲線來實 現環(huán)境的自動化管理 同時結合人工智能算法完成環(huán)境分析 預測 10 14 2 2 網絡層的設計 為了提升溫室環(huán)境智能管理系統的實時性和大批量數據 傳輸的負載均衡 合理地設計網絡層可以使數據能實時地上 傳下達 智能網關的設計既可以獲取無線傳感網絡中的環(huán)境 數據 又可以完成與廣域網的鏈接 該系統中 智能網關的 數據傳輸功能主要由MQTT協議實現 MQTT協議是IBM開發(fā)的 一個即時通訊協議 同時是一個輕量級的消息發(fā)布 訂閱協議 此協議開放 易于實現 主要采用短連接的方式來完成消息 的發(fā)布 可實現百萬級的數據連接服務 充分滿足溫室環(huán)境 智能管理系統的需求 MQTT協議是實現溫室環(huán)境智能管理系 統中數據從傳感器節(jié)點推送到應用層的理想解決方案 MQTT 的完成由消息代理服務器和客戶端組成 客戶端使用MQTT協 議與消息代理服務器相連接 在消息傳遞過程中 MQTT定義 了三種角色 分別是消息代理服務器 發(fā)布者和訂閱者 消 息代理服務器端主要使用Mosquitto的應用程序 該程序是 一種開源消息代理軟件 主要用于消息推送協議MQTT 同時 支持發(fā)布 訂閱的消息推送模式 在滿足Web服務器使用的 同時移動設備也使用該軟件 使得設備與設備之間的通信變 得更加簡單 消息代理服務器端有以下幾種功能 1 管理主題 通過用戶身份信息驗證后對用戶發(fā)布的主 題進行接收 同時允許其他用戶對該主題的合法訂閱 2 管 理用戶 接受訂閱者和發(fā)布者的身份注冊并加以管理和維護 3 管理消息 儲存發(fā)布者發(fā)來的消息 然后將消息轉發(fā)給合 法并有需求的訂閱者 訂閱者在完成注冊后 提交所要訂閱 的主題 通過消息代理服務器的身份確認后就可以接收該主 題的相關消息 MQTT協議工作過程如圖3所示 使用MQTT協議 將各個智能網關定義為發(fā)布者 通過中 間件的消息代理服務器發(fā)布不同節(jié)點獲取到的不同種類的溫 室環(huán)境參數 同時將應用層的各個接收設備 如Web端和移 動端的數據展示平臺 定義成訂閱者 實現溫室環(huán)境參數的 遠程傳輸 同時將應用層的數據分析系統或人工控制系統定 義成一個消息的發(fā)布者 同樣經過智能網關的主題訂閱將應 用層下達的命令傳遞給各個控制設備 從而實現對環(huán)境的管 理 在整個過程中通過分配不同的用戶身份信息和定義不同 的消息主題 消息代理服務器可以將智能網關的環(huán)境參數數 據跨網段地傳輸給數據展示平臺 同時將設備的控制指令發(fā) 送到對應的終端節(jié)點 15 基于MQTT協議的網絡層設計如圖4 所示 機械裝備研發(fā) Research Development of Machinery and Equipment 131 2020 年 2 月下 表 2 智能網關表 名稱 類型 作用 主鍵 id Int 網關Id 是 dataRule Float 規(guī)則 dataRuleName Varchar 規(guī)則名稱 dataUnit Varchar 單位 deviceType Int 網關類型 dataRuleKey Varchar 網關規(guī)則Key updateTime Datetime 更新時間 description Varchar 描述 3 系統實現 該方案的模型主要是基于安裝Linux操作系統的開發(fā)板 實現 各層之間的業(yè)務實現采用Python語言設計并開發(fā) 3 1 感知層的實現 無線傳感器網絡作為一種信息獲取和處理技術 具有低 成本 低功耗 可靠性高等特點 在農田土壤墑情信息獲取 農產品生產環(huán)境檢測以及實現農機設備的自動化控制等農業(yè) 物聯網領域得到了廣泛的使用 該方案中 作為溫室環(huán)境智 能管理系統的感知觸手 傳感器節(jié)點通過數模轉換模塊與前 端各種傳感器設備完成不同環(huán)境參數的數據轉換 并通過 WiFi模塊將環(huán)境參數直接傳遞給智能網關設備 作為感知層 的處理中心和整個溫室環(huán)境智能管理系統連接紐帶 智能網 關需要完成的工作有無效環(huán)境參數信息的剔除 發(fā)布環(huán)境參 數信息和接收控制設備的指令 選用了一款功能較為強大的 開發(fā)板來使用 樹莓派 樹莓派是一個能開發(fā)與各種開源 硬件相結合的系統平臺 樹莓派中集成有無線網卡 這可以 使用戶通過遠程網絡對樹莓派進行操作 同時也能為搭建無 線傳感網絡提供較好的選擇 在樹莓派上可以使用Python語 言編程 先過濾接受到的環(huán)境參數中的異常數據 其次可以 在樹莓派上安裝Mosquitto 為后續(xù)發(fā)布和訂閱消息做準備 傳感器節(jié)點在數據庫中的表如表1所示 智能網關在數據庫 中的表如表2所示 表 1 傳感器節(jié)點表 名稱 類型 作用 主鍵 id Int 設備Id 是 acquirsitonTime Datetime 規(guī)則 infoData Float 真實數據 orgiData Float 原始數據 dataType Int 數據類型 posi Varchar 地址 createTime Datetime 更新時間 description Varchar 描述 3 3 應用層的實現 數據展示平臺分為Web端和移動端兩部分的顯示 在本 方案中使用Python中的Flask庫為Web端設計展示數據的平 臺 移動端則是使用APICloud平臺來實現跨平臺編程 數據 分析平臺主要做的是生長曲線擬合和病蟲害的預測 涉及的 算法可以使用Python中機器學習庫實現 16 17 4 結束語 文章主要研究了一種基于MQTT的溫室環(huán)境智能管理系統 該系統結構清晰 組網簡單 采用樹莓派作為智能網關 可 以較好地接收并處理多個傳感器節(jié)點環(huán)境參數 并通過MQTT 協議 實現跨網段本地數據上傳和指令接收 完成相關的數 據展示平臺 目前本系統已在河南科技學院相關實驗室使用 實現了對農作物生長環(huán)境各項參數的管理和展示 數據分析 平臺在已有資料的基礎上較好地擬合出了農作物的生長曲線 為后續(xù)實際農業(yè)生產過程中的遠程設備控制提供了數據支持 該系統可以較好地完成作物生成微環(huán)境管理監(jiān)控任務 可廣 泛地應用在其他農作物的生產過程 例如 農作物種子培育 和選擇 園藝生產中的快速培植 禽畜養(yǎng)殖中的體質跟蹤等 參考文獻 1 李道亮 楊昊 農業(yè)物聯網技術研究進展與發(fā)展趨勢分析 J 農 業(yè)機械學報 2018 49 1 1 20 2 王海燕 農業(yè)物聯網技術應用及創(chuàng)新發(fā)展對策 J 河南農業(yè) 2019 490 2 57 58 3 岳宇君 岳雪峰 仲云云 農業(yè)物聯網體系架構及關鍵技術研究 進展 J 中國農業(yè)科技導報 2019 21 4 79 87 4 李道亮 農業(yè)物聯網導論 M 北京 科學出版社 2012 5 陳曉棟 原向陽 郭平毅 等 農業(yè)物聯網研究進展與前景展望 J 中國農業(yè)科技導報 2015 17 2 8 16 6 黎龍卓 淺談溫室農業(yè)關鍵環(huán)境參數的控制 J 山西農經 2018 12 90 7 梁瑞華 基于物聯網技術的溫室大棚智能管理系統構建 J 河南 農業(yè)大學學報 2016 50 3 346 352 8 冉彥中 唐明祥 楊可揚 等 基于 arduino 與 raspberry 的農 業(yè)物聯網系統設計與實現 J 重慶理工大學學報 自然科學版 2019 33 8 138 143 9 方霞 基于MQTT協議的農業(yè)物聯網消息推送系統 J 計算機技 術與發(fā)展 2018 9 168 171 10 鄭之華 WSN在大棚環(huán)境監(jiān)控中的應用 J 齊齊哈爾大學學報 自然科學版 2019 35 1 46 53 11 鄭永權 黎曦 涂子龍 基于ARM控制的農業(yè)物聯網傳感器節(jié)點 系統設計 J 電子制作 2019 14 6 8 12 陳宇峰 基于物聯網技術的農業(yè)溫室環(huán)境監(jiān)控系統設計 J 江 蘇科技信息 2018 35 27 54 57 13 王志剛 一種智能農業(yè)物聯網低功耗監(jiān)控系統 J 黃河科技大 學學報 2019 2 106 109 14 王君君 董靜 伊銅川 等 移動終端的設施農業(yè)物聯網環(huán)境監(jiān) 控系統設計 J 傳感器與微系統 2016 35 8 87 89 15 張宗敏 田土星 陳榮江 棉花新品種聚類分析及其利用模式研 究 J 河南科技學院學報 自然科學版 2016 44 4 1 7 16 吳大付 朱統泉 郝仰坤 植物修復研究的新方向 環(huán)保育種 J 河南科技學院學報 自然科學版 2012 6 28 31 17 李貞霞 孫麗 楊和連 等 保護地專用黃瓜品種選育研究進展 J 河南科技學院學報 自然科學版 2011 39 3 18 23 收稿日期 2019 12 20 3 2 網絡層的實現 通過MQTT協議接收到的數據 會被分別存放在數據庫服 務器和實時通信服務器上 數據庫服務器分別為數據展示平 臺和數據分析平臺提供數據 數據展示平臺可以通過調用數 據庫來查看所有的歷史環(huán)境參數 數據分析平臺則是利用這 些歷史數據進行計算 實時通信服務器只向數據展示平臺提 供數據 但從數據分析平臺接收遠程控制指令