基于MQTT的温室环境智能管理系统.pdf

机械装备研发 Research Development of Machinery and Equipment 129 2020 年 2 月下 基于 MQTT 的温室环境智能管理系统 冀金泉 赵明富 李国厚 侯志松 河南科技学院 河南 新乡 453003 摘 要 文章针对目前温室环境管理系统组网方式复杂 跨网段远程控制困难以及依赖于第三方平台等问题 提出了一种基于MQTT的温室环境 智能管理系统设计 该系统使用智能网关 在协助处理异常数据的同时 构建MQTT协议的发布者与订阅者 结合相关应用通过调控环境参数 为农产品的生产过程提供适宜的生长环境 该设计实现了对多场地 多温室设备远程控制指令的安全传递和跨网段管理 完成了温室环境管理系 统数据的平台式呈现和存储 为作物生长环境的最优智能化管理提供了技术支持 此外 还可以应用于作物育种 园艺培植和畜牧养殖等相关智 能管理领域 关键词 温室环境 智能网关 MQTT 中图分类号 S625 5 文献标志码 A 文章编号 1672 3872 2020 04 0129 03 基金项目 河南省高等学校重点科研项目 18B520015 作者简介 冀金泉 1990 男 河南新乡人 硕士 研究方向 智能 信息处理与优化算法 通讯作者 侯志松 1979 男 河南安阳人 副教授 研究方向 智 能信息处理与优化算法 图 1 温室环境智能管理系统模型图 设施农业克服了传统农业生产中恶劣自然环境的影响 提高了农作物的成活率 温室环境管理系统作为设施农业的 重要组成部分 为实现现代农业提供了技术支持 温室环境 管理系统通过对温室环境参数的监测 并将这些参数进行传 输 存储和分析 根据分析结果或人工对温室设备的控制 完成农作物生长过程的调控 1 当前常见温室环境管理系统 设备的远程控制实现途径有两种 一是受限于局域网内控制 二是依赖于第三方云平台服务 这样的系统远远不满足目前 温室环境管理系统对数据使用率和安全性的需求 同时当前 温室环境管理系统在组网结构上较多考虑了点对点的数据传 输 针对整个温室环境的多点监控考虑较少 2 3 文章基于MQTT Message Queuing Telemetry Transport 消息队列遥测传输 协议完成了一种温室环境智能管理系统 的设计 该设计主要完成的是在组网结构简单快捷的前提下 完成对温室环境参数的采集 跨网段传输 存储并实时显示 以及根据数据分析平台预设的算法来判断农作物当前的生长 状态 从而给远程控制设备下达控制指令来改善农作物生长 环境 该方案设计的温室环境智能管理系统模型图如图1所示 1 相关工作 农业物联网通过传感器网络实时获取农作物的生长环境 参数 或将这些参数作为物联网自动控制部分的参变量进而 对生长环境进行自动控制 保证农作物有一个良好的 适宜 的生长环境 同时还可以帮助农民及时了解农作物生长状态 发现农业生产过程中类似病虫害等问题 从而准确地提供可靠 的解决方案 这样可以将农业逐渐地从以人力为中心 依赖 于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式 为现代精准农业提供科学依据 进而达到增加产量 改善品种 调节生长周期 提高经济效益的目的 4 目前温室环境管理系统主要具有环境参数信息的获取功 能 参数信息的传递与处理功能和对能改变环境参数相关设 备的远程控制功能 所管理的环境参数及对环境参数进行精 确控制 一直是农业物联网的关键技术 这要求管理系统可 以根据农作物各阶段生长状态的不同 实现分阶段的环境管 理 5 通过对以往的农业生产经验的总结 发现环境中的光 温 气 湿的参数会直接影响着作物的生长效率 6 对作物 的生长也起着关键性的控制作用 多数温室环境管理系统通 常围绕这四个因素展开研究设计 如何实现对这些环境参数 进行采集 跨网段传递 存储并处理成了当前温室环境管理 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 plat 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 plat 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 机械装备研发 Research Development of Machinery and Equipment 图 2 温室环境智能管理系统体系架构 系统研究的热点 2 系统设计 2 1 整体架构设计 为了满足当前温室环境的智能管理 实现系统所应具备 的各项功能 结合当前各种计算机信息技术 系统建立感知层 网络层和应用层的三层体系架构 完成从数据采集 跨网段 传递 存储 处理及结果反馈的过程 7 9 温室环境智能管理 系统架构设计如图 2所示 图 3 MQTT 协议工作过程 图 4 基于 MQTT 协议的网络层 2 1 1 感知层 感知层主要包含两部分 传感器节点和智能网关 传感 器节点是由一组传感器和数据集成模块构成 即运用在系统 中完成环境参数采集的光传感器 温度传感器 CO 2 浓度传感器 湿度传感器和相应的数模转换模块 用来获取环境中的光照 强度和时间 温度 CO 2 浓度 相对湿度等物理量参数 智能 网关的设计可以将多个传感器节点所获取到的环境参数进行 融合 对数据进行初步的处理 删除无效数据并检测设备状态 保证各个传感器节点正常有效地运转 2 1 2 网络层 网络层所具有的主要功能分为两部分 1 通过与多个网 关的连接来获得到目标农产品的环境参数数据 并将这些数据 在局域网内打包和上传 实现环境参数信息的实时动态感知 2 与各种应用接口进行连接 为温室环境智能管理系统提供 重要的网络服务功能 打破局域网的网络限制 同时实现数 据的存储和跨网段传输 使系统可以对各种资源进行管理 如设备管理 设备日志 数据仓库以及部分数据处理等功能 2 1 3 应用层 应用层由控制设备 数据展示平台 数据分析系统和其 他相关应用组成的 控制设备用来响应温室环境智能管理系 统的反馈 主要应用在农作物生长过程中光 温 气 湿的 调节设备 数据展示平台提供温室运行状态视图 用户可通 过Web端和移动端在线地查看各种环境参数 实时管理温室 环境系统 数据分析系统基于已有农业生产经验 对获取到 的环境参数进行融合判断 通过拟合农作物的生长曲线来实 现环境的自动化管理 同时结合人工智能算法完成环境分析 预测 10 14 2 2 网络层的设计 为了提升温室环境智能管理系统的实时性和大批量数据 传输的负载均衡 合理地设计网络层可以使数据能实时地上 传下达 智能网关的设计既可以获取无线传感网络中的环境 数据 又可以完成与广域网的链接 该系统中 智能网关的 数据传输功能主要由MQTT协议实现 MQTT协议是IBM开发的 一个即时通讯协议 同时是一个轻量级的消息发布 订阅协议 此协议开放 易于实现 主要采用短连接的方式来完成消息 的发布 可实现百万级的数据连接服务 充分满足温室环境 智能管理系统的需求 MQTT协议是实现温室环境智能管理系 统中数据从传感器节点推送到应用层的理想解决方案 MQTT 的完成由消息代理服务器和客户端组成 客户端使用MQTT协 议与消息代理服务器相连接 在消息传递过程中 MQTT定义 了三种角色 分别是消息代理服务器 发布者和订阅者 消 息代理服务器端主要使用Mosquitto的应用程序 该程序是 一种开源消息代理软件 主要用于消息推送协议MQTT 同时 支持发布 订阅的消息推送模式 在满足Web服务器使用的 同时移动设备也使用该软件 使得设备与设备之间的通信变 得更加简单 消息代理服务器端有以下几种功能 1 管理主题 通过用户身份信息验证后对用户发布的主 题进行接收 同时允许其他用户对该主题的合法订阅 2 管 理用户 接受订阅者和发布者的身份注册并加以管理和维护 3 管理消息 储存发布者发来的消息 然后将消息转发给合 法并有需求的订阅者 订阅者在完成注册后 提交所要订阅 的主题 通过消息代理服务器的身份确认后就可以接收该主 题的相关消息 MQTT协议工作过程如图3所示 使用MQTT协议 将各个智能网关定义为发布者 通过中 间件的消息代理服务器发布不同节点获取到的不同种类的温 室环境参数 同时将应用层的各个接收设备 如Web端和移 动端的数据展示平台 定义成订阅者 实现温室环境参数的 远程传输 同时将应用层的数据分析系统或人工控制系统定 义成一个消息的发布者 同样经过智能网关的主题订阅将应 用层下达的命令传递给各个控制设备 从而实现对环境的管 理 在整个过程中通过分配不同的用户身份信息和定义不同 的消息主题 消息代理服务器可以将智能网关的环境参数数 据跨网段地传输给数据展示平台 同时将设备的控制指令发 送到对应的终端节点 15 基于MQTT协议的网络层设计如图4 所示 机械装备研发 Research Development of Machinery and Equipment 131 2020 年 2 月下 表 2 智能网关表 名称 类型 作用 主键 id Int 网关Id 是 dataRule Float 规则 dataRuleName Varchar 规则名称 dataUnit Varchar 单位 deviceType Int 网关类型 dataRuleKey Varchar 网关规则Key updateTime Datetime 更新时间 description Varchar 描述 3 系统实现 该方案的模型主要是基于安装Linux操作系统的开发板 实现 各层之间的业务实现采用Python语言设计并开发 3 1 感知层的实现 无线传感器网络作为一种信息获取和处理技术 具有低 成本 低功耗 可靠性高等特点 在农田土壤墒情信息获取 农产品生产环境检测以及实现农机设备的自动化控制等农业 物联网领域得到了广泛的使用 该方案中 作为温室环境智 能管理系统的感知触手 传感器节点通过数模转换模块与前 端各种传感器设备完成不同环境参数的数据转换 并通过 WiFi模块将环境参数直接传递给智能网关设备 作为感知层 的处理中心和整个温室环境智能管理系统连接纽带 智能网 关需要完成的工作有无效环境参数信息的剔除 发布环境参 数信息和接收控制设备的指令 选用了一款功能较为强大的 开发板来使用 树莓派 树莓派是一个能开发与各种开源 硬件相结合的系统平台 树莓派中集成有无线网卡 这可以 使用户通过远程网络对树莓派进行操作 同时也能为搭建无 线传感网络提供较好的选择 在树莓派上可以使用Python语 言编程 先过滤接受到的环境参数中的异常数据 其次可以 在树莓派上安装Mosquitto 为后续发布和订阅消息做准备 传感器节点在数据库中的表如表1所示 智能网关在数据库 中的表如表2所示 表 1 传感器节点表 名称 类型 作用 主键 id Int 设备Id 是 acquirsitonTime Datetime 规则 infoData Float 真实数据 orgiData Float 原始数据 dataType Int 数据类型 posi Varchar 地址 createTime Datetime 更新时间 description Varchar 描述 3 3 应用层的实现 数据展示平台分为Web端和移动端两部分的显示 在本 方案中使用Python中的Flask库为Web端设计展示数据的平 台 移动端则是使用APICloud平台来实现跨平台编程 数据 分析平台主要做的是生长曲线拟合和病虫害的预测 涉及的 算法可以使用Python中机器学习库实现 16 17 4 结束语 文章主要研究了一种基于MQTT的温室环境智能管理系统 该系统结构清晰 组网简单 采用树莓派作为智能网关 可 以较好地接收并处理多个传感器节点环境参数 并通过MQTT 协议 实现跨网段本地数据上传和指令接收 完成相关的数 据展示平台 目前本系统已在河南科技学院相关实验室使用 实现了对农作物生长环境各项参数的管理和展示 数据分析 平台在已有资料的基础上较好地拟合出了农作物的生长曲线 为后续实际农业生产过程中的远程设备控制提供了数据支持 该系统可以较好地完成作物生成微环境管理监控任务 可广 泛地应用在其他农作物的生产过程 例如 农作物种子培育 和选择 园艺生产中的快速培植 禽畜养殖中的体质跟踪等 参考文献 1 李道亮 杨昊 农业物联网技术研究进展与发展趋势分析 J 农 业机械学报 2018 49 1 1 20 2 王海燕 农业物联网技术应用及创新发展对策 J 河南农业 2019 490 2 57 58 3 岳宇君 岳雪峰 仲云云 农业物联网体系架构及关键技术研究 进展 J 中国农业科技导报 2019 21 4 79 87 4 李道亮 农业物联网导论 M 北京 科学出版社 2012 5 陈晓栋 原向阳 郭平毅 等 农业物联网研究进展与前景展望 J 中国农业科技导报 2015 17 2 8 16 6 黎龙卓 浅谈温室农业关键环境参数的控制 J 山西农经 2018 12 90 7 梁瑞华 基于物联网技术的温室大棚智能管理系统构建 J 河南 农业大学学报 2016 50 3 346 352 8 冉彦中 唐明祥 杨可扬 等 基于 arduino 与 raspberry 的农 业物联网系统设计与实现 J 重庆理工大学学报 自然科学版 2019 33 8 138 143 9 方霞 基于MQTT协议的农业物联网消息推送系统 J 计算机技 术与发展 2018 9 168 171 10 郑之华 WSN在大棚环境监控中的应用 J 齐齐哈尔大学学报 自然科学版 2019 35 1 46 53 11 郑永权 黎曦 涂子龙 基于ARM控制的农业物联网传感器节点 系统设计 J 电子制作 2019 14 6 8 12 陈宇峰 基于物联网技术的农业温室环境监控系统设计 J 江 苏科技信息 2018 35 27 54 57 13 王志刚 一种智能农业物联网低功耗监控系统 J 黄河科技大 学学报 2019 2 106 109 14 王君君 董静 伊铜川 等 移动终端的设施农业物联网环境监 控系统设计 J 传感器与微系统 2016 35 8 87 89 15 张宗敏 田土星 陈荣江 棉花新品种聚类分析及其利用模式研 究 J 河南科技学院学报 自然科学版 2016 44 4 1 7 16 吴大付 朱统泉 郝仰坤 植物修复研究的新方向 环保育种 J 河南科技学院学报 自然科学版 2012 6 28 31 17 李贞霞 孙丽 杨和连 等 保护地专用黄瓜品种选育研究进展 J 河南科技学院学报 自然科学版 2011 39 3 18 23 收稿日期 2019 12 20 3 2 网络层的实现 通过MQTT协议接收到的数据 会被分别存放在数据库服 务器和实时通信服务器上 数据库服务器分别为数据展示平 台和数据分析平台提供数据 数据展示平台可以通过调用数 据库来查看所有的历史环境参数 数据分析平台则是利用这 些历史数据进行计算 实时通信服务器只向数据展示平台提 供数据 但从数据分析平台接收远程控制指令