谈MQTT的草莓温室物联网监控系统设计

更新时间:2022-01-04 11:08:36

谈MQTT的草莓温室物联网监控系统设计

摘要:为实现草莓温室的远程监控和管理,设计基于MQTT的草莓温室物联网监控系统。系统采用MQTT协议作为数据通信协议,降低了通信成本,在带宽受限的农业物联网应用场景中具有较好的传输性能。物理感知层通过PLC实时采集草莓温室的环境参数并控制温室设备。网络传输层使用云服务器,搭配MySQL数据库,使用MQTT通讯协议/订阅主题,完成信息传输。应用层采用响应式布局界面,适配多种用户终端。系统实现草莓温室信息采集与远程控制,提高温室的管理水平。

关键词:温室;物联网;MQTT协议;PLC

0引言

草莓是我国农业增效、农民增收的重要产业,我国的草莓生产面积和产量居世界第一。目前草莓大多采用温室设施栽培生产,能提前上市,提高生产效益,因而对草莓温室的管理十分重要。草莓温室环境参数的监控是抵御自然灾害,提高自动化程度的重要途径[1]。如果依靠人工采集数据、现场调控设施,不仅会造成工作效率低、采集数据误差大,还会影响最终的控制效果。基于物联网的草莓温室监控系统可以实现远程监测草莓的生长环境信息,并对设施环境进行智能化调控,以提高生产管理水平,促进农业发展方式转变[2]。朱均超等设计了基于物联网的农业大棚环境监测系统,但是无法通过设施控制调节环境参数[3]。柳军等实现了温室环境数据的采集和监测,并列举了温室调控的执行机构,但并没有进行配套的控制功能开发[4]。本文通过物联网和传感技术的融合,设计物联网监控系统,实现草莓温室环境参数的实时采集和远程控制。使用轻量级的通信协议MQTT,降低了通信成本,在带宽受限的农业物联网应用场景中具有较好的传输性能。采用分布式系统设计,可以使传感器实现即插即用。设计响应式监控平台,满足不同终端用户需求。

1系统总体架构

基于MQTT的草莓温室物联网控制系统由三层架构组成,分别为物理感知层、网络传输层和终端应用层[5],总体结构如图1所示。物理感知层处于系统的最底层,分为数据采集模块和执行机构模块。通过传感器采集到环境参数,输入到采集控制器中进行汇总,将汇总后的数据送到无线终端设备DTU。DTU作为数据传输单元,可以将环境参数通过GPRS方式传输至网络传输层的云服务器,也可以将云服务器处理后的控制命令转换为串口数据输送给执行控制器,用以调节温室设备。网络层将接收到的环境参数存储到数据库中,并响应终端的查询和控制请求。终端应用层提供多种类型终端的人机交互接口,实现现场数据的实时监测和温室设备的远程调控,并具有历史数据查看、系统管理、设备管理功能。

2物理感知层

感知层的作用是采集和传输草莓温室环境参数[6,7],并通过控制器对温室设备进行调控,结构框图如图2所示。该层包括汇总数据及控制设备的采集控制节点、用于数据采集的环境传感器、温室环境控制设备,另外,为将温室环境数据方便可靠的传输至网络层,本层还包括网络传输模块DTU。采集控制器系统是物理感知层的核心。系统的处理器采用了西门子的CPU226PLC,该款处理器具有充足的数字量I/O接口,并可以扩展模拟量输入模块,实现温室设备的手动/自动控制模式切换,环境数据的汇总,以及温室设备的控制,PLC的输入输出分配表见表1。由图3所示,PLC的输入接口除了连接温室设备独立控制按钮外,还要连接数据采集传感器。需要采集的环境因子有6个参数,分别是空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、二氧化碳浓度和光照强度。因传感器的输出值为模拟量,PLC需要外接两个模拟输入模块EM231,用以将传感器采集到的模拟量数据汇集到PLC中。PLC的输出连接控制温室设备运行的交流接触器和报警用指示灯。为了实现数据的可靠传输,PLC选用自带的RS485通信接口与网络传输模块DTU进行通信。传感器的数据输入到PLC中,经过打包发送到DTU中。考虑到温室所处环境偏僻,所以使用性价比高、灵活性好的GPRS通信方式,将DTU的数据传输至云服务器。

3网络传输层

网络传输层是连接物理感知层和中间应用层的中间环节,负责将物理感知层收集到的环境参数打包上传,同时将终端应用层的用户指令进行下传。本层的数据传输功能应用MQTT协议实现。从感知层传输数据时,将各个智能网关定义成消息的者,环境参数通过服务器传输,同时将响应终端定义成订阅者,实现草莓温室环境参数的远程监测。在控制温室设备时,则是把响应终端定义成者,服务器将用户的控制指令发送到订阅了对应主题的控制设备上,实现温室设备的远程控制。网络传输层的传输原理如图4所示。智能网关和响应终端通过MQTT协议进行数据传输时,订阅与必须要有主题。草莓温室的数据采集和控制都需要相应的主题,因此在监控系统网络层传输时需要两个维度的主题,分别是采集数据主题和控制命令主题:采集数据主题“Iot/GreenhouseID/SensorID/Data”,该主题主要用于传输传感器编号、传感器状态、传感器数据(环境数据)等消息。控制命令主题“Iot/GreenhouseID/DeviceID/Control”,该主题主要用于传输物联网系统中客户对温室设备的控制命令。主题中各关键字解释见表2。

4终端应用层

终端应用层提供了人机交互平台。用户可以实时查看温室环境数据,回放历史数据。管理员账号可以远程控制温室设备,进行设备管理和系统管理。应用层采用了浏览器/服务器(B/S)结构进行开发,静态界面使用Bootstrap开源框架,响应式布局,可以适配多种用户终端。在静态界面中插入JSP文件实现数据的动态加载和自动刷新。引入echarts开源可视化图标库,实现历史数据的折线表示。

5系统测试

温室物联网监控系统搭建完成后,置于江苏农博园草莓温室内进行测试。测试过程中系统运行正常,数据采集准确可靠,控制设备响应迅速。界面操作流畅无卡顿,数据返回迅速,具有良好的人机交互性能。系统显示界面如图5所示。温室环境数据作为衡量参数,以同一传感器上传的50个数据为一组,得到系统测得的平均监测值和实地平均监测值的参数对比,如图表3所示。经过对比,六种环境参数误差均小于5%,系统监测数据准确,效果良好。

6结语

物联网技术与设施农业生产相融合,促进草莓产业转型升级。本文设计的草莓温室物联网监控系统,实现了环境数据的实时采集和设备的远程控制,具有历史数据查看、系统管理、设备管理等功能,提高温室管理水平。

作者:姬丽雯 高菊玲 刘永华 单位:江苏农林职业技术学院