基于COAP與MQTT的智慧果園灌溉監(jiān)測系統(tǒng)

歐志球

摘要 基于IPV6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡單而且與現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)兼容，更加適合于智慧果園灌溉監(jiān)測系統(tǒng)。采用COAP與MQTT協(xié)議混合監(jiān)測環(huán)境因素，可以同時(shí)滿足主動(dòng)發(fā)布傳感器數(shù)據(jù)和被動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)查詢的要求。基于CC2538硬件平臺和Contiki操作系統(tǒng)，混合COAP和MQTT協(xié)議提出一種智慧果園灌溉檢測系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)測試表明該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連通性良好，且具有較好的能耗。

[關(guān)鍵詞]無線傳感器網(wǎng)絡(luò) Cont iki操作系統(tǒng) 消息隊(duì)列遙測傳輸 約束應(yīng)用協(xié)議

1 引言

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧灌溉農(nóng)業(yè)方案被應(yīng)用在各類農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控領(lǐng)域中，這些方案一般都采用基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)采集灌溉系統(tǒng)所需的環(huán)境因素值。但Zigbee節(jié)點(diǎn)采用獨(dú)立的地址編碼，因此無法與外部互聯(lián)網(wǎng)透明通信，方案復(fù)雜且與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)不兼容;文獻(xiàn)[8]提出了一種基于COAP和Contiki的采集系統(tǒng)有助于建立基于IP的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，但COAP協(xié)議適合于點(diǎn)對點(diǎn)之間的查詢，缺乏主動(dòng)通知機(jī)制，不利于大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息監(jiān)測。

針對以上問題，本文設(shè)計(jì)基于6LowPAN（IPv6 0ver Low power WirelessPersonal Area Networks，低功耗無線個(gè)域網(wǎng)IPv6標(biāo)準(zhǔn)）的COAP（Constrained ApplicationProtocol，約束應(yīng)用協(xié)議）和MQTT（MessageQueuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測傳輸）混合組網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)果園監(jiān)測系統(tǒng)，所有傳感器節(jié)點(diǎn)和邊界路由節(jié)點(diǎn)均采用低功耗CC2538平臺的Contiki操作系統(tǒng)，普通傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)COAP協(xié)議，部分特殊傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)MQTT協(xié)議，邊界路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)Slip-radio（Serial Line Internet Protocol- radio，無線串行線路網(wǎng)際協(xié)議）和IPV6網(wǎng)關(guān)協(xié)議。實(shí)驗(yàn)表明該方案能有效的進(jìn)行果園信息檢測，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基于全I(xiàn)PV6的架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單且硬件功耗低。后續(xù)章節(jié)組織如下：第二節(jié)說明系統(tǒng)總體設(shè)計(jì);第三節(jié)說明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法;第四節(jié)進(jìn)行試驗(yàn)和分析;最后列出結(jié)論。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)Penman-Monteith公式，作物需水量主要由以下因素決定：當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度、海拔高度、平均氣溫、太陽凈輻射、平均氣溫、平均風(fēng)速和平均露點(diǎn)溫度。智慧果園澆灌監(jiān)控系統(tǒng)重點(diǎn)監(jiān)測溫濕度和光照強(qiáng)度，系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖1所示，傳感器節(jié)點(diǎn)和邊界路由器采用CC2538微處理器的系統(tǒng)。CC2538基于Cortex M3的MCU系統(tǒng)，支持最多32KB的片上RAM和512KB的片上閃存，具備可靠的IEEE802.15.4射頻功能。功率消耗在CPU閑置時(shí)，有源模式RX為20mA，TX為24mA，在三種功率模式下能耗分別為0.6mA，1.3μA和0.4μA。電源模塊上，傳感器節(jié)點(diǎn)和邊界路由器同時(shí)支持有源供電和鋰電池供電。邊界路由器外接ENC28J60模塊，該模塊為IEEE802.11兼容的以太網(wǎng)控制器，集成了MAC和10BASE-T物理層協(xié)議，可接入標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)絡(luò)。

各設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議如圖2所示，其中傳感器節(jié)點(diǎn)基于6LowPAN實(shí)現(xiàn)COAP協(xié)議以及相關(guān)的采集和通信應(yīng)用;邊界節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)多個(gè)協(xié)議棧，基于6LowPAN的IPV6協(xié)議棧與基于以太網(wǎng)的IPV6協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通，MQTT協(xié)議以及匯聚應(yīng)用實(shí)現(xiàn)信息匯總和發(fā)布;手機(jī)/PC/服務(wù)器等通過COAP和MQTT查詢采集數(shù)據(jù)或者得到相關(guān)通知。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法

3.1 Contiki平臺設(shè)計(jì)

Contiki是一種適用于資源受限環(huán)境下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，它用C語言開發(fā)，具有多任務(wù)管理與調(diào)度，資源分配與進(jìn)程間通信等功能;進(jìn)程間采用共享堆棧的方式，進(jìn)程間切換僅需要2字節(jié)保留現(xiàn)場。

Contiki操作系統(tǒng)已經(jīng)支持CC2538硬件平臺，因此操作系統(tǒng)層級主要是增加對COAP/MQTT協(xié)議、slip-radio協(xié)議棧、傳感器采集進(jìn)程和消息收發(fā)進(jìn)程的初始化、配置和引導(dǎo)，優(yōu)化后的Contiki操作系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖3所示。

3.2 應(yīng)用軟件算法設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用軟件針對COAP和MQTT不同協(xié)議棧定義不同的Protothread。對于COAP協(xié)議，傳感器節(jié)點(diǎn)定義溫濕度和光照傳感器資源，定時(shí)采集并更新;對于MQTT協(xié)議，應(yīng)用軟件還需要測試與MQTT Server的連通性，發(fā)布數(shù)據(jù)以及關(guān)閉連接等。算法設(shè)計(jì)如圖4所示。

MQTT應(yīng)用軟件處理傳感器事件比較復(fù)雜，分為8種狀態(tài)進(jìn)行處理：

（1）初始狀態(tài)。應(yīng)用進(jìn)程初始時(shí)進(jìn)入該狀態(tài);

（2）配置錯(cuò)誤狀態(tài)。當(dāng)讀取或更新MQTT配置信息錯(cuò)誤時(shí)，由初始狀態(tài)進(jìn)入該狀態(tài);

（3）錯(cuò)誤狀態(tài)。任意非配置錯(cuò)誤狀態(tài)均可進(jìn)入該狀態(tài);

（4）已登記狀態(tài)。系統(tǒng)由初始狀態(tài)向MQTT服務(wù)器發(fā)起登記請求，成功后進(jìn)入該狀態(tài);

（5）連接中狀態(tài)。系統(tǒng)在登記成功后，向MQTT服務(wù)器發(fā)起連接進(jìn)入該狀態(tài);

（6）已連接狀態(tài)。系統(tǒng)連接成功后進(jìn)入該狀態(tài)，并且發(fā)起publish動(dòng)作;

（7）發(fā)布中狀態(tài)。系統(tǒng)發(fā)起publish后進(jìn)入該狀態(tài)，發(fā)布完成進(jìn)入初始狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)和測試

針對該混合組網(wǎng)形式，共組織了兩類實(shí)驗(yàn)：協(xié)議連通性測試和性能測試實(shí)驗(yàn)。其中連通性測試實(shí)驗(yàn)部署1個(gè)邊界路由器節(jié)點(diǎn)，2個(gè)COAP傳感器節(jié)點(diǎn)和2個(gè)MQTT傳感器節(jié)點(diǎn)，1個(gè)無線路由器和1個(gè)ENC28J60，一臺Ubuntu應(yīng)用服務(wù)器，安裝Mosquitto作為MQTT服務(wù)器，F(xiàn)irefox安裝Copper插件作為COAP客戶端。核心的實(shí)物網(wǎng)絡(luò)連接如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)總共進(jìn)行5次，分別對COAP節(jié)點(diǎn)和MQTT節(jié)點(diǎn)用ping6命令測試連通性，用Firefox檢查COAP節(jié)點(diǎn)協(xié)議啟動(dòng)情況，用mosquitto客戶端檢查MQTT服務(wù)連接和傳感器數(shù)據(jù)publish情況。測試結(jié)果表明系統(tǒng)連通性良好，協(xié)議棧運(yùn)行穩(wěn)定。如圖6（a）所示，左邊是訂閱MQTT主題iot-2/evt/status/json的日志，右邊是mosquitto服務(wù)器日志：如圖中標(biāo)識，MQTT節(jié)點(diǎn)成功發(fā)布了溫濕度信息且被訂閱客戶端正確收到;如圖6（b）所示，左邊是Firefox顯示節(jié)點(diǎn)COAP信息，右邊是交互的協(xié)議棧信息，如圖中標(biāo)識所示，基于6LowPAN的COAP協(xié)議棧正確的進(jìn)行交互。

性能測試采用Contiki平臺的COOJA模擬器，隨機(jī)部署22個(gè)節(jié)點(diǎn)，從上電開始每次總計(jì)監(jiān)測150秒，測試5次，得到網(wǎng)絡(luò)性能如表1所示。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，基于6LowPAN的COAP/MQTT混合網(wǎng)絡(luò)無線消息發(fā)送和接收耗時(shí)比例～0.21%，有效的節(jié)省系統(tǒng)整體能耗。

5 結(jié)語

基于IPV6的智慧果園澆灌系統(tǒng)的無線傳感器組網(wǎng)方案，相比Zigbee網(wǎng)絡(luò)更加簡單而且可和現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)透明互聯(lián)互通。采用COAP和MQTT混合組網(wǎng)既可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的被動(dòng)查詢，也可以實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的主動(dòng)推送，從而方便大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的管理。本文綜合以上因素，基于CC2538平臺提出一種智慧果園澆灌系統(tǒng)環(huán)境檢測的方案，實(shí)驗(yàn)測試表明可以在較低的能耗下獲得COAP與MQTT節(jié)點(diǎn)混合組網(wǎng)。該方案不僅適應(yīng)于果園的環(huán)境檢測，也可以廣泛應(yīng)用于其他農(nóng)作物生長澆灌環(huán)境監(jiān)控。本文沒有分析COAP與MQTT混合組網(wǎng)時(shí)整體網(wǎng)絡(luò)能耗的增加比例，這在果園澆灌系統(tǒng)監(jiān)測中并非關(guān)鍵要素，但對于某些作物覆蓋廣泛的農(nóng)場非常重要，是下一步進(jìn)行研究的方向。

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