基于MQTT協(xié)議的數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

孟麗榮，趙海天

(1.沈陽理工大學(xué) 兵器博物館，遼寧 沈陽 110159;2.沈陽和平百嘉麗醫(yī)療美容醫(yī)院有限公司 網(wǎng)絡(luò)部，遼寧 沈陽 110001)

0 引言

農(nóng)業(yè)環(huán)境是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，農(nóng)作物對(duì)環(huán)境有很強(qiáng)的依賴性、選擇性和適應(yīng)性，通過對(duì)空氣溫度、光照、空氣濕度、CO2濃度以及土壤墑情等環(huán)境因素的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，可以對(duì)環(huán)境因素進(jìn)行實(shí)時(shí)掌控，獲取全面、快速、準(zhǔn)確的信息反饋，并能根據(jù)監(jiān)測信息做出準(zhǔn)確判斷和提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的科學(xué)開發(fā)和合理利用，提高土地產(chǎn)出率.設(shè)施農(nóng)業(yè)是集農(nóng)作物種植、農(nóng)業(yè)裝備等多領(lǐng)域?yàn)橐惑w的系統(tǒng)工程，突破了傳統(tǒng)農(nóng)作物受地域、自然環(huán)境、氣候等諸多因素的限制，主要借助溫室及相關(guān)配套裝置來適時(shí)調(diào)節(jié)和控制作物生產(chǎn)環(huán)境，在人為可控環(huán)境下進(jìn)行高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品銷售、種植區(qū)域管理、環(huán)境控制具有重大意義.

目前，設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)飛速發(fā)展，溫室也趨向大型化發(fā)展，而無線終端節(jié)點(diǎn)傳輸距離有限，無法滿足大型溫室的要求，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)的不斷發(fā)展及物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IOT)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，使得大型溫室的自動(dòng)化、智能化管理成為可能.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和基站，傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器、微處理器、存儲(chǔ)器和收發(fā)器等部件組成，具有計(jì)算和通信能力,以近距離無線的方式連接，從而形成多跳的無線網(wǎng)絡(luò)[1]，被廣泛應(yīng)用在環(huán)境數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域.另外，通過利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可檢測到農(nóng)作物實(shí)際生長情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的病蟲害，并對(duì)其進(jìn)行有效防治，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)量能夠得到保證[2-4].由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的復(fù)雜性和網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性，以及本地傳感器大量接入的需求，需要一種高質(zhì)量、高可靠、低帶寬占用的數(shù)據(jù)交換協(xié)議.

消息隊(duì)列遙測傳輸(Message Queuing Telemetry Transport,MQTT)協(xié)議因?yàn)槠湎Ⅲw積較小、基于發(fā)布/訂閱的解耦通信模式、豐富的QoS選項(xiàng)及遺囑(Last Will)機(jī)制，非常適合硬件資源、帶寬受限的應(yīng)用場景.基于MQTT協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域與遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)的傳輸使監(jiān)控面積得到延伸，從而實(shí)現(xiàn)溫室大型化、分區(qū)化管理，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、遠(yuǎn)程無線傳輸、自動(dòng)控制提供了技術(shù)保障.

1 系統(tǒng)組成及工作原理

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)由MQTT代理服務(wù)器、Wi-Fi中心節(jié)點(diǎn)、變送器、WSN傳感器網(wǎng)絡(luò)及軟件通信系統(tǒng)組成.在溫室中設(shè)立一個(gè)Wi-Fi中心節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)關(guān)，它向上與MQTT代理服務(wù)器(遠(yuǎn)程服務(wù)器)通信，向下連接變送器，每個(gè)變送器連接其所屬管轄監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的采集器，每個(gè)采集器帶有溫度、濕度、光照、CO2等傳感器，不同變送器管轄區(qū)域之間相對(duì)獨(dú)立，共同完成溫室環(huán)境的數(shù)據(jù)采集.變送器將采集的數(shù)據(jù)送入Wi-Fi中心節(jié)點(diǎn)后通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給MQTT代理服務(wù)器，MQTT代理服務(wù)器通過對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和運(yùn)算產(chǎn)生控制命令，再通過MQTT協(xié)議將控制命令傳輸給變送器以實(shí)現(xiàn)溫室的網(wǎng)絡(luò)化控制.系統(tǒng)組網(wǎng)模型如圖1所示.

2 MQTT協(xié)議通信的具體應(yīng)用過程

MQTT協(xié)議是一種即時(shí)通信協(xié)議技術(shù)，是較早的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議之一，由IBM公司于1999年開發(fā)，是一個(gè)為解決在不良網(wǎng)絡(luò)狀況中設(shè)備間通信,基于訂閱/發(fā)布機(jī)制的輕量級(jí)傳輸協(xié)議.在通過MQTT客戶端發(fā)布消息至服務(wù)器的主題下，任何訂閱了該主題的MQTT客戶端均可收到該消息，并且客戶端可以通過訂閱多個(gè)主題接收多個(gè)主題下的消息.MQTT協(xié)議是一個(gè)二進(jìn)制協(xié)議,相比文本協(xié)議而言其消息體編碼更為緊湊,可以傳遞各種類型的數(shù)據(jù)并能夠?qū)?shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行有效的屏蔽[5].

2.1 硬件設(shè)備對(duì)接協(xié)議

2.1.1 Wi-Fi中心節(jié)點(diǎn)分類

由于Wi-Fi中心節(jié)點(diǎn)設(shè)備類型較多，需要對(duì)配備不同傳感器的中心節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一分類，確保入網(wǎng)的每一個(gè)傳感器設(shè)備編碼唯一.編碼分類：“1”——2個(gè)溫濕度傳感器+雨量傳感器；“2”——2個(gè)溫濕度傳感器+土壤含水量傳感器；“3”——2個(gè)溫濕度傳感器；“4”——雨量傳感器；“5”——土壤含水量傳感器；“6”——1個(gè)溫濕度傳感器；“8”——1個(gè)溫濕度傳感器+放風(fēng)；“9”——2個(gè)溫濕度傳感器+雨量傳感器+土壤含水量傳感器.

2.1.2 Wi-Fi中心節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)配置

每一個(gè)Wi-Fi中心節(jié)點(diǎn)設(shè)備安裝前都必須進(jìn)行入網(wǎng)配置，配置操作界面如圖2所示，選擇串口號(hào)：COM2.接入中心協(xié)議選擇“TCP”,APN名稱選擇“CMNET”，如圖3所示.

2.2 MQTT協(xié)議軟件設(shè)計(jì)

MQTT協(xié)議由軟件來實(shí)現(xiàn)，軟件部分采用Java編程語言和mySQL數(shù)據(jù)庫，可部署在Windows、Linux環(huán)境下.

2.2.1 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)過程

Wi-Fi中心節(jié)點(diǎn)通過MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)與MQTT代理服務(wù)器的通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸過程如圖4所示.

MQTT代理服務(wù)器向Wi-Fi中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令，Wi-Fi中心節(jié)點(diǎn)收到并且執(zhí)行后，回發(fā)反饋信息，如果反饋超時(shí)，MQTT代理服務(wù)器重新發(fā)送，當(dāng)反饋超時(shí)3次后，則認(rèn)定發(fā)送失敗，丟棄該控制命令.

MQTT代理服務(wù)器向Wi-Fi中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送狀態(tài)查詢命令，Wi-Fi中心節(jié)點(diǎn)收到后回發(fā)狀態(tài)數(shù)據(jù).

Wi-Fi中心節(jié)點(diǎn)定時(shí)主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)給MQTT代理服務(wù)器，MQTT代理服務(wù)器收到后，回發(fā)反饋信息.

2.2.2 MQTT代理服務(wù)器發(fā)送控制指令的實(shí)現(xiàn)

MQTT代理服務(wù)器發(fā)送一個(gè)參數(shù)控制指令：8，2，855，5，30，350，50，950，250，0，30，60，30,(設(shè)備類型8、指令類型2、設(shè)備ID號(hào)855、記錄間隔時(shí)間5 min、上報(bào)間隔時(shí)間30 min、溫度報(bào)警上限35℃、溫度報(bào)警下限5 ℃、濕度報(bào)警上限95%、濕度報(bào)警下限25%、放風(fēng)策略0、遠(yuǎn)程模式繼電器動(dòng)作時(shí)長30 s、本地模式檢測時(shí)間間隔60 s、本地模式繼電器動(dòng)作時(shí)長30 s).其中，溫度上下限設(shè)置參數(shù)為原數(shù)值×10(范圍是-500～1000，對(duì)應(yīng)溫度為-50～100 ℃)，濕度上下限設(shè)置參數(shù)為原數(shù)值×10(范圍是0～1000，對(duì)應(yīng)濕度為0%～100%)，放風(fēng)策略有4種方式：“0”——僅遠(yuǎn)程指令控制；“1”——只要有一個(gè)傳感器超限即動(dòng)作；“2”——兩個(gè)傳感器同時(shí)超限即動(dòng)作；“3”——取兩個(gè)傳感器的平均值).如果MQTT代理服務(wù)器發(fā)送的參數(shù)設(shè)置指令連續(xù)三次超過30 s，則終止此條指令發(fā)送.

當(dāng)Wi-Fi中心節(jié)點(diǎn)收到MQTT代理服務(wù)器發(fā)送的參數(shù)設(shè)置指令且執(zhí)行成功后，向MQTT代理服務(wù)器上報(bào)執(zhí)行結(jié)果，上傳反饋信息內(nèi)容：8,2,OK，(設(shè)備類型8、指令類型2、狀態(tài)OK).

以上數(shù)據(jù)通信過程通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，利用多線程技術(shù)同步啟動(dòng)30 s計(jì)時(shí)器，當(dāng)Wi-Fi中心節(jié)點(diǎn)在30 s內(nèi)收到控制指令時(shí)則啟動(dòng)或關(guān)閉繼電器，以達(dá)到對(duì)遠(yuǎn)程電器設(shè)備的控制.

程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示.

2.2.3 MQTT代理服務(wù)器發(fā)送狀態(tài)查詢指令的實(shí)現(xiàn)

MQTT代理服務(wù)器向Wi-Fi中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)狀態(tài)查詢指令：8，3，(設(shè)備類型8、指令類型3).同步啟動(dòng)30 s計(jì)時(shí)器，當(dāng)反饋連續(xù)三次超時(shí)后，終止發(fā)送此條查詢指令.

Wi-Fi中心節(jié)點(diǎn)收到MQTT服務(wù)器發(fā)送的狀態(tài)查詢指令且執(zhí)行成功后，向MQTT服務(wù)器上傳查詢結(jié)果數(shù)據(jù)，其實(shí)現(xiàn)過程通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，程序流程如圖6所示.

Wi-Fi中心節(jié)點(diǎn)反饋上報(bào)狀態(tài)查詢的結(jié)果為：8,3,855,1,1,5,30,350,50, 1,30,60,30,0,(設(shè)備類型8、指令類型3、設(shè)備ID號(hào)855、程序版本號(hào)1、溫濕度傳感器1狀態(tài)1、記錄間隔時(shí)間5 min、上報(bào)間隔時(shí)間30 min，溫度1報(bào)警上限35 ℃、溫度1報(bào)警下限5 ℃、放風(fēng)策略1、遠(yuǎn)程模式繼電器1動(dòng)作時(shí)長30 s、本地模式檢測時(shí)間間隔60 s、本地模式繼電器1動(dòng)作時(shí)長30 s、控制狀態(tài)0)，溫度上下限設(shè)置參數(shù)為原數(shù)值×10(數(shù)值范圍-500～1000，對(duì)應(yīng)溫度為-50～100 ℃)

2.2.4 Wi-Fi中心節(jié)點(diǎn)主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)

Wi-Fi中心節(jié)點(diǎn)設(shè)備不需要接收MQTT代理服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，按照事先設(shè)置好的時(shí)間間隔主動(dòng)上傳采集到的環(huán)境數(shù)據(jù).指令類型規(guī)定為：“1”——數(shù)據(jù)透傳；“2”——參數(shù)設(shè)置執(zhí)行結(jié)果反饋；“3”——參數(shù)狀態(tài)反饋；“4”——雨量清零；“5”——數(shù)據(jù).Wi-Fi中心節(jié)點(diǎn)主動(dòng)上傳數(shù)據(jù)包括設(shè)備類型、指令類型、分包標(biāo)志、電量(電池電量)、時(shí)間間隔、溫度1、濕度1、溫度2、濕度2，其中溫度單位為℃，電量、濕度用百分比表示，所有數(shù)值為整數(shù)，電量數(shù)值為原數(shù)值(數(shù)值范圍0～100)，溫度數(shù)值為原數(shù)值×10(數(shù)值范圍-500～1000)，濕度數(shù)值是原數(shù)值×10(數(shù)值范圍0～1000).

3 結(jié)語

本文結(jié)合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢，通過MQTT網(wǎng)絡(luò)協(xié)議搭建了基于無線傳感器的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠.經(jīng)過測試，基于MQTT的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)適合小數(shù)據(jù)分組傳輸、高并發(fā)接入的場景，并在對(duì)通信時(shí)延要求不嚴(yán)格的情況下，對(duì)于較大數(shù)據(jù)分組有較高的通信質(zhì)量，滿足農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測過程中對(duì)多測點(diǎn)、多要素、移動(dòng)性、便捷性等方面的要求.實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化、智能化，使監(jiān)控系統(tǒng)具有費(fèi)用低、功耗低、使用方便、可靠性高等特點(diǎn)，能滿足較大范圍內(nèi)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控需求，對(duì)今后的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展具有一定的借鑒作用.