基于開源ThingsBoard平臺的智慧溫室升級改造

摘要：文章通過基于人工智能物聯網AIoT的在線實訓仿真平臺ThingsBoard，完成智慧溫室的環境信息檢測、恒溫設備控制和智能告警等工作，以ThingsBoard平臺為架構核心進行項目部署，完成項目安裝配置結果的檢測、智慧溫室項目儀表板的創建、溫度曲線組件的顯示和自動溫控系統規則鏈的設置，實現了智慧溫室在環境監測和智能控制方面的進一步改造。相較于常規的物聯網方案，文章引入以ThingsBoard平臺為核心的新架構，方便系統解決方案的移植和拓展，能夠實現農業生產一站式管理，有助于提高農業生產效率、降低管理控制成本，具有一定的理論和實踐價值。

關鍵詞：智慧溫室；AIoT技術；ThingsBoard平臺；智能控制

中圖分類號：TP274? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）05-0028-04

0 引言

隨著社會的發展和人民生活水平的提高，民眾對農產品品質和物種的豐富性提出了更高的要求。為了滿足農作物的優質供給需求，智慧溫室的種植方式和管理模式也有了較快的發展［1］。目前，發達國家的農業已進入農業智慧化階段，智慧型農業技術也已實現規模化應用。與之相比，我國智慧農業仍缺乏基礎研究和技術積累，各項先進的關鍵技術仍處于實驗室研發和中試階段，特別在智慧溫室環境監測和自動控制方面，技術的合理性與全面性還有較大的提升空間［2］。當前，物聯網技術以通信技術為手段，提供信息獲取、數據傳輸和數據分析處理等服務，從而實現人、機、物之間的互聯。在智慧農業領域，物聯網設備的連接數以萬計，迎來高速發展階段［3］。AIoT（Artificial Intelligence & Internet of Things，人工智能物聯網）融合AI技術和IoT技術，通過物聯網產生、收集海量的數據存儲于云端、邊緣端，再通過大數據分析以及更高形式的人工智能，實現萬物數據化、萬物智聯化。融合物聯網技術和人工智能技術形成智能化生態體系是目前國內外研究的焦點。為進一步提高農業生產效率、降低管理和控制成本，本文借助AIoT的開源平臺ThingsBoard，實現溫室智能化在環境監測和智能控制方面的進一步改造，構建一個物聯網智慧感知數據管理系統，實現對農業生產的一站式智慧管理，進一步優化農作物生長環境，對增收增產具有重大意義。

1 需求分析

溫度是農作物生命活動的重要生存因子，對農作物的生長發育影響很大。農作物各項生理活動都要求有最低溫度、最適溫度和最高溫度標準，這是溫度的三基點。植物在最適溫度下生長發育良好，超過最高溫度或低于最低溫度便生長不良甚至死亡。溫室（greenhouse）又稱為暖房，能透光、保溫（或加溫），在不適宜農作物生長的季節，能提供溫室生育期、提高作物產量，多用于低溫季節喜溫蔬菜、花卉等植物的栽培或育苗等。溫室系統的設計包括增溫系統、保溫系統、降溫系統、通風系統、控制系統、灌溉系統等，其中包括含有排風扇、熱風扇、溫度感應器的溫控系統及恒溫系統控制箱，以適時調節溫度。

本文基于開源的ThingsBoard平臺對溫室進行智能化改造，搭建一個物聯網智能恒溫系統，通過測量溫室內外溫度，使用恒溫機和空氣循環機2種方式實現溫室環境監測管理和自動恒溫控制，并盡可能地降低能耗。當室內溫度超過用戶指定閾值時，系統根據溫室內外溫度自行決定是否啟動“恒溫”設備，并在物聯網平臺端實時顯示溫室內外的溫度、濕度數據以及溫度調節控制設備是否啟動等信息。系統搭建完成后，需為用戶提供智能恒溫系統的設計圖紙并附上文字說明和數據手冊，清晰描述系統的執行邏輯。智慧溫室智能恒溫控制邏輯如圖1所示。

具體改造需求描述如下：①室內溫度正常時，恒溫機和空氣循環機不工作；②室內溫度異常、室外溫度正常時，空氣循環機工作；③室內溫度異常、室外溫度異常時，恒溫機工作；④使用物聯網平臺的組態軟件開發用戶界面，顯示室內、室外溫度情況（實時數值、動態曲線）和執行設備狀態；⑤使用物聯網平臺的組態軟件完善系統功能，繪制控制系統鏈路邏輯，實時展示恒溫機與空氣循環機的工作狀態。

2 系統設計

2.1 解決方案

該系統以AIoT平臺為核心，由IoT設備層、IoT接入層、IoT平臺層和IoT應用層4層技術棧組成［4］。通過感知設備獲取溫室內外環境信息，再由MQTT、CoAP和HTTP等協議完成數據轉發并上傳至IoT平臺，完成數據的分析處理并展示數據，根據系統功能策略實現溫室的環境監測和恒溫控制。溫室智能化改造實現方案如圖2所示。

2.2 系統配置

（1）傳感/執行設備。由于溫室面積不大，考慮到系統搭建的成本問題，選用支持Modbus RTU協議通信的RS485設備完成溫室環境信息采集，設備包括RS485溫濕度傳感器節點（室內和室外2種）和Adam4150數據采集模塊。選用同樣支持該通信協議的執行器（220V暖風機作為恒溫機和220V風機作為空氣循環機）連接到RS485總線［5］。

（2）網關。選用Linux基金會支持的邊緣計算開源平臺EdgeX Foundry，部署在路由器或交換機等邊緣設備上，為傳感設備或其他物聯網設備提供即插即用功能和管理功能，進一步收集和管理數據，輸出到邊緣計算應用或AIoT平臺做進一步處理。

（3）AIoT平臺。選用基于Java的開源平臺ThingsBoard作為本系統的核心平臺，該平臺在架構先進性、功能完整性、文檔完備性等方面優于眾多物聯網平臺，能較好地實現物聯網項目的管理、開發與擴展，實現數據采集、設備管理和數據可視化。本系統將該平臺用于數據收集、處理、可視化和設備管理，主要包含用戶添加、設備添加、設備分配、報警和規則鏈等功能。通過物聯網行業的標準協議（MQTT、CoAP和HTTP）實現傳感/執行設備的連接，支持云和本地部署2種方式［6］。該平臺能夠定義設備、資產和客戶之間的關系，完成設備管理和警報管理；可進行水平擴展，實現數據可視化；有一定的容錯性及海量的設備容量和高效的處理性能，不會丟失數據。該平臺還能提供管理實體的核心服務，例如設備及憑據，規則鏈及規則節點，租戶、客戶和平臺的關系，小部件和儀表板，警報和事件，等等。

3 系統實現方式

3.1 設置Modbus RTU匯聚模塊

在仿真設備界面分別安裝2個RS485溫濕度傳感器（室內和室外），安裝Adam4150數據采集模塊，通過RS485轉RS232的轉換模塊接入網關設備的串口；安裝暖風機作為恒溫機、風機作為空氣循環機，通過中間繼電器接到Adam4150的輸出端口。雙擊設備地址碼，在彈出的界面進行設置，該系統Modbus設備地址的分配情況如下：室內溫濕度傳感器為地址1，數據采集模塊Adam4150為地址2，室外溫濕度傳感器為地址3。給所有設備供上電源，最終形成Modbus RTU匯聚模塊。該匯聚模塊是RS485總線跟ThingsBoard網關之間的關鍵節點，用于完成數據上傳和指令下達任務。

3.2 部署EdgeX（ireland）作為ThingsBoard網關

在仿真平臺主界面，選擇“虛擬機服務”，記錄頁面中顯示的虛擬機IP和開放的端口范圍，然后通過Docker-Compose方式完成EdgeX的安裝。將EdgeX添加到ThingsBoard平臺連接器tb-gateway上，用于轉發設備和IoT平臺的傳感數據和命令。所有配置到EdgeX的設備所發送的傳感數據，都會被tb-gateway轉發到ThingsBoard平臺，而從平臺的規則鏈或者儀表板上發送給執行設備的RPC請求，也會被tb-gateway轉發給相應的設備。

將EdgeX（ireland）部署為ThingsBoard網關的步驟如下：編輯連接器的配置→修改設備模組總線服務→啟動配置參數→修改設備配置文件→修改UI和consul的映射端口→重新打開瀏覽器界面→輸入虛擬機IP與端口號30001→打開EdgeX的UI設計界面。

3.3 部署ThingsBoard項目實體

智慧溫室項目采用開源的ThingsBoard平臺作為核心平臺，需要在該平臺上為智慧溫室項目設計一個實時數據監控儀表盤進行數據實時監控，并設計報警和恒溫控制策略［7］。為了實現實時數據顯示的儀表盤和策略，需要添加相應的資產、設備配置類型、設備等信息，以及設置相關的資產/設備關系。ThingsBoard作為教學實驗平臺，可通過一個平臺租戶賬號，實現多個IoT工程，每個IoT工程需要在使用的實體類型、資產類型加上一個前綴，以區別不同的IoT工程。本項目智慧溫室所有類型都加一個green前綴。AIoT在線工程仿真實訓平臺ThingsBoard界面如圖3所示。智慧溫室項目具體部署辦法如下。

（1）創建項目資產。將設備配置文件中的傳感器、執行器和數據采集設備添加到平臺上，創建項目資產列表，添加網關設備。

（2）檢查項目安裝配置結果。在仿真設備平臺上開啟模擬實驗，通過檢查設備配置文件所列設備是否自動創建成功來檢查EdgeX網關的部署是否正確，如果設備列表不完全，重新檢查網關的配置文件；點擊溫度、濕度傳感器，如果有遙測數據顯示，說明設備配置成功。修改設備類型，編輯溫濕度傳感器的設備類型級標簽值，將設備名稱、設備標簽和設備配置文件一一對應；修改設備與資產的關系，通常是包含與被包含的關系，該系統中項目資產智慧溫室包含溫濕度傳感器、暖風機和風機等各種設備；修改設備與設備之間的關系，在設備名稱、關聯方向、關聯類型和關聯的設備等方面建立設備與設備之間的關聯，例如暖風機和風機設備與溫濕度傳感器設備是從屬關系。在鍵名稱、鍵值類型和鍵值3個方面設置實體服務端屬性，并將實體名稱、實體類型、實體標簽和實體服務端屬性一一對應。

（3）創建智慧溫室項目儀表板。登錄IoT平臺，創建項目儀表板，在智慧溫室仿真場景中（也可稱為地圖）顯示溫濕度傳感器、恒溫機和空氣循環機等設備。打開儀表板編輯界面，在儀表板添加組件，在實體別名管理界面添加實體別名，室內溫度、室外溫度的過濾類型同為“單個實體”，而溫室設備過濾類型為“關系查詢”；在三級選擇項里，室內溫度和室外溫度的類型為“設備”，而溫室設備的類型為“根實體”，并且只有溫室設備是多實體存在的。將上述連接好的傳感、執行和網關設備在仿真平臺上運行，能看到設備上報的遙測數據，在添加地圖組件的數據源時，列表中能看到設備的遙測變量和設備服務端屬性的變量。添加圖片地圖組件和數據源，注意在添加風扇設備的狀態值時，需要手動輸入該狀態值變量；修改地圖標題為“智慧溫室”，修改溫室背景圖、實體在地圖上的顯示名稱、實體標簽信息顯示函數及實體提示信息顯示函數；添加實體顯示圖片，修改圖表顯示函數和圖片地圖組件尺寸，設置實體在地圖上為“可拖拽模式”，修改溫度返回值。

（4）添加溫度曲線顯示組件。在界面中添加并顯示智慧溫室室內外溫濕度歷史數據的圖表組件；設置曲線組件數據源，并調整尺寸和位置；在編輯界面修改曲線組件標題；設置曲線組件參數為“平滑顯示模式”。

（5）設置溫度控制自動排氣扇策略。通過ThingsBoard平臺自身的規則鏈庫進行報警鏈的設置。根據室內外的環境溫度控制空氣循環機和恒溫機，從空氣循環機或恒溫機的角度出發，獲取室內外的溫度值，根據溫控需求，判斷是否需要發送開啟或停止的命令請求。例如，當傳感器獲取到的溫室內溫度高于50℃時會出發高溫警報，并打開空氣循環機降溫，報警信息展示在平臺儀表盤，由用戶自行決定是否清除警報。設置具體步驟如下：①打開規則鏈編輯界面，添加獲取室內溫度節點并連線input節點，作為其輸入源，按照相同的步驟添加獲取室外溫度節點；②添加生成RPC消息節點，加入生成RPC消息的代碼；③從生成RPC消息節點輸出的數據需要過濾再發送到設備，從過濾器列表中拖拽1個Script節點到編輯區，完成消息檢測節點的添加；④從動作列表中拖拽1個rpc call request節點到編輯區，并輸入節點名稱“發送RPC”。

（6）將智慧溫室溫控規則鏈加入根規則鏈。在規則鏈庫列表中，打開Root Rule Chain，從Message Type Switch拉出的1條Post telemetry連線到智慧溫室溫控控制鏈。

（7）檢查智慧溫室溫控規則鏈結果。運行EdgeX設備，開啟仿真設備平臺的模擬實驗。設置恒溫觸發條件，將溫濕度傳感器的閾值設定為15～35 ℃，此溫度為農作物生長的適宜溫度。修改仿真實驗平臺室內溫濕度傳感器和室外溫濕度傳感器的測試條件，檢查恒溫機和空氣循環機的運行效果。當室內、室外溫度均為20 ℃時，恒溫機和空氣循環機都不運轉；當室內溫度為12 ℃、室外溫度為20 ℃時，空氣循環機運轉；當室內、室外溫度均為12 ℃時，恒溫機運轉。

4 結語

本文從智慧溫室的實際改造需求出發，基于開源的ThingsBoard平臺給出詳細的系統設計方案，進行項目安裝配置結果的檢測、智慧溫室項目儀表板的創建、溫度曲線組件的顯示和自動溫控系統規則鏈的設置，完成智慧溫室的環境信息展示、自動恒溫設備控制和智能報警等工作。該系統解決方案可以移植到其他智能數據監測和設備控制的物聯網應用領域，有一定的理論和實踐價值。由于當前ThingsBoard平臺操作復雜、用戶門檻高，因此后續研究重點可放在進一步改善開發平臺的可操作性上，提升用戶體驗感，促進物聯網、人工智能、云計算等核心關鍵技術與農業的深度融合。

5 參考文獻

［1］趙春江.智慧農業發展現狀及戰略目標研究［J］.智慧農業，2019（1）：1-7.

［2］劉亞偉.基于物聯網技術的智能溫室大棚控制系統研究［D］.長春：長春工業大學，2018.

［3］張麗巖，高宗巍，馬健，等.基于Sumo和Thingsboard的交通仿真平臺［J］.物流科技，2023，46（11）：83-86.

［4］何文靜，肖紫蕓，肖玲玲.基于IoT平臺的智能溫室大棚測控系統實現［J］.科技創新與應用，2020（34）：39-41.

［5］趙宏林，廉小親，郝寶智，等.基于物聯網云平臺的空調遠程控制系統［J］.計算機工程與設計，2017，38（1）：265-270.

［6］張吉圭.基于開源AIoT物聯網平臺的智慧牧場仿真實現［J］.智慧農業導刊，2021（9）：18-21.

［7］吳小峰，王艷紅，李慧勇.基于LoRaWAN技術和ThingsBoard平臺的智能溫室大棚環境監測系統設計［J］.襄陽職業技術學院學報，2022，21（5）：74-78.

*2022年河南省高等學校重點科研項目“萬物互聯視域下物聯網智慧農業系統助力鄉村振興戰略脫貧攻堅應用研究”（22B520032）。

【作者簡介】李雅迪，女，河南鄭州人，碩士，任職于鄭州財稅金融職業學院，助教，研究方向：物聯網應用技術、人工智能圖像處理。

【引用本文】李雅迪.基于開源ThingsBoard平臺的智慧溫室升級改造［J］.企業科技與發展，2023（5）：28-31.