摘要:文章通過基于人工智能物聯(lián)網(wǎng)AIoT的在線實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)ThingsBoard,完成智慧溫室的環(huán)境信息檢測、恒溫設(shè)備控制和智能告警等工作,以ThingsBoard平臺(tái)為架構(gòu)核心進(jìn)行項(xiàng)目部署,完成項(xiàng)目安裝配置結(jié)果的檢測、智慧溫室項(xiàng)目儀表板的創(chuàng)建、溫度曲線組件的顯示和自動(dòng)溫控系統(tǒng)規(guī)則鏈的設(shè)置,實(shí)現(xiàn)了智慧溫室在環(huán)境監(jiān)測和智能控制方面的進(jìn)一步改造。相較于常規(guī)的物聯(lián)網(wǎng)方案,文章引入以ThingsBoard平臺(tái)為核心的新架構(gòu),方便系統(tǒng)解決方案的移植和拓展,能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一站式管理,有助于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、降低管理控制成本,具有一定的理論和實(shí)踐價(jià)值。
關(guān)鍵詞:智慧溫室;AIoT技術(shù);ThingsBoard平臺(tái);智能控制
中圖分類號:TP274? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A? ?文章編號:1674-0688(2023)05-0028-04
0 引言
隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,民眾對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和物種的豐富性提出了更高的要求。為了滿足農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)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(fā)展[1]。目前,發(fā)達(dá)國家的農(nóng)業(yè)已進(jìn)入農(nóng)業(yè)智慧化階段,智慧型農(nóng)業(yè)技術(shù)也已實(shí)現(xiàn)規(guī)?;瘧?yīng)用。與之相比,我國智慧農(nóng)業(yè)仍缺乏基礎(chǔ)研究和技術(shù)積累,各項(xiàng)先進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)和中試階段,特別在智慧溫室環(huán)境監(jiān)測和自動(dòng)控制方面,技術(shù)的合理性與全面性還有較大的提升空間[2]。當(dāng)前,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以通信技術(shù)為手段,提供信息獲取、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)分析處理等服務(wù),從而實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物之間的互聯(lián)。在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連接數(shù)以萬計(jì),迎來高速發(fā)展階段[3]。AIoT(Artificial Intelligence & Internet of Things,人工智能物聯(lián)網(wǎng))融合AI技術(shù)和IoT技術(shù),通過物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生、收集海量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于云端、邊緣端,再通過大數(shù)據(jù)分析以及更高形式的人工智能,實(shí)現(xiàn)萬物數(shù)據(jù)化、萬物智聯(lián)化。融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)形成智能化生態(tài)體系是目前國內(nèi)外研究的焦點(diǎn)。為進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、降低管理和控制成本,本文借助AIoT的開源平臺(tái)ThingsBoard,實(shí)現(xiàn)溫室智能化在環(huán)境監(jiān)測和智能控制方面的進(jìn)一步改造,構(gòu)建一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)智慧感知數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一站式智慧管理,進(jìn)一步優(yōu)化農(nóng)作物生長環(huán)境,對增收增產(chǎn)具有重大意義。
1 需求分析
溫度是農(nóng)作物生命活動(dòng)的重要生存因子,對農(nóng)作物的生長發(fā)育影響很大。農(nóng)作物各項(xiàng)生理活動(dòng)都要求有最低溫度、最適溫度和最高溫度標(biāo)準(zhǔn),這是溫度的三基點(diǎn)。植物在最適溫度下生長發(fā)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(nóng)作物生長的季節(jié),能提供溫室生育期、提高作物產(chǎn)量,多用于低溫季節(jié)喜溫蔬菜、花卉等植物的栽培或育苗等。溫室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括增溫系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)、降溫系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)等,其中包括含有排風(fēng)扇、熱風(fēng)扇、溫度感應(yīng)器的溫控系統(tǒng)及恒溫系統(tǒng)控制箱,以適時(shí)調(diào)節(jié)溫度。
本文基于開源的ThingsBoard平臺(tái)對溫室進(jìn)行智能化改造,搭建一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)智能恒溫系統(tǒng),通過測量溫室內(nèi)外溫度,使用恒溫機(jī)和空氣循環(huán)機(jī)2種方式實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境監(jiān)測管理和自動(dòng)恒溫控制,并盡可能地降低能耗。當(dāng)室內(nèi)溫度超過用戶指定閾值時(shí),系統(tǒng)根據(jù)溫室內(nèi)外溫度自行決定是否啟動(dòng)“恒溫”設(shè)備,并在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)端實(shí)時(shí)顯示溫室內(nèi)外的溫度、濕度數(shù)據(jù)以及溫度調(diào)節(jié)控制設(shè)備是否啟動(dòng)等信息。系統(tǒng)搭建完成后,需為用戶提供智能恒溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖紙并附上文字說明和數(shù)據(jù)手冊,清晰描述系統(tǒng)的執(zhí)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(nèi)溫度正常時(shí),恒溫機(jī)和空氣循環(huán)機(jī)不工作;②室內(nèi)溫度異常、室外溫度正常時(shí),空氣循環(huán)機(jī)工作;③室內(nèi)溫度異常、室外溫度異常時(shí),恒溫機(jī)工作;④使用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的組態(tài)軟件開發(fā)用戶界面,顯示室內(nèi)、室外溫度情況(實(shí)時(shí)數(shù)值、動(dòng)態(tài)曲線)和執(zhí)行設(shè)備狀態(tài);⑤使用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的組態(tài)軟件完善系統(tǒng)功能,繪制控制系統(tǒng)鏈路邏輯,實(shí)時(shí)展示恒溫機(jī)與空氣循環(huán)機(jī)的工作狀態(tài)。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 解決方案
該系統(tǒng)以AIoT平臺(tái)為核心,由IoT設(shè)備層、IoT接入層、IoT平臺(tái)層和IoT應(yīng)用層4層技術(shù)棧組成[4]。通過感知設(shè)備獲取溫室內(nèi)外環(huán)境信息,再由MQTT、CoAP和HTTP等協(xié)議完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)并上傳至IoT平臺(tái),完成數(shù)據(jù)的分析處理并展示數(shù)據(jù),根據(jù)系統(tǒng)功能策略實(shí)現(xiàn)溫室的環(huán)境監(jiān)測和恒溫控制。溫室智能化改造實(shí)現(xiàn)方案如圖2所示。
2.2 系統(tǒng)配置
(1)傳感/執(zhí)行設(shè)備。由于溫室面積不大,考慮到系統(tǒng)搭建的成本問題,選用支持Modbus RTU協(xié)議通信的RS485設(shè)備完成溫室環(huán)境信息采集,設(shè)備包括RS485溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)(室內(nèi)和室外2種)和Adam4150數(shù)據(jù)采集模塊。選用同樣支持該通信協(xié)議的執(zhí)行器(220V暖風(fēng)機(jī)作為恒溫機(jī)和220V風(fēng)機(jī)作為空氣循環(huán)機(jī))連接到RS485總線[5]。
(2)網(wǎng)關(guān)。選用Linux基金會(huì)支持的邊緣計(jì)算開源平臺(tái)EdgeX Foundry,部署在路由器或交換機(jī)等邊緣設(shè)備上,為傳感設(shè)備或其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供即插即用功能和管理功能,進(jìn)一步收集和管理數(shù)據(jù),輸出到邊緣計(jì)算應(yīng)用或AIoT平臺(tái)做進(jìn)一步處理。
(3)AIoT平臺(tái)。選用基于Java的開源平臺(tái)ThingsBoard作為本系統(tǒng)的核心平臺(tái),該平臺(tái)在架構(gòu)先進(jìn)性、功能完整性、文檔完備性等方面優(yōu)于眾多物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),能較好地實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的管理、開發(fā)與擴(kuò)展,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備管理和數(shù)據(jù)可視化。本系統(tǒng)將該平臺(tái)用于數(shù)據(jù)收集、處理、可視化和設(shè)備管理,主要包含用戶添加、設(shè)備添加、設(shè)備分配、報(bào)警和規(guī)則鏈等功能。通過物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議(MQTT、CoAP和HTTP)實(shí)現(xiàn)傳感/執(zhí)行設(shè)備的連接,支持云和本地部署2種方式[6]。該平臺(tái)能夠定義設(shè)備、資產(chǎn)和客戶之間的關(guān)系,完成設(shè)備管理和警報(bào)管理;可進(jìn)行水平擴(kuò)展,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化;有一定的容錯(cuò)性及海量的設(shè)備容量和高效的處理性能,不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。該平臺(tái)還能提供管理實(shí)體的核心服務(wù),例如設(shè)備及憑據(jù),規(guī)則鏈及規(guī)則節(jié)點(diǎn),租戶、客戶和平臺(tái)的關(guān)系,小部件和儀表板,警報(bào)和事件,等等。
3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式
3.1 設(shè)置Modbus RTU匯聚模塊
在仿真設(shè)備界面分別安裝2個(gè)RS485溫濕度傳感器(室內(nèi)和室外),安裝Adam4150數(shù)據(jù)采集模塊,通過RS485轉(zhuǎn)RS232的轉(zhuǎn)換模塊接入網(wǎng)關(guān)設(shè)備的串口;安裝暖風(fēng)機(jī)作為恒溫機(jī)、風(fēng)機(jī)作為空氣循環(huán)機(jī),通過中間繼電器接到Adam4150的輸出端口。雙擊設(shè)備地址碼,在彈出的界面進(jìn)行設(shè)置,該系統(tǒng)Modbus設(shè)備地址的分配情況如下:室內(nèi)溫濕度傳感器為地址1,數(shù)據(jù)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(shè)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(wǎng)關(guān)之間的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),用于完成數(shù)據(jù)上傳和指令下達(dá)任務(wù)。
3.2 部署EdgeX(ireland)作為ThingsBoard網(wǎng)關(guān)
在仿真平臺(tái)主界面,選擇“虛擬機(jī)服務(wù)”,記錄頁面中顯示的虛擬機(jī)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(tái)連接器tb-gateway上,用于轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備和IoT平臺(tái)的傳感數(shù)據(jù)和命令。所有配置到EdgeX的設(shè)備所發(fā)送的傳感數(shù)據(jù),都會(huì)被tb-gateway轉(zhuǎn)發(fā)到ThingsBoard平臺(tái),而從平臺(tái)的規(guī)則鏈或者儀表板上發(fā)送給執(zhí)行設(shè)備的RPC請求,也會(huì)被tb-gateway轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的設(shè)備。
將EdgeX(ireland)部署為ThingsBoard網(wǎng)關(guān)的步驟如下:編輯連接器的配置→修改設(shè)備模組總線服務(wù)→啟動(dòng)配置參數(shù)→修改設(shè)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(jī)IP與端口號30001→打開EdgeX的UI設(shè)計(jì)界面。
3.3 部署ThingsBoard項(xiàng)目實(shí)體
智慧溫室項(xiàng)目采用開源的ThingsBoard平臺(tái)作為核心平臺(tái),需要在該平臺(tái)上為智慧溫室項(xiàng)目設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控儀表盤進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控,并設(shè)計(jì)報(bào)警和恒溫控制策略[7]。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示的儀表盤和策略,需要添加相應(yīng)的資產(chǎn)、設(shè)備配置類型、設(shè)備等信息,以及設(shè)置相關(guān)的資產(chǎn)/設(shè)備關(guān)系。ThingsBoard作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),可通過一個(gè)平臺(tái)租戶賬號,實(shí)現(xiàn)多個(gè)IoT工程,每個(gè)IoT工程需要在使用的實(shí)體類型、資產(chǎn)類型加上一個(gè)前綴,以區(qū)別不同的IoT工程。本項(xiàng)目智慧溫室所有類型都加一個(gè)green前綴。AIoT在線工程仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)ThingsBoard界面如圖3所示。智慧溫室項(xiàng)目具體部署辦法如下。
(1)創(chuàng)建項(xiàng)目資產(chǎn)。將設(shè)備配置文件中的傳感器、執(zhí)行器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備添加到平臺(tái)上,創(chuàng)建項(xiàng)目資產(chǎn)列表,添加網(wǎng)關(guān)設(shè)備。
(2)檢查項(xiàng)目安裝配置結(jié)果。在仿真設(shè)備平臺(tái)上開啟模擬實(shí)驗(yàn),通過檢查設(shè)備配置文件所列設(shè)備是否自動(dòng)創(chuàng)建成功來檢查EdgeX網(wǎng)關(guān)的部署是否正確,如果設(shè)備列表不完全,重新檢查網(wǎng)關(guān)的配置文件;點(diǎn)擊溫度、濕度傳感器,如果有遙測數(shù)據(jù)顯示,說明設(shè)備配置成功。修改設(shè)備類型,編輯溫濕度傳感器的設(shè)備類型級標(biāo)簽值,將設(shè)備名稱、設(shè)備標(biāo)簽和設(shè)備配置文件一一對應(yīng);修改設(shè)備與資產(chǎn)的關(guān)系,通常是包含與被包含的關(guān)系,該系統(tǒng)中項(xiàng)目資產(chǎn)智慧溫室包含溫濕度傳感器、暖風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)等各種設(shè)備;修改設(shè)備與設(shè)備之間的關(guān)系,在設(shè)備名稱、關(guān)聯(lián)方向、關(guān)聯(lián)類型和關(guān)聯(lián)的設(shè)備等方面建立設(shè)備與設(shè)備之間的關(guān)聯(lián),例如暖風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)設(shè)備與溫濕度傳感器設(shè)備是從屬關(guān)系。在鍵名稱、鍵值類型和鍵值3個(gè)方面設(shè)置實(shí)體服務(wù)端屬性,并將實(shí)體名稱、實(shí)體類型、實(shí)體標(biāo)簽和實(shí)體服務(wù)端屬性一一對應(yīng)。
(3)創(chuàng)建智慧溫室項(xiàng)目儀表板。登錄IoT平臺(tái),創(chuàng)建項(xiàng)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(jī)和空氣循環(huán)機(jī)等設(shè)備。打開儀表板編輯界面,在儀表板添加組件,在實(shí)體別名管理界面添加實(shí)體別名,室內(nèi)溫度、室外溫度的過濾類型同為“單個(gè)實(shí)體”,而溫室設(shè)備過濾類型為“關(guān)系查詢”;在三級選擇項(xiàng)里,室內(nèi)溫度和室外溫度的類型為“設(shè)備”,而溫室設(shè)備的類型為“根實(shí)體”,并且只有溫室設(shè)備是多實(shí)體存在的。將上述連接好的傳感、執(zhí)行和網(wǎng)關(guān)設(shè)備在仿真平臺(tái)上運(yùn)行,能看到設(shè)備上報(bào)的遙測數(shù)據(jù),在添加地圖組件的數(shù)據(jù)源時(shí),列表中能看到設(shè)備的遙測變量和設(shè)備服務(wù)端屬性的變量。添加圖片地圖組件和數(shù)據(jù)源,注意在添加風(fēng)扇設(shè)備的狀態(tài)值時(shí),需要手動(dòng)輸入該狀態(tài)值變量;修改地圖標(biāo)題為“智慧溫室”,修改溫室背景圖、實(shí)體在地圖上的顯示名稱、實(shí)體標(biāo)簽信息顯示函數(shù)及實(shí)體提示信息顯示函數(shù);添加實(shí)體顯示圖片,修改圖表顯示函數(shù)和圖片地圖組件尺寸,設(shè)置實(shí)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(nèi)外溫濕度歷史數(shù)據(jù)的圖表組件;設(shè)置曲線組件數(shù)據(jù)源,并調(diào)整尺寸和位置;在編輯界面修改曲線組件標(biāo)題;設(shè)置曲線組件參數(shù)為“平滑顯示模式”。
(5)設(shè)置溫度控制自動(dòng)排氣扇策略。通過ThingsBoard平臺(tái)自身的規(guī)則鏈庫進(jìn)行報(bào)警鏈的設(shè)置。根據(jù)室內(nèi)外的環(huán)境溫度控制空氣循環(huán)機(jī)和恒溫機(jī),從空氣循環(huán)機(jī)或恒溫機(jī)的角度出發(fā),獲取室內(nèi)外的溫度值,根據(jù)溫控需求,判斷是否需要發(fā)送開啟或停止的命令請求。例如,當(dāng)傳感器獲取到的溫室內(nèi)溫度高于50℃時(shí)會(huì)出發(fā)高溫警報(bào),并打開空氣循環(huán)機(jī)降溫,報(bào)警信息展示在平臺(tái)儀表盤,由用戶自行決定是否清除警報(bào)。設(shè)置具體步驟如下:①打開規(guī)則鏈編輯界面,添加獲取室內(nèi)溫度節(jié)點(diǎn)并連線input節(jié)點(diǎn),作為其輸入源,按照相同的步驟添加獲取室外溫度節(jié)點(diǎn);②添加生成RPC消息節(jié)點(diǎn),加入生成RPC消息的代碼;③從生成RPC消息節(jié)點(diǎn)輸出的數(shù)據(jù)需要過濾再發(fā)送到設(shè)備,從過濾器列表中拖拽1個(gè)Script節(jié)點(diǎn)到編輯區(qū),完成消息檢測節(jié)點(diǎn)的添加;④從動(dòng)作列表中拖拽1個(gè)rpc call request節(jié)點(diǎn)到編輯區(qū),并輸入節(jié)點(diǎn)名稱“發(fā)送RPC”。
(6)將智慧溫室溫控規(guī)則鏈加入根規(guī)則鏈。在規(guī)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(guī)則鏈結(jié)果。運(yùn)行EdgeX設(shè)備,開啟仿真設(shè)備平臺(tái)的模擬實(shí)驗(yàn)。設(shè)置恒溫觸發(fā)條件,將溫濕度傳感器的閾值設(shè)定為15~35 ℃,此溫度為農(nóng)作物生長的適宜溫度。修改仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)室內(nèi)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(jī)和空氣循環(huán)機(jī)的運(yùn)行效果。當(dāng)室內(nèi)、室外溫度均為20 ℃時(shí),恒溫機(jī)和空氣循環(huán)機(jī)都不運(yùn)轉(zhuǎn);當(dāng)室內(nèi)溫度為12 ℃、室外溫度為20 ℃時(shí),空氣循環(huán)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn);當(dāng)室內(nèi)、室外溫度均為12 ℃時(shí),恒溫機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
4 結(jié)語
本文從智慧溫室的實(shí)際改造需求出發(fā),基于開源的ThingsBoard平臺(tái)給出詳細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行項(xiàng)目安裝配置結(jié)果的檢測、智慧溫室項(xiàng)目儀表板的創(chuàng)建、溫度曲線組件的顯示和自動(dòng)溫控系統(tǒng)規(guī)則鏈的設(shè)置,完成智慧溫室的環(huán)境信息展示、自動(dòng)恒溫設(shè)備控制和智能報(bào)警等工作。該系統(tǒng)解決方案可以移植到其他智能數(shù)據(jù)監(jiān)測和設(shè)備控制的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域,有一定的理論和實(shí)踐價(jià)值。由于當(dāng)前ThingsBoard平臺(tái)操作復(fù)雜、用戶門檻高,因此后續(xù)研究重點(diǎn)可放在進(jìn)一步改善開發(fā)平臺(tái)的可操作性上,提升用戶體驗(yàn)感,促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算等核心關(guān)鍵技術(shù)與農(nóng)業(yè)的深度融合。
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*2022年河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目“萬物互聯(lián)視域下物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)助力鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略脫貧攻堅(jiān)應(yīng)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(cái)稅金融職業(yè)學(xué)院,助教,研究方向:物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、人工智能圖像處理。
【引用本文】李雅迪.基于開源ThingsBoard平臺(tái)的智慧溫室升級改造[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2023(5):28-31.