方 霞

(新疆工程學(xué)院 信息工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830091)

0 引 言

近年來(lái)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用于農(nóng)業(yè)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，成為了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的大趨勢(shì)。物聯(lián)網(wǎng)和農(nóng)業(yè)相結(jié)合所形成的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，作為一項(xiàng)新型信息化集成技術(shù)，正逐步改變著國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的經(jīng)營(yíng)模式，推動(dòng)國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的發(fā)展[1]。

1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,“IOT”)這個(gè)概念在1999年由麻省理工學(xué)院的Ashton 教授提出,是基于無(wú)線射頻標(biāo)識(shí)技術(shù)提出的產(chǎn)品電子編碼系統(tǒng)[2]。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際上就是物與物、人與物之間的信息傳遞與控制簡(jiǎn)稱[3-4]，所有物品都可以通過(guò)信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。物聯(lián)網(wǎng)與很多行業(yè)緊密相關(guān)，如農(nóng)業(yè)、工業(yè)、零售業(yè)、醫(yī)療、能源等。

2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)發(fā)展緊密結(jié)合。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用于農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)以及管理中，使用溫度傳感器、濕度傳感器、PH值傳感器等各類感知設(shè)備，用于采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的各類信息，檢測(cè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的溫度、濕度、PH值等各類參數(shù)，最后技術(shù)人員通過(guò)各種儀器儀表實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)整個(gè)過(guò)程的監(jiān)控[5-7]。技術(shù)人員根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)做出決策，并進(jìn)行實(shí)時(shí)服務(wù)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代化技術(shù)相結(jié)合，提高了農(nóng)業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率并促進(jìn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的跨越式發(fā)展。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可分為三個(gè)層次：信息感知層、信息網(wǎng)絡(luò)層以及信息應(yīng)用層。

(1)信息感知層主要用于實(shí)現(xiàn)感知和識(shí)別物體，通過(guò)各種傳感器，對(duì)農(nóng)業(yè)氣象要素信息，如空氣的溫度、濕度、CO2濃度等進(jìn)行采集。

(2)信息網(wǎng)絡(luò)層是將傳感器獲取的信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，除此之外，還包括網(wǎng)絡(luò)管理中心和信息中心。

(3)信息應(yīng)用層將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與行業(yè)技術(shù)進(jìn)行融合，處理后的信息用于科學(xué)決策[8]。

3 MQTT協(xié)議

3.1 MQTT簡(jiǎn)介

MQTT(message queuing telemetry transport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸)，是IBM(international business machines corporation，國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司)于1999年開發(fā)的即時(shí)通訊協(xié)議[9-11]。該協(xié)議主要用于輕量級(jí)的發(fā)布/訂閱式的消息傳輸，其特點(diǎn)為簡(jiǎn)單、開放、易于實(shí)現(xiàn)等，適用于低帶寬，以及不可靠的網(wǎng)絡(luò)通訊，處理器和存儲(chǔ)器資源有限的嵌入式設(shè)備和移動(dòng)終端[12]。

3.2 MQTT與物聯(lián)網(wǎng)

MQTT可以說(shuō)是針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)設(shè)計(jì)的新型輕量級(jí)傳輸協(xié)議，對(duì)于低帶寬、低計(jì)算能力的設(shè)備，MQTT進(jìn)行了特殊的優(yōu)化升級(jí)，能夠適應(yīng)各式各樣的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。MQTT可以將幾十億低成本、嵌入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)的發(fā)展和規(guī)劃產(chǎn)生了重大的影響。

3.3 MQTT的功能特點(diǎn)

(1)輕巧：采用二進(jìn)制的形式表達(dá)，具有非常小的通信開銷(最小的消息大小為2字節(jié))，協(xié)議交換最小，沒有應(yīng)用消息頭，降低了網(wǎng)絡(luò)流量以及復(fù)雜度。

(2)支持簡(jiǎn)單的發(fā)布/訂閱消息模式-連接、發(fā)布、訂閱、斷開。

(3)IBM和Eurotech公司共同研制，開放公開的協(xié)議，專門為“設(shè)備”網(wǎng)絡(luò)專業(yè)定制。

(4)有三種等級(jí)的消息發(fā)布服務(wù)質(zhì)量:“至多一次”這一級(jí)別表示會(huì)發(fā)生消息丟失或重復(fù)，主要用于各類環(huán)境傳感器的數(shù)據(jù)采集，丟失一次記錄不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因?yàn)椴痪煤筮€會(huì)進(jìn)行第二次發(fā)送；“至少一次”這一級(jí)別表示確保消息到達(dá)，但消息重復(fù)可能會(huì)發(fā)生；“只有一次”表示確保消息到達(dá)一次，主要用于計(jì)費(fèi)系統(tǒng)等，消息重復(fù)或丟失會(huì)導(dǎo)致不正確的結(jié)果。

3.4 MQTT工作原理

MQTT的結(jié)構(gòu)由MQTT消息代理和MQTT客戶端組成?？蛻舳耸褂肕QTT協(xié)議與消息代理相連接，如圖1所示。

圖1 MQTT結(jié)構(gòu)

在消息推送過(guò)程中，MQTT定義了三種角色，分別是消息代理(Broke)、發(fā)布者(Publisher)和訂閱者(Subscriber)。圖2為MQTT工作模型，圖3為MQTT工作原理。

圖2 MQTT工作模型

圖3 MQTT工作原理

消息代理是服務(wù)器端，其主要應(yīng)用程序?yàn)镸osquitto。Mosquitto是一種開源消息代理軟件，主要用于消息推送協(xié)議MQTT v3.1，支持發(fā)布/訂閱的消息推送模式。手機(jī)、低功耗傳感器、嵌入式計(jì)算機(jī)、微型控制器等移動(dòng)設(shè)備都使用該軟件[13-14]，使設(shè)備對(duì)設(shè)備之間的短消息通信變得簡(jiǎn)單。

消息代理服務(wù)器端有以下幾種功能[15]：

(1)接收和管理主題。

(2)接受訂閱者和發(fā)布者的注冊(cè)并加以管理和維護(hù)。

(3)儲(chǔ)存發(fā)來(lái)的消息，然后將消息轉(zhuǎn)發(fā)給有需求的訂閱者。

訂閱者首先進(jìn)行注冊(cè)，然后提交訂閱的主題，接下來(lái)等待接收該主題的有關(guān)消息。

4 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于MQTT協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)消息推送通信服務(wù)的總體應(yīng)用架構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)框架包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層。

在網(wǎng)絡(luò)層搭建MQTT代理服務(wù)器，主要用于消息的轉(zhuǎn)發(fā)推送?？蛻舳伺c服務(wù)器連接后，根據(jù)MQTT的主題訂閱機(jī)制進(jìn)行主題的訂閱，主題訂閱的規(guī)則有：

(1)每個(gè)客戶端都訂閱了一個(gè)私有主題，用于一對(duì)一的P2P通信。

(2)每個(gè)客戶端都訂閱了一個(gè)broadcast主題，該主題主要用于廣播通信。

(3)group分組主題，用于根據(jù)所屬類別分組，進(jìn)行一對(duì)多的組播通信。

(4)云數(shù)據(jù)庫(kù)可以訂閱#通配主題，主要用于接收所有主題的消息，并進(jìn)行記錄和處理。

(5)客戶端可根據(jù)自身需求來(lái)定義其他主題。

5 功能模塊設(shè)計(jì)

客戶端MQTT服務(wù)程序主要模塊有：

(1)連接/退出模塊：連接請(qǐng)求時(shí)，啟動(dòng)程序，讀取連接參數(shù)進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)溝通。客戶端請(qǐng)求退出時(shí)，斷開與MQTT服務(wù)器之間的連接，不再有數(shù)據(jù)溝通。

(2)心跳機(jī)制模塊:與MQTT服務(wù)器建立連接后，防止長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)，使連接自動(dòng)失效掉線，需要定時(shí)發(fā)送一個(gè)自定義的結(jié)構(gòu)體(心跳包)，以確保連接的有效性。

(3)主題訂閱模塊：根據(jù)各個(gè)客戶端的需求訂閱相應(yīng)的主題消息。

(4)發(fā)布/接收模塊：接收到消息后，對(duì)其進(jìn)行加密整合，然后將其打包發(fā)布到MQTT代理服務(wù)器，再由服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給特定目標(biāo)用戶。

(5)歷史記錄模塊：對(duì)程序的運(yùn)行狀態(tài)、調(diào)試、報(bào)錯(cuò)信息、功能狀態(tài)、訂閱記錄等信息進(jìn)行記錄。

6 主題訂閱實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主題訂閱功能的具體實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

圖5 主題訂閱實(shí)現(xiàn)示意圖

(1)云服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫(kù)接收到消息后，將消息經(jīng)過(guò)程序選擇處理，最后將消息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

(2)主題“ensave/public”，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)所有終端的廣播通信，系統(tǒng)中各個(gè)終端都訂閱了該主題。當(dāng)發(fā)布的消息帶有此主題時(shí)，就會(huì)即時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)到各個(gè)終端。

(3)私有主題“ensave/[id]”，用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單播通信，系統(tǒng)中各個(gè)終端都訂閱有該主題。

(4)“ensave/jizhongqi”集中器訂閱主題，用于對(duì)集中器進(jìn)行組播通信。

(5)“ensave/client/collect”數(shù)據(jù)采集客戶端訂閱主題，對(duì)數(shù)據(jù)采集客戶端進(jìn)行組播通信。

(6)“ensave/client/control”遠(yuǎn)程控制客戶端訂閱主題，對(duì)遠(yuǎn)程控制客戶端進(jìn)行組播通信。

7 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

文中所設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)提供狀態(tài)查詢、傳感器狀態(tài)查詢、生產(chǎn)履歷填報(bào)、基地生產(chǎn)記錄與查詢、計(jì)劃調(diào)度設(shè)置、傳感器閾值設(shè)置、數(shù)據(jù)分析、視頻監(jiān)控等功能。系統(tǒng)登錄后可以查看GIS地理定位，以及對(duì)應(yīng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊確認(rèn)位置的土地種植監(jiān)管信息，各種傳感器采集的數(shù)據(jù)信息都會(huì)實(shí)時(shí)更新，還有遠(yuǎn)程控制的動(dòng)作選項(xiàng)，這些都大大方便了管理人員對(duì)農(nóng)種土地的高效管理。

7.1 基地生產(chǎn)記錄功能

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的基地生產(chǎn)記錄功能有4個(gè)子模塊：種植記錄、施肥記錄、打藥記錄和采摘記錄。其中種植記錄模塊為用戶展示了種植分區(qū)、種植物類型、種植時(shí)間、種植占地面積和種植完成情況的信息；施肥記錄模塊主要記錄了肥料的名稱，作物施肥的時(shí)間，施肥的對(duì)象，以及施肥的面積，種植人員可通過(guò)施肥記錄了解作物的施肥信息，并可以通過(guò)手動(dòng)或遠(yuǎn)程操控對(duì)作物進(jìn)行施肥；打藥記錄模塊主要記錄了農(nóng)藥的名稱，噴灑農(nóng)藥的時(shí)間、地點(diǎn)、面積等信息，管理人員可以手動(dòng)或遠(yuǎn)程操控對(duì)作物進(jìn)行農(nóng)藥的噴灑，進(jìn)而對(duì)作物的生長(zhǎng)情況進(jìn)行監(jiān)控；采摘記錄模塊主要記錄了作物采摘的情況，記錄了采摘作物的名稱，采摘的時(shí)間、地點(diǎn)、重量等信息，通過(guò)信息的記錄，避免了未及時(shí)采摘和錯(cuò)誤提前采摘情況的發(fā)生。

7.2 數(shù)據(jù)分析功能

通過(guò)各種集成技術(shù)，該農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)農(nóng)作物周邊環(huán)境進(jìn)行空氣溫度、濕度，土壤和光照強(qiáng)度等信息的自動(dòng)采集，并遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸。

在該系統(tǒng)運(yùn)行工作時(shí)，傳感器技術(shù)起著絕對(duì)重要的作用，數(shù)據(jù)采集中的每一項(xiàng)參數(shù)都由安置在特定位置的特定傳感器進(jìn)行采集。若傳感器非正常工作，那么通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)管和決策的工作人員將會(huì)收到反饋。在數(shù)據(jù)分析的專欄中，系統(tǒng)可自動(dòng)顯示所有傳感器在過(guò)去24小時(shí)內(nèi)的工作狀態(tài)，如果有傳感器出現(xiàn)非正常運(yùn)行狀態(tài)，即出現(xiàn)故障，那么該系統(tǒng)將會(huì)第一時(shí)間出現(xiàn)警報(bào)提示，以提醒用戶進(jìn)行及時(shí)處理。

8 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)概念以及MQTT協(xié)議的協(xié)議解析、工作原理和消息推送機(jī)制。基于MQTT消息推送設(shè)計(jì)了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)除了數(shù)據(jù)采集以外還提供了遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)分析、農(nóng)資和設(shè)備監(jiān)管等功能，并時(shí)刻與用戶保持聯(lián)系。該系統(tǒng)能保證作物的順利生長(zhǎng)，方便了用戶的監(jiān)管與決策，為面向農(nóng)業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)+應(yīng)用提供了一些可行的參考。