1、基于MQTT的智能农业系统的设计与实现Design and Implementation of Intelligent Agricultural System Based on MQTT摘 要智能农业是随着Internet 的普及使用而发展起来的一门技术，他是集新兴的互联网、移动互联、云计算和物联网技术为一体，依托在现场的各种传感器节点（空气温度传感器、空气湿度传感器、光照传感器，土壤湿度传感器、二氧化碳传感器）和无线网络共同实现农业生产过程中的各阶段的智能感知、预警、收集、分析、决策，为农业生产提供可视化的管理和智能化的决策。MQTT（Message Queuing Telemetry Tr
2、ansport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的轻量级协议，该协议构建于TCP/IP协议之上，MQTT最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。可以完整的体现出我对于知识的综合运用和理解。本系统通过前端开发和后端开发的结合，以及充分利用JAVA这个主流的脚本语言，实现了一个功能健全的智能农业系统关键字： 智能农业 ；物联网 ；传感器 ；MQTT ABSTRACTIntelligent agricultur
3、e is a technology developed with the popularity of Internet.It is a integration of emerging Internet, mobile interconnection, cloud computing and the Internet of things technology, relying on various sensor nodes in the field (air temperature sensor, air humidity sensor, light sensor, soil humidity
4、sensor, Carbon dioxide sensor) and wireless network can realize intelligent perception, early warning, collection, analysis and decision-making in all stages of agricultural production, and provide visual management and intelligent decision-making for agricultural production.The MQTT (Message Queuin
5、g Telemetry Transport) is a lightweight protocol based on publish/subscribe mode, which is built on the TCP/IP protocol. The greatest advantage of MQTT is that it can provide real-time and reliable message service for connecting remote devices with very little code and limited bandwidth.As a low-cos
6、t and low-bandwidth instant communication protocol, it has a wide application in the aspects of the Internet of Things, small devices, mobile applications and so on. The comprehensive application and understanding of my knowledge can be fully reflected.This system realizes a complete, comprehensive
7、and intelligent agricultural system through the combination of front-end development and back-end development, as well as making full use of JAVA, the mainstream script language.Keywords: Intelligent agriculture ;Internet of things ;sensor ;MQTT ;目 录第一章 绪论1第一节 智能农业研究的目的1第二节 智能农业研究的背景1第三节 智能农业研究的意义1第
8、四节 智能农业研究的主要工作2第五节 智能农业研究结构安排2 第二章 智能农业系统的需求分析与概要设计4第一节 需求分析4第二节 系统架构设计5第三节 系统功能模块设计8第四节 开发原则9第三章 智能农业系统的详细设计与实现11第一节 开发语言及开发工具简介11第二节 智能农业系统感知层设计与实现12第三节 智能农业系统网络层设计与实现21第四节 智能农业系统应用层设计与实现27第四章 智能农业系统的测试34第一节 智能农业系统感知层测试34第二节 智能农业系统网络层测试35第三节 智能农业系统应用层测试36第五章 总结与展望39第一节 工作总结39第二节 工作展望39参考文献40致谢41第一
9、章 绪论第一节 智能农业研究的目的智能农业是以在农业生产过程中节省人力、降低人工误差、提高经济效益为目的，为了实现农业种植的高效和精准化管理，实现科技对农业的贡献，促进农业由人工化向智能化转变，并在一定程度上改变我国农业的发展方向。第二节 智能农业研究的背景我国人口占世界人口的20%左右，我国耕地面积只占世界耕地面积的7%。所以高效的种植方法对于我国的农业国情来说是至关重要的。我国是世界上最大的发展中国家，同样也是世界上第一大农业国，每年果蔬类产品的生产量和出口量占比居世界首位。但我国农产品发展面临着一系列问题，如质量不高，食品安全问题频发等等，政府及有关部门也意识到了食品安全问题关乎我国农业
10、发展命脉，因此加大了对食品安全的管理和调控力度，当前我国传统农业正在经历转型，向着标准化、集约化的方向快速发展。在农业生产过程中，农作物的生长与自然界的很多因素有着密不可分的关系，在农作物的生长过程中空气的温度、空气的湿度、土壤的湿度、空气中CO2的浓度、光照的条件都会对农作物的生长产生一定的影响，而人工的操作存在很大的不确定性，农业生产也就成为了一种开放式管理，管理达不到精细化。劳动力成本的不断提高也使传统农业得不到有效的发展，因此，将先进的技术与传统的农业相结合，智能农业随之产生。第三节 本文研究的意义在传统的农业中，人们获取农业信息的方式主要以人工测量或判断，获取过程费时费力，且误差较大
11、。而通过使用无线传感器网络可以在降低人工成本的同时更加准确的获取农作物的环境信息及农作物信息。在智能农业中，大量的传感器节点编制成一张巨大的监控网络，通过各种传感器节点传回的数据，系统接收并分析数据及时的发现问题并准确地针对问题作出相应有效的反馈。农业逐渐从以人力为中心转换成以信息为中心。传统农业，浇水、施肥、打药，农民全凭经验、靠感觉。而智能农业可以根据数据进行更加准确地计算并判断出此时农作物是否应该浇水、施肥、打药。智能农业技术显著提高了传统农业的管理水平，在农作物生长的各个阶段都能有效准确的的作出相应的反应。传感器实现农业环境的实时监测及采集，利用智能物联网对采集的数据进行远程传输，为农
12、作物提供精准的科学调控，提高了农作物的生长环境，不仅可以使农作物获得最佳的生长条件，更可以提高农作物的产量。第四节 本文的主要工作对农业管理过程中无线传感器的应用进行研究，在农业大棚中通过布置无线传感器实现对大棚环境的自动控制，本文所设计的系统以MQTT 无线传感网为组网技术为基础，该系统所实现的功能包含下述几点，现对其进行介绍如下：1.监测空气温度、湿度，自动将检测的数据传输到后台网站并自动绘制线性统计图。2.监测土壤湿度保持在500-800区间，若土壤湿度低于500，系统自动发生警报并自动启动水泵，为农作物提供浇水，当土壤湿度达到规定值时，浇水系统自动停止。3.监测农作物的光照保持在10-
13、50区间，若光照强度高于50时，系统自动报警并自动启动遮阳板，为农作物提供遮阳，当光照强度达到规定值时，遮阳板自动收回，保证农作物的光照时间及条件，低于10时，系统发生报警并自动开启补光灯。4.监测农作物生长环境的CO2浓度保持在200-500区间，若CO2浓度高于500，系统自动报警，并自动启动排风扇，当CO2达到规定值时，排风扇自动停止，保证农作物的CO2的生长环境。5.各传感器实时监测数据并发送给后台网站，后台系统自动储存并绘制出线性统计图，用户可通过网站时事观察农作物的生长环境。6.用户可在后台主动启动、关闭各继电器，保证用户可以实施控制农作物的生长环境。7.各传感器规定区间可自行设置
14、，可以满足各种农作物的生长环境。8.系统运行稳定、安全可靠。第五节 本文的结构安排该系统以 MQTT 无线传感网为组网技术为基础设计了基于无线传感网络的智能农业大棚管理技术。大棚内作物的茁壮成长需要有一个适合的环境，例如温度、湿度、光强、二氧化碳浓度等条件。所以就需要大棚对这些因素进行控制，让不同作物能在不同季节或顽劣的环境下高效的生长，达到对 作物产期的调整、提高产量、促进作物发育的要求。所以需要在大棚中安装监测以及控制温度、湿度、二氧化碳浓度以及光照的设备，然后传入PC机进行控制，来创造作物生长最佳的环境。本次设计的主要任务是：在大棚中通过布置传感器来完成大棚内温湿度以及关照强度等影响作物
15、生长的参量测量，再将这些参数传到PC中，在PC机中测量值与设定值进行比较，来控制大棚内冷风机、热风机、通风扇、遮阳板、二氧化碳发生器、灌溉等设备，使得大棚内这些因素达到适合作物生长的条件。该系统由三层结构组成，低层为由无线传感器组成的数据采集网组成，中层为由带有Wi-Fi功能的网关组成的通信层，改层的主要功能是实现数据分析以及处理，上层为应用层，实现对系统的远程监控，采用Web方式构建。 1）就当前农业大棚监控系统需求以及研究现状进行分析，基于需求分析基础完成自动监测方案的设计。 2）系统的底层采用无线传感网进行环境感知，低层中由具备无线通信能力的若干通信节点，节点采用ESP8266，该芯片中内嵌的传感器和实现对温湿度、二氧化碳的检测。这些通信节点部署在大棚的各个角落之中，其中无线通信节点的主要功能是对大棚中的环境参数信息进行实时测量，并将测量结果传输到单片机机中进行处理。协调器的主要功能是实现传感器信息的统一处理，包含储存节点信息、建立通信网络等等；路由节点的主要功能是将申请加入无线通信网络中的节点纳入无线通信网络，并实现纳入通信网络节点和其他节点之间的管理以及维护。