摘要：智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用已成為現(xiàn)代溫室大棚發(fā)展的方向。物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議眾多、復(fù)雜，分布于諸層中。物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備與控制器間以無線協(xié)議為主，一類適用于近距離、低速率、低功耗、低成本、低復(fù)雜度無線通信，一類適用于遠(yuǎn)距離、低比特率、低功耗無線通信。網(wǎng)關(guān)與園區(qū)網(wǎng)絡(luò)間以無線或有線連接，移動(dòng)智能終端與云端服務(wù)器間以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入。在基于多協(xié)議的溫室智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例中，針對獼猴桃對生長環(huán)境的需求，設(shè)計(jì)了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，綜合考慮溫室諸多因素，合理選擇ZigBee、IEEE802.11x、TCP/IP以及4G/5G多種協(xié)議，并且為配合多協(xié)議應(yīng)用選擇了適宜的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。結(jié)果表明：傳感網(wǎng)由無線信號收發(fā)模塊連接至控制器，再經(jīng)網(wǎng)關(guān)接入該地園區(qū)網(wǎng)絡(luò)，然后傳輸數(shù)據(jù)給云端服務(wù)器存儲，在互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)感知、傳輸、處理功能。多協(xié)議智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工作良好，性能穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期效果。

　　關(guān)鍵詞：溫室;智能物聯(lián)網(wǎng);體系結(jié)構(gòu);系統(tǒng)架構(gòu);協(xié)議;物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

　　物聯(lián)網(wǎng)的基本思想始于20世紀(jì)90年代，2005年11月17日國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng)》引起世人關(guān)注。2008年歐洲智能系統(tǒng)集成技術(shù)平臺(EPoSS)在《物聯(lián)網(wǎng)2020》(《InternetofThingsin2020》)報(bào)告中預(yù)測了物聯(lián)網(wǎng)的未來，激發(fā)了各國對物聯(lián)網(wǎng)的研究與應(yīng)用。

　　我國政府從2010年10月開始，先后發(fā)布了《關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》《“十三五”規(guī)劃綱要》《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)》《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》等政策，明確物聯(lián)網(wǎng)為我國重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式無法滿足發(fā)展的需要，溫室種植作為一種生產(chǎn)方式，普及率較高。但是，溫室種植仍以傳統(tǒng)型為主，環(huán)境監(jiān)測不及時(shí)，人工成本高，整體現(xiàn)代化程度低。

　　國際上，現(xiàn)代溫室環(huán)境監(jiān)測和控制系統(tǒng)正朝著全面感知、可靠傳輸和智能應(yīng)用的方向發(fā)展[1]。廖建尚[2]、高浩天等[3]、王伯宇等[4]分別對AGCP協(xié)議、ZigBee協(xié)議、IEEE802.11x協(xié)議等對溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究，毛罕平等[5]、孫耀杰等[6]、孫力帆等[7]、秦琳琳等[8]、胡瑾等[9]、蘇戰(zhàn)戰(zhàn)等[10]分別對溫室環(huán)境控制方法、多特征數(shù)據(jù)融合方法、控制決策融合方法、溫度混雜系統(tǒng)預(yù)測控制、二氧化碳優(yōu)化調(diào)控模型、自適應(yīng)調(diào)光系統(tǒng)進(jìn)行了研究。但是，溫室中不同的植物對象對環(huán)境要求多有差異。該研究中，為了滿足獼猴桃采用避雨遮陽防風(fēng)設(shè)施化栽培技術(shù)以及限根技術(shù)[11]對環(huán)境的要求，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)多協(xié)議對溫室環(huán)境因子監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)精確感知、精準(zhǔn)操作、精細(xì)管理，達(dá)到實(shí)現(xiàn)溫室增產(chǎn)、提質(zhì)、節(jié)能增效的目的。

　　1溫室智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)原理

　　1.1物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

　　物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings，IoT)是計(jì)算機(jī)、通信、電子、控制、數(shù)據(jù)與智能等多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物，是按照物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)協(xié)議，將具有感知、通信、計(jì)算功能的智能物體、系統(tǒng)、信息資源互聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)對物理世界泛在感知、可靠傳輸、智慧處理的智能服務(wù)系統(tǒng)[12]。其本質(zhì)是異構(gòu)網(wǎng)互聯(lián)，將感知設(shè)備和執(zhí)行器件等連接到互聯(lián)網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)對象的實(shí)時(shí)監(jiān)測和智能控制，竭力自動(dòng)完成指定事務(wù)[13]。物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)是物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)模型與各層協(xié)議的集合，由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。感知層(亦稱感知控制層)指為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)直接獲取數(shù)據(jù)的層。應(yīng)用層分為管理服務(wù)和行業(yè)應(yīng)用2個(gè)子層。

　　管理服務(wù)子層位于網(wǎng)絡(luò)層與行業(yè)應(yīng)用子層之間，通過中間件，在物理上屏蔽底層RFID或傳感器硬件、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對頂層物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的差異性，在邏輯上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層與低層的無縫連接;提供數(shù)據(jù)的匯聚、存儲、挖掘以及智能決策與控制，為行業(yè)應(yīng)用子層提供安全的網(wǎng)絡(luò)管理和智能服務(wù)。行業(yè)應(yīng)用子層為各行業(yè)提供物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，不同行業(yè)擁有各自應(yīng)用層協(xié)議。 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)模型Fig.1IoTsystemarchitecturemode網(wǎng)絡(luò)層(亦稱網(wǎng)絡(luò)傳輸層)位于感知層與應(yīng)用層之間，用來匯聚與傳輸數(shù)據(jù)。該層分為接入、匯聚與核心交換子層。

　　接入子層連接感知設(shè)備與執(zhí)行器件，將感知數(shù)據(jù)傳送到匯聚子層，并將控制指令反饋給執(zhí)行器件。接入子層相當(dāng)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，傳感器等與接入子層設(shè)備構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)感知網(wǎng)絡(luò)的基本單元。匯聚子層位于接入子層和核心交換子層之間，匯聚接入子層的用戶流量，實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)與控制指令的分組路由、轉(zhuǎn)發(fā)與交換，根據(jù)處理結(jié)果把用戶流量轉(zhuǎn)發(fā)到核心交換子層或在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行路由處理。核心交換子層連接應(yīng)用層，為物聯(lián)網(wǎng)提供一個(gè)高速、安全與保證服務(wù)質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境。在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中，信息安全、網(wǎng)絡(luò)管理、對象名字服務(wù)和服務(wù)質(zhì)量保證是共性技術(shù)。

　　1.2物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要協(xié)議

　　物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議分布在體系結(jié)構(gòu)不同層，常用通信協(xié)議包括IEEE802.11x、ZigBee、Bluetooth、6LoWPAN、NFC、4G/5G。應(yīng)用協(xié)議包括REST/HTTP、MQTT，各有適用范圍。

　　1.2.1接入子層協(xié)議

　　無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分為無線局域網(wǎng)協(xié)議與無線廣域網(wǎng)協(xié)議。物聯(lián)網(wǎng)中感知設(shè)備與控制器間以無線協(xié)議為主，無線通信協(xié)議包括IEEE802.11x、802.15.4、802.15.1[14]。Bluetooth使用IEEE802.15.1/1a標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率在2.4GHz時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率最高為1Mbps，通信距離在10～1000cm，支持點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)的通信，多用于設(shè)備間無線連接。

　　IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是低速率無線個(gè)域網(wǎng)(Low-rateWirelessPersonalAreaNetwork，LR-WPAN)底層代表協(xié)議，用于近距離、低速率、低功耗、低成本、低復(fù)雜度的嵌入式無線傳感器，以及自動(dòng)控制設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee以IEEE802.15.4為物理層和MAC層協(xié)議，節(jié)點(diǎn)工作在2.4GHz時(shí)傳輸速率為250kbps，在915Mbps時(shí)為40kbps;傳輸距離為10～75m。

　　2溫室智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)多協(xié)議應(yīng)用實(shí)例

　　2.1溫室智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

　　根據(jù)用戶需求分析，對溫室環(huán)境因子實(shí)時(shí)監(jiān)控，其中，氣象數(shù)據(jù)包括空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等;土壤數(shù)據(jù)包括土壤含水率等;設(shè)備狀態(tài)包括執(zhí)行器件運(yùn)行狀態(tài)、水泵壓力、水肥流量等。按照溫室環(huán)境控制策略，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測環(huán)境報(bào)警預(yù)警，統(tǒng)計(jì)分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，生成報(bào)表。通過智能終端遠(yuǎn)程控制終端設(shè)備，視頻監(jiān)控植物生長狀況。

　　2.2溫室智能物聯(lián)網(wǎng)多協(xié)議應(yīng)用

　　該物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)上，利用具有感知、通信和計(jì)算的智能終端獲取溫室因子，組建當(dāng)?shù)貍鞲芯W(wǎng)絡(luò)，由無線信號收發(fā)模塊傳輸給控制器，再經(jīng)網(wǎng)關(guān)接入當(dāng)?shù)貓@區(qū)網(wǎng)絡(luò)，然后傳輸給云端服務(wù)器存儲，實(shí)現(xiàn)感知、傳輸、處理功能，構(gòu)建智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)合理利用多種協(xié)議，提高物聯(lián)網(wǎng)性能，降低物聯(lián)網(wǎng)成本。

　　在一般使用中，近距離傳輸時(shí)，若終端設(shè)備工作在低功耗狀態(tài)，常用Zig-Bee或低功耗藍(lán)牙(bluetoothlowenergy，BLE)協(xié)議;若傳輸大數(shù)據(jù)，常用IEEE802.11x協(xié)議。遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，若終端設(shè)備工作在低功耗狀態(tài)，常用NB-IOT或2G協(xié)議;若傳輸大數(shù)據(jù)，常用4G/5G協(xié)議。綜合考慮，該物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要選擇Zig-Bee、IEEE802.11x、MQTT以及4G/5G協(xié)議。

　　2.3配合多協(xié)議的設(shè)備選擇

　　物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)多協(xié)議的選擇，一定程度上影響硬件的選擇。溫室智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采用傳感器對溫室環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過無線傳輸節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒��?wù)器。服務(wù)器通過數(shù)據(jù)模型分析處理，可視化數(shù)據(jù)展示。當(dāng)環(huán)境因子超過設(shè)定閾值時(shí)自動(dòng)控制溫室風(fēng)機(jī)、內(nèi)外遮陽等設(shè)備調(diào)節(jié)溫室環(huán)境因子，實(shí)現(xiàn)溫室的智能化控制。溫室智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)硬件包括傳感器、執(zhí)行器件、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器，以及用戶終端等設(shè)備。

　　2.3.1感知層設(shè)備選擇

　　根據(jù)數(shù)據(jù)來源，該層設(shè)備分為2類，一類自動(dòng)感知外部信息的感知設(shè)備，如傳感器;另一類人工生成數(shù)據(jù)的智能設(shè)備，如智能手機(jī)。

　　2.4溫室智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與決策

　　系統(tǒng)服務(wù)器部署于云端，用戶無需架設(shè)專門的當(dāng)?shù)胤��?wù)器和數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)部署和維護(hù)非常簡便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。物聯(lián)網(wǎng)的云服務(wù)器和智能手機(jī)APP后臺處理采用Java語言實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)用于挖掘規(guī)律，預(yù)測未來狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、報(bào)表統(tǒng)計(jì)和預(yù)測。系統(tǒng)監(jiān)控通過物聯(lián)網(wǎng)收集終端設(shè)備數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)超過閾值，則自動(dòng)報(bào)警，生產(chǎn)人員遠(yuǎn)程操作及時(shí)解決問題。通過統(tǒng)計(jì)對溫室歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，按不同維度分析出不同報(bào)告，以圖表方式展現(xiàn)，生產(chǎn)人員直觀了解溫室智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況。通過挖掘?qū)��?shù)據(jù)跟蹤分析、以及機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測植物生長趨勢、發(fā)生病蟲害可能性，給出處理方案。

　　農(nóng)業(yè)論文投稿刊物：《農(nóng)機(jī)化研究》創(chuàng)刊于1979年，季刊，國內(nèi)外公開發(fā)行本刊為農(nóng)業(yè)工程類學(xué)術(shù)期刊，中國農(nóng)機(jī)學(xué)會(huì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化分會(huì)、黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)和黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院共同主辦的學(xué)術(shù)性期刊，其投稿要以緊緊圍繞大農(nóng)業(yè)概念下(包括農(nóng)、林、《農(nóng)機(jī)化研究》牧、副、漁)的機(jī)械化、電氣化、自動(dòng)化及數(shù)字化相關(guān)的新理論、新技術(shù)、新成果和綜合述評為核心內(nèi)容，語言精煉、結(jié)構(gòu)完整、表達(dá)準(zhǔn)確。

　　3結(jié)論

　　該研究溫室智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用了ZigBee、IEEE802.11x、MQTT以及4G/5G多協(xié)議。ZigBee協(xié)議構(gòu)建了無線傳感網(wǎng)，IEEE802.11x協(xié)議形成了內(nèi)部無線局域網(wǎng)，MQTT協(xié)議搭建了以IoT服務(wù)器為核心的監(jiān)測和控制框架，4G/5G協(xié)議實(shí)現(xiàn)了智能終端遠(yuǎn)程訪問，完成了多協(xié)議下的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的精確感知、精細(xì)管理，初步解決人工費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)資源的溫室環(huán)境監(jiān)測和控制問題，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，促進(jìn)了生產(chǎn)力的提高，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益。該系統(tǒng)下一步擬結(jié)合植物生長周期，對生產(chǎn)控制模型的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)的深度利用做進(jìn)一步研究，在人工智能技術(shù)指引下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)最優(yōu)決策。

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　　作者：王永紅，王詩瑤