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摘 要：本文介绍边缘计算网关在智慧农业大棚数据采集系统中的应用研究,系统通过 RS485 串口外接监测智慧农业大 棚环境数据的传感器,如温湿度传感器、光照传感器等,最终实现数据的远程传输和控制。结果证明,以边缘计算网关为搭建 平台,对数据进行就近处理,最终实现与云平台地快速连接,提高数据采集与传输效率,同时具有较好的扩展性。
Application Research of Edge Computing Gateway in Data Acquisition System of Intelligent Agricultural Greenhouse
XIE Ying
(School of Information Engineering, Minxi Vocational & Technical College, Longyan Fujian 364021)
【Abstract】： This paper introduces the application research of edge computing gateway in the data acquisition system of smart agricultural greenhouse. The system connects sensors for monitoring the environmental data of smart agricultural greenhouse through RS485 serial port, such as temperature and humidity sensors and illumination sensors, and finally realizes the remote data transmission and control. The results show that the edge computing gateway is used as a platform to process the data nearby, and finally realize the fast connection with the cloud platform, improve the efficiency of data collection and transmission, and have good scalability.
【Key words】： edge computing gateway;smart agriculture;remote control
0 引言
如今,物联网技术正处于快速发展的阶段,但随着 设备连接数据量的不断增加,在一定程度上增加了数据 处理的负担,因此,推动了边缘计算时代的到来,其部 署在设备端的边缘,能够对设备端采集的数据进行本地 实时处理,为物联网连接“最后一公里”提供解决方 案,最终实现设备的高效连接与管理 [1.2]。而边缘计算 网关则是具有边缘计算能力的智能网关,其功能强大, 具有“零代码”开发、“拖拽式”可视化编程、“便携式” 远程管理等特点,广泛应用在生活的方方面面,如城市 环保、交通监控、电力控制、安防监控等物联网行业场 景 [3]。本文以智慧农业大棚物联网场景为例,介绍边缘计算网关在智慧农业大棚数据采集系统中的应用研究。
1 系统整体方案设计
本文基于边缘计算网关搭建智慧农业大棚监测数据 采集系统,系统框架如图 1 所示,主要分为以下几个层 次：(1)感知层。系统在感知层的工作是搭建智慧农业 大棚的外围电路,其用于采集环境信息,如温湿度、光 照度等,再对传感器参数进行配置,传感器数据经过一 系列打包最终转换成 JSON 格式,以便后续数据上云 [4]。 (2)网络层。该层负责数据的传输和通信,边缘计算网 关将采集到的传感器数据通过 MQTT 协议上传至云平 台,并接受云平台下发的指令 [5]。(3)应用层。主要用 于数据的展示、存储及分析,且该层的设计方便管理人员进行远程管理,及时掌握大棚环境信息
。
2 边缘计算网关设计
本文选用的边缘计算网关为众横智控公司出厂的 EG8000mini 型号,其计算能力强,适配多种协议,节 点设计功能便捷,符合物联网场景的个性化需求。系统 设计的节点流程图如图 2 所示,边缘计算网关主要是对 设备端的传感器数据进行配置,如地址码、功能码、起 始地址及 RS485 串口等,再对数据进行合并、计算及 打包, 最终转换为 JSON 格式, 并通过 MQTT 协议将 数据上传至天翼物联网平台。调试窗口信息如图 3 所 示,通过调试窗口信息图可在本地查看传感器数据、 Topic 主题、服务质量等信息。
3 天翼物联网平台设计
天翼物联网平台是由电信公司全力推出的物联网平 台,其特点为轻量级、较低的物联网项目开发及硬件接 入门槛,为满足用户的个性化需求,平台提供多个功能 模块,如终端接入、终端管理、应用管理、能力网关、 在线开发等。用户可通过该平台快速、灵活构建物联网 项目。平台项目的开发主要分为五个步骤：服务开发、 设备接入、应用开发、开发联调及发布应用。
3.1 业务数据开发设计
平台支持多种设备接入协议,如 LWM2M 协议、TCP 协议、MODBUS 协议、MQTT 协议等,而边缘计 算网关选为物联网场景中常见的 MQTT 协议,其传输 模式为发布 / 订阅 [6]。以设备端上报数据为例,设备端 先进行 MQTT 服务器的连接,再将数据发布到对应的 Topic 主题。而当另一设备需要获取该数据时,则应订 阅同一个 Topic,服务器则会将该 Topic 发布的消息转 发到这一设备,此时,实现了设备之间的通信。
用户在创建产品, 并成功添加设备后,平台会为每 个新设备分配对应的客户端 ID(ClientId)以及特征串 (Password),同时,在边缘计算网关的“MQTT- 订 阅”节点中不仅要对这些参数进行配置,而且还应配置 用户名(Username),以及对应 MQTT 服务端地址及 端口号,设备才可通过 MQTT 协议成功登录物联网平 台,并呈“在线”状态,此时才可通过对应的 Topic 主 题实现数据上报、事件上报及指令下发。
3.2 物模型设计
物模型包含属性、事件及服务,通过物模型的定 义,即可定义产品的功能,如产品的功能、用途、提供的服务等 [7]。以属性上报数据为例,物模型功能定义如 图 4 所示,系统需添加 3 个设备属性： 温度(Temp)、 湿度(Humi) 及光照度(Illuminance), 以及对应数 据上报的服务(sensor_report), 即对应的 Topic 主题 名称,其中属性及服务标识符具有唯一性,应与边缘计 算网关对应节点的参数相符。
4 系统测验
感知层终端实物图如图 5 所示, 将温湿度及光照度 传感器分别与边缘计算网关的 RS485 串口相连接。
设备端以预先设定的采集间隔上报传感器数据,天 翼物联网平台数据界面如图 6 所示,在该平台可查看数 据上报的情况,系统主要展示信息为当前温湿度以及光 照强度。平台的历史数据界面如图 7 所示,通过“数据 查看”可查看历史数据,并通过“详情”按钮可查看数 据的具体信息。
系统实现智慧农业大棚硬件终端的搭建、数据的采 集与传输以及平台的展示功能 [8] ,其中环境参数信息通过边缘计算网关的设置、合并、计算等方面的处理,最 终以 JSON 格式通过 MQTT 协议上传至天翼物联网平 台,最终实现对智慧农业大棚的远程实时监测,符合预 期目标,系统运行良好 [9]。并且,边缘计算网关的应用 使系统具有较好的拓展性和适配性。
参考文献
[1] 欧阳航.基于边缘计算的农业物联网系统研究[D].长春:吉林 农业大学,2021.
[2] 刘伟豪.基于边缘计算农业灌溉终端的设计[D].哈尔滨:东北 农业大学,2022.
[3] 李伟铭,林枫,王瑜,等.基于边缘计算的电力智慧物联系统设 计分析[J].信息与电脑(理论版),2021.33(3):118-120.
[4] 李寒.基于物联网的智慧农业大棚控制系统设计[D].保定:河 北大学,2021.
[5] 滕云豪 .基于边缘计算的室内空气质量监测技术研究[D].上海:上海第二工业大学,2022.
[6] 廖建尚 .基于物联网的温室大棚环境监控系统设计方法[J].农业工程学报,2016.32(11):233-243.
[7] 孙璐 .郑淏 .基于物联网的农业温室大棚监控系统设计[J].南方农业,2021.15(14):218-219.
[8] 刘青,李兰兰,张德树,等.基于物联网技术的智慧农业大棚监测系统研究[J].安徽科技学院学报,2021.35(4):19-25.
[9] 王延之 .基于边缘计算的设备智能监测系统设计与实现[D].武汉:华中科技大学,2021.
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