水肥一體化MQTT應用案例

一、客戶介紹

目前我國農(nóng)業(yè)用水面臨資源短缺的問題，同時農(nóng)業(yè)用水浪費現(xiàn)象非常嚴重，造成我們不可能通過單純增加新水源來緩解農(nóng)業(yè)用水的緊缺狀況。 通過水肥一體化物聯(lián)網(wǎng)遠程精準控制技術，可以根據(jù)檢測土壤水分、作物種類的需肥規(guī)律，設置周期性水肥計劃實施輪灌。實現(xiàn)對灌溉、施肥的定時、定量控制，充分提高水肥利用率。實現(xiàn)節(jié)水節(jié)肥、改善土壤環(huán)境，提高作物品質(zhì)。

二、客戶所面臨的問題

1. 設備協(xié)議不統(tǒng)一，無法有效對接

由于水肥一體項目中使用的設備多樣性，設備協(xié)議也不同，傳統(tǒng)的網(wǎng)關不支持多種PLC協(xié)議，無法進行統(tǒng)一接入。

2. 采集多種數(shù)據(jù)上報

網(wǎng)關要求能夠連接多種傳感器，采集諸如空氣溫濕度、光照、CO2含量、土壤溫濕度、土壤PH、流量等參數(shù)信息，通過多個主題進行數(shù)據(jù)上報
3.對采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定性要求高

水肥一體化項目尤其注重數(shù)據(jù)采集的完整性，在網(wǎng)關斷網(wǎng)的情況下，也需要網(wǎng)關能夠存儲數(shù)據(jù)，并在網(wǎng)絡恢復后上傳數(shù)據(jù)

4. 需要支持PLC遠程上下載

由于項目分布點眾多，無法做到全部現(xiàn)場管理，迫切需要支持PLC遠程上下載功能

5. 項目參數(shù)自動化調(diào)優(yōu)

項目中需要實時監(jiān)控項目內(nèi)數(shù)據(jù)的變化情況，對于不同的環(huán)境需要及時調(diào)整設備進行處理，采取人工處理，無法有效及時的調(diào)整參數(shù)，因此需要自動化調(diào)優(yōu)參數(shù)，達到節(jié)省人力的目的

三、方案總體設計

為了解決客戶上述問題，我們提出使用藍蜂MQTT 網(wǎng)關作為水肥一體化項目系統(tǒng)的核心監(jiān)控設備，通過藍蜂MQTT網(wǎng)關對接大棚內(nèi)的設備進行數(shù)據(jù)采集，再通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云端服務器。最終實現(xiàn)水肥一體機項目的數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，設備遠程控制等功能

具體整體架構圖如下

四、詳細方案設計

4.1 功能設計

4.2.1連接阿里云MQTT服務器

客戶需求：

需要將采集到的數(shù)據(jù)上報給阿里云服務器，用于做數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和存儲分析。

解決方案：

藍蜂MQTT網(wǎng)關支持對接多種MQTT云服務器，包括阿里云，騰訊云，華為云,OneNet,以及自建MQTT服務器。

通過藍蜂MQTT配置工具，可對MQTT網(wǎng)關進行連接服務器配置，可填寫阿里云服務器連接參數(shù)，支持阿里云動態(tài)注冊，能夠?qū)崿F(xiàn)快速連接至阿里云服務器。

4..2對接大棚內(nèi)設備

客戶需求：

需要根據(jù)客戶要求建立與設備連接，并配置相關采集的變量數(shù)據(jù)

解決方案：

藍蜂MQTT網(wǎng)關，支持多種PLC協(xié)議和儀表傳感器，能夠連接多種下位機設備，包括西門子，三菱，信捷，臺達，Modbus，可根據(jù)需要進行下位設備連接，支持RS232,RS485,以及LAN口進行通訊。

通過藍蜂MQTT網(wǎng)關配置頁面中驅(qū)動管理功能，可進行驅(qū)動配置管理，支持創(chuàng)建/編輯，刪除驅(qū)動，設置通訊口配置信息等，如圖

變量管理可用來配置要上報給水務平臺的具體的變量，支持新增、編輯、導入、導出、復制等功能，能夠快速方便的定義好要上報數(shù)據(jù)基礎信息配置。

4.2.3上報數(shù)據(jù)

客戶需求：

對于一部分溫度、光照、濕度等數(shù)據(jù)，需要定時進行上報，對于其他類型的數(shù)據(jù)，PH、CO2含量等，則需要根據(jù)變化數(shù)據(jù)來進行上報。

解決方案：

藍蜂MQTT網(wǎng)關可以設置多個數(shù)據(jù)上報主題，同時對于數(shù)據(jù)上報的方式可使用三種：定時上報，條件上報，變化上報，能夠按照客戶的實際需求進行選擇

在此項目中，可使用定時上報和變化上報的方式進行數(shù)據(jù)上報

同時，針對于上報數(shù)據(jù)的格式，可通過自定義腳本實現(xiàn)定制化，實現(xiàn)腳本上報哪些數(shù)據(jù)，上報什么樣格式的數(shù)據(jù)。可通過腳本進行定制化調(diào)整，達到客戶實機的數(shù)據(jù)要求

通過腳本功能，可實現(xiàn)上報數(shù)據(jù)的JSON格式如下：

上報json示例：

{

"code": "200",

"data": {

"msgId": "976",

"sn": "200121011045",

"greenhouse":"1",

"time": 1655185922470,

"value": {

"AirHumidity": "0",

"AirTemperature": "0",

"CO2": "0",

"HighVentilateMotor": "0",

"Illuminance": "0",

"InsulationQuilt": "0",

"InvoluteMembrane": "0",

"LowVentilateMotor": "0",

"SoilEC": "0",

"SoilHumidity": "0",

"SoilPH": "0",

"SoilTemperature": "0",

"SolenoidValve1": "0",

"SolenoidValve2": "0",

"WaterMeter": "0",

"WaterPump": "0",

"LiquidLevelFloat": "0",

"Reserved1": "0",

"Reserved2": "0",

"Reserved3": "0",

}

}

}

4.2.4遠程控制設備

客戶需求：

通過阿里云平臺，使用MQTT協(xié)議對設備下發(fā)對應數(shù)值，實現(xiàn)對于內(nèi)卷膜電機、上下通風電機等設備的遠程操作，可進行開啟或關閉

藍蜂MQTT網(wǎng)關，支持通過MQTT協(xié)議進行數(shù)寫變量功能，可對設備進行寫值操作，通過請求主題向設備寫入變量的值，通過響應主題發(fā)送寫入結果，在大棚管理系統(tǒng)中，下發(fā)對應設備數(shù)值后，即可通過網(wǎng)關遠程項設備寫入數(shù)值，達到遠程控制設備目的

應用場景舉例：

比如發(fā)現(xiàn)大棚室內(nèi)溫度過高，則可通過配置寫變量主題，向PLC寫入?yún)?shù)，實現(xiàn)大棚的棉被電機遠程開啟功能

寫變量請求主題示例：

/hcvhaj5yoHd/mqttx_0ea6d383/user/write/req

寫變量響應主題示例：

/hcvhaj5yoHd/mqttx_0ea6d383/user/write/resp

默認請求json示例：

{

"msgId":"1",

"sn":"200122200001",

"greenhouse":"1",

"type": "default",

"data": {

"key": "SolenoidValve1",

"readKey": "SolenoidValve2",

"value":"1"

}

}

4.2.5斷點續(xù)傳

當網(wǎng)關的網(wǎng)絡異常時，網(wǎng)關會將報文緩存到存儲中，待網(wǎng)絡恢復后補發(fā)緩存的報文，并支持數(shù)據(jù)采集時間的上報，從而保證數(shù)據(jù)的連續(xù)和完整性

4.2.6PLC遠程上下載

藍蜂MQTT網(wǎng)關支持進行PLC遠程上下載操作，選擇開啟遠程上下載功能后，可以通過網(wǎng)關建立與PLC的虛擬網(wǎng)絡通道，實現(xiàn)對PLC程序遠程上下載功能。

目前支持主流PLC設備的程序進行遠程上下載和在線監(jiān)測，即使設備遠在國外，也可以實現(xiàn)遠程管理。

4.2.6 通過腳本功實現(xiàn)參數(shù)自動調(diào)優(yōu)

客戶需求：

項目中需要實時監(jiān)控項目內(nèi)數(shù)據(jù)的變化情況，對于不同的環(huán)境需要及時調(diào)整設備進行處理，采取人工處理，無法有效及時的調(diào)整參數(shù)，因此需要自動化調(diào)優(yōu)參數(shù)，達到節(jié)省人力的目的

解決方案：

藍蜂MQTT網(wǎng)關的支持強大的腳本功能，當某些任務或功能在常規(guī)情況下難以實現(xiàn)時，可編寫腳本進行解決，通過腳本編寫控制程序和處理邏輯，能夠?qū)崿F(xiàn)在某些特定條件下，自動調(diào)整參數(shù)的功能，實現(xiàn)項目參數(shù)自動調(diào)優(yōu)，極大增強整個網(wǎng)關對于業(yè)務的支撐，讓網(wǎng)關功能更強大

腳本案例舉例：

通過發(fā)現(xiàn)大棚室內(nèi)溫度，當網(wǎng)關判斷溫度過高，網(wǎng)關自動向PLC寫入?yún)?shù)，實現(xiàn)大棚的棉被電機遠程開啟功能，達到降溫的目的，當棚內(nèi)溫度低于10攝氏度，則需要自動關閉大棚棉被電機控制開關，達到保溫的目的

腳本實現(xiàn)方案：

創(chuàng)建2個腳本，腳本1設置運行環(huán)境為：條件執(zhí)行，滿足temp溫度> 30后，執(zhí)行寫值1操作，腳本2設置運行環(huán)境為：條件執(zhí)行，滿足temp溫度<10后，執(zhí)行寫值0操作，達到自動控制棚內(nèi)溫度的目的

腳本1示例代碼如下：

function main(){

API.writeSignalValue("temp1",1);

}

腳本2示例代碼如下：

function main(){

API.writeSignalValue("temp1",0);

}

五、方案的優(yōu)勢

__1.統(tǒng)一的協(xié)議：__使用藍蜂MQTT網(wǎng)關可以將各個設備之間的數(shù)據(jù)統(tǒng)一通過MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)上報，方便管理和維護。

__2.高效的數(shù)據(jù)傳輸：__藍蜂MQTT網(wǎng)關具有較低的帶寬占用和低功耗特點，使得數(shù)據(jù)傳輸更加高效，省流量，節(jié)約成本

__3.安全可靠：__藍蜂MQTT網(wǎng)關具有較高的安全性，可以通過加密等方式保證數(shù)

__4.實時監(jiān)控：__通過藍蜂MQTT網(wǎng)關實時數(shù)據(jù)采集和讀取，能夠及時發(fā)現(xiàn)大棚內(nèi)數(shù)值異常情況并采取應對措施。

__5.遠程管理：__通過藍蜂MQTT網(wǎng)關，能夠?qū)υO備實現(xiàn)遠程上下載和實時監(jiān)測，提高管理效率。

__6.性能穩(wěn)定，功能強大：__客戶端軟件操作簡單容易上手，方便基層人員操作，在常規(guī)功能無法支持的情況下，可通過編寫腳本程序?qū)崿F(xiàn)比較復雜的業(yè)務邏輯和功能。
__7.提高作物品質(zhì)與產(chǎn)量：__通過藍蜂MQTT網(wǎng)關進行遠程監(jiān)控，可有效的控制棚內(nèi)濕度，溫度、土壤濕度等條件，能夠降低病蟲害對種植戶造成的損失，起到了增收的作用，減少農(nóng)藥用量與人工打藥的成本。

審核編輯 黃宇