基于开源ThingsBoard平台的智慧温室升级改造

摘要：文章通过基于人工智能物联网AIoT的在线实训仿真平台ThingsBoard，完成智慧温室的环境信息检测、恒温设备控制和智能告警等工作，以ThingsBoard平台为架构核心进行项目部署，完成项目安装配置结果的检测、智慧温室项目仪表板的创建、温度曲线组件的显示和自动温控系统规则链的设置，实现了智慧温室在环境监测和智能控制方面的进一步改造。相较于常规的物联网方案，文章引入以ThingsBoard平台为核心的新架构，方便系统解决方案的移植和拓展，能够实现农业生产一站式管理，有助于提高农业生产效率、降低管理控制成本，具有一定的理论和实践价值。

关键词：智慧温室；AIoT技术；ThingsBoard平台；智能控制

中图分类号：TP274  文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）05-0028-04

0 引言

随着社会的发展和人民生活水平的提高，民众对农产品品质和物种的丰富性提出了更高的要求。为了满足农作物的优质供给需求，智慧温室的种植方式和管理模式也有了较快的发展［1］。目前，发达国家的农业已进入农业智慧化阶段，智慧型农业技术也已实现规模化应用。与之相比，我国智慧农业仍缺乏基础研究和技术积累，各项先进的关键技术仍处于实验室研发和中试阶段，特别在智慧温室环境监测和自动控制方面，技术的合理性与全面性还有较大的提升空间［2］。当前，物联网技术以通信技术为手段，提供信息获取、数据传输和数据分析处理等服务，从而实现人、机、物之间的互联。在智慧农业领域，物联网设备的连接数以万计，迎来高速发展阶段［3］。AIoT（Artificial Intelligence & Internet of Things，人工智能物联网）融合AI技术和IoT技术，通过物联网产生、收集海量的数据存储于云端、边缘端，再通过大数据分析以及更高形式的人工智能，实现万物数据化、万物智联化。融合物联网技术和人工智能技术形成智能化生态体系是目前国内外研究的焦点。为进一步提高农业生产效率、降低管理和控制成本，本文借助AIoT的开源平台ThingsBoard，实现温室智能化在环境监测和智能控制方面的进一步改造，构建一个物联网智慧感知数据管理系统，实现对农业生产的一站式智慧管理，进一步优化农作物生长环境，对增收增产具有重大意义。

1 需求分析

温度是农作物生命活动的重要生存因子，对农作物的生长发育影响很大。农作物各项生理活动都要求有最低温度、最适温度和最高温度标准，这是温度的三基点。植物在最适温度下生长发育良好，超过最高温度或低于最低温度便生长不良甚至死亡。温室（greenhouse）又称为暖房，能透光、保温（或加温），在不适宜农作物生长的季节，能提供温室生育期、提高作物产量，多用于低温季节喜温蔬菜、花卉等植物的栽培或育苗等。温室系统的设计包括增温系统、保温系统、降温系统、通风系统、控制系统、灌溉系统等，其中包括含有排风扇、热风扇、温度感应器的温控系统及恒温系统控制箱，以适时调节温度。

本文基于开源的ThingsBoard平台对温室进行智能化改造，搭建一个物联网智能恒温系统，通过测量温室内外温度，使用恒温机和空气循环机2种方式实现温室环境监测管理和自动恒温控制，并尽可能地降低能耗。当室内温度超过用户指定阈值时，系统根据温室内外温度自行决定是否启动“恒温”设备，并在物联网平台端实时显示温室内外的温度、湿度数据以及温度调节控制设备是否启动等信息。系统搭建完成后，需为用户提供智能恒温系统的设计图纸并附上文字说明和数据手册，清晰描述系统的执行逻辑。智慧温室智能恒温控制逻辑如图1所示。

具体改造需求描述如下：①室内温度正常时，恒温机和空气循环机不工作；②室内温度异常、室外温度正常时，空气循环机工作；③室内温度异常、室外温度异常时，恒温机工作；④使用物联网平台的组态软件开发用户界面，显示室内、室外温度情况（实时数值、动态曲线）和执行设备状态；⑤使用物联网平台的组态软件完善系统功能，绘制控制系统链路逻辑，实时展示恒温机与空气循环机的工作状态。

2 系统设计

2.1 解决方案

该系统以AIoT平台为核心，由IoT设备层、IoT接入层、IoT平台层和IoT应用层4层技术栈组成［4］。通过感知设备获取温室内外环境信息，再由MQTT、CoAP和HTTP等协议完成数据转发并上传至IoT平台，完成数据的分析处理并展示数据，根据系统功能策略实现温室的环境监测和恒温控制。温室智能化改造实现方案如图2所示。

2.2 系统配置

（1）传感/执行设备。由于温室面积不大，考虑到系统搭建的成本问题，选用支持Modbus RTU协议通信的RS485设备完成温室环境信息采集，设备包括RS485温湿度传感器节点（室内和室外2种）和Adam4150数据采集模块。选用同样支持该通信协议的执行器（220V暖风机作为恒温机和220V风机作为空气循环机）连接到RS485总线［5］。

（2）网关。选用Linux基金会支持的边缘计算开源平台EdgeX Foundry，部署在路由器或交换机等边缘设备上，为传感设备或其他物联网设备提供即插即用功能和管理功能，进一步收集和管理数据，输出到边缘计算应用或AIoT平台做进一步处理。

（3）AIoT平台。选用基于Java的开源平台ThingsBoard作为本系统的核心平台，该平台在架构先进性、功能完整性、文档完备性等方面优于众多物联网平台，能较好地实现物联网项目的管理、开发与扩展，实现数据采集、设备管理和数据可视化。本系统将该平台用于数据收集、处理、可视化和设备管理，主要包含用户添加、设备添加、设备分配、报警和规则链等功能。通过物联网行业的标准协议（MQTT、CoAP和HTTP）实现传感/执行设备的连接，支持云和本地部署2种方式［6］。该平台能够定义设备、资产和客户之间的关系，完成设备管理和警报管理；可进行水平扩展，实现数据可视化；有一定的容错性及海量的设备容量和高效的处理性能，不会丢失数据。该平台还能提供管理实体的核心服务，例如设备及凭据，规则链及规则节點，租户、客户和平台的关系，小部件和仪表板，警报和事件，等等。

3 系统实现方式

3.1 设置Modbus RTU汇聚模块

在仿真设备界面分别安装2个RS485温湿度传感器（室内和室外），安装Adam4150数据采集模块，通过RS485转RS232的转换模块接入网关设备的串口；安装暖风机作为恒温机、风机作为空气循环机，通过中间继电器接到Adam4150的输出端口。双击设备地址码，在弹出的界面进行设置，该系统Modbus设备地址的分配情况如下：室内温湿度传感器为地址1，数据采集模块Adam4150为地址2，室外温湿度传感器为地址3。给所有设备供上电源，最终形成Modbus RTU汇聚模块。该汇聚模块是RS485总线跟ThingsBoard网关之间的关键节点，用于完成数据上传和指令下达任务。

3.2 部署EdgeX（ireland）作为ThingsBoard网关

在仿真平臺主界面，选择“虚拟机服务”，记录页面中显示的虚拟机IP和开放的端口范围，然后通过Docker-Compose方式完成EdgeX的安装。将EdgeX添加到ThingsBoard平台连接器tb-gateway上，用于转发设备和IoT平台的传感数据和命令。所有配置到EdgeX的设备所发送的传感数据，都会被tb-gateway转发到ThingsBoard平台，而从平台的规则链或者仪表板上发送给执行设备的RPC请求，也会被tb-gateway转发给相应的设备。

将EdgeX（ireland）部署为ThingsBoard网关的步骤如下：编辑连接器的配置→修改设备模组总线服务→启动配置参数→修改设备配置文件→修改UI和consul的映射端口→重新打开浏览器界面→输入虚拟机IP与端口号30001→打开EdgeX的UI设计界面。

3.3 部署ThingsBoard项目实体

智慧温室项目采用开源的ThingsBoard平台作为核心平台，需要在该平台上为智慧温室项目设计一个实时数据监控仪表盘进行数据实时监控，并设计报警和恒温控制策略［7］。为了实现实时数据显示的仪表盘和策略，需要添加相应的资产、设备配置类型、设备等信息，以及设置相关的资产/设备关系。ThingsBoard作为教学实验平台，可通过一个平台租户账号，实现多个IoT工程，每个IoT工程需要在使用的实体类型、资产类型加上一个前缀，以区别不同的IoT工程。本项目智慧温室所有类型都加一个green前缀。AIoT在线工程仿真实训平台ThingsBoard界面如图3所示。智慧温室项目具体部署办法如下。

（1）创建项目资产。将设备配置文件中的传感器、执行器和数据采集设备添加到平台上，创建项目资产列表，添加网关设备。

（2）检查项目安装配置结果。在仿真设备平台上开启模拟实验，通过检查设备配置文件所列设备是否自动创建成功来检查EdgeX网关的部署是否正确，如果设备列表不完全，重新检查网关的配置文件；点击温度、湿度传感器，如果有遥测数据显示，说明设备配置成功。修改设备类型，编辑温湿度传感器的设备类型级标签值，将设备名称、设备标签和设备配置文件一一对应；修改设备与资产的关系，通常是包含与被包含的关系，该系统中项目资产智慧温室包含温湿度传感器、暖风机和风机等各种设备；修改设备与设备之间的关系，在设备名称、关联方向、关联类型和关联的设备等方面建立设备与设备之间的关联，例如暖风机和风机设备与温湿度传感器设备是从属关系。在键名称、键值类型和键值3个方面设置实体服务端属性，并将实体名称、实体类型、实体标签和实体服务端属性一一对应。

（3）创建智慧温室项目仪表板。登录IoT平台，创建项目仪表板，在智慧温室仿真场景中（也可称为地图）显示温湿度传感器、恒温机和空气循环机等设备。打开仪表板编辑界面，在仪表板添加组件，在实体别名管理界面添加实体别名，室内温度、室外温度的过滤类型同为“单个实体”，而温室设备过滤类型为“关系查询”；在三级选择项里，室内温度和室外温度的类型为“设备”，而温室设备的类型为“根实体”，并且只有温室设备是多实体存在的。将上述连接好的传感、执行和网关设备在仿真平台上运行，能看到设备上报的遥测数据，在添加地图组件的数据源时，列表中能看到设备的遥测变量和设备服务端属性的变量。添加图片地图组件和数据源，注意在添加风扇设备的状态值时，需要手动输入该状态值变量；修改地图标题为“智慧温室”，修改温室背景图、实体在地图上的显示名称、实体标签信息显示函数及实体提示信息显示函数；添加实体显示图片，修改图表显示函数和图片地图组件尺寸，设置实体在地图上为“可拖拽模式”，修改温度返回值。

（4）添加温度曲线显示组件。在界面中添加并显示智慧温室室内外温湿度历史数据的图表组件；设置曲线组件数据源，并调整尺寸和位置；在编辑界面修改曲线组件标题；设置曲线组件参数为“平滑显示模式”。

（5）设置温度控制自动排气扇策略。通过ThingsBoard平台自身的规则链库进行报警链的设置。根据室内外的环境温度控制空气循环机和恒温机，从空气循环机或恒温机的角度出发，获取室内外的温度值，根据温控需求，判断是否需要发送开启或停止的命令请求。例如，当传感器获取到的温室内温度高于50℃时会出发高温警报，并打开空气循环机降温，报警信息展示在平台仪表盘，由用户自行决定是否清除警报。设置具体步骤如下：①打开规则链编辑界面，添加获取室内温度节点并连线input节点，作为其输入源，按照相同的步骤添加获取室外温度节点；②添加生成RPC消息节点，加入生成RPC消息的代码；③从生成RPC消息节点输出的数据需要过滤再发送到设备，从过滤器列表中拖拽1个Script节点到编辑区，完成消息检测节点的添加；④从动作列表中拖拽1个rpc call request节点到编辑区，并输入节点名称“发送RPC”。

（6）将智慧温室温控规则链加入根规则链。在规则链库列表中，打开Root Rule Chain，从Message Type Switch拉出的1条Post telemetry连线到智慧温室温控控制链。

（7）检查智慧温室温控规则链结果。运行EdgeX设备，开启仿真设备平台的模拟实验。设置恒温触发条件，将温湿度传感器的阈值设定为15～35 ℃，此温度为农作物生长的适宜温度。修改仿真实验平台室内温湿度传感器和室外温湿度传感器的测试条件，检查恒温机和空气循环机的运行效果。当室内、室外温度均为20 ℃时，恒温机和空气循环机都不运转；当室内温度为12 ℃、室外温度为20 ℃時，空气循环机运转；当室内、室外温度均为12 ℃时，恒温机运转。

4 结语

本文从智慧温室的实际改造需求出发，基于开源的ThingsBoard平台给出详细的系统设计方案，进行项目安装配置结果的检测、智慧温室项目仪表板的创建、温度曲线组件的显示和自动温控系统规则链的设置，完成智慧温室的环境信息展示、自动恒温设备控制和智能报警等工作。该系统解决方案可以移植到其他智能数据监测和设备控制的物联网应用领域，有一定的理论和实践价值。由于当前ThingsBoard平台操作复杂、用户门槛高，因此后续研究重点可放在进一步改善开发平台的可操作性上，提升用户体验感，促进物联网、人工智能、云计算等核心关键技术与农业的深度融合。

5 参考文献

［1］赵春江.智慧农业发展现状及战略目标研究［J］.智慧农业，2019（1）：1-7.

［2］刘亚伟.基于物联网技术的智能温室大棚控制系统研究［D］.长春：长春工业大学，2018.

［3］张丽岩，高宗巍，马健，等.基于Sumo和Thingsboard的交通仿真平台［J］.物流科技，2023，46（11）：83-86.

［4］何文静，肖紫芸，肖玲玲.基于IoT平台的智能温室大棚测控系统实现［J］.科技创新与应用，2020（34）：39-41.

［5］赵宏林，廉小亲，郝宝智，等.基于物联网云平台的空调远程控制系统［J］.计算机工程与设计，2017，38（1）：265-270.

［6］张吉圭.基于开源AIoT物联网平台的智慧牧场仿真实现［J］.智慧农业导刊，2021（9）：18-21.

［7］吴小峰，王艳红，李慧勇.基于LoRaWAN技术和ThingsBoard平台的智能温室大棚环境监测系统设计［J］.襄阳职业技术学院学报，2022，21（5）：74-78.

*2022年河南省高等学校重点科研项目“万物互联视域下物联网智慧农业系统助力乡村振兴战略脱贫攻坚应用研究”（22B520032）。

【作者简介】李雅迪，女，河南郑州人，硕士，任职于郑州财税金融职业学院，助教，研究方向：物联网应用技术、人工智能图像处理。

【引用本文】李雅迪.基于开源ThingsBoard平台的智慧温室升级改造［J］.企业科技与发展，2023（5）：28-31.