王永紅，王詩(shī)瑤

(1.江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 泰州 225300； 2.江蘇省農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程中心，江蘇 泰州 225300)

智能物聯(lián)網(wǎng)(AI and internet of things，AIoT)本質(zhì)上是不同結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，將執(zhí)行器件和傳感器設(shè)備等連接到互聯(lián)網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)物體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能控制，從而減少人為干預(yù)，完成特定事務(wù)[1]?，F(xiàn)代溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)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[2-3]。翟巖龍等[4]認(rèn)為，仿真平臺(tái)有數(shù)字化、虛擬化、智能化的趨勢(shì)，且仿真技術(shù)越來(lái)越貼近真實(shí)系統(tǒng)，可信度和逼真度也更好。在溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面的仿真有文獻(xiàn)涉及，如劉鶴等[5]對(duì)溫室濕度數(shù)據(jù)信號(hào)提取進(jìn)行了仿真。然而，至今采用高階Packet Tracer的智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的仿真研究尚不多見(jiàn)。

仿真試驗(yàn)中，植物對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境有特定要求，需要對(duì)溫室環(huán)境因子加以檢測(cè)和控制。一般情況下，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)只有在實(shí)施過(guò)程或完成后，方可看出是否達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)的目的。因此，為了在系統(tǒng)實(shí)施之前驗(yàn)證物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的可行性和可靠性，有必要對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。本試驗(yàn)將虛擬技術(shù)引入仿真，分析智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)仿真的理論、方法及結(jié)果，并對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行了討論，為溫室智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的進(jìn)一步研究和實(shí)施提供借鑒。

1 材料和方法

1.1 智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)理論

智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)感知溫室環(huán)境因子，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，經(jīng)應(yīng)用層處理后進(jìn)行智能控制或遠(yuǎn)程作業(yè)，對(duì)植物生長(zhǎng)實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和專家診斷管理。系統(tǒng)組成包括數(shù)據(jù)感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸、決策支持和遠(yuǎn)程控制[6]。

在感知層，應(yīng)用傳感器技術(shù)、感知層協(xié)議以及相關(guān)技術(shù)，及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取溫室環(huán)境多因子，包括環(huán)境溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照度等，為自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制打好基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室的溫、水、肥、氣等多因子的實(shí)時(shí)調(diào)控，保證溫室內(nèi)植物在適宜環(huán)境中生長(zhǎng)。

在傳輸層，應(yīng)用多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，確保感知層數(shù)據(jù)的匯聚，以及數(shù)據(jù)的快捷傳輸。在溫室內(nèi)部通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，連接各傳感器無(wú)線節(jié)點(diǎn)，組成多級(jí)自組織網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)中繼網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程服務(wù)器通信，并反饋指令控制相關(guān)智能設(shè)施，調(diào)節(jié)溫室因子。

在應(yīng)用層，設(shè)置農(nóng)業(yè)領(lǐng)域模型，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、融合處理。應(yīng)用移動(dòng)設(shè)備和展示平臺(tái)，在遠(yuǎn)端以可視化、人性化方式直觀地呈現(xiàn)溫室環(huán)境狀況、智能設(shè)備狀況、植物生長(zhǎng)狀況，供經(jīng)營(yíng)者監(jiān)察溫室環(huán)境因子，及時(shí)做出預(yù)判，發(fā)出指令，控制相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)溫室環(huán)境；進(jìn)行數(shù)據(jù)異常報(bào)警、長(zhǎng)勢(shì)預(yù)測(cè)、病蟲害監(jiān)測(cè)與預(yù)警，促進(jìn)植株生長(zhǎng)發(fā)育，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)施園藝的水、肥、種、收等的決策管理。

在執(zhí)行器件方面，應(yīng)用空調(diào)、風(fēng)機(jī)控制環(huán)境溫度，噴霧器控制環(huán)境濕度，遮陽(yáng)幕、照明控制環(huán)境光照度，二氧化碳發(fā)生器、風(fēng)機(jī)等控制環(huán)境二氧化碳濃度。應(yīng)用水肥一體化潮汐式灌溉技術(shù)對(duì)土壤含水率進(jìn)行控制，均勻、定時(shí)、定量滴灌，浸潤(rùn)作物根系發(fā)育生長(zhǎng)區(qū)域，使根系土壤始終保持疏松和適宜的含水量和養(yǎng)分，按比例直接提供給作物，滿足限根栽培技術(shù)的要求。

1.2 仿真材料

仿真試驗(yàn)采用高階Packet Tracer(以下簡(jiǎn)稱PT)仿真。Cisco在PT 7版本中首次引入了AIoT功能，新版本增強(qiáng)了對(duì)AIoT的支持，提供了具有AIoT功能的設(shè)備，其中，SBC單板機(jī)類似樹莓派(Raspberry Pi)，自帶無(wú)線連接模塊，可據(jù)需要添加有線模塊；MCU單片機(jī)采用Arduino云盾板，亦可配置相應(yīng)的通信模塊。AIoT網(wǎng)關(guān)采用專門為AT&T研發(fā)的DCL-100型號(hào)，與服務(wù)器設(shè)備中的AIoT新服務(wù)一樣，具有中心模式編程能力。

PT沒(méi)有提供ZigBee功能，但可以運(yùn)用有線或其他無(wú)線方式替代實(shí)現(xiàn)其功能。因此，仿真試驗(yàn)沒(méi)有單獨(dú)使用MCU單片機(jī)或SBC單板機(jī)，而是將其集成到傳感器終端節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行器件內(nèi)，通過(guò)無(wú)線模塊或以太網(wǎng)模塊，連接到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，由遠(yuǎn)程AIoT服務(wù)器集中監(jiān)控。

仿真試驗(yàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需求：操作系統(tǒng)Windows 7以上，CPU Intel Pentium 4/3.0 GHz以上，RAM 4 GB，硬盤1.6 GB存儲(chǔ)空間，顯示分辨率1 920×1 080。

1.3 仿真系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

1.3.1 仿真模型設(shè)計(jì) 仿真試驗(yàn)為了盡可能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的仿真，建立仿真模型如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)仿真模型

在感知層，系統(tǒng)需要感知5個(gè)環(huán)境因子，分別是環(huán)境溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照度、土壤含水率。設(shè)備選取按照最接近目的仿真原則，分別選用溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器、土壤含水率傳感器，集成SBC單板機(jī)和無(wú)線模塊，形成感知終端節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)定時(shí)采集溫室各因子。采用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)Webcam監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)和植物生長(zhǎng)狀況。

在傳輸層，傳送感知層的感知數(shù)據(jù)到AIoT服務(wù)器。利用感知終端節(jié)點(diǎn)的通信模塊，將感知數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)關(guān)DCL-100，再轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)程AIoT服務(wù)器。交換機(jī)采用Switch C2960作為接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，路由器充當(dāng)云端設(shè)備?；揪哂?G/4G功能，與中央辦公服務(wù)器一起為智能手機(jī)提供無(wú)線通信信道。

在應(yīng)用層，訪問(wèn)AIoT服務(wù)器，控制智能執(zhí)行器件。采用遠(yuǎn)程管理機(jī)和智能手機(jī)訪問(wèn)服務(wù)器，直觀呈現(xiàn)溫室環(huán)境狀況、智能設(shè)備狀況、植物生長(zhǎng)狀況；利用植物生長(zhǎng)模型，分析溫室因子，及時(shí)做出預(yù)判，控制相關(guān)執(zhí)行器件，從而調(diào)節(jié)溫室環(huán)境因子。

此外，其他器件如液晶顯示器用于顯示現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的因子。AIoT服務(wù)器用于反饋指令控制執(zhí)行器件，調(diào)節(jié)溫室因子。執(zhí)行器件連接于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，選用加熱器、制冷器，控制環(huán)境溫度；選用加濕器、干燥器，控制環(huán)境濕度；選用二氧化碳發(fā)生器，控制環(huán)境二氧化碳濃度；選用遮陽(yáng)幕，控制環(huán)境光照度；選用水肥一體化潮汐式灌溉，控制土壤含水率，浸潤(rùn)作物根系發(fā)育生長(zhǎng)區(qū)域。

1.3.2 控制模型設(shè)計(jì) 適宜的環(huán)境有利于植物生長(zhǎng)，溫室關(guān)鍵技術(shù)之一在于建立控制模型，便于決策。仿真試驗(yàn)植物以獼猴桃為例。獼猴桃萌芽期、漿果膨大期、成熟期等不同生長(zhǎng)階段，對(duì)環(huán)境要求有所不同。仿真試驗(yàn)?zāi)康脑谟诜抡嫖锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)，故沒(méi)有細(xì)分階段。為了滿足獼猴桃生長(zhǎng)發(fā)育的要求，提高產(chǎn)量，仿真試驗(yàn)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB)和農(nóng)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)(NY)[7-10]，結(jié)合無(wú)公害獼猴桃環(huán)境空氣質(zhì)量要求、灌溉水質(zhì)量要求、土壤環(huán)境質(zhì)量要求、試驗(yàn)方法及采樣方法等，制定智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)控制模型。

(1)環(huán)境平均溫度適宜在11.3～16.9 ℃，低于8 ℃時(shí)，植物處于休眠狀態(tài)。環(huán)境溫度控制規(guī)則：當(dāng)環(huán)境溫度<10 ℃，啟動(dòng)加熱器，關(guān)閉制冷器，實(shí)施升溫；當(dāng)環(huán)境溫度>18 ℃，關(guān)閉加熱器，啟動(dòng)制冷器，實(shí)施降溫。

(2)空氣相對(duì)濕度為74.3%～85.0%。一般來(lái)說(shuō)，80%左右能滿足獼猴桃生長(zhǎng)發(fā)育要求。環(huán)境濕度控制規(guī)則：當(dāng)環(huán)境濕度<60%，啟動(dòng)加濕器，執(zhí)行噴霧加濕，關(guān)閉側(cè)窗不通風(fēng)保濕；當(dāng)環(huán)境濕度>85%，關(guān)閉加濕器，開側(cè)窗、風(fēng)機(jī)通風(fēng)除濕。

(3)獼猴桃中等喜光，尤喜漫射光，忌強(qiáng)光直射。環(huán)境光照度控制規(guī)則：當(dāng)環(huán)境光照度<40%，執(zhí)行開遮陽(yáng)幕；當(dāng)環(huán)境光照度>45%，執(zhí)行關(guān)遮陽(yáng)幕。

(4)室外空氣中二氧化碳濃度一般589～785 mg/m3。室外溫度低、光照時(shí)間短、強(qiáng)度弱時(shí)，溫室中二氧化碳濃度一般157 mg/m3，不利于促進(jìn)植物光合作用。二氧化碳濃度1 964～3 928 mg/m3，可以使作物比平時(shí)增產(chǎn)達(dá)到40%～200%，而且品質(zhì)明顯提高[11]。環(huán)境二氧化碳濃度控制規(guī)則：當(dāng)環(huán)境二氧化碳濃度<1 571 mg/m3，啟動(dòng)二氧化碳產(chǎn)生器；當(dāng)環(huán)境二氧化碳濃度>3 928 mg/m3，停止二氧化碳產(chǎn)生。

(5)獼猴桃根部需要濕潤(rùn)疏松土壤環(huán)境，不宜干旱或水澇。土壤含水率控制規(guī)則：當(dāng)土壤含水率<12%，啟動(dòng)滴灌裝置；當(dāng)土壤含水率>18%，停止滴灌。

1.4 仿真方法

試驗(yàn)按照前述提出的仿真模型(圖1)，在PT中建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后，配置相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，連通網(wǎng)絡(luò)，再進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備的編程，進(jìn)行環(huán)境因子感知和控制。

1.4.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 選用路由器、交換機(jī)、中央辦公服務(wù)器、移動(dòng)基站以及服務(wù)器等，建立物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)，以及3G/4G無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)。中央辦公服務(wù)器通過(guò)Backbone端口連接到路由器，使用同軸電纜連接到移動(dòng)基站，為遠(yuǎn)程管理機(jī)和智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)提供條件，如圖1所示。

然后，連接感知設(shè)備、執(zhí)行器件，以及監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)狀況的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。仿真試驗(yàn)通過(guò)添加IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)模塊PT-IoT-NM-1W，將傳感器連接到網(wǎng)關(guān)上，并添加以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模塊PT-IoT-NM-1CFE，將執(zhí)行器件連接到傳輸網(wǎng)絡(luò)。溫度傳感器的輸出端口采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊PT-IoT-NM-1W，連接到網(wǎng)關(guān)DCL-100。加熱器的通信端口采用有線網(wǎng)絡(luò)模塊PT-IoT-NM-1CFE，連接到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)Webcam采用直通雙絞線連接到交換機(jī)上。

1.4.2 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)配置 在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，多個(gè)端口需要配置IP地址。物聯(lián)網(wǎng)組件本身不需要配置IP地址，增加網(wǎng)絡(luò)模塊后，則需要配置IP地址。執(zhí)行器件通過(guò)直通雙絞線連接到交換機(jī)端口后，可以為AIoT服務(wù)器識(shí)別。仿真試驗(yàn)IP地址規(guī)劃參見(jiàn)表1。

表1 IP地址規(guī)劃

感知設(shè)備通過(guò)無(wú)線連接網(wǎng)關(guān)DCL-100，組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，感知設(shè)備采用DHCP協(xié)議，自動(dòng)分配IP地址相關(guān)網(wǎng)絡(luò)信息。完成IP地址配置后，還需要對(duì)組件和設(shè)備命名。

1.4.3 網(wǎng)絡(luò)連通性 在基礎(chǔ)配置完成后，分別從遠(yuǎn)程管理機(jī)、智能手機(jī)、傳感器設(shè)備、執(zhí)行器件、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)Webcam測(cè)試與各自網(wǎng)關(guān)的連通性，遞進(jìn)測(cè)試與AIoT服務(wù)器的連通性。

在智能手機(jī)上，待其獲得IP地址后，再用命令ping中央辦公服務(wù)器、路由器、AIoT服務(wù)器，確保網(wǎng)絡(luò)暢通。在傳感器設(shè)備、執(zhí)行器件上，用命令ping網(wǎng)關(guān)DCL-100、路由器、AIoT服務(wù)器。

1.4.4 組件和設(shè)備編程算法 網(wǎng)絡(luò)通信采用客戶/服務(wù)器模式(Client/Server，C/S)。遠(yuǎn)程服務(wù)器依靠API進(jìn)行上位機(jī)編程，與下位機(jī)進(jìn)行通信，進(jìn)而獲得傳感器的感知數(shù)據(jù)。下位機(jī)通過(guò)API編程，與遠(yuǎn)程服務(wù)器通信。仿真試驗(yàn)感知設(shè)備和執(zhí)行器件用Python編程。

感知設(shè)備的編程提升設(shè)備在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的感知能力。當(dāng)傳感器感知到相應(yīng)環(huán)境數(shù)據(jù)后，調(diào)用IoEClient相關(guān)API，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)端口，傳輸?shù)紸IoT服務(wù)器。溫度傳感器編程算法如下：

(1)在AIoT服務(wù)器注冊(cè)；

(2)定義常量ENVIRONMENT_NAME，初始化變量level；

(3)setup()功能初始化。IoEClient.setup()配置注冊(cè)服務(wù)器；sendReport()向AIoT服務(wù)器發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)；restoreProperty()恢復(fù)設(shè)備屬性；

(4)loop()輪詢。detect()每秒感知一次環(huán)境溫度因子；IoEClient.reportStates()向AIoT服務(wù)器發(fā)送設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)states。

執(zhí)行器件的編程與感知設(shè)備有所不同。AIoT服務(wù)器發(fā)出IoT TCP指令，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綀?zhí)行器件，執(zhí)行器件接收后，做出啟停動(dòng)作，進(jìn)而改變環(huán)境因子。加熱器編程算法如下：

(1)在AIoT服務(wù)器注冊(cè)；

(2)定義常量TEMPERATURE_RATE、VOLUME_AT_RATE，初始化變量state、level；

(3)setup()功能初始化。IoEClient.setup()配置注冊(cè)服務(wù)器；IoEClient.onInputReceive=function(input) {}設(shè)置回調(diào)函數(shù)，處理從AIoT服務(wù)器接收的數(shù)據(jù)input；

(4)processData()具體實(shí)現(xiàn)從AIoT服務(wù)器接收的數(shù)據(jù)input的處理；

(5)setState()設(shè)置設(shè)備狀態(tài)，并報(bào)告給AIoT服務(wù)器。IoEClient.reportStates()具體實(shí)現(xiàn)將設(shè)備狀態(tài)報(bào)告給AIoT服務(wù)器；setDeviceProperty()具體實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的設(shè)置；

(6)updateEnvironment()設(shè)備的啟停對(duì)環(huán)境變量產(chǎn)生影響，更新環(huán)境變量Ambienttemperature。計(jì)算公式為：Ambienttemperature=TEMPERATURE_RATE×VOLUME_AT_RATE/Environment.getVolume()。

1.4.5 獲取感知數(shù)據(jù) 從遠(yuǎn)程管理機(jī)或智能手機(jī)上，通過(guò)瀏覽器，登錄http://192.168.1.254，在網(wǎng)頁(yè)Home上查看到所有在AIoT服務(wù)器注冊(cè)的傳感器設(shè)備、執(zhí)行器件列表。單擊傳感器即可查看到感知數(shù)據(jù)。單擊執(zhí)行器件，亦可獲得執(zhí)行器件的狀態(tài)。

1.4.6 決策和啟停執(zhí)行器件 在上步的網(wǎng)頁(yè)Home上，除了允許用戶遠(yuǎn)程監(jiān)視，還可以手動(dòng)控制物聯(lián)網(wǎng)器件。每個(gè)連接的器件都有狀態(tài)列表，狀態(tài)類型分為boolean、number、string和image。除了image類型外，其他類型狀態(tài)可從注冊(cè)的AIoT服務(wù)器上遠(yuǎn)程控制。

在條件Conditions上，可以設(shè)置控制模型，實(shí)現(xiàn)智能決策，自動(dòng)啟停執(zhí)行器件。決策條件與動(dòng)作對(duì)應(yīng)關(guān)系參見(jiàn)表2。

表2 決策條件與動(dòng)作對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 結(jié)果與分析

仿真試驗(yàn)通過(guò)PT對(duì)智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)與控制，并根據(jù)植物生長(zhǎng)要求，進(jìn)行決策，自動(dòng)控制環(huán)境因子。

2.1 獲得環(huán)境因子、執(zhí)行器件狀態(tài)

位于感知層的下位機(jī)每秒向應(yīng)用層的上位機(jī)報(bào)告感知數(shù)據(jù)與執(zhí)行器件狀態(tài)，遠(yuǎn)程管理機(jī)與智能手機(jī)通過(guò)瀏覽器登錄到AIoT服務(wù)器，以網(wǎng)頁(yè)的形式，獲得可視化方式呈現(xiàn)的感知數(shù)據(jù)與狀態(tài)。圖2為感知的部分環(huán)境因子。

圖2 感知的部分環(huán)境因子

下位機(jī)通過(guò)調(diào)用IoEClient.reportStates()，向AIoT服務(wù)器傳送報(bào)文。其傳輸層的傳輸協(xié)議為IoT TCP協(xié)議。

2.2 手動(dòng)啟停執(zhí)行器件，調(diào)節(jié)環(huán)境因子

應(yīng)用層的遠(yuǎn)程管理機(jī)與智能手機(jī)通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)AIoT服務(wù)器，在網(wǎng)頁(yè)上單擊執(zhí)行器件控制按鈕，利用HTTP協(xié)議，傳送指令給AIoT服務(wù)器。AIoT服務(wù)器收到指令后，給執(zhí)行器件發(fā)送啟停指令。圖3為手動(dòng)控制加熱器界面。上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送指令，傳輸層協(xié)議采用IoT TCP協(xié)議。

圖3 手動(dòng)控制加熱器界面

2.3 自動(dòng)啟停執(zhí)行器件，改變環(huán)境因子

在應(yīng)用層AIoT服務(wù)器中部署控制模型，根據(jù)植物生長(zhǎng)需求，結(jié)合當(dāng)前環(huán)境因子進(jìn)行智能決策，自動(dòng)啟停執(zhí)行器件，閉環(huán)反饋改變環(huán)境因子。圖4為環(huán)境溫度最低值控制決策。此外，網(wǎng)頁(yè)上還可以借助網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)監(jiān)察現(xiàn)場(chǎng)狀況，觀察植物生長(zhǎng)狀況，結(jié)合感知數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)異常報(bào)警、長(zhǎng)勢(shì)預(yù)測(cè)、病蟲害監(jiān)測(cè)，進(jìn)行智能決策。

圖4 環(huán)境溫度最低值控制決策

3 結(jié)論與討論

3.1 仿真實(shí)現(xiàn)感知層

仿真試驗(yàn)在感知層對(duì)溫室主要環(huán)境因子進(jìn)行感知，每秒向應(yīng)用層傳輸1次感知數(shù)據(jù)。為了控制環(huán)境因子滿足植物生長(zhǎng)要求，選用執(zhí)行器件仿真物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。PT為使IoT設(shè)備模擬更加逼真，引入動(dòng)態(tài)環(huán)境管理(如溫度、光等)。執(zhí)行器件對(duì)環(huán)境因子的影響不純粹是一對(duì)一的關(guān)系，存在某種復(fù)雜的多對(duì)多的關(guān)系。加熱器以10 ℃/h的速率影響環(huán)境溫度，以-2%/h的速率影響環(huán)境濕度；加濕器以1%/h的速率影響環(huán)境濕度；制冷器以-10 ℃/h的速率影響環(huán)境溫度，以-2%/h的速率影響環(huán)境濕度；二氧化碳產(chǎn)生器以2%/h的速率影響環(huán)境二氧化碳濃度，以1%/h的速率影響環(huán)境溫度；滴灌裝置以0.1 cm/s的速率影響土壤含水率，以5%/h的速率影響環(huán)境濕度。

特別地，為了驗(yàn)證溫室仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)中額外準(zhǔn)備了對(duì)照用終端設(shè)備，供感知設(shè)備的感知數(shù)據(jù)與對(duì)照用終端設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。對(duì)照用設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)器監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度并自動(dòng)轉(zhuǎn)成可讀形式顯示；對(duì)照用設(shè)備濕度監(jiān)測(cè)器監(jiān)測(cè)環(huán)境濕度并顯示；對(duì)照用設(shè)備土壤含水率監(jiān)測(cè)器從環(huán)境對(duì)象中讀取WATER_LEVEL監(jiān)測(cè)環(huán)境水量并顯示，以仿真土壤含水率傳感器。仿真試驗(yàn)中，感知層感知數(shù)據(jù)與3個(gè)對(duì)照用終端設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果是一致的。

3.2 仿真實(shí)現(xiàn)傳輸層

下位機(jī)的數(shù)據(jù)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸依賴于傳輸層。試驗(yàn)中采用IEEE 802.11無(wú)線通信協(xié)議、以太網(wǎng)協(xié)議和IoT TCP協(xié)議，仿真網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、可靠性較好，確保數(shù)據(jù)高質(zhì)量地匯聚到網(wǎng)關(guān)、AIoT服務(wù)器，減少數(shù)據(jù)的丟失、誤差。

3.3 仿真實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層

應(yīng)用層中決策模型是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)植物生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境的需求，給出控制模型。在給定的條件下，使農(nóng)業(yè)領(lǐng)域被控系統(tǒng)環(huán)境因子得到控制，實(shí)現(xiàn)智能物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)控制。

3.4 仿真可能的問(wèn)題

PT不支持ZigBee協(xié)議，本試驗(yàn)用IEEE 802.11協(xié)議代替ZigBee協(xié)議，可以得到預(yù)想的系統(tǒng)仿真結(jié)果。不過(guò)，因?yàn)閮烧邊f(xié)議有所區(qū)別，所以對(duì)協(xié)調(diào)器、終端結(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的過(guò)程細(xì)節(jié)完全仿真時(shí)，僅將ZigBee協(xié)議棧的時(shí)間觸發(fā)事件的定時(shí)函數(shù)osal-start-timerEX()用循環(huán)loop()仿真實(shí)現(xiàn)，在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)底層上組網(wǎng)過(guò)程的仿真略顯不夠。另外，PT數(shù)據(jù)可以以JSON、XML、CSV或TXT等格式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)文件列表中，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)也可以存儲(chǔ)在pka、pkt文件中，不過(guò)，常用數(shù)據(jù)庫(kù)的支持較弱，對(duì)歷史數(shù)據(jù)的再處理能力略顯不足。

總之，仿真試驗(yàn)利用高價(jià)PT提供的感知設(shè)備和執(zhí)行器件、支持的IoT協(xié)議，有創(chuàng)意地仿真溫室智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，在服務(wù)器與客戶端之間建立IoT TCP連接，傳輸IoT TCP報(bào)文，發(fā)送IoT TCP指令，響應(yīng)IoT TCP確認(rèn)報(bào)文，實(shí)現(xiàn)了智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)感知、傳輸和應(yīng)用整體功能的仿真，達(dá)到了仿真的目的，對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和精準(zhǔn)化，以及對(duì)真實(shí)智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)具有借鑒意義。