[发明专利]一种基于物联网节能环保林业育苗检测系统和方法

权利要求书

1.一种基于物联网节能环保林业育苗检测系统，其特征在于，包括：采集器模块、控制器模块、网关模块、资源调度模块、电源模块、监控模块；

所述采集器模块包括通过 ZigBee 网络和 RS232 总线与网关模块进行通信，土壤和空气环境参数检测传感器，实时监测温室土壤含水率，检测温室空气温度、湿度，将检测的数据存储并通过 4G 通信方式传输到云控制器模块端；

所述控制器模块通过 ZigBee 通讯协议和 RS232 总线与网关进行通信铺设喷灌和滴灌管网，根据检测的环境值和相关节水智能控制算法，实现对温室内空气温湿度和土壤温湿度的智能控制，对各外设接口进行初始化，实现与传感器、触摸显示屏和 4G 物联模块接口通信，完成数据发送数据信息给云控制器模块、接受云控制器模块下发指令和自动及手动控制执行机构任务；

所述网关模块选取 LC6365S 芯片，配备4G 拨号TD-TLTE功能，通过控制终端直接发送数据和信息；

所述资源调度模块针对任务依赖图型的移动应用的节能高效的资源优化，实现协作高效的双层计算和通信资源的联合优化机制；

所述监控模块基于手机 Web 和 APP 的远程监测及控制软件，使用移动终端实时查看并控制温室灌溉和环境调控系统；

所述电源模块选择 200 瓦单晶硅太阳能电池板连接蓄电池作为电源；

所述基于物联网节能环保林业育苗检测系统还包括：

所述采集器模块设有电子识别码，所述控制器模块能根据所述电子识别码识别和管理所述采集器模块；

读取装置，用于读取所述电子识别码；

所述读取装置与所述控制器模块构成数据交互；

所述读取装置与所述控制器模块构成无线通讯连接；

所述采集器模块数据采集传输过程中选用的 RS485 总线通讯方式，采用Modbus通信协议，所述Modbus协议采用了 Master/Slave 架构；

所述Master/Slave架构设有一个 Master 节点，其他使用 Modbus 协议参与通信是Slave 节点，且每一个 Slave 节点都有一个唯一的地址；

在串行网络中，只有 Master 节点可以发送一个包含地址的命令，其余 Slave 节点只能接受命令；

土壤温湿度传感器和空气温湿度传感器将采集到的参数使用 RS485 总线通讯方式发送到主控制器，各传感器都拥有一个地址码；

传感器与主控制器传输信息的单位为比特，所述比特包括请求比特和答复比特两种比特结构；

请求比特是当主控制器需要查询某个传感器设备数据时发出包含传感器地址码的命令，采用Modbus-RTU 通讯规约；

现场控制器端的 EC20 通信模块和手机 APP 与云平台之间的通信是基于 MQTT 协议实现的；

所述MQTT 协议是一种基于发布和订阅模式的通讯协议，通过极简的代码为远程通信设备提供实时可靠的双向通信服务；

实现 MQTT 协议需要有客户端和服务器端，实现 MQTT 协议需要定义三种身份：发布者、代理、订阅者；

客户端既是消息的发布者也是订阅者，服务端则是消息代理；

各客户端之间消息的传输是通过向代理订阅或发布主题实现的，消息分为主题和负载两部分，主题为消息的类型，负载为消息内容；

每个客户端与服务器建立连接后是一个会话，客户端和服务器之间有状态交互；

服务器需客户端提供 ClientID、用户名和密码等参数进行连接授权，且连接参数决定此次会话是否是持久会话；

MQTT 报文由固定报头、可变报头和有效负载三部分组成；

MQTT 协议中定义了方法用于操作确定资源；

Connect，等待与服务器建立连接；

Disconnect，等待 MQTT 客户端完成所做的工作，并与服务器断开 TCP/IP 会话；

Subscribe，等待完成订阅；

UnSubscribe，等待服务器取消客户端的一个或多个 topics 订阅；

Publish，MQTT 客户端发送消息请求，发送完成后返回应用程序线程；

物联网平台通过服务端订阅和云产品流转两种方式将设备上报消息、设备状态变化通知、设备生命周期变更、物模型历史数据上报、固件升级状态通知、网关发现子设备上报、设备拓扑关系变更消息流转到客户端后台服务器；

现场控制器与手机 APP 的信息通信运用云产品流转通信方式；

上位机远程终端用于网络端口的识别、实时接收数据以及对数据进行存储，同时对控制终端下发指令；

网络地址协议由 TCP/IP 构成，远程服务器只需要监视特定的通信端口和 IP 地址，并实时获取封装化的数据信息；

在取得数据后，通过分析和比较，通过网关向对应控制终端发送控制指令，调整内部参数和命令；

登录下位机软件主界面；点击启动服务按钮获取服务器的IP 和端口号，随后下位机软件会自动连接与其绑定的无线通讯模块 DTU，连接成功后，DTU 会自动显示于下位机软件主界面；

无线传输模块上传的数据会显示于下位机软件左下角的日志中，若上传的数据格式正确，下位机软件将自动保存于服务器的 MYSQL 数据库中，若上传的数据格式不正确，则会继续等待无线传输模块的正确格式的数据，同时会对错误数据格式进行分析，若传感器出现故障导致数据错误，下位机软件会将故障信息自动上传至上位机，及时通知工作人员维修；

远程终端检测的数据自动发送于下位机软件，点击下位机软件中的“手动获取”按钮，也可以实时控制下位机软件上传数据；

点击下位机软件中的“添加 DTU”按钮，下位机软件会自动与所在服务器的数据库相连，通过选择数据库信息和表名以及插入数据类型、字段类型进行 DTU的添加；

云平台总体搭建时，现场控制器端通过 Iot Hub 与云平台进行数据通信，设备管理服务向 Iot Hub 调用数据供给数据开发服务和业务逻辑服务使用，手机 Web 客户端可以直接读取设备管理服务内实时数据，手机 APP 客户端也通过 IotHub 与云平台建立通信，然后再通过规则引擎数据流转服务实现与现场控制器端的数据及指令互传；

在云物联网平台上搭建设备管理、数据开发、业务逻辑和规则引擎数据流转四个服务，设备管理服务是在平台上创建产品、设备以及设备的属性和功能 Topic ，是获取现场控制端环境参数实时信息的基础；

数据开发服务包含图表数据开发和地图数据开发，是将获得的参数信息进行处理并生成可供客户端访问的 API；业务逻辑服务主要是创建HTTP 或设备触发接口，调用外部 API和设计逻辑；所述控制器模块通过 ZigBee 通讯协议和 RS232 总线与网关进行通信铺设喷灌和滴灌管网，根据检测的环境值和相关节水智能控制算法，实现对温室内空气温湿度和土壤温湿度的智能控制，对各外设接口进行初始化，实现与传感器、触摸显示屏和 4G 物联模块接口通信，完成数据发送数据信息给云控制器模块、接受云控制器模块下发指令和自动及手动控制执行机构任务，具体包括：

现场控制器与云服务器的通信分为设备属性数据上发和设置属性指令接收，基于MQTT 协议的 AT 指令设计；

配置三元组信息，包括Productkey、Devicename、Devicesecret与云物联网平台建立连接，然后与云平台指定设备进行连接，最后通过发布指令进行设备属性上发；通过中断计时器判断发送标志，设计属性数据上报时间间隔为 30000ms；

在确认与云平台指定设备建立连接后，通过订阅 AT 指令代码订阅设置属性Topic；

进行订阅之后，只要当有设置属性指令通过服务端下发，串口就会获取到修改后的属性指令；

所述资源调度模块针对任务依赖图型的移动应用的节能高效的资源优化，实现协作高效的双层计算和通信资源的联合优化机制，还包括：

以 DAG 任务依赖图对应问题进行建模，考虑部分卸载的任务计算结果回传对卸载策略的影响，建立最小化移动设备电能问题，提出联合优化卸载比率、通信的上传功率和 CPU计算频率的优化；

基于二分搜索算法的最优解算法、两阶段联合优化中继选择和资源分配算法和基于块梯度下降法的迭代优化算法计算能耗最小化；

所述监控模块基于手机 Web 和 APP 的远程监测及控制软件，使用移动终端实时查看并控制温室灌溉和环境调控系统，具体包括：

用 4G 网络模块实现协调器与遥控终端之间的数据通信，实时监控大棚内的数据，并通过上位机系统发布控制指令来对大棚内的环境参数进行调节；

生产管理者和消费者用户可在 Web 界面实时查看现场工作视频；

在温室大棚内安装监控摄像机，并接入云端平台中；用户在 Web 客户端打开设备直播视频页面，Web 客户端将向云端申请调用现场图像采集摄像头的数据流；

云端服务器控制摄像机打开，将视频数据流接入 Web 客户端直播页面；

环境监控主要展示温室内空气平均温湿度、土壤平均温室度和参数阈值设置功能；

通过数字框组件可以输入数值，并将数值配置给对应的阈值属性数据源；

当数字框组件中的值发生改变，就会触发动作向服务端数据管理服务发送设置属性指令；

通过4G 网络，向 pc 端发送数据；

所述PC 端为了获得实时获取信息，必须监视特定的端口和 IP 地址；

多通道监控模式提供室内环境时间有效通道实时控制。