基于MQTT应用层协议的物联网农业大棚温湿度监测系统报告3000字

【前言】

随着物联网技术的快速发展，农业大棚的智能化水平也在不断提高。传统的农业大棚温湿度监测方法存在着布线困难、数据传输不稳定等问题，难以满足实时监测和远程控制的需求。基于MQTT应用层协议的物联网农业大棚温湿度监测系统可以解决这些问题，本文将对该系统进行详细介绍。

【一、系统架构】

基于MQTT应用层协议的物联网农业大棚温湿度监测系统采用分布式架构，主要包括传感器节点、网关节点和云服务器三部分。

1. 传感器节点

传感器节点是指位于农业大棚内的温湿度传感器和无线传输模块。传感器采集温湿度等环境参数，将数据通过无线传输模块发送给网关节点。在本系统中，我们采用了DHT11温湿度传感器和ESP8266无线模块。

DHT11温湿度传感器是一种数字式温湿度传感器，具有精度高、响应速度快、价格低廉等特点。ESP8266无线模块是一种高集成度的Wi-Fi芯片，它可以实现低功耗的无线通信，是物联网应用中常用的无线传输模块之一。

2. 网关节点

网关节点是指位于农业大棚外的数据处理终端，主要负责数据的接收、转发和处理。网关节点采用树莓派和MQTT客户端程序，实现MQTT协议的数据接收和转发。

树莓派是一种微型计算机，具有强大的计算和网络处理能力。MQTT客户端程序通过订阅传感器节点的数据，在数据接收后通过MQTT协议将数据发送到云服务器。

3. 云服务器

云服务器是指位于云端的数据存储和管理平台，主要负责数据的存储和管理。在本系统中，我们采用了阿里云平台作为云服务器，通过MQTT Broker和数据库实现数据存储和管理。

【二、系统实现】

基于MQTT应用层协议的物联网农业大棚温湿度监测系统的实现主要包括传感器节点的数据采集和无线传输、网关节点的MQTT协议数据接收和转发以及云服务器的数据存储和管理。

1. 传感器节点

传感器节点采用Arduino开发板作为控制核心，通过DHT11温湿度传感器和ESP8266无线模块实现数据采集和无线传输。

DHT11温湿度传感器的接口定义如下：

#define DHTPIN 2     // DHT11传感器连接到Arduino的2号引脚

DHT dht(DHTPIN, DHT11);

ESP8266无线模块的接口定义如下：

#include <ESP8266WiFi.h>
#include <WiFiClient.h>
#include <ESP8266WiFiMulti.h>

ESP8266WiFiMulti WiFiMulti;

const char* ssid = "your_SSID";
const char* password = "your_PASSWORD";

在数据采集过程中，我们首先调用DHT11库的read()函数读取温湿度数据，然后使用ESP8266无线模块将数据发送给网关节点。数据发送代码实现如下：

void send_data(float temp, float humi) {
  if(WiFiMulti.run() != WL_CONNECTED) {
    Serial.println("WiFi not connected!");
    return;
  }
  WiFiClient client;
  if(!client.connect(MQTT_SERVER, MQTT_PORT)) {
    Serial.println("MQTT server not connected!");
    return;
  }
  String topic = "/data/temperature";  // 温度数据主题
  String payload = String(temp);      // 温度数据
  client.publish(topic.c_str(), payload.c_str());
  topic = "/data/humidity";           // 湿度数据主题
  payload = String(humi);             // 湿度数据
  client.publish(topic.c_str(), payload.c_str());
  client.disconnect();
}

2. 网关节点

网关节点采用树莓派作为数据处理终端，通过MQTT客户端程序实现MQTT协议的数据接收和转发。具体实现过程如下：

（1）安装MQTT客户端程序

sudo apt-get install mosquitto-clients

（2）编写订阅程序

mosquitto_sub -h MQTT_SERVER -t /data/temperature -t /data/humidity > data.txt

（3）编写转发程序

mosquitto_pub -h MQTT_SERVER -t /data/temperature -f data.txt

其中，MQTT_SERVER是指MQTT服务器的IP地址，data.txt是存储传感器数据的文本文件。

3. 云服务器

云服务器采用阿里云平台作为数据存储和管理平台，通过MQTT Broker和数据库实现数据存储和管理。具体实现过程如下：

（1）创建MQTT实例

在阿里云MQTT控制台上创建MQTT实例，并获取实例的连接信息。

（2）创建数据库

在阿里云数据库控制台上创建MySQL数据库，并创建存储温湿度数据的数据表。

（3）编写MQTT客户端程序

#include <WiFiClient.h>
#include <PubSubClient.h>
#include <ESP8266WiFi.h>

WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);

const char* ssid = "your_SSID";
const char* password = "your_PASSWORD";
const char* mqtt_server = "MQTT_SERVER";
const char* mqtt_username = "MQTT_USERNAME";
const char* mqtt_password = "MQTT_PASSWORD";

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  WiFi.begin(ssid, password);
  while(WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(1000);
    Serial.println("Connecting to WiFi...");
  }
  Serial.println("WiFi connected!");
  client.setServer(mqtt_server, 1883);
  client.setCallback(callback);
  while(!client.connected()) {
    Serial.println("Connecting to MQTT server...");
    if(client.connect("ESP8266Client", mqtt_username, mqtt_password)) {
      Serial.println("MQTT server connected!");
    } else {
      Serial.println("MQTT server not connected!");
      delay(1000);
    }
  }
  client.subscribe("/data/temperature");
  client.subscribe("/data/humidity");
}

void loop() {
  if(!client.connected()) {
    reconnect();
  }
  client.loop();
}

void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
  String data = "";
  for(int i = 0; i < length; i++) {
    data += (char)payload[i];
  }
  if(strcmp(topic, "/data/temperature") == 0) {
    insert_data("temperature", data);
  }
  if(strcmp(topic, "/data/humidity") == 0) {
    insert_data("humidity", data);
  }
}

void insert_data(char* type, String value) {
  if(!client.connected()) {
    reconnect();
  }
  String sql = "INSERT INTO data (type, value) VALUES ('" + String(type) + "', '" + value + "')";
  client.publish("/data/sql", sql.c_str());
}

void reconnect() {
  while(!client.connected()) {
    Serial.println("Reconnecting to MQTT server...");
    if(client.connect("ESP8266Client", mqtt_username, mqtt_password)) {
      Serial.println("MQTT server reconnected!");
      client.subscribe("/data/temperature");
      client.subscribe("/data/humidity");
    } else {
      Serial.println("MQTT server not reconnected!");
      delay(1000);
    }
  }
}

以上代码实现了MQTT客户端程序的功能，包括连接MQTT服务器、订阅主题、接收数据、存储数据等操作。

【三、系统特点】

基于MQTT应用层协议的物联网农业大棚温湿度监测系统具有实时性强、可靠性高、易扩展等特点。

1. 实时性强

传感器节点采用无线传输模块，可以灵活布置，不受布线限制。采用MQTT协议，具有消息发布/订阅模式，能够实现多对多的通信方式，支持多种设备和应用的接入。因此，该系统可以实现对温湿度等环境参数的实时监测和远程控制。

2. 可靠性高

该系统采用分布式架构，具有较高的可靠性。传感器节点和网关节点之间采用无线传输模块，数据传输稳定可靠。网关节点采用树莓派和MQTT客户端程序，具有强大的计算和网络处理能力，能够有效地处理大量数据。云服务器采用阿里云平台，具有高可用性和数据安全性。

3. 易扩展

该系统采用MQTT协议，具有消息发布/订阅模式，支持多种设备和应用的接入。因此，系统的扩展性较强，可以实现对其他环境参数的监测和控制。

【结论】

基于MQTT应用层协议的物联网农业大棚温湿度监测系统可以有效地提高农业生产效率和质量，降低生产成本，具有广泛的应用前景。该系统具有实时性强、可靠性高、易扩展等特点，可以满足农业大棚温湿度监测和远程控制的需求。