基于虛擬網(wǎng)關的農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺與第三方設備接入及其在農業(yè)灌溉上的應用

付佳威，姚毅*，何雷，任紅，藍嵐，趙燕，陳琦

（1.南昌市農業(yè)科學院南昌市農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能裝備集成開發(fā)重點實驗室，江西 南昌 330038；2.江西超鼎科技有限公司，江西 南昌 330038；3.江西農業(yè)大學，江西 南昌 330038）

如何從軟件層面入手設計一個交互協(xié)議，實現(xiàn)不同廠家設備的接入及應用？類似的問題在傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中一直存在，導致用戶使用物聯(lián)網(wǎng)時需要在不同系統(tǒng)之間跳轉或者針對第三方平臺做定制化接入，這些操作既麻煩，也提高了開發(fā)成本。項目組針對上述問題，提出并應用了虛擬網(wǎng)關方案，實現(xiàn)了“一對多”異構系統(tǒng)的接入控制，在不改變雙方系統(tǒng)功能代碼的情況下，直接通過網(wǎng)關方案來對異構系統(tǒng)做接入控制，將第三方平臺直接映射到系統(tǒng)成為一個網(wǎng)關，然后將該平臺設備也作為網(wǎng)關下的子設備通過協(xié)議層交互的方式掛載上來，實現(xiàn)異構系統(tǒng)設備的接入。

1 虛擬網(wǎng)關接入方案的總體架構設計

本系統(tǒng)主要包括物聯(lián)網(wǎng)基礎平臺、第三方設備供應商灌溉進排水設備云平臺2 個系統(tǒng)，以第三方平臺接入物聯(lián)網(wǎng)基礎平臺為例，對該方案進行介紹說明。

該方案主要分為三塊：基礎平臺、第三方平臺、虛擬網(wǎng)關。物聯(lián)網(wǎng)基礎平臺對外提供MQTT 設備接入服務，并需要具有支持設備類型這一特性，設備類型分為直連設備、網(wǎng)關設備、網(wǎng)關子設備三種，基礎平臺通過設備類型區(qū)分設備之間的關聯(lián)關系及進行消息權限管控。第三方平臺需要提供2 個對外接口，通過設備編號查詢設備狀態(tài)信息和通過設備編號控制設備執(zhí)行動作。

虛擬網(wǎng)關則是在軟件層面創(chuàng)建一個中間設備，通過走網(wǎng)關協(xié)議，模擬一個真實的網(wǎng)關設備與基礎平臺進行通信，需要支持MQTT v3.1 客戶端協(xié)議，然后再模擬一個HTTP/MQTT/其他協(xié)議類型的客戶端，通過第三方平臺的API 與第三方平臺進行上下行數(shù)據(jù)交互，從而將設備掛載到基礎平臺。通信架構如圖1 所示。

圖1 虛擬網(wǎng)關方案架構圖

2 系統(tǒng)軟件技術棧選型

2.1 通信協(xié)議

MQTT 是一個基于客戶端-服務器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議。MQTT協(xié)議具有輕量、簡單、開放和易于實現(xiàn)的特點，這些特點使它的適用范圍非常廣泛，甚至包括在受限的環(huán)境中，如：機器與機器（M2M）通信和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）。其在通過衛(wèi)星鏈路通信傳感器、偶爾撥號的醫(yī)療設備、智能家居及一些小型化設備中已廣泛使用?？紤]到所有的交互都是長連接且需要保持連接狀態(tài)及心跳監(jiān)測，而在物聯(lián)網(wǎng)中MQTT符合這一特性并且運用十分廣泛，因此，使用MQTT 協(xié)議做為通信層的基礎協(xié)議非常合適。

2.2 應用層協(xié)議

JSON（JavaScript Object Notation）是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，易于人類閱讀和編寫，可以在多種語言之間進行數(shù)據(jù)交換，同時也易于機器解析和生成。目前在各類系統(tǒng)中，JSON 都作為數(shù)據(jù)傳輸格式得到廣泛應用，本文也選用其作為數(shù)據(jù)載體進行消息通信。

2.3 編程語言及框架

Java 是一門面向對象的編程語言，不僅吸收了C++語言的各種優(yōu)點，還摒棄了C++里難以理解的多繼承、指針等概念，因此Java 語言具有功能強大和簡單易用兩個特征。Java 語言作為靜態(tài)面向對象編程語言的代表，極好地實現(xiàn)了面向對象理論，允許程序員以優(yōu)雅的思維方式進行復雜的編程。同時Java 生態(tài)中的基于Maven 包管理的倉庫具有海量的第三方工具包及擴展庫，能極大減少編碼強度負擔，因此選用Java 作為本文中實現(xiàn)的編程語言，并配合Spring Boot 作為業(yè)務基礎框架。

3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1 交互協(xié)議設計

交互協(xié)議使用MQTT 作為傳輸層，JSON 格式數(shù)據(jù)作為應用層來實現(xiàn)。每個設備都具有唯一ID 作為該設備身份標識（mqtt client_id），系統(tǒng)通過該標識便能索引到該設備，向其發(fā)送消息。

MQTT 基于topic 的發(fā)布訂閱模式進行通信，而設備交互是上下行雙向的，因此可以定義兩個topic對數(shù)據(jù)進行分類。

上行topic: /iot/data/up/{clientID} 設備端發(fā)送到平臺

下行topic: /iot/data/down/{clientID} 平臺下發(fā)給設備端

3.1.1 數(shù)據(jù)包格式

詳見下表。

?

3.1.2 數(shù)據(jù)包實例

本文為第三方排水灌溉設備定義2 個屬性：一個是排水閥，使用標識符valve（true 為開啟，false 為關閉）；一個是閥門，當前運行狀態(tài)status（正轉/反轉/停止）。

3.1.3 協(xié)議數(shù)據(jù)交互流程

(1)使用Java 構建MQTT 客戶端，作為虛擬網(wǎng)關設備連接到基礎平臺，并訂閱topic(/iot/data/up/{clientID})，網(wǎng)關上線。

(2)網(wǎng)關每隔3 分鐘調用第三方平臺開放接口，查詢每個子設備的狀態(tài)，然后將子設備狀態(tài)構建出數(shù)據(jù)包，并發(fā)送到topic(/iot/data/up/{clientID})，基礎平臺收到后通過header 字段判斷該數(shù)據(jù)包類型是網(wǎng)關上報子設備狀態(tài)，然后通過body 字段內的子設備ID，將各個子設備狀態(tài)進行提取解析。如圖2 所示。

圖2 定時同步第三方設備狀態(tài)

(3)當需要對閥門進行控制時，基礎平臺構建控制指令數(shù)據(jù)包，并生成唯一消息id，將其設置到數(shù)據(jù)包id 字段，發(fā)送到topic（/iot/data/down/{clientID}）并構建異步等待任務，等待虛擬網(wǎng)關反饋控制結果，虛擬網(wǎng)關將會收到該條消息，隨后虛擬網(wǎng)關從消息內取出header 字段判斷是控制指令，從extend 內取出目標子設備，然后從body 中取出要控制的灌溉設備閥門設置值，調用第三方開放接口執(zhí)行控制動作，等待第三方接口返回操作結果。虛擬網(wǎng)關收到操作結果后，構建應答指令包，將結果反饋回基礎平臺，平臺收到后根據(jù)消息中的id 字段，判斷是哪一次的控制指令，找到對應指令的等待任務，并將其取消等待響應給基礎平臺的用戶側，隨后虛擬網(wǎng)關立即再執(zhí)行一次狀態(tài)上報，整個控制流程結束。在本次操作中，對于用戶來說全程是基于基礎平臺的，整個流程屏蔽了不同系統(tǒng)之間的交互。如圖3 所示。

圖3 控制操作交互流程

3.2 虛擬網(wǎng)關實現(xiàn)流程

3.2.1 開發(fā)環(huán)境

搭建開發(fā)環(huán)境包含JDK1.8、Maven3.2、MySQL8.0、InfluxDB 1.7、EMQX，使用JetBrains 的IDEA 作為IDE 開發(fā)工具對整個項目進行構建。

3.2.2 偽代碼實現(xiàn)

為了快速實現(xiàn)需求，簡化開發(fā)建議導入以下框架依賴：paho-mqtt、springboot 全家桶、influxdb-jdbc、mysqljdbc、hutool?？蚣軇?chuàng)建過程如下：

4 結語

本文以物聯(lián)網(wǎng)平臺在農業(yè)領域接入第三方灌溉設備為例，創(chuàng)新性提出虛擬網(wǎng)關的接入方案，通過自定義一套標準的網(wǎng)關協(xié)議來模擬硬件設備與物聯(lián)網(wǎng)平臺交互的方案對異構系統(tǒng)進行設備兼容，大大提升了在農業(yè)生產中，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與各類農業(yè)環(huán)境采集、作業(yè)控制類設備的融合接入能力，相較于傳統(tǒng)多平臺模式（每個設備廠家有一套自己的系統(tǒng)），用戶要控制灌溉設備，還需要再去打開該灌溉設備平臺進行操作，而本方案集成后所有操作均可在一個統(tǒng)一平臺進行實現(xiàn)。

本文所述的交互設計及實現(xiàn)方式，不僅適用于農業(yè)領域，在其他領域同樣能應用本套設計方案，能夠有效降低平臺對接的開發(fā)工作量及難度，實現(xiàn)在不改動平臺軟件的前提下通過網(wǎng)關協(xié)議將不同系統(tǒng)的設備進行無縫融合。