一種智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

孫智涵　劉博洋　李佳城　代紅

摘要：隨著現(xiàn)代化信息技術(shù)的發(fā)展，許多現(xiàn)代化和信息化技術(shù)開始融入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)的結(jié)合使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率得到較大的提高。本文基于多傳感器融合，以微信小程序為載體，應(yīng)用圖像識別技術(shù)設(shè)計一種集實時數(shù)據(jù)采集、環(huán)境預(yù)警、設(shè)備控制和病害識別于一體的智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：智能農(nóng)業(yè);物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);圖像識別;微信小程序

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使得越來越多的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中。但現(xiàn)階段的大多數(shù)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺或設(shè)備存在功能不完備，設(shè)備拓展性差，智能化程度低，往往只能實現(xiàn)簡單的設(shè)備控制和數(shù)據(jù)監(jiān)控。為此研究一種基于多傳感器融合的包含數(shù)據(jù)監(jiān)控與統(tǒng)計、設(shè)備控制、可監(jiān)控作物生長環(huán)境以及病害狀況并能夠?qū)崟r預(yù)警的智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)融合溫度傳感器、土壤濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、氮磷鉀濃度傳感器以及攝像頭從多個維度采集大棚內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)送至中控設(shè)備中進(jìn)行處理。中控設(shè)備實時監(jiān)控大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，對用戶預(yù)先設(shè)置的閾值進(jìn)行判斷，一旦環(huán)境出現(xiàn)異常則立即向上層報告，同時控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出響應(yīng)使環(huán)境恢復(fù)到正常狀態(tài)，從而保證大棚內(nèi)作物的生長環(huán)境。

系統(tǒng)由設(shè)備層，控制層，服務(wù)層以及應(yīng)用層四部分組成。系統(tǒng)中的設(shè)備層的作用是采集大棚內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)以及執(zhí)行灌溉、調(diào)溫和調(diào)光等操作?？刂茖舆M(jìn)行傳感器與執(zhí)行器的管理與控制、數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)監(jiān)控以及服務(wù)層與設(shè)備層協(xié)議轉(zhuǎn)換。服務(wù)層主要處理來自控制層與應(yīng)用層的請求，如將控制指令轉(zhuǎn)發(fā)給控制層、將大棚內(nèi)實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給應(yīng)用層，以及進(jìn)行復(fù)雜計算等。應(yīng)用層面向用戶以微信小程序的形式為用戶提供大棚內(nèi)實時環(huán)境數(shù)據(jù)展示、設(shè)備控制、異常預(yù)警和病害識別等功能服務(wù)。

3 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1設(shè)備端通信機(jī)制

中控端通過MQTT與傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過WebSocket與服務(wù)器連接。啟動中控設(shè)備后，系統(tǒng)會自動啟動MQTT服務(wù)，并與服務(wù)器建立WebSocket連接。MQTT服務(wù)啟動后中控開始監(jiān)聽傳感器設(shè)備的信息，當(dāng)收到傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)時，會將傳感器數(shù)據(jù)存入Redis中的消息隊列中。若消息隊列已滿，系統(tǒng)會將傳感器數(shù)據(jù)通過WebSocket主動發(fā)送到服務(wù)端。與此同時中控監(jiān)聽來自服務(wù)器的消息，當(dāng)收到服務(wù)器發(fā)來的消息時，會根據(jù)消息中的類型字段判斷消息的類型，若收到的消息為設(shè)置數(shù)據(jù)，中控會修改當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)置，并將設(shè)置數(shù)據(jù)存入本地數(shù)據(jù)庫中，若收到控制消息，中控會將控制消息轉(zhuǎn)換成控制指令通過MQTT發(fā)送給執(zhí)行設(shè)備。

3.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)采用MYSQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)庫獨立于業(yè)務(wù)服務(wù)器部署在云端，實現(xiàn)了實時訪問、高性能和高擴(kuò)展性等特點。根據(jù)系統(tǒng)功能，數(shù)據(jù)庫表設(shè)計包含用戶基本信息表、大棚基本信息表、設(shè)備信息表、大棚數(shù)據(jù)表、用戶設(shè)置表、大棚綁定手機(jī)號視圖和用戶綁定設(shè)備視圖。

3.3主要功能設(shè)計

3.3.1 實時數(shù)據(jù)與異常預(yù)警功能

設(shè)備層以一定時間間隔采集大棚內(nèi)的各項環(huán)境數(shù)據(jù)上報至中控設(shè)備，中控設(shè)備將當(dāng)前采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)與用戶設(shè)置的閾值進(jìn)行比較。若有環(huán)境數(shù)據(jù)超出閾值，中控需將環(huán)境數(shù)據(jù)的異常狀況上報至服務(wù)端。服務(wù)端收到實時環(huán)境數(shù)據(jù)后通過用戶端應(yīng)用界面進(jìn)行展示。服務(wù)端收到異常信息時，調(diào)用短信通知接口將異常提醒模板信息以短信的形式發(fā)送給用戶，以保證在用戶端離線情況下也能及時接收到系統(tǒng)的異常預(yù)警。

3.3.2 設(shè)備控制功能

當(dāng)用戶進(jìn)行控制設(shè)備時，應(yīng)用會向服務(wù)端發(fā)送控制信息。服務(wù)端收到控制信息后將其轉(zhuǎn)發(fā)給該用戶綁定的中控設(shè)備，中控設(shè)備在收到控制信息后，首先校驗該設(shè)備的狀態(tài)是否正常。若設(shè)備正常，中控繼續(xù)向局域網(wǎng)發(fā)送對設(shè)備的控制指令，設(shè)備接收到控制指令后執(zhí)行相應(yīng)的動作，并返回控制結(jié)果，包含控制結(jié)果的消息通過中控發(fā)送至服務(wù)端，再由服務(wù)端發(fā)送至用戶，用戶端界面更新設(shè)備的狀態(tài)信息后便完成了一次設(shè)備控制。

3.3.3病害識別功能

系統(tǒng)預(yù)先利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對大量的作物葉片圖像進(jìn)行訓(xùn)練從而得到植物的病害識別模型，系統(tǒng)通過調(diào)用該模型文件對植物病害情況進(jìn)行識別。系統(tǒng)通過大棚內(nèi)布設(shè)的攝像頭定時采集作物葉片圖像，在中控進(jìn)行轉(zhuǎn)碼、壓縮等處理后發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器接收到圖像數(shù)據(jù)后首先將圖片數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖片對象，然后通過圖像的裁剪、對比度調(diào)整、亮度調(diào)整等預(yù)處理過程突出圖片特征以提高圖像識別準(zhǔn)確率，預(yù)處理完成的圖像經(jīng)過矩陣化處理后調(diào)用識別模型進(jìn)行識別，識別完成后將圖像與識別結(jié)果發(fā)送至用戶端。

3.3.4設(shè)備管理功能

設(shè)備管理功能分為設(shè)備綁定和刪除。傳感器上電后首先向中控發(fā)送包含設(shè)備信息的數(shù)據(jù)包，并根據(jù)該中控提供的網(wǎng)絡(luò)信息加入到其所在網(wǎng)絡(luò)，同時向服務(wù)端上報傳感器信息，服務(wù)端將設(shè)備信息寫入數(shù)據(jù)庫后，便完成了設(shè)備的入網(wǎng)操作。若設(shè)備入網(wǎng)狀態(tài)正常，允許用戶綁定設(shè)備，用戶與該設(shè)備之間便可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。當(dāng)用戶執(zhí)行設(shè)備刪除設(shè)備時，服務(wù)器會修改設(shè)備與該用戶之間綁定狀態(tài)，同時關(guān)閉設(shè)備與用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)通道。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)通過多種傳感器對大棚內(nèi)各個環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行多方位感知，從而實現(xiàn)大棚內(nèi)作物環(huán)境數(shù)據(jù)實時監(jiān)控、實時預(yù)警和統(tǒng)計分析。同時利用圖像識別技術(shù)監(jiān)控作物的病害狀況，協(xié)助生產(chǎn)者及時發(fā)現(xiàn)作物病害，及時采取相應(yīng)的措施，從而降低因作物大面積病害導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失。通過微信小程序平臺向用戶提供服務(wù)，極大提升了應(yīng)用的便捷性和用戶體驗。通過系統(tǒng)的測試結(jié)果表明，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、實時性較好，操作便捷，對農(nóng)業(yè)大棚建設(shè)與生產(chǎn)具有一定的現(xiàn)實意義。

參考文獻(xiàn)

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基金項目

（1）2020年遼寧科技大學(xué)實驗教學(xué)改革及實驗室建設(shè)項目——物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗教學(xué)模式的研究與實踐，項目編號：SYJG202034;（2）2020年遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃訓(xùn)練項目——基于多傳感器融合的移動端智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，項目編號：202010146077。

作者簡介

孫智涵（1999.03），男，漢族，遼寧省莊河市人，遼寧科技大學(xué)，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用。劉博洋（2000.9），男，漢族，河北省保定人，遼寧科技大學(xué)，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用。李佳城（2001.5），男，漢族，遼寧省鞍山人，遼寧工程技術(shù)大學(xué)，研究方向：測繪與遙感信息技術(shù)與應(yīng)用。代紅（1975.1），女，漢族，山東省冠縣人，遼寧科技大學(xué)，碩士，教授，研究方向 ：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)安全，無線傳感網(wǎng)。