基于機器視覺的智慧農(nóng)場監(jiān)測系統(tǒng)研究

張 嬋

（山西科技學院，山西晉城 048000）

1 智慧農(nóng)場檢測系統(tǒng)設計方案

1.1 基于STM32的實時監(jiān)測

首先通過傳感器實現(xiàn)空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照強度和二氧化碳數(shù)據(jù)的采集，然后由STM32通過4個ZigBee 節(jié)點將數(shù)據(jù)傳至協(xié)調(diào)器并將其轉發(fā)至網(wǎng)關，在UI 界面上實時顯示數(shù)據(jù)變化。同時，網(wǎng)關通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺，進行數(shù)據(jù)的存儲。手機App 可與云平臺進行實時交互，將農(nóng)場環(huán)境數(shù)據(jù)實時顯示在App 客戶端，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者提供決策支持。

1.2 基于手機App的環(huán)境智能控制

首先通過Android studio 開發(fā)工具實現(xiàn)以農(nóng)場環(huán)境實時監(jiān)測和控制功能為核心的手機App 應用開發(fā)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者可以根據(jù)手機App 實時顯示的空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照強度和二氧化碳濃度數(shù)據(jù)信息，并結合農(nóng)作物適宜的生長環(huán)境條件，遠程實現(xiàn)農(nóng)場照明設備、灌溉設備與排氣裝置的控制，實現(xiàn)對農(nóng)場智能化的管理。

1.3 基于AI機器視覺的果實識別和病蟲害監(jiān)測

在智慧農(nóng)場中，以YOLOv4 模型為核心，融入AI 視覺識別技術。由高清攝像頭實時對農(nóng)作物影像拍攝，并進行果實識別和病蟲害的檢測。在農(nóng)作物生長過程，對農(nóng)作物病蟲害進行分析和預防，實現(xiàn)農(nóng)場的科學控制。

2 系統(tǒng)功能分類

2.1 農(nóng)場環(huán)境實時監(jiān)測功能

農(nóng)場環(huán)境數(shù)據(jù)實時感知如圖1所示。農(nóng)場空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度和二氧化碳數(shù)據(jù)信息通過傳感器進行采集，然后由STM32單片機進行數(shù)據(jù)收集，傳輸?shù)?個ZigBee 節(jié)點，繼而傳到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器進行數(shù)據(jù)的轉發(fā)，最后到達網(wǎng)關，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。

圖1 農(nóng)場環(huán)境數(shù)據(jù)實時感知

2.2 云平臺接入功能

（1）物聯(lián)網(wǎng)平臺作為連接業(yè)務應用和設備的中間層，屏蔽了各種復雜的設備接口，實現(xiàn)設備的快速接入，同時提供強大的開放能力，支撐行業(yè)用戶構建各種物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

（2）設備可以通過固網(wǎng)、2G/3G/4G/5G、NBIoT、Wifi 等多種網(wǎng)絡接入物聯(lián)網(wǎng)平臺，并使用LWM2M/CoAP、MQTT、HTTPS 協(xié)議將業(yè)務數(shù)據(jù)上報到平臺，平臺也可以將控制命令下發(fā)給設備。

（3）業(yè)務應用通過調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的API，實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)采集、命令下發(fā)、設備管理等業(yè)務場景。

2.3 手機App智能控制功能

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者通過手機App 可以實時查看農(nóng)場溫濕度、光照強度和二氧化碳等數(shù)據(jù)信息，同時可更新農(nóng)場設備狀態(tài)，遠程實現(xiàn)兩個照明設備、灌溉設備和排氣設備的控制。

2.4 農(nóng)場AI機器視覺模塊

在智慧農(nóng)業(yè)中融入視覺識別技術，在農(nóng)作物生長過程中對農(nóng)作物生長狀態(tài)及病蟲害進行分析和預防。通過高清攝像頭實時對農(nóng)作物影像拍攝并進行算法識別，實現(xiàn)農(nóng)場的科學控制。

采用USB 攝像頭，直接插入電腦USB 接口端，安裝主端控制程序即可正常實用。通過拍攝了大量果實和病蟲的照片，將其導入圖像識別的算法程序中標記，由YOLOv4框架對數(shù)據(jù)進行訓練，從而獲得對于病蟲害和不同種類果實的視覺識別系統(tǒng)，實現(xiàn)對農(nóng)作物和病蟲的實時監(jiān)測。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體框架

圖2為系統(tǒng)總體框架圖。本系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)3層架構組成，分別是感知層、傳輸層和應用層。感知層負責邊緣端傳感器設備數(shù)據(jù)的采集，傳輸層負責設備無線通信及邊緣與云端的數(shù)據(jù)傳輸轉發(fā)存儲，應用層負責數(shù)據(jù)的展示及應用控制。

圖2 系統(tǒng)總體框架

3.2 農(nóng)場智能控制模塊實現(xiàn)

（1）感知層。感知層是物聯(lián)網(wǎng)技術的基礎，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實時變化。感知層由4個傳感器組成，空氣溫濕度傳感器、空氣濃度傳感器、土壤濕度傳感器和光照強度傳感器。4個傳感器由STM32進行數(shù)據(jù)采集，以獲取農(nóng)場溫濕度、空氣濃度、土壤濕度、光照強度等信息源。

（2）傳輸層。傳輸層是整個物聯(lián)網(wǎng)的中心，負責傳送和處理感知層所獲得的信息。即通過感知層由STM32進行數(shù)據(jù)采集后，通過4個ZigBee 節(jié)點將數(shù)據(jù)傳至協(xié)調(diào)器并將其轉發(fā)至網(wǎng)關，在UI 界面上顯示實時的數(shù)據(jù)變化。同時，網(wǎng)關通過互聯(lián)網(wǎng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺A為云平臺，進行數(shù)據(jù)的存儲。

（3）應用層。實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能應用，是整個智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)的核心，通過手機App 實時獲取農(nóng)場空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度的環(huán)境信息，對感知層采集的數(shù)據(jù)信息進行分析與處理后，可以使用App 遠程對4個控制器進行控制，通過控制照明設備、灌溉設備與排氣設備實現(xiàn)農(nóng)場環(huán)境的智能化控制，可以為農(nóng)場生產(chǎn)提供決策支持。

3.3 農(nóng)場AI視覺識別和病蟲害檢測模塊實現(xiàn)

AI 視覺識別技術需要前期對數(shù)據(jù)進行大量采集、標注，搭載英偉達平臺和Omniverse 框架，通過模型對農(nóng)場的生長狀況及病蟲害進行識別。一般在不同的生長環(huán)境下，即使是同一種作物也會存在不同的形態(tài)特征，在整體的視覺效果上就會形成一定的差異性，視覺識別技術可以通過獲取目標對象的圖像，對圖像信息進行識別算法處理，提取出農(nóng)作物或病蟲害相應的顏色、位置、形狀等特征差異信息，為判斷農(nóng)作物的生長狀況或有無病蟲害提供決策支持。圖3為農(nóng)場仿真環(huán)境搭設示意圖。

圖3 農(nóng)場仿真環(huán)境搭建

4 結束語

農(nóng)場環(huán)境的實時監(jiān)測和智能控制相較于傳統(tǒng)的依靠人工經(jīng)驗種植方式更加科學和便捷。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者可以通過手機App 實時查看農(nóng)場的空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照強度和二氧化碳濃度數(shù)據(jù)信息，并結合農(nóng)作物適宜的生長環(huán)境條件，遠程實現(xiàn)照明設備、灌溉設備與排氣裝置的控制，使農(nóng)作物處在最適宜的生長環(huán)境中。

智能監(jiān)測及控制模塊不僅能夠提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，而且可以解放勞動力，真正意義上實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化、科學化，更加貼合數(shù)據(jù)化大時代。