基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的智慧園林人工智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐一斐

（湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421005）

城市化進(jìn)程加快了園林綠化的發(fā)展，但在實(shí)際建設(shè)中，由于缺少認(rèn)識(shí)、信息化應(yīng)用不足，導(dǎo)致園林綠化建設(shè)無(wú)法緊跟城市發(fā)展步伐，因此出現(xiàn)了一些問(wèn)題。傳統(tǒng)園林管理多是以紙媒為載體，這種方式存在時(shí)效差、精度低等問(wèn)題。同時(shí)，管理人員發(fā)生變動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生斷層現(xiàn)象，缺乏系統(tǒng)性管理。大數(shù)據(jù)技術(shù)具有傳播速度快、數(shù)據(jù)類型多樣等特點(diǎn)，將其應(yīng)用于園林管理中能夠顯著提升管理效率[1]。同時(shí)大數(shù)據(jù)技術(shù)也為智慧園林提供了更多技術(shù)支持，包括傳輸、存儲(chǔ)及處理數(shù)據(jù)等功能。因此該文設(shè)計(jì)出一種基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的智慧園林人工智能管理系統(tǒng)，通過(guò)加強(qiáng)系統(tǒng)間的交互性，進(jìn)一步提升系統(tǒng)對(duì)各類信息的管理能力，從而實(shí)現(xiàn)智慧園林管理的可持續(xù)發(fā)展。

1 整體架構(gòu)

系統(tǒng)采用基于物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的感知層、傳輸層和管理層，各層分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)收集端、數(shù)據(jù)傳輸端以及遠(yuǎn)程監(jiān)控端（如圖1所示）。其中，數(shù)據(jù)收集端包括溫濕度（Sentasy）、土壤濕度（RTTPP）和煙霧濃度（Lorawan）等模塊，主要負(fù)責(zé)收集各類環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳遞給PIC18單片機(jī)。數(shù)據(jù)傳輸端由Blynk平臺(tái)和XTIOT模塊構(gòu)成，XTIOT模塊與Blynk平臺(tái)進(jìn)行通信，并與PIC18連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸端與數(shù)據(jù)收集端的交互。遠(yuǎn)程監(jiān)控端的功能由移動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)通過(guò)Blynk平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)到移動(dòng)設(shè)備，進(jìn)行可視化監(jiān)控[2]。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由控制器、傳感器、顯示器及通信器組成。其中，控制器負(fù)責(zé)為系統(tǒng)持續(xù)供電；傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)溫濕度、煙霧濃度和土壤濕度等環(huán)境參數(shù)；顯示器用以顯示環(huán)境參數(shù)的數(shù)值與模式；通信器則將傳感器收集的數(shù)據(jù)與Blynk平臺(tái)進(jìn)行交互。

2.1 控制器

系統(tǒng)選用PIC18單片機(jī)作為主控制器，該單片機(jī)適用溫度為-30℃～70℃，性能穩(wěn)定，適用范圍較廣?？刂茊卧荘IC18的指揮控制中心，由指令寄存器、指令譯碼器和操作控制器等構(gòu)成[3]，根據(jù)預(yù)先編好的程序，從存儲(chǔ)器中依次取出各條指令，放在指令寄存器中。先通過(guò)指令譯碼確定應(yīng)執(zhí)行何種操作，再根據(jù)確定時(shí)序，通過(guò)操作控制器向相應(yīng)部件發(fā)出微操作控制信號(hào)[4]。操作控制器主要包括節(jié)拍脈沖發(fā)生器、控制矩陣、時(shí)鐘脈沖發(fā)生器、復(fù)位電路和啟停電路等控制邏輯。其設(shè)計(jì)思路如下：與電阻（R1、R2）、電容器（C1、C2、C3）串聯(lián)后進(jìn)行供電，寫好程序后逐一進(jìn)入單片機(jī)經(jīng)各管腳運(yùn)行。如果程序經(jīng)PA0到PA19，輸入高電平并開(kāi)啟LED，就可運(yùn)行計(jì)算過(guò)程（如圖2所示）。

圖2 PIC18核心系統(tǒng)電路

2.2 傳感器

傳感器包括溫濕度、煙霧濃度及土壤濕度等模塊。傳感器的技術(shù)流程如下：1）感受信號(hào)。傳感器通過(guò)特定的物理、化學(xué)或生物機(jī)制，感受溫濕度、煙霧濃度及土壤濕度等信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。2）處理信號(hào)。傳感器將感受到的電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波以及數(shù)字化等特定處理，便于后續(xù)數(shù)據(jù)分析。3）數(shù)據(jù)傳輸。傳感器將處理后的信號(hào)通過(guò)無(wú)線方式傳輸?shù)娇刂破鞑⑦M(jìn)行處理。4）數(shù)據(jù)分析。接收到傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)后，控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別、分類和預(yù)測(cè)等操作，從而得出決策。5）應(yīng)用反饋。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，控制器向執(zhí)行元件發(fā)送指令，控制執(zhí)行元件完成開(kāi)關(guān)、調(diào)節(jié)等操作，從而對(duì)環(huán)境進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)。

溫濕度模塊選用Sentasy，采用數(shù)字集成感器為探頭，配以數(shù)字化處理電路。Sentasy的功能由內(nèi)部測(cè)溫濕元件實(shí)現(xiàn)。當(dāng)溫濕度發(fā)生改變時(shí)，溫濕敏電容的介電常數(shù)會(huì)發(fā)生變化，其電容量也會(huì)發(fā)生變化，線性膨脹便可進(jìn)行傳遞，從而將環(huán)境中的溫濕度轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)。

煙霧濃度檢測(cè)選用Lorawan，如圖3（a）所示，其設(shè)計(jì)思路如下：收集模擬量輸出，選用AO模擬電壓輸出端，將管腳4與PA5相連，DO管腳則做懸空處理。鑒于氣敏材料的特殊性，當(dāng)煙霧濃度增大時(shí)，電導(dǎo)率會(huì)相應(yīng)上升，輸出電阻值也會(huì)變小，從而使輸出的模擬信號(hào)增強(qiáng)，Lorawan則通過(guò)轉(zhuǎn)換模數(shù)完成數(shù)據(jù)收集。土壤濕度檢測(cè)選用RTTPP，如圖3（b）所示，其設(shè)計(jì)思路如下：標(biāo)定濕度選用AO模擬電壓輸出端，將管腳4與PA4相連，DO管腳懸空。輸入模擬量后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并利用算法得出土壤濕度。當(dāng)土壤濕度增大時(shí)，電阻值會(huì)相應(yīng)變小[5]。

圖3 Lorawan與RTTPP的電路設(shè)計(jì)

2.3 顯示器

前端一體化與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化是視頻顯示的發(fā)展方向。系統(tǒng)顯示器選用P2.5LED。P2.5LED提供了轉(zhuǎn)換及流化音視頻的解決方案，包括先進(jìn)的編解碼庫(kù)Libavcodec，可實(shí)時(shí)查看監(jiān)控畫面。P2.5LED用來(lái)顯示各類數(shù)據(jù)參數(shù)及手動(dòng)/自動(dòng)模式的不同狀態(tài)，具有基于HTTP的流媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，通過(guò)外設(shè)接口驅(qū)動(dòng)LED，各管腳分別連接PA12、PA8和PA6，具體設(shè)計(jì)思路如下：將網(wǎng)絡(luò)攝像頭的Rtsp視頻流轉(zhuǎn)換成Rmtp視頻流，并推送到服務(wù)器。HLS協(xié)議負(fù)責(zé)將所有流分成基于HTTP的文件并下載。開(kāi)始流媒體會(huì)話時(shí)，客戶端會(huì)下載包括元數(shù)據(jù)的M3U文件，用于尋找可用的媒體流，最后推送可供移動(dòng)端播放的視頻流。

2.4 通信器

通信器在遠(yuǎn)程監(jiān)控端與數(shù)據(jù)傳輸端交互中發(fā)揮了重要作用。系統(tǒng)采用大數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的XTIOT模塊與Blynk開(kāi)源物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行通信，成本低且性能穩(wěn)定。XTIOT可通過(guò)Attention指令快速上手，并且支持發(fā)放－觸發(fā)模式與無(wú)線接入點(diǎn)模式共存。在工作中，通信器將PIC18發(fā)來(lái)的數(shù)字基帶信號(hào)通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）構(gòu)成的調(diào)制模塊進(jìn)行功率放大，然后經(jīng)過(guò)發(fā)送與接收隔離器，由通信模塊傳輸發(fā)送。接收時(shí)，感應(yīng)信號(hào)經(jīng)放大程控與轉(zhuǎn)換電平后，由DSP控制其芯片進(jìn)行采樣，經(jīng)數(shù)字處理后解調(diào)，解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)XTIOT發(fā)送給Blynk開(kāi)源物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 終端程序

PIC18使用總線獲取Sentasy與Lorawan的模擬量，通過(guò)相應(yīng)算法得出土壤濕度與煙霧濃度。通過(guò)連接串口進(jìn)行PIC18與XTIOT的通信，然后將環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至Blynk上，進(jìn)行可視化展示。此外，還可在移動(dòng)設(shè)備界面下發(fā)部分控制命令，例如系統(tǒng)模式設(shè)置及水泵運(yùn)行等。1）啟動(dòng)后初始化系統(tǒng)，例如顯示器、sentasy和Lorawan等的初始化。2）選擇自動(dòng)或手動(dòng)模式，通信模塊讀取參數(shù)后更新顯示器。3）連接云端。如果連接成功，就將PIC18收集的數(shù)據(jù)通過(guò)XTIOT發(fā)送至Blynk，每隔5s一次。4）在手動(dòng)模式下，可下達(dá)水泵開(kāi)啟（閉合）命令，執(zhí)行具體操作。在自動(dòng)模式下，系統(tǒng)根據(jù)土壤濕度情況進(jìn)行自主調(diào)整，當(dāng)濕度低于30%RH時(shí)，開(kāi)啟水泵澆水，當(dāng)濕度高于40%時(shí)，閉合水泵。5）調(diào)整后對(duì)各類信息進(jìn)行處理與反饋（如圖4所示）。

圖4 終端程序設(shè)計(jì)

3.2 溫濕度設(shè)計(jì)

拉高管腳2，完成后進(jìn)行復(fù)位工作，設(shè)置Sentasy的I/O端口為輸出，拉低至少15ms，再繼續(xù)拉高30μs左右。在此期間應(yīng)將I/O口轉(zhuǎn)為輸入模式，進(jìn)行低電平傳輸。如果檢測(cè)到低電平，就表示Sentasy存在。2）檢測(cè)到Sentasy后，應(yīng)編寫Sentasy_Read（）來(lái)讀取字節(jié)，即檢測(cè)到低電平后延時(shí)20μs仍高，則讀取一位數(shù)據(jù)。Sentasy一次完整傳輸數(shù)據(jù)為40bit，格式主要包括濕度整數(shù)、溫度整數(shù)、小數(shù)數(shù)據(jù)及校驗(yàn)總和，各部分均按照10bit傳輸。當(dāng)傳輸正確時(shí)，校驗(yàn)結(jié)果等于所有之和，此時(shí)應(yīng)保留整數(shù)，將其作為所測(cè)溫濕度值[6]。

3.3 土壤濕度與煙霧設(shè)計(jì)

初始化AO端口，配置管腳4與管腳5為輸入，然后初始化PA4與PA5，設(shè)RTTPP的通道為PA4，Lorawan的通道為PA5，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)功能。待轉(zhuǎn)換完成后，往復(fù)獲取多次轉(zhuǎn)換結(jié)果，即獲取多次收集的數(shù)據(jù)，并取均值，從而使結(jié)果更可靠。由于PIC18是12位，因此測(cè)出值的取值應(yīng)為0～100。此外，因?yàn)楂@取值與所需值相反，所以還需要用100減去所得值。

3.4 顯示設(shè)計(jì)

初始化顯示功能，設(shè)置通道PA6、PA12、PA13為推挽輸出，復(fù)位驅(qū)動(dòng)釋放顯存后顯示。設(shè)置命令口地址，判斷讀狀態(tài)后寫命令寄存。待初始化結(jié)束，設(shè)置數(shù)據(jù)口地址，判斷讀狀態(tài)是否為“忙”。如果是“忙”便寫顯示數(shù)據(jù)，寫入取模軟件取出的數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的交互性與高效性，該文對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

4.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

當(dāng)系統(tǒng)連接后開(kāi)始初始化，顯示器顯示溫度為27℃，相對(duì)濕度為32%RH，土壤濕度為60%RH。Sentasy與RTTPP功能均可正常運(yùn)行，能夠獲取當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)。然后測(cè)試煙霧報(bào)警，煙霧濃度顯示為1000×10-6，蜂鳴器報(bào)警，濃度降至低于750×10-6時(shí)會(huì)停止報(bào)警。由測(cè)試可知，系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了溫度、土壤濕度以及煙霧濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。

4.2 自動(dòng)化

將Sentasy傳感器模塊浸于水中，顯示器顯示土壤濕度為50%RH。將Sentasy拿出水面后，土壤濕度降為0，水泵開(kāi)始工作。再將Sentasy放于水中，此時(shí)土壤濕度顯示為60%RH，水泵停止工作。由測(cè)試可知，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能灌溉，可基本滿足自動(dòng)化工作需求。

4.3 遠(yuǎn)程通信

連接移動(dòng)設(shè)備與XTIOT，設(shè)置名稱與密碼，與代碼保持一致，打開(kāi)移動(dòng)設(shè)備，接收到的來(lái)自XTIOT的數(shù)據(jù)會(huì)顯示在屏幕上。將接收數(shù)據(jù)與顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可知系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信正常。在移動(dòng)設(shè)備上將自動(dòng)切換為手動(dòng)，屏幕顯示模式轉(zhuǎn)換一致。在手動(dòng)模式下，通過(guò)移動(dòng)設(shè)備控制水泵，水泵執(zhí)行相應(yīng)操作。由測(cè)試可知，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了XTIOT遠(yuǎn)程通信功能。

測(cè)試后可知，系統(tǒng)可成功收集溫濕度與煙霧濃度數(shù)據(jù)，并在屏幕上顯示當(dāng)前信息，同時(shí)還可將數(shù)據(jù)發(fā)送至Blynk平臺(tái)。出現(xiàn)異常時(shí)，可及時(shí)自動(dòng)控制水泵澆水，確保濕度在合理范圍內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為提升園林管理效率，加快園林管理智能化與信息化進(jìn)程，該文設(shè)計(jì)了一種基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的智慧園林人工智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)植物生長(zhǎng)所需環(huán)境溫濕度、土壤濕度及煙霧濃度等信息進(jìn)行智能化收集與傳輸，并結(jié)合Blynk開(kāi)源物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，使用戶可不受時(shí)空限制訪問(wèn)系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)。測(cè)試表明，該系統(tǒng)操作便捷，檢測(cè)效果良好，可節(jié)約部分人力。后續(xù)研究可拓展至智慧農(nóng)業(yè)管理、智慧林業(yè)管理等其他領(lǐng)域，從而促進(jìn)社會(huì)生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。