基于邊緣計(jì)算在智能溫室中的研究與應(yīng)用

摘 要：近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)隱私的需求日益增長(zhǎng)，催生了邊緣計(jì)算的概念。邊緣計(jì)算技術(shù)逐漸在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，對(duì)推動(dòng)社會(huì)發(fā)展、改善人們生活以及促進(jìn)工業(yè)和農(nóng)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型起到了重要作用。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，針對(duì)溫室種植的智能化需求，傳統(tǒng)的智能溫室系統(tǒng)多采用集中式數(shù)據(jù)處理方式，這種方式存在數(shù)據(jù)處理能力有限、數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)長(zhǎng)、數(shù)據(jù)隱私性差等缺點(diǎn)。為解決這些問(wèn)題，提出將邊緣計(jì)算技術(shù)引入智能溫室系統(tǒng)，利用邊緣計(jì)算技術(shù)的去中心化和分布式結(jié)構(gòu)，改進(jìn)傳統(tǒng)智能溫室系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式。通過(guò)在邊緣設(shè)備上進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，避免了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中造成的資源浪費(fèi)和安全性低等問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)了智能溫室系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化，為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)提供了有力支持。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)智能化；邊緣計(jì)算；云計(jì)算；智能溫室；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；智能決策技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）08-0-03

0 引 言

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，已深入滲透到人類生活的方方面面。物流運(yùn)輸、城市軌道、交通監(jiān)控、醫(yī)療衛(wèi)生、災(zāi)害預(yù)警、農(nóng)林管理等多個(gè)領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展都離不開(kāi)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持[1-2]。農(nóng)業(yè)作為我國(guó)三大產(chǎn)業(yè)中的第一產(chǎn)業(yè)，是立國(guó)之本、強(qiáng)國(guó)之基。當(dāng)前，我國(guó)農(nóng)業(yè)已進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段，正逐步向現(xiàn)代化推進(jìn)[3]，但尚未完全實(shí)現(xiàn)智能化，因此仍需不斷努力推進(jìn)農(nóng)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，傳感器、云計(jì)算、邊緣計(jì)算、人工智能等技術(shù)不斷應(yīng)用于人類生活，一系列智能化產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，深刻改變了人們的生活方式。智能溫室作為一種高效、精準(zhǔn)、可控的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，正逐步成為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能控制。然而，傳統(tǒng)的集中式數(shù)據(jù)處理方式在智能溫室中面臨數(shù)據(jù)處理能力有限、數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，本文將邊緣計(jì)算模型引入智能溫室系統(tǒng)。邊緣計(jì)算技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析、控制和決策，為作物提供精準(zhǔn)適宜的生長(zhǎng)環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)支持。通過(guò)將計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等資源分配到網(wǎng)絡(luò)邊緣，利用邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)分析和快速響應(yīng)，從而有效減輕了服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)的通信壓力，降低了數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)，并顯著提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

1 邊緣計(jì)算

1.1 定義

邊緣計(jì)算是一種分布式計(jì)算模型，其核心思想是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的一側(cè)，構(gòu)建集網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)和應(yīng)用核心能力于一體的開(kāi)放平臺(tái)，就近提供最近端服務(wù)。邊緣計(jì)算將數(shù)據(jù)處理和計(jì)算任務(wù)推向網(wǎng)絡(luò)邊緣，在靠近數(shù)據(jù)源頭的地方進(jìn)行處理，從而有效減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)和帶寬需求[4]。

圖1所示為邊緣計(jì)算的基本架構(gòu)。

1.2 相關(guān)技術(shù)

（1）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)：邊緣計(jì)算設(shè)備作為最靠近數(shù)據(jù)源的終端，每時(shí)每刻都會(huì)接收傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，因此在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這對(duì)邊緣計(jì)算的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力提出了較高要求。邊緣計(jì)算針對(duì)傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和待計(jì)算數(shù)據(jù)，通常采用以下三種技術(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)：

第一種：對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較低的數(shù)據(jù)，采用云邊協(xié)同技術(shù)存儲(chǔ)[5]；

第二種：對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的數(shù)據(jù)和待計(jì)算數(shù)據(jù)，通過(guò)模型壓縮等技術(shù)減少數(shù)據(jù)量，將關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在邊緣存儲(chǔ)系統(tǒng)中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在邊緣側(cè)的共享[6]；

第三種：對(duì)于實(shí)時(shí)性極高的數(shù)據(jù)，采用流計(jì)算技術(shù)，實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行連續(xù)分析，無(wú)需提前存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)處理技術(shù)：邊緣計(jì)算中的數(shù)據(jù)處理技術(shù)主要分為批處理技術(shù)和流處理技術(shù)。邊緣設(shè)備在處理數(shù)據(jù)時(shí)，大部分情況下采用批處理技術(shù)，即在數(shù)據(jù)采集后錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，最后進(jìn)行處理。而流處理技術(shù)則能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，最大限度地減少響應(yīng)時(shí)間。

（3）智能決策技術(shù)：邊緣計(jì)算中的決策技術(shù)主要分為兩種，分別是分布式AI自主決策和云邊協(xié)同決策。

分布式AI自主決策：通過(guò)在邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)上部署AI算法，利用多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)的整體情況對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)并做出決策。

云邊協(xié)同決策：在面對(duì)復(fù)雜且困難的問(wèn)題時(shí)，通過(guò)邊緣設(shè)備向云端傳輸數(shù)據(jù)，結(jié)合邊緣設(shè)備的快速響應(yīng)能力和云端的全局視角，對(duì)當(dāng)前問(wèn)題進(jìn)行分析和決策。

1.3 特點(diǎn)

邊緣計(jì)算作為一種新興的計(jì)算模式，具有低延時(shí)、高帶寬、數(shù)據(jù)隱私和安全性高、離線工作能力強(qiáng)、拓展性強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保、可靠性高以及應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，具體如下：

（1）低延時(shí)：邊緣計(jì)算設(shè)備能夠直接在數(shù)據(jù)源附近處理數(shù)據(jù)，無(wú)需將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，避免了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的延時(shí)，從而顯著減少了數(shù)據(jù)傳輸和響應(yīng)時(shí)間。

（2）高帶寬：采用分布式計(jì)算架構(gòu)，能夠在多個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)之間共享計(jì)算和存儲(chǔ)資源，從而提供更高的帶寬和更大的吞吐量。

（3）數(shù)據(jù)隱私和安全性：將數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)推向離用戶更近的邊緣設(shè)備，降低了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中的暴露風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，邊緣設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)加密和安全認(rèn)證，進(jìn)一步保障了用戶數(shù)據(jù)的安全性和隱私[7-8]。

（4）離線工作能力：邊緣設(shè)備具備一定的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，能夠在斷網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的環(huán)境下獨(dú)立工作，具有很高的穩(wěn)定性。

（5）應(yīng)用范圍廣：邊緣計(jì)算可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求，靈活地部署和配置邊緣節(jié)點(diǎn)，支持各種分布式應(yīng)用環(huán)境。這些應(yīng)用既可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以協(xié)同工作。

（6）強(qiáng)拓展性：邊緣計(jì)算能夠根據(jù)不同的需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整和資源分配，支持實(shí)時(shí)通信和決策，同時(shí)支持遠(yuǎn)程監(jiān)控和實(shí)時(shí)分析。

（7）節(jié)能環(huán)保：通過(guò)將部分計(jì)算任務(wù)從傳統(tǒng)的云數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)移到邊緣設(shè)備上，在數(shù)據(jù)源附近進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，大幅減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，從而降低了?shù)據(jù)中心的能耗和碳排放。

基于邊緣計(jì)算的特點(diǎn)，其在自動(dòng)駕駛、智能電網(wǎng)、預(yù)測(cè)性維護(hù)、醫(yī)療監(jiān)控、云游戲、內(nèi)容下載、智慧城市、智能家居等多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[9]，尤其適用于需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、低延遲響應(yīng)或?qū)?shù)據(jù)隱私性要求較高的場(chǎng)景。與傳統(tǒng)計(jì)算模式相比，邊緣計(jì)算能夠有效降低網(wǎng)絡(luò)擁塞、增強(qiáng)數(shù)據(jù)隱私和安全性、提高應(yīng)用程序的可靠性，并減少云計(jì)算資源的負(fù)載。

2 傳統(tǒng)智能溫室

智能溫室是基于物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、傳感器等技術(shù)構(gòu)建的一套智能溫室管理系統(tǒng)，是設(shè)施農(nóng)業(yè)的高級(jí)形式[10]。該系統(tǒng)通過(guò)在溫室內(nèi)部署多種傳感器，能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照、肥料、土壤水分、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)以及蟲(chóng)害等信息，并根據(jù)不同作物的需求對(duì)環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以達(dá)到作物生長(zhǎng)的最優(yōu)條件，從而減少蟲(chóng)害、提高產(chǎn)量并實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化。溫室智能化使環(huán)境控制更加精準(zhǔn)，在農(nóng)作物種植過(guò)程中，許多生產(chǎn)環(huán)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，節(jié)省人力成本并提高生產(chǎn)效率。

傳統(tǒng)的智能溫室系統(tǒng)通過(guò)傳感器檢測(cè)生物環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，用戶在數(shù)據(jù)中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并做出決策。然而，這一過(guò)程中數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，因此會(huì)產(chǎn)生一定的延時(shí)。此外，大量數(shù)據(jù)的傳輸可能導(dǎo)致服務(wù)器擁堵，影響計(jì)算速度，無(wú)法充分利用計(jì)算資源。同時(shí)，數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的安全性和隱私性也難以得到充分保障。盡管傳統(tǒng)的智能溫室系統(tǒng)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化并提高了生產(chǎn)效率，但其在速度、性能以及數(shù)據(jù)隱私和安全性方面仍有改進(jìn)空間。

3 模型研究

針對(duì)傳統(tǒng)智能溫室系統(tǒng)存在的問(wèn)題，結(jié)合邊緣計(jì)算模型的優(yōu)點(diǎn)，本文將邊緣計(jì)算應(yīng)用于智能溫室中。通過(guò)分布式部署智能傳感器，實(shí)現(xiàn)傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)傳感器檢測(cè)到數(shù)據(jù)后，能夠自主進(jìn)行決策，例如施肥、灌水、除蟲(chóng)等操作。每個(gè)邊緣設(shè)備將數(shù)據(jù)保存在自身內(nèi)存中，同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。用戶可以通過(guò)服務(wù)器監(jiān)控每個(gè)傳感器的狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息，但實(shí)際決策由邊緣設(shè)備自主完成。

在傳統(tǒng)的智能溫室系統(tǒng)中，傳感器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器，設(shè)備本身不具備自主決策能力。如果需要執(zhí)行某項(xiàng)決策，必須通過(guò)服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)。然而，由于數(shù)據(jù)量龐大，容易造成通信堵塞，給服務(wù)器帶來(lái)巨大壓力。此外，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中會(huì)增加能耗，且數(shù)據(jù)的安全性和隱私性難以保障。相比之下，本文提出的基于邊緣計(jì)算的智能溫室模型，有效解決了上述問(wèn)題，提升了溫室中數(shù)據(jù)處理的速度和性能，減輕了服務(wù)器壓力和能耗，同時(shí)保障了數(shù)據(jù)的隱私和安全性。

圖2展示了基于邊緣計(jì)算的智能溫室網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該架構(gòu)分為三層：

最底層為邊緣設(shè)備層，包括濕度、溫度傳感器等，直接對(duì)物理環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理。傳感器之間可以交換和共享數(shù)據(jù)，為自主決策提供條件。

中間層為服務(wù)器層，作為用戶與傳感器之間的橋梁。傳感器將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，用戶可以通過(guò)服務(wù)器發(fā)送指令來(lái)調(diào)整傳感器的操作。

第三層為用戶層，用戶作為架構(gòu)的最高層，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控和修改數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能溫室的人為控制。

4 未來(lái)展望

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，邊緣計(jì)算作為繼云計(jì)算之后的一種新型計(jì)算模式，正逐漸應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，加速推動(dòng)社會(huì)和工農(nóng)業(yè)的數(shù)字化改革。在智能溫室領(lǐng)域，邊緣計(jì)算的應(yīng)用尤為引人注目，因?yàn)樗軌蛴行Ы鉀Q數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)和帶寬限制等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和快速?zèng)Q策，從而優(yōu)化溫室內(nèi)的作物生長(zhǎng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)的作物產(chǎn)出，對(duì)推進(jìn)農(nóng)業(yè)智能化具有重要意義[11]。

未來(lái)，邊緣計(jì)算在智能溫室中的應(yīng)用將展現(xiàn)出更加廣闊的發(fā)展前景。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)的不斷成熟，溫室內(nèi)的傳感器數(shù)量將大幅增加，結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，有望實(shí)現(xiàn)更高水平的農(nóng)業(yè)自動(dòng)化。這對(duì)數(shù)據(jù)處理能力提出了更高要求，而邊緣計(jì)算的優(yōu)勢(shì)在于能夠在數(shù)據(jù)源頭進(jìn)行初步處理，減輕云端服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，同時(shí)確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。因此，邊緣計(jì)算在未來(lái)智能溫室的發(fā)展中具有巨大的潛力[12]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，基于邊緣計(jì)算的智能溫室系統(tǒng)將成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，持續(xù)推動(dòng)農(nóng)業(yè)智能化的發(fā)展。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了邊緣計(jì)算技術(shù)的相關(guān)特點(diǎn)及其優(yōu)勢(shì)，并將邊緣計(jì)算技術(shù)引入智能溫室系統(tǒng)。通過(guò)利用邊緣計(jì)算的分布式結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)集中式數(shù)據(jù)處理方式中存在的數(shù)據(jù)處理能力不足、數(shù)據(jù)安全性低以及數(shù)據(jù)響應(yīng)慢等問(wèn)題。

盡管本文提出的模型在一定程度上解決了傳統(tǒng)智能溫室系統(tǒng)中的部分問(wèn)題，但仍存在改進(jìn)空間。未來(lái)可以引入人工智能算法，輔助邊緣設(shè)備進(jìn)行更精準(zhǔn)的決策，從而為作物提供更加適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，進(jìn)一步推動(dòng)農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化和智能化發(fā)展。

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