尤聚軍 ，李 淼 ，李華龍 ，鄭守國

（1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026；2.中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所，安徽 合肥 230031）

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)智能決策系統(tǒng)一般分為現(xiàn)場(chǎng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心兩部分[1-3]。其中，現(xiàn)場(chǎng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)分為子節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，并通過ZigBee、BlueTooth等無線通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)將收集到的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息通過GPRS等通信方式傳輸至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、決策診斷，并可通過Internet網(wǎng)絡(luò)完成Web發(fā)布等功能。

然而，在我國較廣范圍的農(nóng)村區(qū)域，Internet網(wǎng)絡(luò)普及率并不高，限制了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)決策系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。另一方面，大量的數(shù)據(jù)傳輸所產(chǎn)生的GPRS通信費(fèi)用導(dǎo)致系統(tǒng)使用成本較高。因此，本文提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)的農(nóng)作物智能決策解決方案。其方案集成了數(shù)據(jù)采集、傳輸和智能決策的功能，在對(duì)農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的同時(shí)，可利用嵌入式裝置中的本地知識(shí)庫，針對(duì)當(dāng)前的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行決策推理，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)信息的快速?zèng)Q策，使其數(shù)據(jù)的無線傳輸成為非必需環(huán)節(jié)，降低了系統(tǒng)對(duì)Internet網(wǎng)絡(luò)的依賴，使系統(tǒng)具有更好的靈活性和更廣的應(yīng)用范圍。

1 系統(tǒng)總體介紹

本文采用基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM處理器，同時(shí)移植μCOS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，外接溫度、濕度、光照等多種傳感器，可實(shí)時(shí)檢測(cè)農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)前環(huán)境信息，并根據(jù)SD卡存儲(chǔ)的農(nóng)作物知識(shí)庫，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行本地快速推理決策，對(duì)于不同的農(nóng)作物，只需更新SD卡中的知識(shí)庫文件即可；同時(shí)可根據(jù)實(shí)際需要，將數(shù)據(jù)通過GPRS模塊及時(shí)地傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。此外，環(huán)境數(shù)據(jù)和決策信息可輸出至LCD進(jìn)行顯示，并可以通過鍵盤完成采樣周期、濾波方式、數(shù)據(jù)傳輸使能等多種功能的參數(shù)設(shè)置。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文采用了模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，將系統(tǒng)劃分為MCU核心處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、SD卡知識(shí)庫存儲(chǔ)模塊、GPRS數(shù)據(jù)通信模塊、LCD顯示模塊、鍵盤模塊等。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

MCU核心處理模塊采用STM32FM103芯片作為核心處理器，其工作頻率可達(dá) 72 MHz，具有 SPI、UART等通信接口。片內(nèi)集成ADC模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元，轉(zhuǎn)換精度為12 bit，72 MHz工作模式下 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為 1.17 μs。為增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，數(shù)據(jù)采集模塊選用模擬量輸出類型的傳感器，用于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等多種環(huán)境信息。針對(duì)電流輸出型(4 mA～20 mA)模擬傳感器，采用π型電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～3.3 V電壓信號(hào)之后，接入至片內(nèi)ADC模塊。同時(shí)采用繼電器控制傳感器的供電狀態(tài)，以降低系統(tǒng)功耗。SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊通過SPI總線與MCU連接，用于存儲(chǔ)智能決策所需的知識(shí)庫。GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊可根據(jù)用戶需求進(jìn)行選擇配置，其主要功能是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，通過UART接口與MCU通信。LCD顯示模塊和鍵盤模塊，與STM32的GPIO引腳相連接，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

μCOS-II操作系統(tǒng)是一種具有可搶占內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并且開源、結(jié)構(gòu)小巧。由于其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時(shí)間管理、任務(wù)間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)[3]，因此，本文在軟件設(shè)計(jì)上移植了μCOS-II操作系統(tǒng)[4-5]。經(jīng)過bootloader啟動(dòng)階段之后， 首先完成時(shí)鐘配置和 GPIO、AD、RTC、SPI、UART接口及中斷的配置以及μCOS-II操作系統(tǒng)的初始化，然后根據(jù)系統(tǒng)功能需求建立了6個(gè)任務(wù)，分別為周期管理任務(wù)、GPRS數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)、數(shù)據(jù)采集任務(wù)、智能決策任務(wù)、LCD顯示任務(wù)和鍵盤任務(wù)，其優(yōu)先級(jí)設(shè)置由高到低。μCOS-II任務(wù)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

周期管理任務(wù)用于控制系統(tǒng)的采樣周期，使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC的ALARM中斷機(jī)制來實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能，屬于中斷級(jí)任務(wù)，優(yōu)先級(jí)最高；GPRS數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)受控于用戶的選擇模式，在功能開啟時(shí)，利用UART1將數(shù)據(jù)傳輸至GPRS模塊，其數(shù)據(jù)格式采用AT命令，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，將其?yōu)先級(jí)設(shè)置為次高；數(shù)據(jù)采集任務(wù)首先控制繼電器使傳感器上電，然后任務(wù)掛起10 s以保證傳感器進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，再啟動(dòng)A/D，轉(zhuǎn)換完成之后，數(shù)據(jù)放入DMA緩沖區(qū)中，繼而可選擇中值濾波、平均值濾波等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；智能決策任務(wù)根據(jù)采樣數(shù)據(jù)，啟動(dòng)推理機(jī)，得到?jīng)Q策結(jié)論；LCD顯示任務(wù)以消息郵箱(message mail boxes)機(jī)制接收傳感器數(shù)據(jù)以及決策結(jié)果并實(shí)時(shí)顯示輸出；鍵盤任務(wù)可設(shè)置GPRS模塊使能、采樣周期、數(shù)據(jù)濾波方式等多種用戶需求。

4 智能決策在嵌入式系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

本文采用基于知識(shí)庫的智能決策設(shè)計(jì)思想，分為知識(shí)庫設(shè)計(jì)和推理機(jī)設(shè)計(jì)兩部分，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行決策判斷。

4.1 嵌入式知識(shí)庫設(shè)計(jì)

知識(shí)庫是智能決策的重要組成部分，它的質(zhì)量很大程度上影響了系統(tǒng)整體的決策水平。本文以SD卡為存儲(chǔ)介質(zhì)，在其上構(gòu)建了農(nóng)業(yè)知識(shí)庫。SD卡的讀寫訪問方式是扇區(qū)尋址，為了便捷、快速地構(gòu)建知識(shí)庫，本文移植實(shí)現(xiàn)了FATFS文件系統(tǒng)，而知識(shí)庫則以TXT文件方式進(jìn)行存儲(chǔ)。

本文采用產(chǎn)生式規(guī)則表示法，其結(jié)構(gòu)如下：

IF條件 1，條件 2，……，THEN結(jié)論

以黃瓜為例，依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)[6-8]，獲知黃瓜的第K條知識(shí)規(guī)則如表1所示。通過進(jìn)一步整理，可以向TXT文件中添加此規(guī)則。調(diào)用FATFS文件系統(tǒng)接口函數(shù)f_open打開知識(shí)庫TXT文件，通過f_read讀取相應(yīng)的知識(shí)規(guī)則。

表1 知識(shí)庫整理實(shí)例

4.2 嵌入式推理機(jī)設(shè)計(jì)

推理機(jī)的功能是根據(jù)一定的推理策略從知識(shí)庫中選擇相應(yīng)的知識(shí)，對(duì)新的事實(shí)進(jìn)行推理，直到得出相應(yīng)的結(jié)論為止。推理有正向推理、反向推理及混合推理，在本系統(tǒng)中，由于輸入事實(shí)較少，結(jié)論較多且分散，因此采用正向推理方法[9]。正向推理的步驟是：(1)當(dāng)系統(tǒng)采集到傳感器數(shù)據(jù)之后，與知識(shí)庫中的規(guī)則進(jìn)行匹配，若找到，則將規(guī)則結(jié)論部分加入到數(shù)據(jù)信息中；(2)更新的數(shù)據(jù)信息再匹配知識(shí)庫中的規(guī)則，將所匹配的規(guī)則結(jié)論部分再次加入到數(shù)據(jù)信息中；(3)如此循環(huán)，直至得出最終的診斷信息。其流程如圖3所示。

圖3 正向推理機(jī)的推理過程

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，開發(fā)了農(nóng)作物智能決策裝置樣機(jī)。樣機(jī)安裝有一系列傳感器，用于檢測(cè)環(huán)境溫濕度、光照、CO2、土壤溫濕度、鹽分、PH值等參數(shù)，并在 SD卡中植入植物（幼苗期黃瓜為例）的知識(shí)庫。系統(tǒng)上電后，運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。

通過鍵盤設(shè)定采樣周期為2 h，并開通使能GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能之后，在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心PC機(jī)上接收到傳感器數(shù)據(jù)。圖5記錄了24 h內(nèi)的環(huán)境溫度檢測(cè)信息。

通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M不同的環(huán)境條件，測(cè)試系統(tǒng)的智能決策能力。使系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行一周，并利用SD卡對(duì)系統(tǒng)的采樣數(shù)據(jù)和決策結(jié)果進(jìn)行跟蹤記錄，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示。系統(tǒng)一周內(nèi)采樣并決策84次，經(jīng)檢驗(yàn)，準(zhǔn)確決策79次，決策不當(dāng)3次，無決策2次，準(zhǔn)確率為92.9%。

表2 裝置數(shù)據(jù)檢測(cè)及決策結(jié)果

本文針對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)決策系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了板級(jí)農(nóng)作物智能決策系統(tǒng)。系統(tǒng)采用μCOS-II對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度管理，利用知識(shí)庫完成本地智能決策。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可根據(jù)采樣實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)產(chǎn)生合理有效的決策信息，達(dá)到了預(yù)期要求。目前已應(yīng)用于新疆昌吉州農(nóng)作物溫室大棚中。

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