西北民族大學(xué) 潘 昱 周一牧 林曉毅 劉瀟元 鄧智育

本系統(tǒng)意在通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、圖像處理技術(shù)，由傳感器監(jiān)測(cè)作物的生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，如光照強(qiáng)度、空氣溫濕度、大氣壓強(qiáng)、土壤濕度、土壤鹽分含量等；將作物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)，產(chǎn)地信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到云平臺(tái)中，制作溯源二維碼。顧客在購(gòu)買產(chǎn)品時(shí)，通過(guò)掃描二維碼可得知當(dāng)前購(gòu)買商品從生長(zhǎng)，采收，再到運(yùn)輸和銷售的所有詳細(xì)信息。

1.序言

凈土健康產(chǎn)業(yè)將會(huì)在青藏地區(qū)的區(qū)位發(fā)揮其優(yōu)越的優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)生出巨大的經(jīng)濟(jì)效益。推動(dòng)植物業(yè)和農(nóng)牧業(yè)增產(chǎn)增效，化劣勢(shì)為優(yōu)勢(shì)等一些區(qū)域性問(wèn)題。這些都是我們面前必須攻下的一道難題。本文基于IOT云平臺(tái)和圖像處理技術(shù)的藏區(qū)“凈土健康產(chǎn)業(yè)”系統(tǒng)設(shè)計(jì)就很好地解決此問(wèn)題。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

青藏高原特色農(nóng)牧資源得天獨(dú)厚，農(nóng)業(yè)主要分布在海拔較低溫度較高的谷地，如雅魯藏布江谷地、湟水谷地等，稱為“谷地農(nóng)業(yè)”。主要農(nóng)作物為耐寒、耐旱的青稞、小麥、豌豆等。牧業(yè)為高寒牧業(yè)，主要牲畜為耐寒的牦牛、藏綿羊等。如何能在利用區(qū)域性優(yōu)勢(shì)，發(fā)展特色植物業(yè)，攻克環(huán)境，地勢(shì)，生態(tài)等一些惡劣性因素?？梢猿浞掷矛F(xiàn)代科技技術(shù)，就可以快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。而本系統(tǒng)能很好地解決此問(wèn)題，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2.2 農(nóng)產(chǎn)品溯源

在農(nóng)田中設(shè)置傳感器檢測(cè)點(diǎn)和圖像檢測(cè)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后分類上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)中，生成農(nóng)產(chǎn)品信息庫(kù)，包括各種農(nóng)產(chǎn)品從生長(zhǎng)到成熟再到采收的詳細(xì)數(shù)據(jù)，為不同批次的產(chǎn)品分別制作二維碼，顧客在購(gòu)買農(nóng)產(chǎn)品時(shí)，可通過(guò)手機(jī)掃描商品上的二維碼，便可得知該產(chǎn)品的產(chǎn)地環(huán)境情況，如經(jīng)緯度、海拔高度、氣候、光照強(qiáng)度、空氣潔凈度及作物生長(zhǎng)過(guò)程中的圖像等真實(shí)數(shù)據(jù)，使顧客能夠買到安全、放心的綠色產(chǎn)品。

2.3 農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出預(yù)測(cè)

利用圖像處理技術(shù)，對(duì)作物的長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行測(cè)定，預(yù)測(cè)作物的成熟時(shí)間，由此估算農(nóng)產(chǎn)品的上市時(shí)間，將信息提供給相應(yīng)產(chǎn)品的經(jīng)銷商，以便提前規(guī)劃市場(chǎng)銷售計(jì)劃，避免出現(xiàn)商品供不應(yīng)求或供過(guò)于求的局面，對(duì)商品資源合理分配起到重要作用。在最大程度上使農(nóng)民獲益并避免不必要的損失，強(qiáng)化產(chǎn)品供應(yīng)和市場(chǎng)銷售間消息的互通，保證農(nóng)產(chǎn)品上市時(shí)的新鮮程度，創(chuàng)造農(nóng)產(chǎn)品銷售和購(gòu)買的和諧景象，兼顧農(nóng)民和消費(fèi)者的利益。

2.4 農(nóng)區(qū)資源保護(hù)

在充分利用青藏地區(qū)農(nóng)業(yè)資源的獲取經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，保護(hù)農(nóng)區(qū)自然資源環(huán)境同樣應(yīng)放在首要地位。通過(guò)對(duì)農(nóng)區(qū)土壤肥力及作物生長(zhǎng)情況的監(jiān)測(cè)，判斷耕地與作物生長(zhǎng)的協(xié)調(diào)性，在肥力高的地方密植，肥力低的地方稀植，根據(jù)情況更換作物種植類型，調(diào)整耕種周期，合理灌溉及施肥。在保證農(nóng)產(chǎn)品高質(zhì)量的同時(shí)，也保證耕地和生態(tài)資源得到充分的保護(hù)。讓過(guò)于緊張、疲憊的耕地修養(yǎng)生息，讓生態(tài)得到治理修復(fù)，也可以通過(guò)改良土壤相應(yīng)出現(xiàn)的問(wèn)題，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)發(fā)展后勁，實(shí)現(xiàn)真正的“藏糧于地”。若想要這方“凈土”能夠源源不斷地供應(yīng)天然、健康的農(nóng)產(chǎn)品，就必須要愛(ài)護(hù)這片珍貴的土地，及其周圍的生態(tài)環(huán)境。在大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)不忘生態(tài)的保護(hù)，真正的實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

圖2 硬件設(shè)計(jì)框圖

2.5 硬件設(shè)計(jì)

傳感器模塊：

(1)土壤濕度傳感器：其主要用來(lái)測(cè)量土壤容積含水量。當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，濕敏電阻的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測(cè)量濕度。

(2)溫度傳感器：DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器。其輸出的是數(shù)字信號(hào)，具有體積小，硬件開(kāi)銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。

(3)光照傳感器：用于檢測(cè)光照強(qiáng)度。GY-30數(shù)字光照度傳感器可測(cè)量光照度范圍0-65535勒克斯，精度達(dá)1勒克斯，支持IIS通信，內(nèi)置16bitAD轉(zhuǎn)換器。

(4)PM2.5激光粉塵傳感器：用來(lái)測(cè)量顆粒物濃度，并以數(shù)字接口形式輸出，同時(shí)也可輸出每種粒子的質(zhì)量數(shù)據(jù)?？汕度敫鞣N與空氣中懸浮顆粒物濃度相關(guān)的儀器儀表或環(huán)境改善設(shè)備，為其提供及時(shí)準(zhǔn)確的濃度數(shù)據(jù)。

(5)風(fēng)速傳感器：三杯電渦流式傳感器，風(fēng)杯的轉(zhuǎn)軸為金屬齒轉(zhuǎn)盤，感應(yīng)頭由線圈組成。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，引起線圈磁通的變化便輸出連續(xù)的脈沖信號(hào)，通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而計(jì)算出風(fēng)力的大小。

(6)GY-39環(huán)境氣象站監(jiān)測(cè)模塊：用來(lái)檢測(cè)氣壓，溫濕度和光照強(qiáng)度。傳感器上板載了MCU收集傳感器數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口或者IIC與主控通信，發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.6 控制器模塊

系統(tǒng)主要控制器系統(tǒng)采用Arduino開(kāi)源電子原型平臺(tái)，包含硬件（各種型號(hào)的Arduino板）和軟件（Arduino IDE)。該系統(tǒng)有三大優(yōu)勢(shì)：一是跨平臺(tái)，可以在Windows、Macintosh OS X、Linux三大主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行。二是開(kāi)放性，硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫(kù)文件都是開(kāi)源的，只要在開(kāi)源協(xié)議范圍內(nèi)，修改代碼和原始設(shè)計(jì)等，就可以快速實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的產(chǎn)品功能。三是更能夠?qū)崿F(xiàn)一些創(chuàng)意性的產(chǎn)品，節(jié)約時(shí)間和成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。

2.7 圖像識(shí)別模塊

樹(shù)莓派，它是一款基于ARM的微型電腦主板，具備所有PC的基本功能只需接通電視機(jī)和鍵盤，就能執(zhí)行如電子表格、文字處理、玩游戲、播放高清視頻等諸多功能。

2.8 軟件設(shè)計(jì)

2.8.1 圖像處理軟件

利用OpenCV跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，應(yīng)用圖像處理的方法對(duì)作物進(jìn)行長(zhǎng)勢(shì)測(cè)定, 通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行放大、增強(qiáng)及灰度處理等預(yù)處理，最后主要的目的是識(shí)別綠色葉片的面積大小，以此得到植物長(zhǎng)勢(shì)的信息。

2.8.2 云平臺(tái)OneNET

云平臺(tái)OneNET是由中國(guó)移動(dòng)打造的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)。能夠快速縮短時(shí)間，完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和解決方案。將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)MCU經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上傳到OneNet云平臺(tái)。首先在產(chǎn)品中添加傳感器設(shè)備，然后添加數(shù)據(jù)流，最后生成應(yīng)用。系統(tǒng)使用OneNet“設(shè)備云”app作為平臺(tái)，在手機(jī)、平板等移動(dòng)終端上均可使用，可在應(yīng)用中實(shí)時(shí)查看作物生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)。

3.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的提升，開(kāi)發(fā)投入成本的提高。而本系統(tǒng)以低成本，高效率等鮮明特點(diǎn)，以此來(lái)解決產(chǎn)品供應(yīng)和市場(chǎng)流通問(wèn)題，帶動(dòng)青藏地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，改善當(dāng)?shù)剞r(nóng)民生活，深化農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程。同時(shí)保護(hù)了青藏地區(qū)農(nóng)區(qū)的生態(tài)環(huán)境，打造綠色、生態(tài)、文明的產(chǎn)業(yè)平臺(tái)。

參考：李艷麗，蔡冬玲，基于Arduino平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)：?jiǎn)纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2017；王雅惠，凈土產(chǎn)業(yè)需走特色化道路：西藏日?qǐng)?bào)（漢），2016-12-15(006)；楊子彥，推動(dòng)“凈土”又好又快發(fā)展：西藏日?qǐng)?bào)（漢），2015-12-17(011)。