孫孝龍，吳德余，徐 森，施建軍

（1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鹽城生物工程分院，江蘇 鹽城 224051；2.鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城 224007； 3.鹽城思源網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，江蘇 鹽城 224005）

智能化農(nóng)業(yè)管理需要對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的溫度、濕度、氣體、光照以及動、植物生長發(fā)育狀態(tài)等主要參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)和合理保護(hù)。本文通過農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控環(huán)境因子，結(jié)合養(yǎng)蠶生產(chǎn)實(shí)景，嘗試選用多層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，學(xué)習(xí)訓(xùn)練得到一個預(yù)測模型，并根據(jù)養(yǎng)蠶生產(chǎn)實(shí)際適時調(diào)節(jié)環(huán)境因子、改進(jìn)技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)高效生產(chǎn)管理。多層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對散落在不同場景下碎片化、非結(jié)構(gòu)化的文字、圖片、聲音、視頻等數(shù)據(jù)應(yīng)用深度學(xué)習(xí)，對目標(biāo)對象的特征進(jìn)行刻畫，為管理流程的優(yōu)化、管理效率的提高，提供了新的內(nèi)生動力[1～3]。本設(shè)計基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法，對養(yǎng)蠶復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境的監(jiān)控和家蠶生長發(fā)育狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)預(yù)測，設(shè)計規(guī)?；B(yǎng)蠶智能監(jiān)控管理系統(tǒng)，推進(jìn)精準(zhǔn)決策生產(chǎn)管理[4～5]。

1 養(yǎng)蠶技術(shù)參數(shù)

養(yǎng)蠶技術(shù)參數(shù)主要包括養(yǎng)蠶環(huán)境和家蠶生長發(fā)育狀態(tài)（生長經(jīng)過或發(fā)育階段）。養(yǎng)蠶環(huán)境因子主要包括蠶室內(nèi)、外溫度，內(nèi)、外濕度，光照強(qiáng)度，氣流速度，CO、CO2等氣體濃度；家蠶大小、色澤、強(qiáng)弱等生長發(fā)育狀態(tài)和階段表征、群體整齊狀況等。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)綜合算法，養(yǎng)蠶環(huán)境和家蠶生長發(fā)育狀態(tài)數(shù)據(jù)通過不同智能設(shè)備調(diào)控，能及時提供家蠶生長適宜的環(huán)境條件和合理的技術(shù)方案，不僅省力省工、生產(chǎn)安全、精準(zhǔn)施策，而且能不斷優(yōu)化技術(shù)方案，有效提高規(guī)?；B(yǎng)蠶的產(chǎn)量和質(zhì)量。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為依托，設(shè)計養(yǎng)蠶管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)蠶環(huán)境參數(shù)、家蠶生長發(fā)育狀態(tài)的全面感知、精準(zhǔn)傳輸和智能處理。綜合運(yùn)用信息管理、自動監(jiān)測、動態(tài)模擬、樣本學(xué)習(xí)、精確控制、網(wǎng)絡(luò)通訊等現(xiàn)代信息技術(shù)，以養(yǎng)蠶環(huán)境要素、家蠶狀態(tài)實(shí)景和生產(chǎn)過程的數(shù)字化、智能化為主要研究目標(biāo)[6～8]，通過解決環(huán)境的信息化管理、狀態(tài)的自動化監(jiān)測、過程的數(shù)字化模擬、系統(tǒng)的可視化設(shè)計、知識的模型化表達(dá)以及決策的精準(zhǔn)化控制等實(shí)際問題，基于樣本學(xué)習(xí)算法，構(gòu)建規(guī)?；B(yǎng)蠶智能監(jiān)控系統(tǒng)框架。系統(tǒng)選取適宜的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，將蠶室內(nèi)、外溫、濕度變化，光照強(qiáng)度，氣流速度，CO、CO2等氣體濃度等環(huán)境因子和家蠶生長發(fā)育實(shí)況，進(jìn)行感知采集，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)控制中心，應(yīng)用深度學(xué)習(xí)算法，不斷更新樣本學(xué)習(xí)訓(xùn)練模型，提高數(shù)據(jù)處理和決策的精確性。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)分析和處理，將結(jié)果信息反饋到計算機(jī)界面或手機(jī)終端。用戶可以在養(yǎng)蠶現(xiàn)場或遠(yuǎn)程終端，有預(yù)見性地對養(yǎng)蠶生產(chǎn)全過程進(jìn)行觀察、監(jiān)視、查詢、咨詢、調(diào)控，并自動完成日志管理和養(yǎng)蠶質(zhì)量追溯[6]。

2.2 模塊構(gòu)建

2.2.1 系統(tǒng)目標(biāo)

在系統(tǒng)設(shè)計過程中，引入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類模型來識別養(yǎng)蠶不同階段的實(shí)景樣本數(shù)據(jù)，將綜合算法通過后臺插件模型引入系統(tǒng)，針對家蠶不同階段生存環(huán)境和生長發(fā)育實(shí)景進(jìn)行數(shù)據(jù)分類處理，多層采集、測試、校準(zhǔn)、完善（如圖1）。系統(tǒng)架構(gòu)包含移動端APP、算法云服務(wù)和系統(tǒng)開發(fā)平臺。軟件系統(tǒng)開發(fā)包括ZigBee底層協(xié)議棧開發(fā)、各種傳感器驅(qū)動程序編寫、智能控制程序的編寫、網(wǎng)關(guān)接入和GPRS網(wǎng)程序編寫、相關(guān)數(shù)據(jù)庫建立等。

2.2.2 設(shè)計模塊

系統(tǒng)模塊設(shè)計包括數(shù)據(jù)感知采集、數(shù)據(jù)傳輸處理、樣本學(xué)習(xí)訓(xùn)練、智能控制管理四個，每個模塊完成相應(yīng)的功能。數(shù)據(jù)感知采集主要完成養(yǎng)蠶環(huán)境和家蠶生長發(fā)育狀態(tài)數(shù)據(jù)的感知、采集和控制。主要包括RTU設(shè)備、規(guī)?；B(yǎng)蠶環(huán)境因子傳感器、高清全景攝像機(jī)等，采集產(chǎn)生0～5 V的數(shù)據(jù)值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)初步分析。數(shù)據(jù)傳輸處理包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、智能更新、人機(jī)交換四個部分。數(shù)據(jù)存儲實(shí)時創(chuàng)建規(guī)模化養(yǎng)蠶數(shù)據(jù)庫和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，完成感知采集數(shù)據(jù)的基本處理和更新。樣本學(xué)習(xí)訓(xùn)練采用深度學(xué)習(xí)綜合算法，通過軟件補(bǔ)償、分布圖法、對比糾偏和取平均值法消除感知數(shù)據(jù)的差異影響，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)智能化分析、處理、校準(zhǔn)、改進(jìn)。智能控制管理采用模糊控制策略和變結(jié)構(gòu)模糊控制方法對規(guī)模化養(yǎng)蠶技術(shù)進(jìn)行智能監(jiān)控，以便獲得良好的數(shù)據(jù)精度。規(guī)模化養(yǎng)蠶智能監(jiān)控模式，設(shè)計人機(jī)交互界面。計算機(jī)中心將數(shù)據(jù)進(jìn)程狀態(tài)、數(shù)據(jù)監(jiān)測圖像、分析調(diào)控指令等信息進(jìn)行實(shí)時網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，并接收用戶的反饋信息進(jìn)行相關(guān)搜索、驗證、調(diào)整。系統(tǒng)通過計算機(jī)界面或遠(yuǎn)程終端實(shí)現(xiàn)養(yǎng)蠶智能控制。用戶管理操作包括實(shí)時監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢、技術(shù)咨詢、決策輸出、參數(shù)設(shè)置和規(guī)則更新等。系統(tǒng)采用AJAX圖表實(shí)時顯示技術(shù)，對采集數(shù)據(jù)全部存入中心數(shù)據(jù)庫，便于數(shù)據(jù)查詢、驗證和學(xué)習(xí)改進(jìn)。各養(yǎng)蠶基地可分別使用不同的用戶名和密碼進(jìn)入系統(tǒng)，實(shí)時查看、及時上傳實(shí)境數(shù)據(jù)，可以同時控制多個設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)[7]。

2.2.3 樣本學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于具有強(qiáng)大的特征學(xué)習(xí)和分類能力，在目標(biāo)檢測、圖像分類、管理預(yù)測等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用。由于規(guī)?；B(yǎng)蠶數(shù)據(jù)集不是特別大，系統(tǒng)模型訓(xùn)練采用殘差網(wǎng)絡(luò)ResNet微調(diào)的訓(xùn)練方法，來實(shí)現(xiàn)養(yǎng)蠶環(huán)境和家蠶實(shí)景的分類識別處理。訓(xùn)練數(shù)據(jù)選用從開發(fā)者平臺互聯(lián)網(wǎng)獲取、管理者經(jīng)驗積累或用戶采集反饋，以此不斷豐富訓(xùn)練集、驗證集和測試集。一方面，通過加大有標(biāo)注的養(yǎng)殖數(shù)據(jù)、圖像信息的建立。另一方面，在分類模型訓(xùn)練過程中，對大量養(yǎng)蠶生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和歸一化操作，并通過不斷的迭代訓(xùn)練來尋求最佳分類模型。系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)就是將數(shù)據(jù)庫的獲取和分類模型訓(xùn)練自動化，從圖像搜索查詢、人工篩選甄別、歸一化調(diào)整到分類模型訓(xùn)練，逐步加大數(shù)據(jù)庫容量、提升數(shù)據(jù)歸一標(biāo)準(zhǔn)。

3 系統(tǒng)功能

3.1 實(shí)景監(jiān)測

可在線實(shí)時檢測不同養(yǎng)蠶環(huán)境因子變化和家蠶生長發(fā)育狀態(tài)，以及養(yǎng)蠶環(huán)境中各類連接設(shè)備的狀態(tài)信息，也可以通過視頻在線，實(shí)時觀察、記錄、巡查到相關(guān)基地、某個工作室（棚）的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)無人化值守、自動化調(diào)節(jié)、全程化日志、智能化告警。養(yǎng)蠶環(huán)境參數(shù)、家蠶生長發(fā)育狀態(tài)和設(shè)備工作狀態(tài)的相關(guān)信息，通過監(jiān)控系統(tǒng)界面顯示、記錄，可以通過控制中心管理平臺獲取、調(diào)取，也可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器或移動終端APP查看、咨詢、反饋，實(shí)現(xiàn)室（棚）現(xiàn)場、控制中心、移動用戶三者協(xié)調(diào)一致，既相互依存、又互相補(bǔ)充。

3.2 精準(zhǔn)調(diào)控

通過多種調(diào)節(jié)方式完成養(yǎng)蠶環(huán)境和家蠶生長發(fā)育狀態(tài)的合理保護(hù)，實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)指導(dǎo)下操作，也可以對養(yǎng)蠶技術(shù)措施進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控。一是在環(huán)境參數(shù)范圍內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)用大數(shù)據(jù)近似模糊算法，自動調(diào)節(jié)輔助設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，精準(zhǔn)控制養(yǎng)蠶環(huán)境因子水平的高低，并對臨界溫度、節(jié)點(diǎn)濕度、有毒氣體等監(jiān)控關(guān)鍵因子進(jìn)行告警管理；二是系統(tǒng)通過不同階段家蠶生長發(fā)育狀態(tài)樣本學(xué)習(xí)訓(xùn)練，有針對性地提供精準(zhǔn)養(yǎng)蠶方案，包括發(fā)育階段甄別、標(biāo)準(zhǔn)校正、發(fā)育狀態(tài)預(yù)測、技術(shù)措施、操作模擬等預(yù)測管理。

3.3 輔助決策

把用戶的需求問題轉(zhuǎn)化為方便查詢、咨詢的知識和規(guī)則，建成規(guī)模化養(yǎng)蠶知識庫、標(biāo)準(zhǔn)庫，提供給管理系統(tǒng)平臺。管理用戶既可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器或移動APP訪問知識信息系統(tǒng)，接受知識查詢、專家咨詢、仿真學(xué)習(xí)、在線問答等專業(yè)化技術(shù)服務(wù)，也可以現(xiàn)場反饋養(yǎng)蠶環(huán)境和家蠶生長發(fā)育狀態(tài)實(shí)景，及時上傳生產(chǎn)過程中的疑難問題的相關(guān)信息，在接受系統(tǒng)專家指導(dǎo)的同時，不斷豐富系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

4 結(jié)果與分析

本系統(tǒng)在江蘇省蠶種管理所、江蘇富安繭絲綢公司、江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鹽城生物工程分院以及鹽城工學(xué)院、鹽城思源網(wǎng)絡(luò)科技有限公司等單位參與下，進(jìn)行了綜合實(shí)驗和分析。設(shè)計表明，通過引入基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)來識別不同類型的養(yǎng)蠶環(huán)境和家蠶生長發(fā)育狀態(tài)，結(jié)合用戶移動APP應(yīng)用，通過計算機(jī)綜合數(shù)據(jù)處理，全方位輸出、提供技術(shù)服務(wù)和管理方案，作用于簡化分類模型的智能訓(xùn)練，在養(yǎng)蠶環(huán)境和家蠶生長發(fā)育管理中的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)采集、典型樣本學(xué)習(xí)、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫完善、智能監(jiān)控管理、快速響應(yīng)調(diào)控、專家決策提供等方面取得了顯著的成效，大大提高了規(guī)?；B(yǎng)蠶智能管理水平和生產(chǎn)效益。

4.1 數(shù)據(jù)庫更豐富

依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過樣本學(xué)習(xí)算法實(shí)時對養(yǎng)蠶環(huán)境因子和家蠶生長發(fā)育狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸、對比、學(xué)習(xí)、存儲、更新，通過智能控制平臺（現(xiàn)場或遠(yuǎn)程）提供用戶需要的管理信息，或發(fā)出超值報警信息。調(diào)查表明，養(yǎng)蠶常規(guī)生產(chǎn)條件下，智能監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確率可達(dá)97.83%，標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)校正率可達(dá)86.36%，針對規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化養(yǎng)蠶生產(chǎn)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存儲量可提高17.55倍，應(yīng)用效果大大超出人工操作速度和效率。

4.2 安全性能更高

規(guī)?；B(yǎng)蠶智能監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以達(dá)到全方位無人值守的效果，而且通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合算法，及時校準(zhǔn)養(yǎng)蠶環(huán)境和家蠶生長發(fā)育狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，大大提高了養(yǎng)蠶生產(chǎn)的精準(zhǔn)度和安全性。同時，系統(tǒng)的全方位實(shí)景監(jiān)控和偏差自我糾錯處理，實(shí)現(xiàn)了提前預(yù)警和異常警戒功能，保證了快速響應(yīng)、指令精準(zhǔn)的高效管理要求，增加了數(shù)據(jù)更新的靈活性和運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4.3 生產(chǎn)決策準(zhǔn)

通過設(shè)置與蠶桑專業(yè)群數(shù)據(jù)庫（專業(yè)群知識庫和圖片規(guī)則庫、參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)庫）的傳輸接口，順利將專業(yè)群知識納入機(jī)器智能管理系統(tǒng)。用戶通過現(xiàn)場瀏覽器界面或遠(yuǎn)程客戶終端，可以隨時訪問、上傳知識信息，實(shí)時進(jìn)行知識查詢、技術(shù)學(xué)習(xí)、仿真觀摩、案例分析、專家咨詢或開展在線問答。系統(tǒng)應(yīng)用不僅實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；B(yǎng)蠶的智能監(jiān)控管理，而且進(jìn)一步優(yōu)化了產(chǎn)業(yè)化養(yǎng)蠶生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)方案，促進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用的實(shí)時更新。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計結(jié)合規(guī)?；B(yǎng)蠶生產(chǎn)實(shí)景開發(fā)，應(yīng)用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、樣本深度學(xué)習(xí)算法、大數(shù)據(jù)近似計算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)蠶生產(chǎn)規(guī)?；⒕珳?zhǔn)化、智能化管理，大大提高了養(yǎng)蠶產(chǎn)業(yè)化、自動化管理水平和生產(chǎn)效益。系統(tǒng)通過開發(fā)者平臺，使規(guī)模化養(yǎng)蠶技術(shù)分類模型訓(xùn)練自動化，進(jìn)一步提高了典型樣本學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)模糊處理的質(zhì)量，但仍然存在養(yǎng)蠶技術(shù)數(shù)據(jù)量不多、監(jiān)測內(nèi)容不豐富、典型特征提取困難、數(shù)據(jù)冗余多、數(shù)據(jù)共享低等問題，需要進(jìn)一步加大推廣應(yīng)用，充分利用農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)近似計算，進(jìn)一步提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和預(yù)測的精準(zhǔn)度、適應(yīng)性。