李欣澤，鄧 昀，陳守學(xué)

（桂林理工大學(xué)，廣西 桂林 541006）

我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中普遍存在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的整體水平低，農(nóng)業(yè)發(fā)展不平衡，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中浪費(fèi)人力物力，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化程度低等問題。我國農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)，水土資源束縛日益嚴(yán)峻，不正確的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式還可能會(huì)導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境污染加重，生態(tài)系統(tǒng)遭受較大程度破壞，因此目前的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)需要向更專業(yè)化、更智能化的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)型，推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀

智慧農(nóng)業(yè)是根據(jù)農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)及林業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需求及現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀，采用頂層設(shè)計(jì)、統(tǒng)一規(guī)劃，建設(shè)統(tǒng)一資源數(shù)據(jù)系統(tǒng)、統(tǒng)一平臺(tái)，分部門實(shí)施，分系統(tǒng)建設(shè)，提供統(tǒng)一集成服務(wù)、統(tǒng)一運(yùn)營維護(hù)，綜合應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、智能控制、智能決策、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、衛(wèi)星遙感等現(xiàn)代信息技術(shù)的新型農(nóng)業(yè)。

智慧農(nóng)業(yè)最大的特點(diǎn)就是使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更智慧化、信息化，保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)常應(yīng)用于：（1）對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的數(shù)據(jù)監(jiān)控。智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中能夠準(zhǔn)確地獲得植物生長發(fā)育的條件和環(huán)境狀況，例如土壤電導(dǎo)率、溫濕度、環(huán)境溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向等環(huán)境要素，然后通過人們長時(shí)間從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中的經(jīng)驗(yàn)以及大數(shù)據(jù)所帶來的預(yù)測，能夠有效地為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供科學(xué)的信息。（2）農(nóng)業(yè)危害狀況的預(yù)防。智慧農(nóng)業(yè)能夠有效避免受自然原因和人為原因的影響，為農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供有效的控制方法。（3）農(nóng)業(yè)病蟲害識(shí)別檢測。農(nóng)作物健康狀況一直在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中備受關(guān)注，部分智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)具備病蟲害識(shí)別檢測系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確識(shí)別農(nóng)作物病蟲害類型。

2 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)建設(shè)主要內(nèi)容

系統(tǒng)主要包括環(huán)境信息監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)測系統(tǒng)、氣象監(jiān)測系統(tǒng)、病蟲害視頻監(jiān)測系統(tǒng)、管理決策系統(tǒng)。

2.1 環(huán)境信息監(jiān)控系統(tǒng)

環(huán)境信息監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 環(huán)境信息監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

（1）空氣溫濕度監(jiān)測功能：實(shí)時(shí)監(jiān)測園區(qū)空氣的溫度和濕度。

（2）土壤濕度監(jiān)測功能：土壤濕度采集節(jié)點(diǎn)配有土壤濕度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測園區(qū)土壤的濕度。

（3）光照度監(jiān)測功能：光照度采集節(jié)點(diǎn)采用光敏電阻來實(shí)現(xiàn)對園區(qū)光照情況的檢測。

（4）土壤pH監(jiān)測功能：土壤pH采集節(jié)點(diǎn)采用土壤pH傳感器來實(shí)現(xiàn)對園區(qū)土壤pH情況的檢測。

（5）控制風(fēng)扇促進(jìn)植物光合作用功能：植物光合作用需要光照和二氧化碳。當(dāng)光照度達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開啟風(fēng)扇加強(qiáng)通風(fēng)，為植物提供充足的二氧化碳。

（6）控制加濕器給空氣加濕功能：如果空氣濕度小于設(shè)定值，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)加濕器，達(dá)到設(shè)定值后便停止加濕。

（7）控制噴淋裝置給土壤加濕功能：當(dāng)土壤濕度低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)便啟動(dòng)噴淋裝置來噴水，直到濕度達(dá)到設(shè)定值為止。

（8）控制加熱器給環(huán)境升溫功能：當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)便啟動(dòng)加熱器來升溫，直到溫度達(dá)到設(shè)定值為止。

2.2 視頻監(jiān)測系統(tǒng)

視頻監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 視頻監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

在園區(qū)內(nèi)安裝高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)，攝像頭實(shí)時(shí)捕獲農(nóng)田、溫室大棚內(nèi)部的畫面，通過高速IP網(wǎng)絡(luò)將畫面數(shù)據(jù)傳輸給控制中心視頻編解碼模塊處理。管理人員、農(nóng)業(yè)專家可以在液晶顯示器上看到農(nóng)田、溫室大棚內(nèi)部的實(shí)時(shí)畫面；可按設(shè)定頻率拍照，并上傳照片。視頻、圖片保存在存儲(chǔ)服務(wù)器中，可以實(shí)現(xiàn)視頻信息的長期存儲(chǔ)和方便調(diào)用。

2.3 氣象監(jiān)測系統(tǒng)

基于4G技術(shù)、風(fēng)光互補(bǔ)的無外插電源野外氣象站，實(shí)時(shí)監(jiān)測氣象信息，實(shí)時(shí)采集園區(qū)大氣溫濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、光照、輻射以及降雨量，并通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制中心進(jìn)行處理。控制中心通過作物生產(chǎn)控制模型對作物生長態(tài)勢進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)字化處理，以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)防災(zāi)減災(zāi)和生產(chǎn)管理。風(fēng)光互補(bǔ)多網(wǎng)融合野外氣象站設(shè)備原理框圖如圖3所示。

圖3 風(fēng)光互補(bǔ)多網(wǎng)融合野外氣象站設(shè)備原理框圖

2.4 病蟲害視頻監(jiān)測系統(tǒng)

基于視頻圖像處理，以蘋果、櫻桃、葡萄三種水果葉片的病蟲害為研究對象，首先基于LeNet-5網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單11層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用于葉片病蟲害的識(shí)別。經(jīng)過了25批次訓(xùn)練4650次迭代后，在訓(xùn)練集的正確率近乎為1，驗(yàn)證集上的正確率為90%。LeNet-5網(wǎng)絡(luò)模型在用于未經(jīng)訓(xùn)練的數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)測試時(shí)，有害葉片病癥的識(shí)別率卻極低，這是因?yàn)樵撃Ｐ痛嬖跀?shù)據(jù)量過少造成的過擬合現(xiàn)象，因此引入數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)與遷移學(xué)習(xí)思想來解決該模型的過擬合問題，利用了數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)與遷移學(xué)習(xí)思想以VGGNet-16與Inception V3模型進(jìn)行微調(diào)，分別取得了92%與94.8%的識(shí)別率，該方法為以后在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)大棚農(nóng)作物視頻監(jiān)測界面如圖4所示。

圖4 農(nóng)業(yè)大棚農(nóng)作物視頻監(jiān)測界面

2.5 管理決策系統(tǒng)

完成對各種數(shù)據(jù)的展示、分析和決策指揮，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。其架構(gòu)如圖5所示。

圖5 管理決策系統(tǒng)架構(gòu)圖

（1）數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)：對測量、采集到的傳感器、氣象、視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理查詢。

（2）現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程控制：常用的現(xiàn)場設(shè)備包括風(fēng)機(jī)、水閥、加濕器、加熱器等，這些設(shè)備均可以通過信號(hào)線進(jìn)行控制，服務(wù)器發(fā)送的指令被轉(zhuǎn)化成控制信號(hào)后即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟動(dòng)/關(guān)閉現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3）現(xiàn)場設(shè)備的自動(dòng)控制：除了手工發(fā)送指令之外，系統(tǒng)還能夠根據(jù)檢測到的環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)控制現(xiàn)場設(shè)備的啟動(dòng)/關(guān)閉。用戶可以自定義溫濕度、光照、CO2濃度等指標(biāo)的上限值、下限值，并定義當(dāng)指標(biāo)超過上限或者下限時(shí)，現(xiàn)場設(shè)備如何響應(yīng)（啟動(dòng)/關(guān)閉）。

（4）專家在線分析指導(dǎo)診斷系統(tǒng)：基于視頻監(jiān)測平臺(tái)，以及數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，農(nóng)業(yè)專家在遠(yuǎn)程可以實(shí)時(shí)查看園區(qū)內(nèi)的各種數(shù)據(jù)（溫度、濕度、光照、水量、作物生長視頻記錄），判斷是否是適合作物生長的最佳條件，通過遠(yuǎn)程視頻系統(tǒng)查看作物病蟲害問題，實(shí)現(xiàn)專家在線指導(dǎo)診斷。現(xiàn)場設(shè)備遠(yuǎn)程控制圖如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場設(shè)備遠(yuǎn)程控制圖

3 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用

3.1 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)控中的應(yīng)用

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)方式進(jìn)行農(nóng)業(yè)環(huán)境的監(jiān)控時(shí)普遍使用人工管理方式較多，而我們團(tuán)隊(duì)研發(fā)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由部署在農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的各種傳感器，包括土壤溫濕度傳感器、土壤pH傳感器、二氧化碳傳感器、光照傳感器等采集農(nóng)業(yè)環(huán)境中的數(shù)據(jù)，通過團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的多網(wǎng)融合數(shù)據(jù)傳輸方案進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不但可以實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控，還可以保證數(shù)據(jù)傳輸過程中的可靠性，多網(wǎng)融合數(shù)據(jù)傳輸方法解決傳輸距離短、數(shù)據(jù)單一、遠(yuǎn)程供電困難等一系列問題，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)監(jiān)控智能化、專業(yè)化。

3.2 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)可視化管理中的應(yīng)用

將農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中采集到的各種環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、統(tǒng)計(jì)以及分析是智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的重中之重，智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)即可以實(shí)現(xiàn)對采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、同比分析、環(huán)比分析的功能，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測采集數(shù)據(jù)，對比農(nóng)作物、植物的適宜生長條件，判斷當(dāng)前環(huán)境是否適合作物生長的最佳條件，并給出調(diào)整意見。

3.3 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的“智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)”是基于云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，建設(shè)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控、智能節(jié)水灌溉、云平臺(tái)等系統(tǒng)。系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)換為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)設(shè)備，將團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的多網(wǎng)融合數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)中涉及的知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為教學(xué)案例素材，加深高校學(xué)生對于智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的應(yīng)用與理解。

4 結(jié)束語

綜上所述，智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在多方面多角度都提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率，在一定程度上解決了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展問題，具有一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，未來也將有廣闊的發(fā)展空間，值得我們不斷研究與探索。