王俊博，杜洪波，梁振華，戴煜仁

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)軟件學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；2.沈陽工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

1 引言(Introduction)

“三農(nóng)”工作是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的重中之重。目前，我國(guó)的糧食產(chǎn)量問題已經(jīng)得到基本解決，但是隨著人們對(duì)食物的要求越來越高，提高農(nóng)作物質(zhì)量的任務(wù)變得愈加艱巨?，F(xiàn)階段，導(dǎo)致農(nóng)作物質(zhì)量下降的原因主要有兩個(gè)：一是人工培育無法精準(zhǔn)地調(diào)動(dòng)外部環(huán)境因素(如水、光和環(huán)境溫度等)，二是害蟲對(duì)于農(nóng)作物的侵害。所以，需要將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在溫室大棚中，使農(nóng)作物在適宜的環(huán)境中茁壯生長(zhǎng)，從而提升產(chǎn)量和品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)效益[1]。

為了保證接收數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，采用ZigBee技術(shù)進(jìn)行大容量組網(wǎng)，遠(yuǎn)程控制大棚內(nèi)部農(nóng)業(yè)設(shè)施，最終完成設(shè)施對(duì)于農(nóng)作物生產(chǎn)條件的感知、判斷與即時(shí)處理[2]。長(zhǎng)期噴灑農(nóng)藥會(huì)導(dǎo)致土壤板結(jié)，使農(nóng)作物生長(zhǎng)受到影響，所以需要結(jié)合應(yīng)用智能監(jiān)測(cè)與大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)病蟲害類型的自動(dòng)識(shí)別，并給出相應(yīng)的防治措施[3]。該研究從環(huán)境調(diào)節(jié)和外在保護(hù)兩方面鎖定了農(nóng)作物的生長(zhǎng)趨勢(shì)，讓本產(chǎn)品使用更為合理。

2 智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)概念(Internet of Things concept of the intelligent agriculture)

智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高級(jí)階段，是集新興的互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為一體，依托部署在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種傳感節(jié)點(diǎn)(環(huán)境溫濕度、土壤水分、二氧化碳、圖像等)和無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能感知、智能預(yù)警、智能決策、智能分析、專家在線指導(dǎo)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精準(zhǔn)化種植、可視化管理、智能化決策。其中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)的應(yīng)用較為廣泛，具體體現(xiàn)在智慧農(nóng)業(yè)通過應(yīng)用基于物聯(lián)網(wǎng)的先進(jìn)技術(shù)和解決方案，實(shí)時(shí)收集并分析現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)供生產(chǎn)決策的方式，達(dá)到提升運(yùn)營(yíng)效率、擴(kuò)大收益、降低損耗的目的。近年來，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智能灌溉、智能溫室等多種基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用都已獲得初步成效，在智能溫室應(yīng)用場(chǎng)景，目前可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)度較高的設(shè)備自動(dòng)化管理，例如對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)水、補(bǔ)光及提供相關(guān)環(huán)境狀況預(yù)警及自動(dòng)調(diào)節(jié)大棚內(nèi)環(huán)境等功能。

3 智慧農(nóng)業(yè)預(yù)警及其自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)需求分析(Demand analysis of intelligent agricultural early warning and its automatic adjustment system)

智能溫室預(yù)警及其自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化農(nóng)業(yè)管理的重要平臺(tái)，其能夠保證資源的合理分配，在農(nóng)作物種植培育的過程中受外部環(huán)境變量(例如光照度、水分狀態(tài)及溫室內(nèi)透氣情況)帶來的影響較大，而人工和部分自動(dòng)化培育方式不能應(yīng)時(shí)地關(guān)注農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況，那么，智能溫室具有的提前預(yù)警及相應(yīng)的自動(dòng)處理功能保證農(nóng)作物一直處在理想的生長(zhǎng)環(huán)境中。目前，一套較為完善的智能溫室系統(tǒng)通常包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理及智能控制等功能，本研究的具體功能如圖1所示[4]。

圖1 智能溫室功能實(shí)現(xiàn)流程Fig.1 Function realization process of intelligent greenhouse

數(shù)據(jù)采集功能主要包含對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境變量信息的采集，例如土壤溫度和濕度、光照度、害蟲出現(xiàn)頻率等；利用無線傳輸功能將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，便于人工的監(jiān)測(cè)，同時(shí)工作人員也可以操控云平臺(tái)對(duì)溫室內(nèi)部具體模塊發(fā)出指令，即人為可干預(yù)農(nóng)作物培育，使農(nóng)作物處于適宜的生長(zhǎng)環(huán)境中[5]；數(shù)據(jù)處理是將平臺(tái)數(shù)據(jù)按時(shí)間順序進(jìn)行整理及歸納等，例如工作人員可以在平臺(tái)實(shí)時(shí)觀測(cè)病蟲害發(fā)生頻率；智能控制指的是系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)人員在各個(gè)傳感器模塊中設(shè)定適宜的農(nóng)作物生長(zhǎng)閾值，傳感器接收數(shù)據(jù)并判斷目前的生長(zhǎng)環(huán)境是否符合閾值參數(shù)，然后進(jìn)行下一步的自動(dòng)化處理，即智能灌溉、智能補(bǔ)光、害蟲及溫控預(yù)警等，上述操作人工亦可加以干預(yù)[6]。

4 智慧農(nóng)業(yè)預(yù)警及其自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要功能介紹(Introduction to the main functions of intelligent agricultural early warning and its automatic adjustment system)

(1)自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能。自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能可以實(shí)現(xiàn)全天不間斷監(jiān)測(cè)，依托傳感器自動(dòng)獲取農(nóng)業(yè)種植的土壤溫度、濕度、二氧化碳濃度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過通信模塊遠(yuǎn)程傳輸?shù)皆破脚_(tái)，云平臺(tái)將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫中。用戶可通過云平臺(tái)、微信小程序客戶端實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)，以及對(duì)歷史數(shù)據(jù)做對(duì)比和分析。

(2)視頻監(jiān)控功能。系統(tǒng)通過攝像頭可以對(duì)大棚進(jìn)行全景實(shí)時(shí)監(jiān)控，用戶可以在云平臺(tái)實(shí)時(shí)觀看或回放遠(yuǎn)程視頻，用戶通過攝像頭可以觀看農(nóng)作物生長(zhǎng)及設(shè)備運(yùn)行情況，同時(shí)基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)目標(biāo)葉片遭受病蟲害的面積，通過分析后判斷是否需要進(jìn)行農(nóng)藥噴灑防治病蟲害，還能通過小程序報(bào)警，第一時(shí)間通知用戶種植情況，進(jìn)而幫助用戶更好的管理農(nóng)作物，減少損失、提高產(chǎn)量。

(3)智能控制功能。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的環(huán)境數(shù)據(jù)和系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不在設(shè)置數(shù)據(jù)范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)控制大棚補(bǔ)光、補(bǔ)水、通風(fēng)等設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行，讓農(nóng)作物處于最適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)將設(shè)備的自啟動(dòng)日志提交到云平臺(tái)上，方便用戶查看。

(4)預(yù)警報(bào)警功能。當(dāng)監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)超過用戶設(shè)置環(huán)境參數(shù)范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過蜂鳴器、云平臺(tái)、微信小程序等方式報(bào)警通知用戶，讓用戶第一時(shí)間了解環(huán)境情況，用戶通過報(bào)警信息可采取相應(yīng)措施，減少不必要的損失，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處于系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置數(shù)據(jù)區(qū)間時(shí)，會(huì)停止報(bào)警信息的發(fā)送。

5 智慧農(nóng)業(yè)預(yù)警及其自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(Design of intelligent agricultural early warning and its automatic adjustment system)

5.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)框架圖如圖2所示，主要構(gòu)成部分有無線傳感器采集數(shù)據(jù)模塊、網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)智能監(jiān)測(cè)中心。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)框架圖Fig.2 Framework of intelligent agricultural greenhouse system based on Internet of Things

傳感器通過對(duì)農(nóng)田環(huán)境的感知，將收集到的數(shù)據(jù)匯總給主機(jī)，并將數(shù)據(jù)通過Arduino連接的發(fā)射端轉(zhuǎn)發(fā)至云平臺(tái)和小程序端。如果溫室大棚規(guī)模較大，傳感器的數(shù)量會(huì)相對(duì)較多，可以在傳感器中間安裝緩沖數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，將各部分?jǐn)?shù)據(jù)先進(jìn)行分析處理。傳感器通過ZigBee無線網(wǎng)上協(xié)議與終端進(jìn)行互通作業(yè)。服務(wù)管理平臺(tái)對(duì)傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)的分析后，再根據(jù)大棚系統(tǒng)之前設(shè)定的最優(yōu)閾值數(shù)進(jìn)行分析與對(duì)比，最后得出結(jié)果，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)行智能識(shí)別和操作[7]。

5.2 軟件設(shè)計(jì)

5.2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

平臺(tái)采用B/S的模式結(jié)構(gòu)，考慮到設(shè)備網(wǎng)絡(luò)環(huán)境問題，平臺(tái)采用報(bào)文較短的MQTT協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，MQTT消息隊(duì)列作為中間件與設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信交互，增加心跳等機(jī)制，對(duì)設(shè)備的意外下線能夠及時(shí)處理。

云平臺(tái)服務(wù)端如圖3所示，使用JAVA語言完成，相較于其他語言，其開發(fā)速度快、系統(tǒng)性能好。云平臺(tái)客戶端分為兩個(gè)終端，用戶可以在瀏覽器上使用云平臺(tái)監(jiān)控和查看系統(tǒng)的每個(gè)模塊，頁面操作簡(jiǎn)潔易懂，方便用戶使用。

圖3 智慧農(nóng)業(yè)云平臺(tái)端Fig.3 Cloud platform of intelligent agriculture

手機(jī)客戶端如圖4所示，采用微信小程序云開發(fā)，使用VUE漸進(jìn)式框架實(shí)現(xiàn)小程序開發(fā)，通過MQTT接口實(shí)現(xiàn)擬實(shí)體與服務(wù)的雙向通信，實(shí)時(shí)監(jiān)控大棚內(nèi)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，完成指令傳遞、數(shù)據(jù)收發(fā)、消息同步等功能，通過控制過程實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的操作；小程序云開發(fā)操作簡(jiǎn)單、維護(hù)量小。

圖4 智慧農(nóng)業(yè)微信小程序端Fig.4 WeChat applet of intelligent agriculture

5.2.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過MySQL數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)智慧大棚內(nèi)的生產(chǎn)環(huán)境、操作等信息，然后在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建多個(gè)表，用于存儲(chǔ)大棚內(nèi)數(shù)據(jù)和關(guān)鍵設(shè)備啟動(dòng)日志。使用NGINX轉(zhuǎn)發(fā)攝像頭ONVIF協(xié)議數(shù)據(jù)流，可以實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)視頻的實(shí)時(shí)觀看。

5.3 硬件設(shè)計(jì)

采用Arduino單片機(jī)為內(nèi)核，搭配各種傳感器和操作模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能。

傳感器模塊：由于需要對(duì)大棚內(nèi)的環(huán)境變化數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所以研究人員設(shè)計(jì)了自動(dòng)化補(bǔ)光和控溫及補(bǔ)水模塊，采用光學(xué)傳感器和溫、濕度傳感器，獲取光照溫度和環(huán)境濕度信息，通過數(shù)據(jù)傳輸模塊將這些信息上傳到云端數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)后臺(tái)記錄的農(nóng)作物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)指定對(duì)應(yīng)的操作模塊進(jìn)行對(duì)應(yīng)操作，降低了管理成本。

數(shù)據(jù)傳輸模塊：傳輸模塊采用NB-lot模組BC20物聯(lián)網(wǎng)通信模塊，通過手機(jī)端小程序及時(shí)為管理人員提供實(shí)時(shí)農(nóng)作物的生長(zhǎng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)農(nóng)業(yè)管理者的要求對(duì)大棚內(nèi)的響應(yīng)模塊進(jìn)行調(diào)控。

自動(dòng)化模塊：自動(dòng)化模塊采用自行設(shè)計(jì)的機(jī)械裝置，根據(jù)傳感器指令執(zhí)行相關(guān)操作，二氧化碳及氧氣補(bǔ)充裝置外接二氧化碳和氧氣補(bǔ)充瓶，通過單片機(jī)下達(dá)指令控制開合閥門進(jìn)行調(diào)控，補(bǔ)光裝置外接光源設(shè)備，由單片機(jī)內(nèi)核控制光源的開關(guān)及調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，自動(dòng)補(bǔ)水裝置同理。

圖像識(shí)別模塊：通過安裝攝像頭對(duì)農(nóng)田中的生物進(jìn)行外觀捕獲并對(duì)比數(shù)據(jù)庫中的生物樣本，定點(diǎn)識(shí)別對(duì)農(nóng)作物不利的生物，通過單片機(jī)下達(dá)指令進(jìn)行消滅并上傳數(shù)據(jù)至云端數(shù)據(jù)庫，云端數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)以便于管理者能清晰地了解農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境變化。通過攝像頭也可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)非法進(jìn)入者，實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)時(shí)報(bào)警，避免遭受不必要的損失。

5.4 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)服務(wù)器操作系統(tǒng)采用Linux Ubuntu 18.04，數(shù)據(jù)庫采用云數(shù)據(jù)庫MySQL 8.0，使用Vue框架搭配使用Element-UI對(duì)云平臺(tái)客戶端進(jìn)行開發(fā)，使用Vue框架開發(fā)微信小程序。

5.4.1 數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用NB-IoT的BC20模塊用于雙向通信，將模塊設(shè)置為PSM模式，當(dāng)串口中斷觸發(fā)時(shí)，即可接收監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采集的溫度、濕度、PH值等信息。模塊與服務(wù)器建立鏈接后，模塊即可發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器，移動(dòng)端使用MQTT協(xié)議發(fā)布信息與監(jiān)聽topic接收消息。移動(dòng)端連接服務(wù)器主要代碼如下:

5.4.2 系統(tǒng)報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)

當(dāng)移動(dòng)端接收監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過用戶設(shè)置環(huán)境參數(shù)范圍時(shí)，系統(tǒng)開啟蜂鳴器并且向小程序端進(jìn)行報(bào)警通知，能夠讓用戶及時(shí)采取措施，減少損失。報(bào)警主要代碼如下：

5.4.3 害蟲圖像檢測(cè)

采用GrabCut算法去除前景與背景相似時(shí)的背景，圖片加載后，害蟲會(huì)被包圍在一個(gè)矩形框內(nèi)，框外的圖像則被去除，最終對(duì)于害蟲進(jìn)行標(biāo)記，再利用下式高斯混合模型對(duì)前景和背景進(jìn)行模擬并進(jìn)行新的像素分布生成[8]。

5.5 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用的是多種傳感器(溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器等)監(jiān)測(cè)并自動(dòng)化調(diào)節(jié)的方式管理溫室大棚，主要連結(jié)點(diǎn)是將Arduino平臺(tái)搭載多種傳感器進(jìn)行預(yù)警及自動(dòng)補(bǔ)水、補(bǔ)光等操作，并最終上傳數(shù)據(jù)到云平臺(tái)，完成云平臺(tái)與移動(dòng)端之間的交互，形成可視化界面。

本系統(tǒng)使用了溫度、濕度、光照度等傳感器，因此相關(guān)代碼的設(shè)計(jì)需要整合，傳感器主要應(yīng)用代碼如下。

溫濕度傳感器主要代碼如下:

網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)器主要代碼如下:

6 結(jié)論(Conclusion)

為了順應(yīng)農(nóng)業(yè)信息化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚管理裝置，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程對(duì)農(nóng)作物的自動(dòng)化管理，以及諸如土壤溫度、濕度和當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)等信息的采集，此外對(duì)自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化和升級(jí)，能實(shí)時(shí)對(duì)農(nóng)作物當(dāng)前的生長(zhǎng)狀況進(jìn)行判斷并進(jìn)行自動(dòng)化精確處理。此外，增加的蟲害管制系統(tǒng)也能對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)期間易滋生的害蟲進(jìn)行及時(shí)的上報(bào)和處理，保證農(nóng)作物的安全生產(chǎn)。