賴揚(yáng)東 ，鐘海鴻 ，張京玲 ，侯飛龍 ，陳惠玲

（五邑大學(xué)智能制造學(xué)部，廣東 江門 529020）

0 引言

智慧農(nóng)業(yè)是“十四五”規(guī)劃期間農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展的主攻方向[1]，以信息化引領(lǐng)驅(qū)動農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化，助力鄉(xiāng)村全面振興。為順應(yīng)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢，針對傳統(tǒng)地膜回收難的問題，本文設(shè)計了一種監(jiān)控作物生長的可伸縮多功能地膜系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32主控芯片，結(jié)合AI 計算云端，具有菜地生長監(jiān)控、自動換膜、智能灌溉等功能。本設(shè)計有如下創(chuàng)新點：

1）采用紅外激光測量作物高度，能夠幫助農(nóng)戶做出移植或者增肥的決策，可通過手機(jī)終端查看作物，降低錯過補(bǔ)救機(jī)會的可能性，提高農(nóng)戶的工作效率。

2）地膜擁有伸縮組裝功能，體型小，環(huán)境適配性高，相對大棚來說，節(jié)約了菜地整體搭建成本。

3）采用專門針對農(nóng)田的環(huán)境檢測控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)光照控制地膜透光率，根據(jù)土壤濕度控制滴灌速率。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

監(jiān)控作物生長的可伸縮多功能地膜系統(tǒng)由中央控制平臺、地膜更換控制系統(tǒng)、激光陣列、智能澆灌系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、通信模塊和手機(jī)App 等組成。地膜系統(tǒng)框圖，如圖1所示。

本系統(tǒng)的激光測距模塊利用激光測距原理監(jiān)測作物的生長情況，可以更全面地獲取農(nóng)作物的生長高度和寬度，結(jié)合基于ST-LSTM 的植物生長發(fā)育預(yù)測模型，能夠幫助農(nóng)戶做出移植或者增肥的決策，并預(yù)測統(tǒng)計收成情況。

在智能控制方面，地膜更換控制模塊可根據(jù)當(dāng)前的光照值去適配相應(yīng)的地膜。智能灌溉系統(tǒng)可通過ZigBee整合環(huán)境數(shù)據(jù)去適配水泵的滴灌速率。

圖1 地膜系統(tǒng)框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主控電路

監(jiān)控作物生長的多功能可伸縮地膜系統(tǒng)的硬件主控制板由主控芯片STM32、光照強(qiáng)度檢測模塊、NBIoT 通信模塊、ESP32CAM 圖傳模塊、ZigBee模組、電機(jī)驅(qū)動模塊組成。該硬件系統(tǒng)還可通過ZigBee 模組與激光測距系統(tǒng)、環(huán)境檢測控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。硬件系統(tǒng)框圖，如圖2 所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

2.2 激光測距系統(tǒng)

激光測距系統(tǒng)利用了激光矩陣，可以通過多個紅外測量模塊VL53L0X 捕捉作物位置獲得作物的三維高度數(shù)據(jù)集合，構(gòu)建作物的三維圖[2]。地膜系統(tǒng)激光采集模塊圖，如圖3所示。

圖3 地膜系統(tǒng)激光采集模塊圖

執(zhí)行測距任務(wù)時，步進(jìn)電機(jī)會帶動橫桿以2 cm/s的速度在菜地兩端移動，不斷用激光陣列對地面進(jìn)行掃描，每隔1 s 獲取一次距離S，并將其發(fā)送到主控芯片，再計算出農(nóng)作物的高度L，保存起來，重復(fù)此過程。主控核心根據(jù)每次掃描的結(jié)果，先計算農(nóng)作物的高度L，構(gòu)建高度矩陣A，再通過遍歷的方式獲知最大值Lmax、最小值Lmin和農(nóng)作物的寬度D。激光測距原理示意圖，如圖4所示。

圖4 激光測距原理示意圖

2.3 可伸縮組裝框架

整個地膜框架下部分有一組專門控制高度的伸縮電機(jī)模塊，當(dāng)接收到升降請求的時候可以做出相應(yīng)的操作。地膜系統(tǒng)的膜采用不同透光率的可重復(fù)使用薄膜拼接而成，當(dāng)薄膜電機(jī)組接收到來自主控核心的指令時，會根據(jù)指令做出相對應(yīng)的操作。系統(tǒng)更換薄膜的動力來自電機(jī)模組，電機(jī)模組在核心板的指令下控制電機(jī)帶動轉(zhuǎn)軸進(jìn)行正反轉(zhuǎn)更換薄膜。地膜可伸縮組裝機(jī)械框架結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。

2.4 環(huán)境檢測控制系統(tǒng)

環(huán)境檢測控制的硬件設(shè)計包括了主控芯片、通信模塊、水泵、DHT11 空氣溫濕度檢測模塊、SGP30 氣體傳感器模塊、DS18B20 溫度傳感器模塊、B-LUXV30B 光照強(qiáng)度檢測模塊。環(huán)境檢測控制系統(tǒng)硬件框圖，如圖6所示。

圖5 地膜可伸縮組裝機(jī)械框架結(jié)構(gòu)圖

圖6 環(huán)境檢測控制系統(tǒng)硬件框圖

當(dāng)檢測到的整合數(shù)據(jù)值低于設(shè)定值時，主控板會按照設(shè)定的程序發(fā)送指令給蓄水箱中的水泵，將儲存在蓄水箱中的水調(diào)用到地膜內(nèi)部的管道進(jìn)行滴灌，以調(diào)節(jié)土壤溫濕度。若光照強(qiáng)度需要調(diào)節(jié)，主控板則發(fā)送指令控制電機(jī)驅(qū)動板轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)軸，使合適透光率的薄膜能夠轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置，實現(xiàn)光照強(qiáng)度的調(diào)整[3]。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 云服務(wù)器和App設(shè)計

本系統(tǒng)的服務(wù)器功能是基于目前較為成熟的阿里云平臺進(jìn)行開發(fā)的，利用阿里云平臺實現(xiàn)了后端服務(wù)器功能，并且對接阿里云IoT 平臺，儲存系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，地膜系統(tǒng)、手機(jī)App 通過MQTT通信協(xié)議與阿里云IoT 平臺進(jìn)行對接，在此平臺上對地膜系統(tǒng)及其他相關(guān)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一集中的管理，用戶可以在此平臺上對設(shè)備進(jìn)行開啟、關(guān)閉和查看設(shè)備運(yùn)行返回數(shù)據(jù)等操作。

3.2 基于激光測距的作物處理決策算法

本系統(tǒng)使用了激光測距獲得的作物高度二維點，結(jié)合攝像頭捕獲植物色彩，用于生成作物的俯視時序圖[4]，使用基于ST-LSTM 的植物生長發(fā)育預(yù)測模型預(yù)測作物正常的生長狀況[5-6]，以均方誤差、峰值信噪比和結(jié)構(gòu)相似性為參照，與實際的作物生長狀況進(jìn)行對比分析。其中，均方誤差、峰值信噪比評估了實際與預(yù)測圖像之間的像素差異度，峰值信噪比越高，預(yù)測圖像越接近實際圖像[7-9]；結(jié)構(gòu)相似性用于衡量結(jié)構(gòu)信息在圖像上的差異。最后，根據(jù)分析結(jié)果將作物的生長狀況反饋給用戶。作物生長決策系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖7所示。

圖7 作物生長決策系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

使用j個歷史時刻的作物圖像序列It-j+1:t來預(yù)測未來k個時刻的作物生長圖像序列^It+1:t+k，預(yù)測公式如式（1）所示。

式中，It表示每個作物在t時刻的RGB 俯視圖像，，m×n為RGB 圖像尺寸；argmax 是函數(shù)f(x)取得最大值的x點集，^It+1為t+1 時刻預(yù)測的作物圖像，p為貝葉斯概率。

植物生長發(fā)育預(yù)測模型由作物俯視時序圖輸入層、卷積層、ST-LSTM 網(wǎng)絡(luò)隱含層和輸出層組成。首先，將歷史j個時刻的作物圖像序列輸入到卷積層進(jìn)行卷積運(yùn)算；其次，輸出到ST-LSTM 網(wǎng)絡(luò)隱含層，對作物的時空特征進(jìn)行提?。辉俅?，輸出到卷積層，連接到ST-LSTM 網(wǎng)絡(luò)隱含層的所有狀態(tài)；最后，通過歷史狀態(tài)和相鄰輸入預(yù)測k個時刻的生長發(fā)育圖像并輸出[10]。多層ST-LSTM 單元堆疊形成ST-LSTM 網(wǎng)絡(luò)隱含層，ST-LSTM 單元結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 ST-LSTM單元結(jié)構(gòu)圖

通過獲取作物生長環(huán)境的環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)合激光測距獲得的高度數(shù)據(jù)，自主學(xué)習(xí)生成模型，用于判斷所種植的農(nóng)作物是否符合正常的生長規(guī)律，再通過手機(jī)App 將作物的生長狀況及時反饋給用戶。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種監(jiān)控作物生長的多功能可伸縮地膜系統(tǒng)，采用STM32 作為主控芯片，可根據(jù)農(nóng)戶的需求，伸縮組裝地膜系統(tǒng)，幫助農(nóng)戶實現(xiàn)遠(yuǎn)程觀測、自動換膜、監(jiān)測作物生長、智能灌溉的農(nóng)田智能化管理。該系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)激光測距陣列獲取植物生長的高度、寬度，進(jìn)行云端數(shù)據(jù)分析，來幫助農(nóng)戶做出移植或者增肥的決策，并預(yù)測統(tǒng)計收成情況。當(dāng)作物成長完成后，可以通過電機(jī)回收地膜，解決農(nóng)田地膜殘留問題。該設(shè)計擴(kuò)展性強(qiáng)，適用于大多數(shù)農(nóng)田作物種植環(huán)境，具有良好的應(yīng)用前景。