孫蓉蓉

關(guān)鍵字：物聯(lián)網(wǎng)、可視化監(jiān)控、精細化管理

農(nóng)產(chǎn)品是社會主義國民經(jīng)濟發(fā)展的基石，是人類賴以生存的重要基礎(chǔ)。在現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)文明引領(lǐng)下，農(nóng)業(yè)智能化、信息化的新時代已然來臨。遼寧、山東、河北共占有全國農(nóng)業(yè)大棚面積的20.1%，2014 農(nóng)業(yè)大棚總量（ 塑料溫室大棚占主要部分） 已經(jīng)超過了1000 公頃。雖然智能化種植業(yè)目前也處在高速發(fā)展時期，但尚未廣泛投入生產(chǎn)使用，不少地方仍然使用中國傳統(tǒng)的栽培方式。中國的農(nóng)作物大棚生長點主要面臨著這樣的一些困難。

①由于主要靠太陽和煤爐供暖，極易遭受雨雪的自然影響，而且工作人員長期在封閉的大棚生長點里工作很容易引起CO 中毒現(xiàn)象。

②主要依靠個人的生活經(jīng)驗確定了農(nóng)作物的生長發(fā)育狀態(tài)，給農(nóng)作物的生長發(fā)育造成了極大風(fēng)險。

③所有生產(chǎn)的過程全靠人力，機械化程度不高，生產(chǎn)效率低下。

④由于農(nóng)民的個體經(jīng)營不能形成規(guī)模化，所以生產(chǎn)工藝比較落后，規(guī)模也較小，所以產(chǎn)出質(zhì)量和土地效益都不高[1]。

根據(jù)上述情況，我們利用嵌入式技術(shù)研發(fā)了一個多功能可視化平臺，通過移動監(jiān)測設(shè)備無死角地監(jiān)測整個溫室大棚，從而及時掌握溫室大棚內(nèi)的不同地方農(nóng)作物生長發(fā)育的情況，便于管理混合栽培的農(nóng)作物。本系統(tǒng)通過集成機器學(xué)習(xí)技術(shù)對糧食作物品種進行識別，以適合于各種經(jīng)濟作物的綜合種植；嚴格控制了阻礙糧食作物正常生長發(fā)育的環(huán)境因素，為糧食作物的正常成長和發(fā)育提供了優(yōu)越的生長發(fā)育環(huán)境，對糧食作物生長狀況進行了精細化控制。本系統(tǒng)還能夠提升生產(chǎn)效益，節(jié)約家庭勞作力量，從而大大降低了成本，提高了農(nóng)民收入。

一、監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

（一）硬件結(jié)構(gòu)

可視化的農(nóng)業(yè)監(jiān)測管理系統(tǒng)按控制模塊大小可分五大塊，依次為集中控制管理模塊、移動監(jiān)控模組、設(shè)備管理模組、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模組和網(wǎng)站模組，系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1 所示。

移動監(jiān)控模塊主要包含收集環(huán)境信號的各類感應(yīng)器和移動監(jiān)控，移動監(jiān)控主要是在溫室上設(shè)置軌道用移動車輛，帶動監(jiān)控儀實現(xiàn)在溫室大棚內(nèi)的無死角監(jiān)測，將參數(shù)直接傳送給集中控制模塊進行數(shù)據(jù)分析管理，并把收集到的環(huán)境監(jiān)測信號連同感應(yīng)器所收集的數(shù)據(jù)，透過WIFI 傳給客戶端系統(tǒng)。

（二）供電電路

供電回路相當于整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)回路，它影響著整個控制系統(tǒng)是否啟動工作，所以供電電源必須保持穩(wěn)定狀態(tài)[3]。本控制系統(tǒng)是把12V 的鎳氫電池放置在可動小車中，給步進式電機的系統(tǒng)供電，在電路系統(tǒng)中設(shè)置時有所不同的支路通常要求有所不同的電力。

（三）復(fù)位電路

復(fù)位維持裝置內(nèi)的電路穩(wěn)定工作，主要作用是對線路實施“清零操作”，還原到初始狀態(tài)。在線路供電中，線路發(fā)現(xiàn)異常導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)問題中，系統(tǒng)中程序運行時需要及時進行復(fù)位動作。

（四）存儲器電路設(shè)計

整個Flash 器件存儲過程都是在空單元或是已被擦出的模塊中完成，因此Nand Flash 的擦除頻率是普通Nor Flash 的十倍，并且由于Nand Flash 具有SDRAM 接口，所以尋址也非常細節(jié)化[4]。我們將采用目前最有利于信息存儲的Nand Flash 存儲設(shè)備技術(shù)。

（五） SDRAM 接口電路

SDRAM 也是屬于DRAM，是一個內(nèi)存數(shù)組中始終都在刷新的同步動態(tài)隨機存儲器，能夠避免線路延時的危害。

（六）WIFI 模塊的設(shè)計

本文的集中控制單元大部分集中在可移動小車中，因此必須通過無線方式把收集到的信息傳輸給服務(wù)器系統(tǒng)。而WIFI 和Zigbee 也都可以用于短距離無線數(shù)據(jù)傳輸，但是因為該網(wǎng)絡(luò)的視頻控制功能需要大容量高效率的傳輸，而且同時影響了監(jiān)控的即時性，所以必須選用WIFI 模塊才能實現(xiàn)傳輸。

我們將使用樂鑫的ESP8266WIFI 模組，并采用了透明數(shù)據(jù)的方式傳輸，在系統(tǒng)中通過UART 口把數(shù)據(jù)給了ESP8266。傳輸長度大約二十公里，當遇到規(guī)模較大的如暖房大棚等時，可使用WIFI 中繼器來擴大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積。

二、傳感器設(shè)計與選擇

（一）溫度傳感器

溫室大棚內(nèi)的溫度主要與光照條件和供暖方式相關(guān)，通常植株的生長期溫度范圍為16℃ ～28℃，成熟期的溫度范圍為21℃ ～27℃左右。由于溫室大棚內(nèi)的相對濕度主要與植物生長和土壤中的蒸騰作用相關(guān)，大棚內(nèi)相對濕度太大很容易引起病蟲害防治，因此一般的最大相對濕度范圍可掌握在34% 左右。該裝置通過奧松電子公司的AM2305 感應(yīng)器，對大棚內(nèi)的氣溫、相對濕度等進行了數(shù)據(jù)收集。

（二）光強傳感器

光照強度主要影響作物生長的質(zhì)量和口感，根據(jù)不同的植株反射光的需求量不同，以及針對的品種不同，還可以控制系統(tǒng)做出適當?shù)恼诠夂脱a光處理。該控制系統(tǒng)使用功率很小的MAX44009 環(huán)境光感應(yīng)器，最大精度±6%，具備高靈敏性、高精度、安裝簡單的優(yōu)勢。MAX44009 整合了光電的二極體和ADC 的環(huán)境感應(yīng)器，將光照強度轉(zhuǎn)換為電流密度進行處理和存儲。同時使用光傳感器的SCL 和SDL 線分別從集中式監(jiān)控模塊的GPE14 和GPE15 接口中讀出數(shù)據(jù)信息。在INTE 位置為一，若發(fā)光強度高于所設(shè)定的閾值，則在INTS 的位置位，由于INT 引腳為低電壓，因此集中式監(jiān)控模塊讀出時復(fù)位為零。

（三）二氧化碳濃度傳感器

光合作用是綠化植被賴以生存的物質(zhì)，它可以使二氧化碳和水分在光的參與下轉(zhuǎn)變?yōu)楣┚G化植物生長的有機物。由于溫室大棚的高度密閉性，在白天植株內(nèi)開展光配合用的氧氣就會造成二氧化碳含量減少，進而直接抑制植株的光配合用，嚴重影響了植株生長發(fā)展。所以適當?shù)販p少二氧化碳含量，是植株健壯發(fā)育的重要基礎(chǔ)。該裝置使用了MG8111.1 超臨界二氧化碳傳感器，測試范圍為0～5000 ppm。每次輸出8 個數(shù)據(jù)位和1 個停止位。

（四）攝像頭選型

該芯片的移動控制功能使用了CMOS 技術(shù)制作的圖像傳感器OV5640，選擇了QSXGAOV5640 攝像機頭，數(shù)據(jù)信息清晰度為2592*1944。工作電壓：3.0V～5.5V，物理分辨率較高，并具有自動對焦、手動白平衡等功能、自動逆光補償?shù)裙δ堋?/p>

三、軟件平臺設(shè)計

（一）攝像頭外設(shè)驅(qū)動

V4L2（Video4 for Linux2） 是基于Linux 核心中的一種基于視頻設(shè)備的核心驅(qū)動器。主要是透過利用一些回調(diào)函數(shù)來使程式找到并利用裝置。在Linux 操作系統(tǒng)中，每個外接設(shè)備都被視為設(shè)備文件提供存取管理，可以透過內(nèi)存映射的方法實現(xiàn)連續(xù)視頻采集[5]。

視頻信號的收集必須遵循V4L2 規(guī)則，通過系統(tǒng)的調(diào)用函數(shù)ioctl（） 實現(xiàn)。視頻拍攝流程：

①首先要指定程序幀采集保存路徑；

②打開攝像頭在Linux 下的設(shè)備名字，設(shè)置為可讀可寫不堵塞；

③利用ioctl 獲取驅(qū)動信息；

④選擇視頻的格式；

⑤申請幀緩存；

⑥獲取地址長度；

⑦映射到用戶空間；

⑧將緩沖加入隊列；

⑨利用采集命令符采集圖像；

⑩出隊數(shù)據(jù)獲?。?/p>

?訪問幀緩沖；

?將幀緩沖重新入隊。

（二）Apache Tomcat 服務(wù)器的構(gòu)建

WEB 服務(wù)器指的是存在于網(wǎng)絡(luò)的一個被動類型的程序，必須發(fā)送大量數(shù)據(jù)請求，才能夠允許人們自由訪問下載存儲的網(wǎng)絡(luò)檔案或信息資料。ApacheHTTPServer（Apache） 是目前效率最快的Web Sever，但是必須通過插件才能夠支撐動態(tài)網(wǎng)頁，所以我們通過Apache 擴展的Apache Tomcat 應(yīng)用服務(wù)器，即可執(zhí)行Servlet（Server Applet）/JSP（Java Server Page）。

（三）網(wǎng)頁客戶端的設(shè)計

可視化農(nóng)業(yè)監(jiān)控就是Eclipse 為主要研發(fā)環(huán)境并利用Java Web 動態(tài)頁面技術(shù)設(shè)計的門戶網(wǎng)站，利用JSP 和CSS（Cascading Style Sheets，層疊樣式表）為開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)頁面布局方式展示網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析信息。JSP 能夠設(shè)定為實時監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)等，功能界面要求實時更新動態(tài)網(wǎng)站界面?？梢暬r(nóng)業(yè)監(jiān)測管理系統(tǒng)的網(wǎng)站界面一共設(shè)計了七個JSP 主頁，依次是登錄主頁、首頁（如圖2）、實時監(jiān)視、溯源界面、遠程控制（如圖3）和用戶管理。

實時監(jiān)控管理系統(tǒng)包括有實時的監(jiān)控圖像、真實的環(huán)境參數(shù)和植物識別，操作系統(tǒng)可以對檢測得到的圖像加以鑒別，并分類保存在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，因此監(jiān)控管理系統(tǒng)可以直接提供給用戶較為直接的監(jiān)控接口。而環(huán)境參數(shù)則主要是當前氣溫的平均值和百分比，表示的是當前氣溫與處于溫度區(qū)域之間的比例，溫室大棚中的二氧化碳含量在28%～50%比較適宜。大棚中二氧化碳含量在35%～60% 比較適宜。溫室大棚內(nèi)最適宜的相對濕度范圍是28%～58%。最低光照強度0lx～100000lx。

四、結(jié)束語

該系統(tǒng)結(jié)合了當前智能農(nóng)產(chǎn)品大棚的研發(fā)成果，并根據(jù)目前智能農(nóng)產(chǎn)品設(shè)備中遇到的部分難題進行了分析研究，而設(shè)計出的一套農(nóng)業(yè)可視化系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用嵌入式產(chǎn)品和圖像處理技術(shù)，實現(xiàn)了種植者對農(nóng)產(chǎn)品的精細化管理，大大提高了農(nóng)作物產(chǎn)量與效益。同時，消費者借助該系統(tǒng)能對農(nóng)作物生產(chǎn)過程進行追溯，打消了食品安全方面的顧慮，能幫助消費者更好地選擇商品。