張 嬋

（山西科技學(xué)院，山西晉城 048000）

1 智慧農(nóng)場檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 基于STM32的實(shí)時(shí)監(jiān)測

首先通過傳感器實(shí)現(xiàn)空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳數(shù)據(jù)的采集，然后由STM32通過4個(gè)ZigBee 節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳至協(xié)調(diào)器并將其轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)，在UI 界面上實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)變化。同時(shí)，網(wǎng)關(guān)通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲。手機(jī)App 可與云平臺進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，將農(nóng)場環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在App 客戶端，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者提供決策支持。

1.2 基于手機(jī)App的環(huán)境智能控制

首先通過Android studio 開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)以農(nóng)場環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制功能為核心的手機(jī)App 應(yīng)用開發(fā)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者可以根據(jù)手機(jī)App 實(shí)時(shí)顯示的空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度數(shù)據(jù)信息，并結(jié)合農(nóng)作物適宜的生長環(huán)境條件，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)農(nóng)場照明設(shè)備、灌溉設(shè)備與排氣裝置的控制，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)場智能化的管理。

1.3 基于AI機(jī)器視覺的果實(shí)識別和病蟲害監(jiān)測

在智慧農(nóng)場中，以YOLOv4 模型為核心，融入AI 視覺識別技術(shù)。由高清攝像頭實(shí)時(shí)對農(nóng)作物影像拍攝，并進(jìn)行果實(shí)識別和病蟲害的檢測。在農(nóng)作物生長過程，對農(nóng)作物病蟲害進(jìn)行分析和預(yù)防，實(shí)現(xiàn)農(nóng)場的科學(xué)控制。

2 系統(tǒng)功能分類

2.1 農(nóng)場環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測功能

農(nóng)場環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)感知如圖1所示。農(nóng)場空氣溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳數(shù)據(jù)信息通過傳感器進(jìn)行采集，然后由STM32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，傳輸?shù)?個(gè)ZigBee 節(jié)點(diǎn)，繼而傳到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，最后到達(dá)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖1 農(nóng)場環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)感知

2.2 云平臺接入功能

（1）物聯(lián)網(wǎng)平臺作為連接業(yè)務(wù)應(yīng)用和設(shè)備的中間層，屏蔽了各種復(fù)雜的設(shè)備接口，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的快速接入，同時(shí)提供強(qiáng)大的開放能力，支撐行業(yè)用戶構(gòu)建各種物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

（2）設(shè)備可以通過固網(wǎng)、2G/3G/4G/5G、NBIoT、Wifi 等多種網(wǎng)絡(luò)接入物聯(lián)網(wǎng)平臺，并使用LWM2M/CoAP、MQTT、HTTPS 協(xié)議將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報(bào)到平臺，平臺也可以將控制命令下發(fā)給設(shè)備。

（3）業(yè)務(wù)應(yīng)用通過調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的API，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集、命令下發(fā)、設(shè)備管理等業(yè)務(wù)場景。

2.3 手機(jī)App智能控制功能

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者通過手機(jī)App 可以實(shí)時(shí)查看農(nóng)場溫濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳等數(shù)據(jù)信息，同時(shí)可更新農(nóng)場設(shè)備狀態(tài)，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)兩個(gè)照明設(shè)備、灌溉設(shè)備和排氣設(shè)備的控制。

2.4 農(nóng)場AI機(jī)器視覺模塊

在智慧農(nóng)業(yè)中融入視覺識別技術(shù)，在農(nóng)作物生長過程中對農(nóng)作物生長狀態(tài)及病蟲害進(jìn)行分析和預(yù)防。通過高清攝像頭實(shí)時(shí)對農(nóng)作物影像拍攝并進(jìn)行算法識別，實(shí)現(xiàn)農(nóng)場的科學(xué)控制。

采用USB 攝像頭，直接插入電腦USB 接口端，安裝主端控制程序即可正常實(shí)用。通過拍攝了大量果實(shí)和病蟲的照片，將其導(dǎo)入圖像識別的算法程序中標(biāo)記，由YOLOv4框架對數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，從而獲得對于病蟲害和不同種類果實(shí)的視覺識別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物和病蟲的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體框架

圖2為系統(tǒng)總體框架圖。本系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)3層架構(gòu)組成，分別是感知層、傳輸層和應(yīng)用層。感知層負(fù)責(zé)邊緣端傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)的采集，傳輸層負(fù)責(zé)設(shè)備無線通信及邊緣與云端的數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)發(fā)存儲，應(yīng)用層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的展示及應(yīng)用控制。

圖2 系統(tǒng)總體框架

3.2 農(nóng)場智能控制模塊實(shí)現(xiàn)

（1）感知層。感知層是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化。感知層由4個(gè)傳感器組成，空氣溫濕度傳感器、空氣濃度傳感器、土壤濕度傳感器和光照強(qiáng)度傳感器。4個(gè)傳感器由STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以獲取農(nóng)場溫濕度、空氣濃度、土壤濕度、光照強(qiáng)度等信息源。

（2）傳輸層。傳輸層是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的中心，負(fù)責(zé)傳送和處理感知層所獲得的信息。即通過感知層由STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后，通過4個(gè)ZigBee 節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳至協(xié)調(diào)器并將其轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)，在UI 界面上顯示實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)變化。同時(shí)，網(wǎng)關(guān)通過互聯(lián)網(wǎng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺A為云平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲。

（3）應(yīng)用層。實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能應(yīng)用，是整個(gè)智慧農(nóng)場管理系統(tǒng)的核心，通過手機(jī)App 實(shí)時(shí)獲取農(nóng)場空氣溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度的環(huán)境信息，對感知層采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析與處理后，可以使用App 遠(yuǎn)程對4個(gè)控制器進(jìn)行控制，通過控制照明設(shè)備、灌溉設(shè)備與排氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)農(nóng)場環(huán)境的智能化控制，可以為農(nóng)場生產(chǎn)提供決策支持。

3.3 農(nóng)場AI視覺識別和病蟲害檢測模塊實(shí)現(xiàn)

AI 視覺識別技術(shù)需要前期對數(shù)據(jù)進(jìn)行大量采集、標(biāo)注，搭載英偉達(dá)平臺和Omniverse 框架，通過模型對農(nóng)場的生長狀況及病蟲害進(jìn)行識別。一般在不同的生長環(huán)境下，即使是同一種作物也會存在不同的形態(tài)特征，在整體的視覺效果上就會形成一定的差異性，視覺識別技術(shù)可以通過獲取目標(biāo)對象的圖像，對圖像信息進(jìn)行識別算法處理，提取出農(nóng)作物或病蟲害相應(yīng)的顏色、位置、形狀等特征差異信息，為判斷農(nóng)作物的生長狀況或有無病蟲害提供決策支持。圖3為農(nóng)場仿真環(huán)境搭設(shè)示意圖。

圖3 農(nóng)場仿真環(huán)境搭建

4 結(jié)束語

農(nóng)場環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測和智能控制相較于傳統(tǒng)的依靠人工經(jīng)驗(yàn)種植方式更加科學(xué)和便捷。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者可以通過手機(jī)App 實(shí)時(shí)查看農(nóng)場的空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度數(shù)據(jù)信息，并結(jié)合農(nóng)作物適宜的生長環(huán)境條件，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備、灌溉設(shè)備與排氣裝置的控制，使農(nóng)作物處在最適宜的生長環(huán)境中。

智能監(jiān)測及控制模塊不僅能夠提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，而且可以解放勞動力，真正意義上實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化、科學(xué)化，更加貼合數(shù)據(jù)化大時(shí)代。