徐一斐

（湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421005）

城市化進程加快了園林綠化的發(fā)展，但在實際建設(shè)中，由于缺少認識、信息化應(yīng)用不足，導(dǎo)致園林綠化建設(shè)無法緊跟城市發(fā)展步伐，因此出現(xiàn)了一些問題。傳統(tǒng)園林管理多是以紙媒為載體，這種方式存在時效差、精度低等問題。同時，管理人員發(fā)生變動也會產(chǎn)生斷層現(xiàn)象，缺乏系統(tǒng)性管理。大數(shù)據(jù)技術(shù)具有傳播速度快、數(shù)據(jù)類型多樣等特點，將其應(yīng)用于園林管理中能夠顯著提升管理效率[1]。同時大數(shù)據(jù)技術(shù)也為智慧園林提供了更多技術(shù)支持，包括傳輸、存儲及處理數(shù)據(jù)等功能。因此該文設(shè)計出一種基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的智慧園林人工智能管理系統(tǒng)，通過加強系統(tǒng)間的交互性，進一步提升系統(tǒng)對各類信息的管理能力，從而實現(xiàn)智慧園林管理的可持續(xù)發(fā)展。

1 整體架構(gòu)

系統(tǒng)采用基于物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的感知層、傳輸層和管理層，各層分別對應(yīng)數(shù)據(jù)收集端、數(shù)據(jù)傳輸端以及遠程監(jiān)控端（如圖1所示）。其中，數(shù)據(jù)收集端包括溫濕度（Sentasy）、土壤濕度（RTTPP）和煙霧濃度（Lorawan）等模塊，主要負責(zé)收集各類環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳遞給PIC18單片機。數(shù)據(jù)傳輸端由Blynk平臺和XTIOT模塊構(gòu)成，XTIOT模塊與Blynk平臺進行通信，并與PIC18連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸端與數(shù)據(jù)收集端的交互。遠程監(jiān)控端的功能由移動設(shè)備實現(xiàn)，數(shù)據(jù)通過Blynk平臺轉(zhuǎn)發(fā)到移動設(shè)備，進行可視化監(jiān)控[2]。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件由控制器、傳感器、顯示器及通信器組成。其中，控制器負責(zé)為系統(tǒng)持續(xù)供電；傳感器負責(zé)檢測溫濕度、煙霧濃度和土壤濕度等環(huán)境參數(shù)；顯示器用以顯示環(huán)境參數(shù)的數(shù)值與模式；通信器則將傳感器收集的數(shù)據(jù)與Blynk平臺進行交互。

2.1 控制器

系統(tǒng)選用PIC18單片機作為主控制器，該單片機適用溫度為-30℃～70℃，性能穩(wěn)定，適用范圍較廣?？刂茊卧荘IC18的指揮控制中心，由指令寄存器、指令譯碼器和操作控制器等構(gòu)成[3]，根據(jù)預(yù)先編好的程序，從存儲器中依次取出各條指令，放在指令寄存器中。先通過指令譯碼確定應(yīng)執(zhí)行何種操作，再根據(jù)確定時序，通過操作控制器向相應(yīng)部件發(fā)出微操作控制信號[4]。操作控制器主要包括節(jié)拍脈沖發(fā)生器、控制矩陣、時鐘脈沖發(fā)生器、復(fù)位電路和啟停電路等控制邏輯。其設(shè)計思路如下：與電阻（R1、R2）、電容器（C1、C2、C3）串聯(lián)后進行供電，寫好程序后逐一進入單片機經(jīng)各管腳運行。如果程序經(jīng)PA0到PA19，輸入高電平并開啟LED，就可運行計算過程（如圖2所示）。

圖2 PIC18核心系統(tǒng)電路

2.2 傳感器

傳感器包括溫濕度、煙霧濃度及土壤濕度等模塊。傳感器的技術(shù)流程如下：1）感受信號。傳感器通過特定的物理、化學(xué)或生物機制，感受溫濕度、煙霧濃度及土壤濕度等信號，并將其轉(zhuǎn)換成電信號。2）處理信號。傳感器將感受到的電信號進行放大、濾波以及數(shù)字化等特定處理，便于后續(xù)數(shù)據(jù)分析。3）數(shù)據(jù)傳輸。傳感器將處理后的信號通過無線方式傳輸?shù)娇刂破鞑⑦M行處理。4）數(shù)據(jù)分析。接收到傳感器傳來的數(shù)據(jù)后，控制器對數(shù)據(jù)進行識別、分類和預(yù)測等操作，從而得出決策。5）應(yīng)用反饋。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，控制器向執(zhí)行元件發(fā)送指令，控制執(zhí)行元件完成開關(guān)、調(diào)節(jié)等操作，從而對環(huán)境進行控制和監(jiān)測。

溫濕度模塊選用Sentasy，采用數(shù)字集成感器為探頭，配以數(shù)字化處理電路。Sentasy的功能由內(nèi)部測溫濕元件實現(xiàn)。當溫濕度發(fā)生改變時，溫濕敏電容的介電常數(shù)會發(fā)生變化，其電容量也會發(fā)生變化，線性膨脹便可進行傳遞，從而將環(huán)境中的溫濕度轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的標準模擬信號。

煙霧濃度檢測選用Lorawan，如圖3（a）所示，其設(shè)計思路如下：收集模擬量輸出，選用AO模擬電壓輸出端，將管腳4與PA5相連，DO管腳則做懸空處理。鑒于氣敏材料的特殊性，當煙霧濃度增大時，電導(dǎo)率會相應(yīng)上升，輸出電阻值也會變小，從而使輸出的模擬信號增強，Lorawan則通過轉(zhuǎn)換模數(shù)完成數(shù)據(jù)收集。土壤濕度檢測選用RTTPP，如圖3（b）所示，其設(shè)計思路如下：標定濕度選用AO模擬電壓輸出端，將管腳4與PA4相連，DO管腳懸空。輸入模擬量后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并利用算法得出土壤濕度。當土壤濕度增大時，電阻值會相應(yīng)變小[5]。

圖3 Lorawan與RTTPP的電路設(shè)計

2.3 顯示器

前端一體化與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化是視頻顯示的發(fā)展方向。系統(tǒng)顯示器選用P2.5LED。P2.5LED提供了轉(zhuǎn)換及流化音視頻的解決方案，包括先進的編解碼庫Libavcodec，可實時查看監(jiān)控畫面。P2.5LED用來顯示各類數(shù)據(jù)參數(shù)及手動/自動模式的不同狀態(tài)，具有基于HTTP的流媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，通過外設(shè)接口驅(qū)動LED，各管腳分別連接PA12、PA8和PA6，具體設(shè)計思路如下：將網(wǎng)絡(luò)攝像頭的Rtsp視頻流轉(zhuǎn)換成Rmtp視頻流，并推送到服務(wù)器。HLS協(xié)議負責(zé)將所有流分成基于HTTP的文件并下載。開始流媒體會話時，客戶端會下載包括元數(shù)據(jù)的M3U文件，用于尋找可用的媒體流，最后推送可供移動端播放的視頻流。

2.4 通信器

通信器在遠程監(jiān)控端與數(shù)據(jù)傳輸端交互中發(fā)揮了重要作用。系統(tǒng)采用大數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的XTIOT模塊與Blynk開源物聯(lián)網(wǎng)平臺進行通信，成本低且性能穩(wěn)定。XTIOT可通過Attention指令快速上手，并且支持發(fā)放－觸發(fā)模式與無線接入點模式共存。在工作中，通信器將PIC18發(fā)來的數(shù)字基帶信號通過數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）構(gòu)成的調(diào)制模塊進行功率放大，然后經(jīng)過發(fā)送與接收隔離器，由通信模塊傳輸發(fā)送。接收時，感應(yīng)信號經(jīng)放大程控與轉(zhuǎn)換電平后，由DSP控制其芯片進行采樣，經(jīng)數(shù)字處理后解調(diào)，解調(diào)后的數(shù)字信號通過XTIOT發(fā)送給Blynk開源物聯(lián)網(wǎng)平臺。

3 軟件設(shè)計

3.1 終端程序

PIC18使用總線獲取Sentasy與Lorawan的模擬量，通過相應(yīng)算法得出土壤濕度與煙霧濃度。通過連接串口進行PIC18與XTIOT的通信，然后將環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至Blynk上，進行可視化展示。此外，還可在移動設(shè)備界面下發(fā)部分控制命令，例如系統(tǒng)模式設(shè)置及水泵運行等。1）啟動后初始化系統(tǒng)，例如顯示器、sentasy和Lorawan等的初始化。2）選擇自動或手動模式，通信模塊讀取參數(shù)后更新顯示器。3）連接云端。如果連接成功，就將PIC18收集的數(shù)據(jù)通過XTIOT發(fā)送至Blynk，每隔5s一次。4）在手動模式下，可下達水泵開啟（閉合）命令，執(zhí)行具體操作。在自動模式下，系統(tǒng)根據(jù)土壤濕度情況進行自主調(diào)整，當濕度低于30%RH時，開啟水泵澆水，當濕度高于40%時，閉合水泵。5）調(diào)整后對各類信息進行處理與反饋（如圖4所示）。

圖4 終端程序設(shè)計

3.2 溫濕度設(shè)計

拉高管腳2，完成后進行復(fù)位工作，設(shè)置Sentasy的I/O端口為輸出，拉低至少15ms，再繼續(xù)拉高30μs左右。在此期間應(yīng)將I/O口轉(zhuǎn)為輸入模式，進行低電平傳輸。如果檢測到低電平，就表示Sentasy存在。2）檢測到Sentasy后，應(yīng)編寫Sentasy_Read（）來讀取字節(jié)，即檢測到低電平后延時20μs仍高，則讀取一位數(shù)據(jù)。Sentasy一次完整傳輸數(shù)據(jù)為40bit，格式主要包括濕度整數(shù)、溫度整數(shù)、小數(shù)數(shù)據(jù)及校驗總和，各部分均按照10bit傳輸。當傳輸正確時，校驗結(jié)果等于所有之和，此時應(yīng)保留整數(shù)，將其作為所測溫濕度值[6]。

3.3 土壤濕度與煙霧設(shè)計

初始化AO端口，配置管腳4與管腳5為輸入，然后初始化PA4與PA5，設(shè)RTTPP的通道為PA4，Lorawan的通道為PA5，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)換啟動功能。待轉(zhuǎn)換完成后，往復(fù)獲取多次轉(zhuǎn)換結(jié)果，即獲取多次收集的數(shù)據(jù)，并取均值，從而使結(jié)果更可靠。由于PIC18是12位，因此測出值的取值應(yīng)為0～100。此外，因為獲取值與所需值相反，所以還需要用100減去所得值。

3.4 顯示設(shè)計

初始化顯示功能，設(shè)置通道PA6、PA12、PA13為推挽輸出，復(fù)位驅(qū)動釋放顯存后顯示。設(shè)置命令口地址，判斷讀狀態(tài)后寫命令寄存。待初始化結(jié)束，設(shè)置數(shù)據(jù)口地址，判斷讀狀態(tài)是否為“忙”。如果是“忙”便寫顯示數(shù)據(jù)，寫入取模軟件取出的數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測試

為進一步實現(xiàn)系統(tǒng)的交互性與高效性，該文對系統(tǒng)功能進行測試，以驗證系統(tǒng)的運行效率。

4.1 實時監(jiān)測

當系統(tǒng)連接后開始初始化，顯示器顯示溫度為27℃，相對濕度為32%RH，土壤濕度為60%RH。Sentasy與RTTPP功能均可正常運行，能夠獲取當前環(huán)境數(shù)據(jù)。然后測試煙霧報警，煙霧濃度顯示為1000×10-6，蜂鳴器報警，濃度降至低于750×10-6時會停止報警。由測試可知，系統(tǒng)基本實現(xiàn)了溫度、土壤濕度以及煙霧濃度的實時監(jiān)測功能。

4.2 自動化

將Sentasy傳感器模塊浸于水中，顯示器顯示土壤濕度為50%RH。將Sentasy拿出水面后，土壤濕度降為0，水泵開始工作。再將Sentasy放于水中，此時土壤濕度顯示為60%RH，水泵停止工作。由測試可知，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能灌溉，可基本滿足自動化工作需求。

4.3 遠程通信

連接移動設(shè)備與XTIOT，設(shè)置名稱與密碼，與代碼保持一致，打開移動設(shè)備，接收到的來自XTIOT的數(shù)據(jù)會顯示在屏幕上。將接收數(shù)據(jù)與顯示數(shù)據(jù)進行對比，可知系統(tǒng)遠程通信正常。在移動設(shè)備上將自動切換為手動，屏幕顯示模式轉(zhuǎn)換一致。在手動模式下，通過移動設(shè)備控制水泵，水泵執(zhí)行相應(yīng)操作。由測試可知，系統(tǒng)實現(xiàn)了XTIOT遠程通信功能。

測試后可知，系統(tǒng)可成功收集溫濕度與煙霧濃度數(shù)據(jù)，并在屏幕上顯示當前信息，同時還可將數(shù)據(jù)發(fā)送至Blynk平臺。出現(xiàn)異常時，可及時自動控制水泵澆水，確保濕度在合理范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

綜上所述，為提升園林管理效率，加快園林管理智能化與信息化進程，該文設(shè)計了一種基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的智慧園林人工智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對植物生長所需環(huán)境溫濕度、土壤濕度及煙霧濃度等信息進行智能化收集與傳輸，并結(jié)合Blynk開源物聯(lián)網(wǎng)平臺與遠程傳輸技術(shù)，實現(xiàn)無人值守，使用戶可不受時空限制訪問系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)。測試表明，該系統(tǒng)操作便捷，檢測效果良好，可節(jié)約部分人力。后續(xù)研究可拓展至智慧農(nóng)業(yè)管理、智慧林業(yè)管理等其他領(lǐng)域，從而促進社會生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。