基于云平臺的人工智能大棚種植系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

徐全福，雷友建，李春江

（江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 江門 529090）

基于云平臺的人工智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)是以人工智能和大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的新一代農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)模式，人工智能技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用就是通過各類傳感器設(shè)備采集數(shù)據(jù)、無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及相互連通，再通過視頻識別、語音識別、進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的采集，最后通過控制終端進(jìn)行自動控制，形成人工智能農(nóng)業(yè)大棚種植自動控制系統(tǒng)。

1 市場調(diào)研

經(jīng)過走訪珠三角一些農(nóng)業(yè)大棚發(fā)現(xiàn)，目前我國的大棚種植還是以人工為主，科技應(yīng)用不高，需要大量的人工，嚴(yán)重影響了大棚種植的高產(chǎn)高效和現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的建設(shè)。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)城市周邊郊區(qū)主要以大棚種植蔬菜類為主，因為蔬菜生產(chǎn)周期短，效益高，但人工成本是大棚蔬菜種植的主要壓力，面對蟲害、高溫等外圍環(huán)境農(nóng)場主也是比較被動，無法做到實時管理，而農(nóng)業(yè)種植自動控制管理系統(tǒng)正是針對農(nóng)業(yè)種植過程中需要解決的問題而研發(fā)的，有助于解決勞動力不足的問題以及提高產(chǎn)能。

2 系統(tǒng)需求分析

通過用戶需求分析，農(nóng)業(yè)大棚種植農(nóng)業(yè)系統(tǒng)主要對環(huán)境中的土壤溫濕度、大氣溫濕度、二氧化碳和光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，同時在農(nóng)場建設(shè)照明、噴灑、抽風(fēng)等農(nóng)業(yè)控制基礎(chǔ)設(shè)施，若外界環(huán)境的變化超過預(yù)設(shè)的值，系統(tǒng)會自動進(jìn)行啟動和停止相關(guān)控制，自我調(diào)節(jié)農(nóng)場的環(huán)境參數(shù)，營造一個適合植物生長的環(huán)境，如打開抽風(fēng)機(jī)通風(fēng)、實施噴灑等自動控制，除了要采集環(huán)境數(shù)據(jù)外，想要更加精準(zhǔn)地了解農(nóng)場里的植物生長狀況，還需要增加視頻監(jiān)控功能，用于對農(nóng)場里的植物進(jìn)行生長監(jiān)控視頻錄制和進(jìn)行圖像對比識別，通過視頻監(jiān)控和圖像識別來進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計，進(jìn)而判斷農(nóng)作物的蟲害情況，同時對農(nóng)作物的生長進(jìn)行預(yù)測與評估，基于云平臺的人工智能農(nóng)業(yè)種植控制系統(tǒng)就是利用物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)融合的技術(shù)，及時地反饋信息，有助于更加精準(zhǔn)地解決農(nóng)業(yè)問題，極大地提高農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

3 系統(tǒng)架構(gòu)總體分析

通過對基于云平臺的智慧大棚種植控制系統(tǒng)自動需求分析，大棚種植農(nóng)業(yè)系統(tǒng)總體架構(gòu)主要包括傳感器信號采集、無線通信、數(shù)據(jù)終端處理、云平臺服務(wù)器4個部分，該系統(tǒng)架構(gòu)具體為傳感器數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測、視頻控制、遠(yuǎn)程控制、大數(shù)據(jù)預(yù)測分析，其信號傳輸主要是利用感知層的傳感器采集農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境數(shù)據(jù)，然后通過無線通信技術(shù)發(fā)送到云端服務(wù)平臺進(jìn)行存儲，網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)關(guān)通過協(xié)議對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行封裝或加密，并將封裝后的數(shù)據(jù)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)的傳輸層，數(shù)據(jù)再通過傳輸層實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳送，這樣用戶在應(yīng)用層可以隨時通過手機(jī)終端、電腦等設(shè)備實時查看農(nóng)業(yè)大棚里的的環(huán)境數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行農(nóng)作物的預(yù)測分析、遠(yuǎn)程控制、預(yù)警設(shè)置等管理，圖1為系統(tǒng)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)，以及其數(shù)據(jù)傳輸流程。

圖1 人工智能大棚種植功能需求分析Fig.1 Analysis of planting function demand of artificial intelligence greenhouse

4 Zigbee無線傳感節(jié)點設(shè)計

Zigbee是隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展起來的一種新興數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，主要用在傳輸速率低、近距離傳輸范圍的各類電子設(shè)備之間。無線傳感節(jié)點是將單個傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行組網(wǎng)的節(jié)點，人工智能農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)各環(huán)境參數(shù)采集后通過無線傳輸技術(shù)進(jìn)行傳輸和組網(wǎng)，采用Zigbee 來進(jìn)行無線節(jié)點通信，Zigbee 網(wǎng)絡(luò)主要包括路由器、協(xié)調(diào)器、終端結(jié)點，在Zigbee 協(xié)調(diào)器開啟后，Zigbee無線節(jié)點會對網(wǎng)絡(luò)自動進(jìn)行掃描，此時協(xié)調(diào)器會自動尋找沒有Zigbee 節(jié)點的信道，找到相對穩(wěn)定且沒有干擾的信道作為其組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)信道，當(dāng)其他節(jié)點傳感設(shè)備開啟后，節(jié)點此時會自動搜索并連接到對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，同時發(fā)出Beacon 信號產(chǎn)生自己的子節(jié)點，這樣一個Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)就搭建起來了，所以只要組建的網(wǎng)絡(luò)各子節(jié)點之間能夠相互連接，協(xié)調(diào)器與節(jié)點之間就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)采集流程：首先Zigbee 無線節(jié)點與傳感器連接，Zigbee 開啟組網(wǎng)建立后，Zigbee 無線節(jié)點首先會將傳感器模塊收集的空氣濕度、二氧化碳、土壤濕度、空氣溫度、光照、土壤溫度等環(huán)境數(shù)據(jù)實時傳送至系統(tǒng)Zigbee 協(xié)調(diào)器，由Zigbee 協(xié)調(diào)器經(jīng)過網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)過移動通訊網(wǎng)絡(luò)，將信息數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺服務(wù)器，之后處理保存到云端數(shù)據(jù)庫，其工作流程如圖2所示。

5 系統(tǒng)的主要功能

5.1 實時監(jiān)測功能

人工智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)中安裝了各種環(huán)境傳感器，傳感器可以實時對種植環(huán)境的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測和收集，如濕度、溫度、pH 值等，當(dāng)傳感器將環(huán)境數(shù)據(jù)采集后，通過無線網(wǎng)組網(wǎng)，將環(huán)境中的各項信息數(shù)據(jù)發(fā)送到后端的服務(wù)管理云平臺，云平臺對傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存，并在顯示終端進(jìn)行顯示，用戶不僅可以實時查看環(huán)境數(shù)據(jù)，還可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行分析，預(yù)測植物生長情況或蟲害的發(fā)生。

圖2 Zigbee節(jié)點工作流程圖Fig.2 The ZigBee node work flow

5.2 云平臺遠(yuǎn)程控制功能

首先農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)云平臺服務(wù)管理器對傳輸過來的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確分析之后，系統(tǒng)會對比數(shù)據(jù)進(jìn)行植物生長分析并預(yù)測結(jié)果，如此系統(tǒng)就會了解到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植環(huán)境中的狀況，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制，例如及時地保持生產(chǎn)區(qū)的通風(fēng)、開啟灑水開關(guān)、增加光照等，同時用戶還可通過手機(jī)APP 或終端顯示屏隨時了解大棚中環(huán)境的大氣溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等環(huán)境的變化，也可改成手動模式，對控制系統(tǒng)進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，同時系統(tǒng)還設(shè)置了多種蔬菜種植模式，農(nóng)戶可以實現(xiàn)多種農(nóng)作物種植，給大棚種植提供最適宜的環(huán)境生長參數(shù)。

6 總結(jié)

基于云平臺的人工智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究能克服環(huán)境對植物生長的限制，通過實時采集傳感器數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的種植形式相對比，實現(xiàn)系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)，同時通過調(diào)節(jié)種植環(huán)境中的土壤濕度、空氣溫濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度等參數(shù)指標(biāo)，減少季節(jié)對農(nóng)作物生長的限制，從而減少大棚種植中農(nóng)作物對自然環(huán)境條件依賴，使農(nóng)作物始終處于在最佳的生長環(huán)境中，大大降低種植成本，縮短種植時間，實現(xiàn)節(jié)能增收。