基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的藏紅花栽培分析模型的構(gòu)建

張顥瑋 桑世慶 陳 祥

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興 314036）

0 緒論

隨著土壤數(shù)據(jù)采集技術(shù)的迅猛發(fā)展，處理、存儲以及獲取數(shù)據(jù)的成本不斷降低，運(yùn)用傳統(tǒng)方法已不能有效地對藏紅花栽培過程中的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、融合及深度挖掘。因此，亟需利用云計算、數(shù)據(jù)挖掘以及多元統(tǒng)計分析等技術(shù)將時間、空間與屬性注入藏紅花栽培的全過程研究中，構(gòu)建面向?qū)ο蟮臅r空特征分析模型，對自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等多元異構(gòu)時空數(shù)據(jù)信息進(jìn)行重組和融合，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)綜合分析與多維可視化表達(dá)的目標(biāo)，為藏紅花栽培風(fēng)險評價及修復(fù)等工作奠定基礎(chǔ)。

1 方案設(shè)計

結(jié)合區(qū)域藏紅花栽培分部情況，以藏紅花種植的土壤環(huán)境為背景，重點(diǎn)采集生長過程中土壤的養(yǎng)分。通過傳感器動態(tài)收集土壤酸堿度、溫濕度；周期測試土壤中氮、磷以及鉀等有機(jī)質(zhì)的含量；結(jié)合藏紅花栽培自然環(huán)境信息數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和綜合，初步收集、整理數(shù)據(jù)后，將其作為基礎(chǔ)大數(shù)據(jù)集合。經(jīng)過對數(shù)據(jù)的理解和處理，獲取基于新技術(shù)分析的樣本數(shù)據(jù)。

該文主要應(yīng)用理論與實(shí)際相結(jié)合的方法，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算以及多元數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析等技術(shù)，將時間、空間與屬性注入藏紅花栽培環(huán)境監(jiān)測研究與多維可視化中，運(yùn)用大數(shù)據(jù)開發(fā)平臺、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備等軟硬件技術(shù)構(gòu)建一體化藏紅花栽培大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο笸寥鲤B(yǎng)分的時空特征分析模型。采集的數(shù)據(jù)包括靜態(tài)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時采集的動態(tài)傳感器數(shù)據(jù)，主要方式是利用已知的數(shù)據(jù)環(huán)境因素對藏紅花生長的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行整理以及建立基本屬性，利用分類與決策樹，并運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)處理海量數(shù)據(jù)，分析周期土壤養(yǎng)分的時空變化特征，進(jìn)而揭示藏紅花種植過程中出現(xiàn)低產(chǎn)、少花和無花等原因，并用實(shí)際的結(jié)果來驗證該平臺的可行性。設(shè)計平臺架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺的架構(gòu)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)采集功能

物聯(lián)網(wǎng)采集主要具備精細(xì)化、數(shù)字化管理的功能。通過信息傳感設(shè)備獲取物理農(nóng)業(yè)的各種信息，結(jié)合LoRa通信進(jìn)行信息傳輸與交互，對藏紅花生產(chǎn)過程中生長與自然界的多種相關(guān)因素進(jìn)行數(shù)字化采集，其中包括溫濕度、土壤酸堿度等。

1.2 云平臺和數(shù)據(jù)挖掘

云平臺可以構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心群集，對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與運(yùn)算；數(shù)據(jù)挖掘?qū)?shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，建立高效的數(shù)據(jù)指標(biāo)體系，利用先進(jìn)的事件模型抽象生產(chǎn)應(yīng)用，提供多維度、多指標(biāo)的交叉分析能力，全面滿足藏紅花的日常數(shù)據(jù)分析需求，驅(qū)動業(yè)務(wù)決策。

1.3 藏紅花栽培監(jiān)測平臺

藏紅花栽培監(jiān)測平臺主要具備大數(shù)據(jù)監(jiān)測、可視化分析和成果監(jiān)測的功能，直觀地揭示了藏紅花種植的規(guī)模、發(fā)展趨勢以及傳感器的分布；它還具有實(shí)時監(jiān)控、監(jiān)測曲線、時段統(tǒng)計、統(tǒng)計排名、歷年分析以及關(guān)聯(lián)挖掘等功能，可直接統(tǒng)計相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 模型的分析與構(gòu)建

從傳感器、測試儀和專家經(jīng)驗等途徑獲得的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)中抽取、整理、分類、組合轉(zhuǎn)換并建立數(shù)據(jù)集；面向藏紅花栽培土壤環(huán)境建立數(shù)據(jù)分析集，并選取數(shù)據(jù)挖掘中的決策樹、模糊評價算法等方法處理海量數(shù)據(jù)，并通過測試比較應(yīng)用不同算法的優(yōu)缺點(diǎn)，找到合適的算法，建立流失預(yù)測模型。最后對模型進(jìn)行分析和評估，并用于實(shí)際的預(yù)測中。藏紅花栽培預(yù)測模型分析如圖2所示。

圖2 分析模型構(gòu)建

藏紅花栽培模型根據(jù)區(qū)域氣象條件、季風(fēng)特點(diǎn)、土壤有機(jī)質(zhì)條件以及管理方案動態(tài)、定量地描述藏紅花的生長、發(fā)育過程。用數(shù)學(xué)方程描述作物、氣候和土壤之間的作用過程，構(gòu)建模型最重要的意義是綜合整個藏紅花栽培過程的專業(yè)知識，并量化藏紅花生長過程與氣象、土壤的相互關(guān)系，即利用大數(shù)據(jù)挖掘滿足一定條件的依賴性關(guān)系。模型是利用大數(shù)據(jù)系統(tǒng)強(qiáng)大的信息處理和計算功能，系統(tǒng)地對不同生長過程進(jìn)行整合和分析，相當(dāng)于對系統(tǒng)的最新的知識進(jìn)行積累和綜合。推理出數(shù)據(jù)間未知的依賴關(guān)系，并將其描述成關(guān)注數(shù)據(jù)項間的因果關(guān)系。構(gòu)建模型的作用如下。

2.1 制定宏觀的農(nóng)業(yè)決策

通過分析模型的基本功能可以模擬預(yù)測不同時間、不同強(qiáng)度藏紅花栽培和環(huán)境調(diào)控措施對作物生長發(fā)育的作用（例如作物花蕊品質(zhì)、產(chǎn)量以及上市期），因此成為可以有效優(yōu)化藏紅花栽培和調(diào)控環(huán)境的工具。其更大的價值則是可以為國家或地區(qū)的特色農(nóng)業(yè)規(guī)劃及作物生產(chǎn)的選種，特別是對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)政策的選擇提供決策支持。

2.2 模擬預(yù)測藏紅花的生長過程

藏紅花栽培模型在幫助理解藏紅花生長過程及其與影響因子間定量關(guān)系的基礎(chǔ)上，可以對系統(tǒng)過程和結(jié)果進(jìn)行模擬預(yù)測。藏紅花栽培生長模型的預(yù)測功能既是建立模型的原動力之一，也是其成為作物生產(chǎn)管理決策工具的重要原因。

2.3 藏紅花栽培預(yù)測與風(fēng)險分析

藏紅花栽培生長模型對生長發(fā)育生態(tài)過程的數(shù)字化描述可以促進(jìn)對藏紅花生長發(fā)育生態(tài)規(guī)律由定性描述階段上升到定量分析階段，為特色農(nóng)作物的精確化、標(biāo)準(zhǔn)化以及智能化管理提供理論依據(jù)。使研究人員可以對農(nóng)作物系統(tǒng)的行為進(jìn)行定量分析。通過藏紅花模型可以對作物的生長發(fā)育過程及產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測，還可以對未來全球氣候變化對藏紅花栽培的影響進(jìn)行評估。

3 應(yīng)用平臺的硬件構(gòu)建

在遠(yuǎn)距離傳輸通信技術(shù)中，雖然NB-IoT和5G網(wǎng)絡(luò)都可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸通信，但實(shí)現(xiàn)的成本與后期運(yùn)行維護(hù)投入的成本都較高，而LoRa在全球范圍內(nèi)免費(fèi)使用，即使在情況較為復(fù)雜的城區(qū)，其傳輸距離也可達(dá)2 km~5 km，在農(nóng)村的通信距離可達(dá)15 km，適合在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。另外，ZigBee技術(shù)雖然同樣可進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，但長距離傳輸需要增設(shè)更多子節(jié)點(diǎn)和中繼器等設(shè)備，不但增加了投入成本，而且更不利于系統(tǒng)維護(hù)，同時ZigBee采用的頻率為2.4 GHz，該頻率在傳輸過程中容易受到其他無線通信技術(shù)的干擾，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延遲或丟失，但在近距離通信中具有一定優(yōu)勢。由于藏紅花栽培分為室內(nèi)、室外2個生長過程，因此系統(tǒng)采用LoRa和ZigBee無線通信技術(shù)作為數(shù)據(jù)通信方式，經(jīng)驗證，所設(shè)計的數(shù)據(jù)實(shí)時采集方案是完全可行的。

3.1 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集

該系統(tǒng)采用的是溫濕度、pH值、土壤微量元素、光照傳感器和符合IEEE的無線通信協(xié)議的芯片，芯片傳輸距離符合實(shí)際的應(yīng)用需求，該芯片使用性能穩(wěn)定且功耗低，因此LoRa模塊采用安信可公司生產(chǎn)的Ra-o1型模塊，其射頻芯片SX1289主要采用LoRa遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器，可用于遠(yuǎn)距離的擴(kuò)頻通信，抗干擾能力強(qiáng)。LoRa模塊通過SPI總線與PCIE插槽相連，進(jìn)而通過底板與主控進(jìn)行連接。在ZigBee模塊中采用了CC2530的模塊，CC2530模板的特點(diǎn)是分為核心板和擴(kuò)展板2個部分。通過核心板和擴(kuò)展板完成設(shè)備之間的無線低功耗通信。pH值傳感器采集流程如圖3所示。

以“愛國、清貧、創(chuàng)造、奉獻(xiàn)”為主體的方志敏精神，它凸顯了社會主義榮辱觀的本質(zhì)內(nèi)涵。用方志敏自己概括和倡導(dǎo)的“五種精神”來講，即贛東北蘇維埃政府所具有的“民主精神”、“創(chuàng)造精神”、“進(jìn)步精神”、“刻苦精神”和“自我批評精神”(《我從事革命斗爭略述》)[8](P88)，這些精神是中華民族道德傳統(tǒng)和中國共產(chǎn)黨人革命精神相融合的結(jié)晶，基本體現(xiàn)了社會主義榮辱觀各方面的內(nèi)容，也是加強(qiáng)社會主義榮辱觀教育的極好教材。

圖3 pH值傳感器采集流程圖

3.2 融合網(wǎng)關(guān)

系統(tǒng)邊緣設(shè)備采用了融合網(wǎng)關(guān)，集成LoRa和ZigBee通信技術(shù)，并采用了嵌入式安卓系統(tǒng)的7寸觸模屏。網(wǎng)關(guān)中ZigBee模塊作為協(xié)調(diào)模式，接收第一年10月到第二年3月藏紅花室內(nèi)栽培的監(jiān)控數(shù)據(jù)，包括溫濕度、pH值傳感器，并與ZigBee終端節(jié)點(diǎn)模塊相連，實(shí)時采集動態(tài)數(shù)據(jù)；網(wǎng)關(guān)中LoRa模塊作為集中器，接收第二年4月到9月藏紅花室外栽培的監(jiān)控數(shù)據(jù)，包括土壤酸堿度、溫濕度，并與LoRa終端節(jié)點(diǎn)模塊相連，適合中長距離的數(shù)據(jù)采集。網(wǎng)關(guān)的嵌入式安卓系統(tǒng)編譯底層驅(qū)動，結(jié)合應(yīng)用開發(fā)了能基于網(wǎng)關(guān)程序設(shè)置2種通信方式的參數(shù)和工作模式，并對統(tǒng)一采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)基于云的邊緣計算，最終將數(shù)據(jù)傳輸至云端，并顯示在7寸的觸模屏上。

網(wǎng)關(guān)的重要作用是采集數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，主要實(shí)現(xiàn)以下3種功能。

3.2.1 從設(shè)備接收數(shù)據(jù)

設(shè)備和網(wǎng)關(guān)通過LoRa和ZigBee接口進(jìn)行無線連接，當(dāng)與傳感器終端連接時，主要實(shí)現(xiàn)傳感器路由、終端兩類節(jié)點(diǎn)單方面持續(xù)通過網(wǎng)關(guān)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。如果連接的類型是控制類節(jié)點(diǎn)，則需要通過設(shè)備申請從外部獲取數(shù)據(jù)，服務(wù)器向設(shè)備端發(fā)送數(shù)據(jù)時，就需要通過網(wǎng)關(guān)申請數(shù)據(jù)。

3.2.2 生成要發(fā)送的數(shù)據(jù)

從設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后，就需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成能發(fā)送給服務(wù)器的格式，主要轉(zhuǎn)化成數(shù)值數(shù)據(jù)或者字符串格式。同時，在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合（以減少數(shù)據(jù)量）或者合并發(fā)送。

3.2.3 把數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器

4 Web服務(wù)端應(yīng)用設(shè)計

4.1 數(shù)據(jù)接收

Web服務(wù)端通過約定的協(xié)議接收來自設(shè)備端的數(shù)據(jù)，協(xié)議包括HTTP協(xié)議、WebSocket以及MQTTP等，其中WebSocket是一種在單個TCP連接上進(jìn)行全雙工通信的協(xié)議。MQTT是最近幾年出來的協(xié)議，MQTT協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)一對多通信，主要由發(fā)布者、訂閱者以及中介構(gòu)成。中介承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)MQTT通信的服務(wù)器作用[1]，發(fā)布者和訂閱者發(fā)揮客戶端的作用。發(fā)布者是發(fā)送消息的客戶端，訂閱者是接收消息的客戶端。設(shè)備傳來的數(shù)據(jù)和Web傳來的數(shù)據(jù)是有差異的，大多數(shù)是傳感器數(shù)據(jù)、語音以及圖像等數(shù)值數(shù)據(jù)。與文本相比，這樣的數(shù)據(jù)更適合采用二進(jìn)制形式對其進(jìn)行處理?；谖锫?lián)網(wǎng)服務(wù)處理這些格式時，需要把文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)值數(shù)據(jù)和二進(jìn)制數(shù)據(jù)（也是由于調(diào)用MessagePack函數(shù)發(fā)送的是二進(jìn)制數(shù)據(jù)所造成的）。

4.2 數(shù)據(jù)處理

服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)之后，接下來就需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。利用大數(shù)據(jù)的處理技術(shù)，按照數(shù)據(jù)挖掘的處理流程包括數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)保存以及向設(shè)備端發(fā)送指令。對數(shù)據(jù)的分析與加工主要采用了“批處理”和“流處理”2種典型的處理方式。

4.2.1 批處理

批處理就是每隔一段時間處理一批積累下來的數(shù)據(jù)，例如在藏紅花栽培中物聯(lián)網(wǎng)采集的歷史數(shù)據(jù)及專家存入數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，需要隔一段時間就從數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)，執(zhí)行處理操作。批處理的重點(diǎn)在于在規(guī)定時間內(nèi)完成處理所有的數(shù)據(jù)的任務(wù)，因此數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量越大，就需要性能越好的機(jī)器。要處理由數(shù)量龐大的設(shè)備發(fā)出來的傳感器數(shù)據(jù)和圖像等大型數(shù)據(jù)，就需要使用分布式處理平臺軟件高效地對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

4.2.2 流處理

流處理指不保存數(shù)據(jù)，按照到達(dá)服務(wù)器的順序依次對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。流處理是一個有效的可以實(shí)時對數(shù)據(jù)做出反應(yīng)的方法，可以處理控制傳感器實(shí)時采集的數(shù)據(jù)。批處理是先積攢數(shù)據(jù)，隔一段時間后再對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，因此從數(shù)據(jù)存儲到處理完畢會出現(xiàn)時間延遲。而流處理這樣根據(jù)數(shù)據(jù)到達(dá)的順序依次對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法就變得比較重要。流處理基本上不會保存數(shù)據(jù)，使用過的數(shù)據(jù)直接丟棄，只需要保存處理結(jié)果。

4.3 反控數(shù)據(jù)發(fā)送

“反控”主要是指服務(wù)器端向設(shè)備端發(fā)送數(shù)據(jù)或者控制設(shè)備指令，服務(wù)端發(fā)送采取接收時的相應(yīng)協(xié)議MQTT。藏紅花栽培中物聯(lián)網(wǎng)通信利用MQTT實(shí)現(xiàn)同步異步數(shù)據(jù)傳輸。在MQTT發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先，設(shè)備作為訂閱者，向MQTT中介進(jìn)行訂閱。其次，服務(wù)器作為發(fā)布者，向MQTT中介進(jìn)行發(fā)布。在MQTT模式下，發(fā)送服務(wù)器只需要把確定的數(shù)據(jù)加在主題上發(fā)送就行了，服務(wù)器和設(shè)備之間無須知道對方的地址，只需要知道中介的地址即可。一旦訂閱者斷開，中介將肩負(fù)起斷開時的發(fā)送任務(wù)，在設(shè)備重連后再次發(fā)送數(shù)據(jù)。運(yùn)用MQTT協(xié)議后，服務(wù)器反控下發(fā)數(shù)據(jù)到設(shè)備就變得更簡單了。

4.4 移動終端應(yīng)用層設(shè)計

首先通過配置ID和KEY與云服務(wù)器進(jìn)行連接，其次實(shí)時監(jiān)聽數(shù)據(jù)，以獲取相關(guān)傳感器的數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行處理[2]，終端應(yīng)用層的作用是實(shí)現(xiàn)客戶端瀏覽器的可視化人機(jī)交互界面?？梢栽诰W(wǎng)頁端實(shí)時查看智能溫室內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，且可以發(fā)送命令控制溫室內(nèi)的數(shù)值，從繼電器再到終端節(jié)點(diǎn)執(zhí)行網(wǎng)頁端的命令，從而使農(nóng)作物在最佳的生長環(huán)境中生長。在getConnect()函數(shù)中定義了實(shí)時連接對象rtc，當(dāng)連接成功時，回調(diào)函數(shù)是rtc.onConnect；同時，數(shù)據(jù)服務(wù)器掉線，回調(diào)函數(shù)是rtc.onConnectLost，消息處理回調(diào)函數(shù)是rtc.onmessageArrive。

5 結(jié)語

隨著智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，移動嵌入式系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)挖掘以及傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)在農(nóng)業(yè)種植中廣泛使用，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)變得越來越重要，它可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全天候監(jiān)測、標(biāo)準(zhǔn)化種植以及智能化管理，幫助農(nóng)民減少災(zāi)難，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的更新?lián)Q代，也發(fā)揮了技術(shù)的支柱作用。該系統(tǒng)是基于大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的藏紅花栽培與土壤養(yǎng)分態(tài)勢分析模型構(gòu)建及應(yīng)用系統(tǒng)，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集數(shù)據(jù)，通過LoRa和ZigBee通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，利用邊緣計算統(tǒng)一地對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在云端利用數(shù)據(jù)挖掘多次對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對數(shù)據(jù)挖掘的過程進(jìn)行歸納和總結(jié)，構(gòu)建了數(shù)據(jù)挖掘的處理應(yīng)用模型。