基于增強現(xiàn)實與物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)研究

摘 要：設計并開發(fā)了一種基于增強現(xiàn)實和物聯(lián)網(wǎng)技術的農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過增強現(xiàn)實的交互性界面，直觀地展示農(nóng)業(yè)種植環(huán)境中的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。其由數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層和AR客戶端層三部分組成，能夠通過部署在農(nóng)業(yè)種植環(huán)境中的傳感器監(jiān)測環(huán)境信息，使用 MQTT協(xié)議將實時數(shù)據(jù)上傳至服務器，并借助Unity3D和Vuforia SDK，通過增強現(xiàn)實的交互性界面向用戶展示實時數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將增強現(xiàn)實技術運用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，便于種植者更好地監(jiān)測數(shù)據(jù)，為智慧農(nóng)業(yè)提供了一種嶄新的增強現(xiàn)實方案。

關鍵詞：增強現(xiàn)實；智慧農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)；MQTT；Unity3D；Vuforia

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）12-00-03

0 引 言

隨著全球人口的不斷增長，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正面臨著前所未有的嚴峻挑戰(zhàn)。為了應對不斷增長的糧食需求，農(nóng)業(yè)領域亟需提升生產(chǎn)效率、減少資源浪費，實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展。在這一背景下，農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)作為一種至關重要的工具，能夠實時、準確地提供數(shù)據(jù)支持，幫助農(nóng)民更有效地管理農(nóng)田和作物。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)測方法存在一些限制，例如數(shù)據(jù)采集和分析的滯后，以及數(shù)據(jù)可視化的復雜性。為了克服這些挑戰(zhàn)，本文設計并開發(fā)了一種基于增強現(xiàn)實（Augmented Reality， AR）和物聯(lián)網(wǎng)技術的農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)。這一系統(tǒng)結合了AR技術的可視化和交互性優(yōu)勢，以及物聯(lián)網(wǎng)技術的實時數(shù)據(jù)采集和傳輸能力，為種植者提供了全新的方式來監(jiān)測和管理農(nóng)田環(huán)境。

本文為智慧農(nóng)業(yè)提供了一種嶄新的增強現(xiàn)實方案，借助這一創(chuàng)新性的系統(tǒng)，能夠有效提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，提高資源管理和決策質量。

1 研究現(xiàn)狀

目前，發(fā)達國家如美國、以色列、荷蘭等在智慧農(nóng)業(yè)領域已取得了顯著的進展，憑借先進技術大幅提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、可持續(xù)性和農(nóng)場管理水平[1]。而我國農(nóng)業(yè)的科技化應用狀況相對落后，正處于由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉型的過渡階段。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)測方法因為數(shù)據(jù)采集和分析的滯后性，制約了種植者對農(nóng)田狀況的實時掌握。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)業(yè)傳感器和數(shù)據(jù)傳輸方面應用廣泛[2-4]，依托于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧農(nóng)業(yè)研究逐年增加。研究人員通過建立大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡，用于監(jiān)測土壤質量、水資源利用情況和氣象參數(shù)等，實現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)種植數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，而這些數(shù)據(jù)對于農(nóng)業(yè)決策至關重要。

增強現(xiàn)實是一種將虛擬數(shù)字信息與現(xiàn)實世界相結合的技術，通過計算機生成的感知信息來擴展、增強或提升人類感知。近年來，增強現(xiàn)實技術在工業(yè)、教育、旅游等領域的應用發(fā)展迅猛[5-8]，但該技術在農(nóng)業(yè)領域應用較少。本文將AR技術引入農(nóng)業(yè)監(jiān)測領域，通過直觀的可視化效果和交互性界面，使種植者能夠實時獲取和掌握關鍵的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)。這不僅提高了數(shù)據(jù)的可理解性，還強化了數(shù)據(jù)驅動的決策制定能力。本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層和AR客戶端層3部分組成。通過部署在農(nóng)田的傳感器，將實時數(shù)據(jù)上傳至服務器，并使用MQTT協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，種植者借助AR眼鏡或手機終端，能夠實時獲取有關農(nóng)田狀況的信息，如作物生長狀態(tài)、土壤濕度和氣象數(shù)據(jù)。本文通過結合增強現(xiàn)實和物聯(lián)網(wǎng)技術，旨在提供一種創(chuàng)新的方式來監(jiān)測和管理農(nóng)田環(huán)境，推動智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

2 系統(tǒng)架構

本系統(tǒng)結合了增強現(xiàn)實和物聯(lián)網(wǎng)技術，構建了一種全新的農(nóng)業(yè)監(jiān)測解決方案。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層以及AR客戶端層構成。數(shù)據(jù)采集層主要負責種植環(huán)境的數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)上傳到服務器；網(wǎng)絡傳輸層作為AR客戶端層與數(shù)據(jù)采集層的橋梁，負責傳輸數(shù)據(jù)與指令；AR客戶端層將服務器傳輸?shù)姆N植環(huán)境數(shù)據(jù)通過增強現(xiàn)實的方式展示。系統(tǒng)成功實現(xiàn)了在手機客戶端或AR眼鏡上展示農(nóng)業(yè)種植環(huán)境的實時狀態(tài)，系統(tǒng)整體功能架構如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集層通過使用各種傳感器和智能設備來進行農(nóng)業(yè)環(huán)境的實時數(shù)據(jù)采集，其中包括空氣中的溫度、濕度、二氧化碳體積分數(shù)等對農(nóng)作物生長有重要影響的環(huán)境參數(shù)，并由無線模塊通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡傳輸層。AR客戶端則采用Unity3D+Vuforia的增強現(xiàn)實方案實現(xiàn)實時圖像識別、多種跟蹤方式、攝像頭視頻流與虛擬現(xiàn)實模型的融合，提高了用戶體驗[9]。客戶端使用MQTT協(xié)議接收數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行處理，隨后便可以通過掃描綁定作物的識別物以顯示增強現(xiàn)實界面，讓用戶能夠更直觀地了解農(nóng)業(yè)種植環(huán)境的狀態(tài)。

3 系統(tǒng)架構

3.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層使用ESP32作為主控芯片，控制該層的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)上傳功能。該層采集的數(shù)據(jù)主要包括空氣溫濕度、光照強度、土壤濕度以及氣體體積分數(shù)。其中，溫濕度傳感器用于采集種植環(huán)境中的空氣溫度和濕度數(shù)據(jù)，光敏電阻傳感器則用于采集光照強度數(shù)據(jù)，氣體傳感器用于采集空氣中氧氣、二氧化碳體積分數(shù)，土壤濕度傳感器用于采集土壤濕度。傳感器通過GPIO與主控芯片連接。在實際應用中，應當根據(jù)環(huán)境來選擇具有良好穩(wěn)定性與高靈敏度的傳感器，以確保采集數(shù)據(jù)的精確度。

主控芯片基于Arduino進行軟件設計，包括數(shù)據(jù)處理程序、網(wǎng)絡連接程序和數(shù)據(jù)上傳程序。主控芯片在讀取傳感器數(shù)據(jù)后，需要對數(shù)據(jù)進行處理，或進行數(shù)據(jù)修正后暫存在內存中。隨后主控芯片需要通過給定的WiFi名稱及密碼進行網(wǎng)絡連接，并使用特定的客戶端ID、MQTT服務器地址和端口，嘗試建立通信信道，將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務器，連接流程如圖2所示。最后，將傳感器采集的數(shù)據(jù)轉換為JSON格式，并通過MQTT協(xié)議上傳到云服務器（上傳到MQTT服務器上的一個特定主題中）。當傳感器數(shù)據(jù)處在異常范圍時，主控芯片可以自動觸發(fā)報警并對設備進行控制，將報警標識關聯(lián)至JSON數(shù)據(jù)中一并上傳。

3.2 網(wǎng)絡傳輸層

網(wǎng)絡傳輸層主要負責將從數(shù)據(jù)采集層獲取的數(shù)據(jù)上傳到云端或本地服務器，本系統(tǒng)采用MQTT協(xié)議實現(xiàn)這一過程。MQTT協(xié)議是一種輕量級的發(fā)布/訂閱型消息傳遞協(xié)議，系統(tǒng)通過MQTT協(xié)議實現(xiàn)AR客戶端層以及數(shù)據(jù)采集層與服務器之間的通信[10]。網(wǎng)絡傳輸層確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，采用TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，同時應用了斷點續(xù)傳和重連機制來處理網(wǎng)絡異常情況。多級節(jié)點和多線程的數(shù)據(jù)傳輸方式進一步增強了系統(tǒng)的擴展性和處理能力。

MQTT協(xié)議基于發(fā)布/訂閱模式，由發(fā)布者、訂閱者和代理構成。發(fā)布者發(fā)布消息到特定的主題，訂閱者通過訂閱特定的主題來接收消息，代理負責維護連接并確保消息在主題間的正確傳輸。數(shù)據(jù)采集層與AR客戶端層需要配置MQTT客戶端使其連接到MQTT服務器，配置通常包括指定服務器的主機名或 IP 地址以及端口號。

本系統(tǒng)采用EMQX（Erlang/Enterprise/Elastic MQTT Broker）作為MQTT消息服務器，EMQX是基于Erlang/OTP 平臺開發(fā)的開源物聯(lián)網(wǎng)MQTT消息服務器。在進行數(shù)據(jù)傳輸時，數(shù)據(jù)采集層通過主控芯片連接至MQTT服務器并訂閱特定主題，建立連接發(fā)布數(shù)據(jù)；AR客戶端以相同的主題進行訂閱，一旦AR客戶端層成功訂閱傳感器主題，它將開始接收數(shù)據(jù)采集層上傳至MQTT服務器中的傳感器數(shù)據(jù)。

3.3 AR客戶端層

AR客戶端層主要針對Android平臺開發(fā)，程序設計流程如圖3所示。本層需要編寫消息處理邏輯，將接收到的數(shù)據(jù)進行解析，并將傳感器數(shù)據(jù)通過AR進行可視化展示。Unity客戶端首先需要通過給定的MQTT配置與服務器建立連接，并給定數(shù)據(jù)采集層所使用的MQTT主題名稱，以確保客戶端可以訂閱、接收傳感器數(shù)據(jù)。AR部分采用Vuforia插件開發(fā)，訪問Vuforia官網(wǎng)注冊并獲取許可，創(chuàng)建識別對象數(shù)據(jù)庫，將種植對象綁定的識別對象上傳至數(shù)據(jù)庫，下載對應的資源包后，導入Unity項目中使用。根據(jù)需要設置識別對象的尺寸，輸入圖像的實際物理尺寸，以確保 Vuforia 準確識別目標。本系統(tǒng)使用的識別對象是本地大棚對應的二維碼。最后將程序通過Unity平臺打包成APK 文件，安裝到 Android 手機或AR眼鏡中。

圖4所示為本系統(tǒng)的客戶端界面，通過AR技術，將實時采集的數(shù)據(jù)以直觀、形象的方式呈現(xiàn)給用戶，種植者可以通過客戶端或佩戴AR眼鏡掃描農(nóng)田或設備，了解作物的生長狀態(tài)、土壤濕度、溫度等。

AR技術與物聯(lián)網(wǎng)的結合可以為農(nóng)業(yè)領域的智能決策提供強大支持。系統(tǒng)通過實時展示采集到的氣象信息、土壤質量和作物生長數(shù)據(jù)等，幫助種植者采取適當?shù)拇胧﹣韮?yōu)化決策并提高生產(chǎn)效率。遠程監(jiān)測也是基于AR技術的農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的另一個重要應用，對于大規(guī)模農(nóng)場或分布在不同地點的農(nóng)田來說，遠程訪問農(nóng)場數(shù)據(jù)至關重要。本系統(tǒng)對識別物與農(nóng)田位置的關系并沒有任何限制，無論農(nóng)民身在何處，都可以使用AR客戶端掃描遠程識別物來查看農(nóng)田的狀態(tài)，從而更好地管理和監(jiān)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

4 結 語

本文設計和開發(fā)了一種融合了增強現(xiàn)實和物聯(lián)網(wǎng)技術的農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，將現(xiàn)實世界與虛擬數(shù)據(jù)相結合，旨在提供一種更為高效、精確且直觀的農(nóng)業(yè)監(jiān)測和管理工具。通過整合數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡傳輸和增強現(xiàn)實技術，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性和智能化發(fā)展提供了一個嶄新的解決方案。本系統(tǒng)具有廣泛的應用前景，可在智慧農(nóng)業(yè)領域發(fā)揮關鍵作用。未來，本研究成果將為農(nóng)業(yè)領域的發(fā)展助力，幫助農(nóng)民更有效地監(jiān)測和管理農(nóng)田環(huán)境，實現(xiàn)資源的高效利用，進而促進農(nóng)業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性，提高生產(chǎn)效率。基于增強現(xiàn)實和物聯(lián)網(wǎng)技術的農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)科技未來發(fā)展的主要方向，通過將虛擬世界與實際農(nóng)田環(huán)境相融合，有力推動農(nóng)業(yè)智慧化發(fā)展，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)開創(chuàng)更加美好的前景。

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作者簡介：孫鳳霄（1997—），男，碩士，講師，研究方向為深度學習、物聯(lián)網(wǎng)技術。

霍敏霞（1983—），女，碩士，副教授，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術。

王 昊（1989—），男，碩士，講師，研究方向為數(shù)據(jù)挖掘。

段宇翔（2002—），男，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術。