設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知技術(shù)應(yīng)用研究

宋斌　陳立平　陳天恩

摘要 將虛擬現(xiàn)實(shí)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)情景感知的設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)三維可視化管理系統(tǒng)。通過在三維制作軟件Maya中使用多邊形建模方法構(gòu)建日光溫室等模型，并應(yīng)用骨骼動(dòng)畫技術(shù)實(shí)現(xiàn)卷簾控制動(dòng)畫，結(jié)合Unity3d三維引擎快速構(gòu)建整個(gè)日光溫室園區(qū)的三維場景；完善感知數(shù)據(jù)傳輸及設(shè)備遠(yuǎn)程控制功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)三維交互場景與物聯(lián)網(wǎng)測控功能的融合，通過三維場景實(shí)時(shí)獲取溫室內(nèi)數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)設(shè)施生產(chǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的在線控制，解決復(fù)雜三維場景客戶端協(xié)調(diào)處理瓶頸。結(jié)果表明，設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知技術(shù)可以為設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)及未來并行化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí)； 情景感知； 設(shè)施農(nóng)業(yè)； 物聯(lián)網(wǎng)； Unity3d

中圖分類號(hào) S126；TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）20-369-03

Abstract In order to build the 3D visualization management system of facility agriculture of the technology of Internet of context awareness， it is appropriate to develop based on virtual reality and the Internet of things technology. This paper uses polygon modeling method to construct the greenhouse model in the threedimensional production software of Maya， and applies the skeletal animation technology to realize rolling control animation， and constructs the complete scene of the greenhouse park efficiently by Unity3d； improving the perception of the data transmission and remote control functions for devices， the integration of interactive 3D scene of facility agriculture with monitoring and control functions of Things was realized， the realtime data of greenhouses was obtained and the online control of the facility actuator in the threedimensional scene was achieved， bottlenecks in the coordination of complex 3D client was solved； research shows that context aware technology in the facility agriculture of Things can provide technical support for the agricultural intelligent production and parallelization of agricultural production management.

Key words Virtual reality； Context awareness； Facility agriculture； Internet of Things； Unity3d

隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的普及應(yīng)用和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的逐漸成熟，海量實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)處理問題的技術(shù)瓶頸正在被突破[1-3]，在收集分析農(nóng)田環(huán)境中的傳感器和其他各種來源的信息后，作物生長所處情景便能被計(jì)算機(jī)識(shí)別，一定時(shí)間內(nèi)的記錄也會(huì)被感知，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理人員提供真實(shí)再現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)情景感知信息和計(jì)算服務(wù)[4]。設(shè)施農(nóng)業(yè)是一種高效的資源節(jié)約型農(nóng)業(yè)發(fā)展技術(shù)，可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供高效可控的技術(shù)手段[5]，設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是結(jié)合了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制、人工智能和專家知識(shí)庫的構(gòu)建發(fā)展起來的，可為種植作物的生長提供更加科學(xué)、有保障的環(huán)境[6]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于作物的三維可視化[7-8]、景區(qū)的虛擬漫游、工業(yè)控制仿真及農(nóng)業(yè)虛擬仿真等方面。

但目前在將設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合來為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理者提供三維可視化的服務(wù)方面尚無很好的研究?；诖?，筆者研究將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合，構(gòu)建基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的日光溫室園區(qū)虛擬場景，開發(fā)實(shí)現(xiàn)的基于物聯(lián)網(wǎng)情景感知的設(shè)施農(nóng)業(yè)園區(qū)三維可視化管理系統(tǒng)，以三維可視化的方式為園區(qū)管理人員提供生產(chǎn)管理的服務(wù)。

1 設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知三維可視化模式

該研究將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知日光溫室園區(qū)三維可視化控制新模式的結(jié)構(gòu)（圖1），其由硬件控制模塊、遠(yuǎn)端中心服務(wù)器模塊和日光溫室園區(qū)三維交互場景客戶端模塊構(gòu)成。硬件控制模塊是由工控機(jī)進(jìn)行負(fù)責(zé)，實(shí)現(xiàn)對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸及對卷簾等控制設(shè)備的管理，并與遠(yuǎn)端中心服務(wù)器進(jìn)行通信；中心服務(wù)器端運(yùn)行的服務(wù)程序?yàn)檫h(yuǎn)端工控機(jī)以及三維客戶端提供通信，并協(xié)調(diào)處理多客戶端的請求，通過調(diào)用“國家三農(nóng)云服務(wù)平臺(tái)”提供的農(nóng)業(yè)知識(shí)庫來對作物的生長提供控制決策；日光溫室園區(qū)三維交互客戶端是基于Unity3d引擎來構(gòu)建三維可視化的場景，提供情景式的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)日光溫室園區(qū)的模擬，并通過調(diào)用服務(wù)器端的服務(wù)獲取環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，當(dāng)在三維可視化場景中向服務(wù)器發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)對溫室卷簾等設(shè)備的控制并在三維客戶端場景中進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制反饋仿真顯示。

3.2.3

溫室設(shè)備控制決策服務(wù)。

通過調(diào)用國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心研發(fā)構(gòu)建的“國家三農(nóng)云服務(wù)模型”中的作物分析決策接口，分析當(dāng)前是否應(yīng)對溫室調(diào)控設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)地控制。服務(wù)器端程序?qū)崿F(xiàn)的為客戶端提供的溫室控制決策的處理結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3.3 單客戶端請求通信

單一日光溫室園區(qū)三維可視化客戶端與服務(wù)器的請求通信，用Unity3d提供的WWW網(wǎng)絡(luò)通信類發(fā)送http請求來獲取服務(wù)器端提供的Servlet服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的請求及控制指令的執(zhí)行。

3.4 復(fù)雜多客戶端請求通信控制策略

構(gòu)建的日光溫室園區(qū)三維管理客戶端因同時(shí)部署了多套實(shí)現(xiàn)分布式的控制，故在同一時(shí)刻會(huì)有多個(gè)客戶端對同一執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，該研究實(shí)現(xiàn)多客戶端協(xié)調(diào)控制的策略為在服務(wù)器端按照固定的算法，當(dāng)客戶端與服務(wù)器第1次請求連接時(shí)為其生成標(biāo)識(shí)號(hào)，并將其返回給客戶端，之后客戶端通信就以此標(biāo)識(shí)號(hào)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，服務(wù)器對帶有唯一標(biāo)識(shí)的不同客戶端進(jìn)行排隊(duì)處理，以協(xié)調(diào)處理可能導(dǎo)致通信請求的混亂。

3.5 系統(tǒng)部署運(yùn)行

最終開發(fā)實(shí)現(xiàn)的設(shè)施農(nóng)業(yè)園區(qū)三維管理系統(tǒng)，其整體由硬件控制機(jī)構(gòu)、中心服務(wù)器和日光溫室園區(qū)三維可視化管理客戶端3個(gè)部分組成。其中硬件控制機(jī)構(gòu)安裝在湖北省宜昌市宜都市王家畈鄉(xiāng)的農(nóng)業(yè)園區(qū)示范區(qū)內(nèi)的日光溫室中。使用MyEclipse軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)為三維客戶端提供Servlet服務(wù)及與硬件控制機(jī)構(gòu)通信交互控制的服務(wù)器程序部署在三峽大學(xué)中心機(jī)房電腦中的Tomcat7這一WEB服務(wù)器中。而由Unity3d開發(fā)發(fā)布的日光溫室園區(qū)三維可視化管理客戶端安裝在三峽大學(xué)校內(nèi)的服務(wù)器上及其設(shè)施農(nóng)業(yè)基地內(nèi)的管理中心的電腦中。經(jīng)過現(xiàn)場運(yùn)行測試，其實(shí)際運(yùn)行情況良好，不僅可為園區(qū)人員提供三維可視化的管理控制服務(wù)，而且還可實(shí)現(xiàn)多客戶端的協(xié)調(diào)控制及分布式的生產(chǎn)管理服務(wù)。

4 結(jié)語

基于Unity3d引擎制作三維可視化的農(nóng)業(yè)溫室場景，提供可以完全沉浸于其中進(jìn)行三維漫游的功能，并且架構(gòu)服務(wù)器端提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)，實(shí)現(xiàn)可以在三維可視化的場景下訪問遠(yuǎn)程服務(wù)器的服務(wù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信，并對獲取的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)行建模分析做出決策，以向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送控制指令，對相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行調(diào)控，為作物的生長提供適宜的環(huán)境條件。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的這一溫室控制新模式充分應(yīng)用設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知技術(shù)，以三維可視化的方式為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對設(shè)施生產(chǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在線控制的應(yīng)用研究，為設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)及未來并行化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供進(jìn)一步的技術(shù)支撐。

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