基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫室智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)的研究

張恩瑋+++陳亮

摘 要：針對目前溫室控制系統(tǒng)中對溫室環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)不夠準(zhǔn)確、控制成本高、智能化程度低等現(xiàn)狀，綜合考慮溫室環(huán)境因素之間的相互影響，設(shè)計了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫室智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用嵌入式技術(shù)和單片機控制組合的搭配，使系統(tǒng)更加精準(zhǔn)、穩(wěn)定，實現(xiàn)了真正的脫離人控的自適應(yīng)智能控制。系統(tǒng)是集智能檢測、通信技術(shù)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自動控制于一體的新型智能溫室控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：溫室；卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；自動控制；自適應(yīng)

隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展，作為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化重要標(biāo)志之一的溫室控制技術(shù)[1]也面臨著重大的技術(shù)改進(jìn)。如何提高溫室控制系統(tǒng)對溫室環(huán)境的高效、準(zhǔn)確控制，提高控制系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化[2]程度，降低系統(tǒng)成本是目前需要重點改進(jìn)的技術(shù)。針對目前溫室控制系統(tǒng)對溫室環(huán)境因子調(diào)節(jié)不夠準(zhǔn)確，控制系統(tǒng)成本高，智能化、網(wǎng)絡(luò)化程度低的不足，文章綜合考慮溫室環(huán)境因素之間的相互影響對溫室環(huán)境的影響，設(shè)計了一種應(yīng)用嵌入式加單片機控制的基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[3]的溫室智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)由四種下位機數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸線路、以及系統(tǒng)上位機三大部分組成，如圖1所示。

在溫室環(huán)境中，溫度、濕度、光照強度、CO2濃度四個因素對作物的影響最大且很難合理有效的控制調(diào)節(jié)。文章研究以上四個環(huán)境因子之間的相互影響并對其進(jìn)行科學(xué)的調(diào)節(jié)控制。本系統(tǒng)采用多個傳感器[4]完成上述所需參數(shù)數(shù)據(jù)的采集。為了實時方便的監(jiān)控大棚內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)，系統(tǒng)備有數(shù)據(jù)信息顯示界面，由中央處理器通過顯示接口外接一個LCD液晶屏，把數(shù)據(jù)采集單元（變送器）采集到的環(huán)境參數(shù)，經(jīng)過打包、處理，通過RS-485銜接串口傳送給中央處理器，以此顯示大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的變化。中央處理器具備人機交互軟件，在接收多個變送器的數(shù)據(jù)后，可以顯示在用戶界面上，并且根據(jù)收集來的數(shù)據(jù)通過內(nèi)部的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序來控制系統(tǒng)硬件驅(qū)動進(jìn)行相應(yīng)的操作處理。通過觸摸屏上的按鍵可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，還可以設(shè)定溫度、濕度、光照以及CO2濃度的限值。路繼電器以及相應(yīng)的電路驅(qū)動模塊控制相應(yīng)的設(shè)備來調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件組成

本系統(tǒng)硬件由四種變送器[5]、上位機ARM920T為核心的嵌入式控制器以及單片機控制系統(tǒng)組成。這里面變送器的功能是把傳感器收集來的信號（溫度、濕度等）轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀豢刂破髯R別的電信號，傳送給中央處理器。單片機系統(tǒng)通過串口連接各個驅(qū)動模塊以及繼電器來控制大棚內(nèi)各個設(shè)備的狀態(tài)。上位機嵌入式控制器把單片機傳來的信息加工處理并且儲存在SQlite中，完成對環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的實時采集以及分析，并且根據(jù)內(nèi)部卷積自適應(yīng)控制程序操控驅(qū)動模塊采取相應(yīng)的措施來維持溫室最佳環(huán)境。

2.1 空氣溫濕度變送器

主要技術(shù)參數(shù)：電源：5號電池，兩節(jié)；功耗：工作電流，0.2mA，發(fā)射電流，15mA；溫度精度：±0.5℃；濕度精度：±4.5%；

2.2 光照度變送器

主要技術(shù)參數(shù)：電源：取自“環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控器”；通訊：RS485，與“環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控器”相連；照度范圍：0-200000lux

2.3 CO2變送器

主要技術(shù)參數(shù)：電源：取自“環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控器”；通訊：RS485，與“環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控器”相連；測量范圍：0-10000ppm

2.4 單片機控制系統(tǒng)和嵌入式控制器

此部分通過內(nèi)部設(shè)計好的程序控制溫室內(nèi)各種設(shè)備對種植環(huán)境參數(shù)“采集、存儲、監(jiān)測、分析、預(yù)警、控制”，是使系統(tǒng)能夠精確測量6種參數(shù)的保證，根據(jù)6種環(huán)境參數(shù)的變化，利用卷積程序智能控制設(shè)施環(huán)境中的相應(yīng)電器設(shè)備，滿足不同作物對環(huán)境條件的具體要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)由單片機控制系統(tǒng)和嵌入式控制系統(tǒng)構(gòu)成。

3.1 單片機控制系統(tǒng)

單片機控制系統(tǒng)部分主要功能是對天窗、遮陽網(wǎng)、噴淋裝置等進(jìn)行控制。

3.2 嵌入式控制系統(tǒng)

嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計由動態(tài)顯示模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、通信模塊四個部分組成。通過動態(tài)顯示模塊可以及時監(jiān)控各環(huán)境因子的變化；控制模塊可對整個系統(tǒng)進(jìn)行操控；數(shù)據(jù)庫模塊是為作物生長環(huán)境的設(shè)定而積累數(shù)據(jù)，并且系統(tǒng)內(nèi)部卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序利用這些數(shù)據(jù)作為輸入來進(jìn)行壓縮卷積；通信模塊是實現(xiàn)上位機和單片機之間的通信。

4 結(jié)束語

基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫室智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)，采用ARM加單片機的組合控制方式，雖然成本稍微較高，但避免了傳統(tǒng)溫室控制系統(tǒng)中對溫室環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)不夠準(zhǔn)確、控制系統(tǒng)成本過高、智能化程度低、以及專家系統(tǒng)的參數(shù)決定不準(zhǔn)確等弊端設(shè)計等問題，集智能檢測、通信技術(shù)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自動控制于一體，利用嵌入式技術(shù)進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的自動檢測和可靠傳遞，運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對數(shù)據(jù)智能優(yōu)化，再利用單片機進(jìn)行自動控制，為一套高性能的自適應(yīng)智能控制系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]王寶金.農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)展望[J].計算機與農(nóng)業(yè)，2002（05）.

[2]白濤，吳智銘，楊根科，等.網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)[J].控制理論與應(yīng)用，2004（04）.

[3]張振山，高子恒，范建領(lǐng).基于VB語言的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].計算機測量與控制，2008（08）.

[4]Adrian Fernandez.Getting Started with the MSP430 LaunchPad. 2013.

[5]唐敏，宋杰.嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite的原理與應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2008（04）.