基于物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)業(yè)采集算法研究

徐勝霞

基于物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)業(yè)采集算法研究

徐勝霞

（山東信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濰坊 261061）

隨著信息化水平的快速提升，移動(dòng)通信進(jìn)入到5G元年，依靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，尤其是農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并上傳大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的及時(shí)監(jiān)管和治理。在此背景下，結(jié)合溫室大棚中的溫度、濕度、光照變化情況，從采集數(shù)據(jù)算法入手，創(chuàng)新性地提出自適應(yīng)溫度、濕度、光照采集算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚溫度、濕度、光照的精細(xì)化管理的同時(shí)，降低網(wǎng)絡(luò)投入成本，使智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)具有普惠性。

物聯(lián)網(wǎng)；智能溫度控制；智能濕度控制；智能光照控制

1 自適應(yīng)溫度、濕度、光照采集算法提出背景

溫室大棚中的溫度、濕度、光照是重要的參數(shù)指標(biāo)，也是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要影響因素。目前的物聯(lián)網(wǎng)終端采集數(shù)據(jù)均為等時(shí)間間隔采集，打包數(shù)據(jù)后通過(guò)運(yùn)營(yíng)商的NB-IOT網(wǎng)絡(luò)上傳至云平臺(tái)，運(yùn)營(yíng)商按次數(shù)制訂套餐收取費(fèi)用。比如典型的NB-IOT，物聯(lián)網(wǎng)終端采集數(shù)據(jù)均為等時(shí)間間隔采集，運(yùn)營(yíng)商按次數(shù)制定套餐收取費(fèi)用。以中國(guó)電信為例，典型的物聯(lián)網(wǎng)套餐的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)

連接服務(wù)費(fèi)包年套餐（元/戶/年）生命周期套餐（元/用戶） 2年2年2年2年2年2年2年 203550658090100105 高頻功能費(fèi)20元/戶/高頻使用

注：高頻功能費(fèi)指合同期的合同年內(nèi)，每達(dá)到20 000次連接頻次所收取的高頻使用費(fèi)用。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式按照等時(shí)間間隔采集，則對(duì)時(shí)間變化比較敏感的數(shù)據(jù)，會(huì)存在因不及時(shí)上傳而導(dǎo)致控制不及時(shí)。例如，溫室大棚中的溫度、濕度、光照尤其是在光照較強(qiáng)情況下，會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的急劇變化；無(wú)光照或光照條件不好的情況下變化較小，此時(shí)如果依然按照傳統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)模式，會(huì)造成前者的溫度、濕度、光照控制不及時(shí)。后者在環(huán)境溫度、濕度、光照變化較小時(shí)，冗余數(shù)據(jù)過(guò)多，最終導(dǎo)致一方面無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境的精細(xì)化管理；另一方面采集的數(shù)據(jù)有效性較低，無(wú)形中增加了網(wǎng)絡(luò)成本。這都與智慧農(nóng)業(yè)的精細(xì)化、智能化原則相悖。

結(jié)合溫室大棚中的溫度、濕度以及光照變化情況，創(chuàng)新性地提出自適應(yīng)溫度、濕度、光照采集算法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚溫度、濕度、光照的精細(xì)化管理的同時(shí)，降低網(wǎng)絡(luò)投入成本，使智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)具有普惠性。同時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)際生長(zhǎng)所需的最佳環(huán)境參數(shù)形成不同植物的全周期最佳生長(zhǎng)溫度、濕度、光照數(shù)字模型，從而實(shí)現(xiàn)作物的增量增收。

自動(dòng)調(diào)整溫室大棚中的濕度、溫度、光照環(huán)境系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，溫度傳感器、濕度傳感器和光照傳感器將溫室大棚內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度、濕度和光照等環(huán)境參數(shù)通過(guò)NB-IoT無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊上傳至中心數(shù)據(jù)管理及控制平臺(tái)，該平臺(tái)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)計(jì)算并下達(dá)自動(dòng)控制指令，自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度、濕度和光照強(qiáng)度，使環(huán)境達(dá)到最適合作物生長(zhǎng)的參數(shù)，實(shí)時(shí)的環(huán)境參數(shù)也會(huì)上傳后臺(tái)監(jiān)控中心和用戶的手機(jī)終端，使用戶隨時(shí)隨地掌控大棚內(nèi)的實(shí)時(shí)情況。

圖1 溫室大棚環(huán)境自動(dòng)優(yōu)化系統(tǒng)

本文主要針對(duì)溫度、濕度和光照強(qiáng)度等搭建計(jì)算模型，形成精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)，采取軟硬件結(jié)合的方式，硬件采用單片機(jī)，軟件采用C語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)智能溫度控制、智能濕度控制、智能光照控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)

2 系統(tǒng)模塊功能

2.1 智能溫度控制

溫度控制分為自動(dòng)降溫和自動(dòng)升溫兩大功能模塊。

2.1.1 自動(dòng)降溫功能

溫室大棚內(nèi)的溫度控制模塊實(shí)時(shí)采集室內(nèi)溫度，由控制器根據(jù)實(shí)際溫度和該農(nóng)作物所處生長(zhǎng)階段的最佳溫度門(mén)限值進(jìn)行模糊計(jì)算，包括通過(guò)溫度變化率預(yù)估溫度變化情況等。如果溫度超過(guò)門(mén)限值，則系統(tǒng)啟動(dòng)降溫。常用的降溫方式有：夏季的自然通風(fēng)和強(qiáng)制降溫方式，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間判斷后如果降溫效果仍未達(dá)到合理的溫度，則會(huì)立即發(fā)出預(yù)警，提示用戶采取人工降溫措施。

2.1.2 自動(dòng)升溫功能

由控制器根據(jù)實(shí)際溫度和最佳溫度進(jìn)行模糊計(jì)算，如果溫度低于最低溫度，則采用暖氣加溫的方式，通過(guò)調(diào)節(jié)暖氣恒溫閥的開(kāi)合度來(lái)控制室內(nèi)溫度。

2.2 智能濕度控制

自動(dòng)控制，后臺(tái)計(jì)算機(jī)根據(jù)溫室大棚室內(nèi)采集到的實(shí)時(shí)濕度值，與當(dāng)前農(nóng)作物生長(zhǎng)階段最佳的濕度范圍進(jìn)行對(duì)比，如果高于最大濕度，則自動(dòng)關(guān)閉噴霧；如果低于最小值，則自動(dòng)打開(kāi)噴霧閥門(mén)。通過(guò)自動(dòng)控制噴霧閥門(mén)的開(kāi)關(guān)和大小，使得室內(nèi)濕度環(huán)境最適宜農(nóng)作物的生長(zhǎng)。

2.3 智能光照控制

智能光照控制功能，包括光照較高時(shí)的遮光和光照較低時(shí)的補(bǔ)光兩大模塊。

光照控制模塊采集到的光照數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)設(shè)定的控制目標(biāo)進(jìn)行比較，如果高于設(shè)定值，則采取遮光措施，例如，常見(jiàn)的有通過(guò)外拉幕進(jìn)行遮光；如果采集到的光照強(qiáng)度低于設(shè)定值，則采取收攏外拉幕、自動(dòng)補(bǔ)光功能，常見(jiàn)的有通過(guò)自動(dòng)打開(kāi)和關(guān)閉補(bǔ)光燈進(jìn)行補(bǔ)光。通過(guò)光照強(qiáng)度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得當(dāng)前的光照始終適合該農(nóng)作物的生長(zhǎng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在原有溫度、濕度和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集算法上進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)采集參數(shù)變化率，從而修正上報(bào)頻次，對(duì)參數(shù)變化率較大的，提高上報(bào)頻次；對(duì)參數(shù)變化率較小的，降低上報(bào)頻次，避免發(fā)生溫度、濕度或光照強(qiáng)度變化較快時(shí)來(lái)不及調(diào)整的問(wèn)題，從而使得上報(bào)參數(shù)更加有效、及時(shí)。

針對(duì)目前物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中對(duì)數(shù)據(jù)采集算法，本文提出了一種優(yōu)化的數(shù)據(jù)采集算法，即根據(jù)溫度、濕度及光照強(qiáng)度變化率來(lái)改變數(shù)據(jù)上報(bào)頻次，提高數(shù)據(jù)上報(bào)的效率，有效避免了上報(bào)不及時(shí)和過(guò)多的冗余數(shù)據(jù)現(xiàn)象存在。

［1］韓子鑫，齊瑞鋒，楊文挺.智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)文摘-農(nóng)業(yè)工程，2017，29（6）：21-23.

［2］嚴(yán)璋鵬，彭程.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)實(shí)施方案研究［J］.西安郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（4）：105-108.

［3］劉麗偉，高中理.美國(guó)發(fā)展“智慧農(nóng)業(yè)”促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈變革的做法及啟示［J］.經(jīng)濟(jì)縱橫，2016（12）：120-124.

［4］錢(qián)曄，孫吉紅，黎斌林，等.大數(shù)據(jù)環(huán)境下我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展策略與路徑［J］.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)），2019，13（1）：6-10.

TP391.44

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.047

2095－6835（2019）24－0108－02

徐勝霞（1987—），女，山東濰坊人，碩士，助教，研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信與無(wú)線技術(shù)。

〔編輯：張思楠〕