徐全福,雷友建,李春江
(江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 江門 529090)
基于云平臺(tái)的人工智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)是以人工智能和大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的新一代農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)模式,人工智能技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用就是通過各類傳感器設(shè)備采集數(shù)據(jù)、無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及相互連通,再通過視頻識(shí)別、語音識(shí)別、進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的采集,最后通過控制終端進(jìn)行自動(dòng)控制,形成人工智能農(nóng)業(yè)大棚種植自動(dòng)控制系統(tǒng)。
經(jīng)過走訪珠三角一些農(nóng)業(yè)大棚發(fā)現(xiàn),目前我國的大棚種植還是以人工為主,科技應(yīng)用不高,需要大量的人工,嚴(yán)重影響了大棚種植的高產(chǎn)高效和現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的建設(shè)。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)城市周邊郊區(qū)主要以大棚種植蔬菜類為主,因?yàn)槭卟松a(chǎn)周期短,效益高,但人工成本是大棚蔬菜種植的主要壓力,面對(duì)蟲害、高溫等外圍環(huán)境農(nóng)場(chǎng)主也是比較被動(dòng),無法做到實(shí)時(shí)管理,而農(nóng)業(yè)種植自動(dòng)控制管理系統(tǒng)正是針對(duì)農(nóng)業(yè)種植過程中需要解決的問題而研發(fā)的,有助于解決勞動(dòng)力不足的問題以及提高產(chǎn)能。
通過用戶需求分析,農(nóng)業(yè)大棚種植農(nóng)業(yè)系統(tǒng)主要對(duì)環(huán)境中的土壤溫濕度、大氣溫濕度、二氧化碳和光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,同時(shí)在農(nóng)場(chǎng)建設(shè)照明、噴灑、抽風(fēng)等農(nóng)業(yè)控制基礎(chǔ)設(shè)施,若外界環(huán)境的變化超過預(yù)設(shè)的值,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行啟動(dòng)和停止相關(guān)控制,自我調(diào)節(jié)農(nóng)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù),營造一個(gè)適合植物生長的環(huán)境,如打開抽風(fēng)機(jī)通風(fēng)、實(shí)施噴灑等自動(dòng)控制,除了要采集環(huán)境數(shù)據(jù)外,想要更加精準(zhǔn)地了解農(nóng)場(chǎng)里的植物生長狀況,還需要增加視頻監(jiān)控功能,用于對(duì)農(nóng)場(chǎng)里的植物進(jìn)行生長監(jiān)控視頻錄制和進(jìn)行圖像對(duì)比識(shí)別,通過視頻監(jiān)控和圖像識(shí)別來進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì),進(jìn)而判斷農(nóng)作物的蟲害情況,同時(shí)對(duì)農(nóng)作物的生長進(jìn)行預(yù)測(cè)與評(píng)估,基于云平臺(tái)的人工智能農(nóng)業(yè)種植控制系統(tǒng)就是利用物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)融合的技術(shù),及時(shí)地反饋信息,有助于更加精準(zhǔn)地解決農(nóng)業(yè)問題,極大地提高農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。
通過對(duì)基于云平臺(tái)的智慧大棚種植控制系統(tǒng)自動(dòng)需求分析,大棚種植農(nóng)業(yè)系統(tǒng)總體架構(gòu)主要包括傳感器信號(hào)采集、無線通信、數(shù)據(jù)終端處理、云平臺(tái)服務(wù)器4個(gè)部分,該系統(tǒng)架構(gòu)具體為傳感器數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測(cè)、視頻控制、遠(yuǎn)程控制、大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)分析,其信號(hào)傳輸主要是利用感知層的傳感器采集農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境數(shù)據(jù),然后通過無線通信技術(shù)發(fā)送到云端服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ),網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)關(guān)通過協(xié)議對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行封裝或加密,并將封裝后的數(shù)據(jù)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)的傳輸層,數(shù)據(jù)再通過傳輸層實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳送,這樣用戶在應(yīng)用層可以隨時(shí)通過手機(jī)終端、電腦等設(shè)備實(shí)時(shí)查看農(nóng)業(yè)大棚里的的環(huán)境數(shù)據(jù),還可以進(jìn)行農(nóng)作物的預(yù)測(cè)分析、遠(yuǎn)程控制、預(yù)警設(shè)置等管理,圖1為系統(tǒng)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu),以及其數(shù)據(jù)傳輸流程。
圖1 人工智能大棚種植功能需求分析Fig.1 Analysis of planting function demand of artificial intelligence greenhouse
Zigbee是隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展起來的一種新興數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),主要用在傳輸速率低、近距離傳輸范圍的各類電子設(shè)備之間。無線傳感節(jié)點(diǎn)是將單個(gè)傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行組網(wǎng)的節(jié)點(diǎn),人工智能農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)各環(huán)境參數(shù)采集后通過無線傳輸技術(shù)進(jìn)行傳輸和組網(wǎng),采用Zigbee 來進(jìn)行無線節(jié)點(diǎn)通信,Zigbee 網(wǎng)絡(luò)主要包括路由器、協(xié)調(diào)器、終端結(jié)點(diǎn),在Zigbee 協(xié)調(diào)器開啟后,Zigbee無線節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)進(jìn)行掃描,此時(shí)協(xié)調(diào)器會(huì)自動(dòng)尋找沒有Zigbee 節(jié)點(diǎn)的信道,找到相對(duì)穩(wěn)定且沒有干擾的信道作為其組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)信道,當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)傳感設(shè)備開啟后,節(jié)點(diǎn)此時(shí)會(huì)自動(dòng)搜索并連接到對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò),同時(shí)發(fā)出Beacon 信號(hào)產(chǎn)生自己的子節(jié)點(diǎn),這樣一個(gè)Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)就搭建起來了,所以只要組建的網(wǎng)絡(luò)各子節(jié)點(diǎn)之間能夠相互連接,協(xié)調(diào)器與節(jié)點(diǎn)之間就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)采集流程:首先Zigbee 無線節(jié)點(diǎn)與傳感器連接,Zigbee 開啟組網(wǎng)建立后,Zigbee 無線節(jié)點(diǎn)首先會(huì)將傳感器模塊收集的空氣濕度、二氧化碳、土壤濕度、空氣溫度、光照、土壤溫度等環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至系統(tǒng)Zigbee 協(xié)調(diào)器,由Zigbee 協(xié)調(diào)器經(jīng)過網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),經(jīng)過移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò),將信息數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺(tái)服務(wù)器,之后處理保存到云端數(shù)據(jù)庫,其工作流程如圖2所示。
人工智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)中安裝了各種環(huán)境傳感器,傳感器可以實(shí)時(shí)對(duì)種植環(huán)境的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和收集,如濕度、溫度、pH 值等,當(dāng)傳感器將環(huán)境數(shù)據(jù)采集后,通過無線網(wǎng)組網(wǎng),將環(huán)境中的各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)發(fā)送到后端的服務(wù)管理云平臺(tái),云平臺(tái)對(duì)傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存,并在顯示終端進(jìn)行顯示,用戶不僅可以實(shí)時(shí)查看環(huán)境數(shù)據(jù),還可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行分析,預(yù)測(cè)植物生長情況或蟲害的發(fā)生。
圖2 Zigbee節(jié)點(diǎn)工作流程圖Fig.2 The ZigBee node work flow
首先農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)云平臺(tái)服務(wù)管理器對(duì)傳輸過來的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確分析之后,系統(tǒng)會(huì)對(duì)比數(shù)據(jù)進(jìn)行植物生長分析并預(yù)測(cè)結(jié)果,如此系統(tǒng)就會(huì)了解到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植環(huán)境中的狀況,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制,例如及時(shí)地保持生產(chǎn)區(qū)的通風(fēng)、開啟灑水開關(guān)、增加光照等,同時(shí)用戶還可通過手機(jī)APP 或終端顯示屏隨時(shí)了解大棚中環(huán)境的大氣溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等環(huán)境的變化,也可改成手動(dòng)模式,對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié),同時(shí)系統(tǒng)還設(shè)置了多種蔬菜種植模式,農(nóng)戶可以實(shí)現(xiàn)多種農(nóng)作物種植,給大棚種植提供最適宜的環(huán)境生長參數(shù)。
基于云平臺(tái)的人工智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究能克服環(huán)境對(duì)植物生長的限制,通過實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的種植形式相對(duì)比,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié),同時(shí)通過調(diào)節(jié)種植環(huán)境中的土壤濕度、空氣溫濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度等參數(shù)指標(biāo),減少季節(jié)對(duì)農(nóng)作物生長的限制,從而減少大棚種植中農(nóng)作物對(duì)自然環(huán)境條件依賴,使農(nóng)作物始終處于在最佳的生長環(huán)境中,大大降低種植成本,縮短種植時(shí)間,實(shí)現(xiàn)節(jié)能增收。