智能家居盆栽系統(tǒng)技術(shù)的研究與設(shè)計(jì)

何文祥，李社蕾

（三亞學(xué)院信息與智能工程系，三亞572000）

0 引言

人們將綠色植物視為家居設(shè)計(jì)中十分重要的一個(gè)元素，但是因工作學(xué)習(xí)而疏忽了對(duì)盆栽植物的培育從而造成了盆栽爛根、枯萎。市面上有許多打著“智能”旗號(hào)的智能盆栽，實(shí)際上都還是利用傳感器技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，用戶只能憑借主觀經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手動(dòng)機(jī)械式設(shè)置參數(shù)運(yùn)行，缺乏對(duì)用戶在盆栽植物培育擁有時(shí)間和定量的指導(dǎo)。

智能家居盆栽搭載Exynos 4412開(kāi)發(fā)板，通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)分析后進(jìn)行智能控制灌溉為主，以收集盆栽植物生長(zhǎng)狀況進(jìn)行用戶個(gè)性化控制方案功能為輔。利用在灌溉系統(tǒng)的控制算法中引入時(shí)間序列預(yù)測(cè)法對(duì)植物用水量進(jìn)行分析預(yù)測(cè)來(lái)提高灌溉的精確控制，從而保證植物的健康生長(zhǎng)和提高用水效率。通過(guò)攝像頭傳感器對(duì)植物生長(zhǎng)情況進(jìn)行拍攝和監(jiān)控，引入基于圖像分析的植物及其病蟲(chóng)害識(shí)別技術(shù)，及時(shí)對(duì)盆栽植物生長(zhǎng)的異常情況進(jìn)行處理和用戶提示。

智能家居盆栽系統(tǒng)，降低用戶專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)成本，改變灌溉傳統(tǒng)控制方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)盆栽植物的生長(zhǎng)情況實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析并且針對(duì)植物特征進(jìn)行差異自動(dòng)化管理和控制。

1 智能家居盆栽系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路

該智能盆栽由花盆體、土壤傳感器（土壤pH、溫濕度、氮磷鉀合一傳感器）、光照傳感器、攝像頭模塊、迅為Exynos 4412開(kāi)發(fā)板（板載藍(lán)牙及Wi-Fi模塊、CAN/RS-485模塊等）、LED顯示屏、遠(yuǎn)紅光和紅藍(lán)光組合植物補(bǔ)光燈等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過(guò)迅為Exynos 4412開(kāi)發(fā)板的Wi-Fi模塊與家庭局域網(wǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的連接，將傳感器收集到的數(shù)據(jù)上傳到云端阿里云服務(wù)器處理和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)App客戶端的通信連通，從而將傳感器上檢測(cè)到的光照強(qiáng)度、土壤溫濕度、pH值、氮磷肥、盆栽植物圖像等數(shù)據(jù)以可視化的方式向用戶展示，同時(shí)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析后給出盆栽植物照料的預(yù)測(cè)方案，有助于掌握植物生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)狀況。智能家居盆栽接入小米IoT平臺(tái)，支持小愛(ài)同學(xué)音箱語(yǔ)控功能，用戶可以與其進(jìn)行簡(jiǎn)單的對(duì)話交流，使得種植過(guò)程更加生動(dòng)、有趣。

2 智能家居盆栽功能設(shè)計(jì)

2.1 土壤濕度預(yù)測(cè)與灌溉用水量預(yù)測(cè)

智能家居盆栽系統(tǒng)通過(guò)引入回歸預(yù)測(cè)的時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法，這種預(yù)測(cè)方法是分別將土壤濕度、每次灌溉用水量的數(shù)值，按時(shí)間先后順序排到所形成的數(shù)列。然后通過(guò)編制和分析時(shí)間序列，根據(jù)時(shí)間序列所反映出來(lái)的趨勢(shì)來(lái)預(yù)測(cè)下一段時(shí)間可能達(dá)到的數(shù)值。

盆栽的穩(wěn)定生長(zhǎng)環(huán)境取決于土壤的含水量是否在科學(xué)合理的范圍內(nèi)，而盆栽中的土壤含水量占比變化可以提前通過(guò)土壤濕度預(yù)測(cè)感知，并提前在盆栽瀕臨缺水狀態(tài)時(shí)對(duì)電磁閥進(jìn)行控制灌溉，使土壤濕度在該植物設(shè)定的合理濕度閾值之間穩(wěn)定變化。而土壤濕度的變化是動(dòng)態(tài)的，不同的天氣情況致使房間內(nèi)空氣濕度、溫度發(fā)生變化等因素的影響土壤的蒸發(fā)效果。智能家居盆栽系統(tǒng)對(duì)土壤濕度進(jìn)行預(yù)測(cè)的時(shí)間序列方法采用的是帶外源輸入的自動(dòng)回歸移動(dòng)平均模型（簡(jiǎn)稱ARMAX模型），ARMAX模型能將這些因素綜合到對(duì)土壤濕度的回歸預(yù)測(cè)函數(shù)中，使之能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)將來(lái)某一刻的土壤濕度情況，大大地提高預(yù)測(cè)的精度。

盆栽的用水消耗量是指由于植物需要進(jìn)行自身的呼吸作用、光合作用等引起需水消耗量，以及如土壤蒸發(fā)等外部因素引起的需水消耗量。我們可以把這種盆栽的用水消耗量與盆栽的灌溉時(shí)的用水量可以認(rèn)為是等價(jià)的，因此對(duì)盆栽的灌溉用水量的精準(zhǔn)控制可以通過(guò)盆栽的用水消耗量預(yù)測(cè)值來(lái)確定。同理，盆栽的用水消耗量也可以用建立ARMAX模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，當(dāng)灌溉用水量達(dá)到預(yù)測(cè)的盆栽用水消耗量值時(shí)電磁閥停止工作，使土壤濕度維持在科學(xué)合理的范圍內(nèi)。但是在剛開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)并沒(méi)有歷史灌溉用水量記錄，只能通過(guò)土壤濕度設(shè)定初始閾值的方式控制灌溉用水量，隨后的每次灌溉后檢測(cè)土壤濕度變化，控制土壤濕度在合理的范圍內(nèi)。當(dāng)灌溉用水量數(shù)據(jù)足夠多時(shí)，再使用盆栽用水消耗量預(yù)測(cè)的方式控制電子閥工作。隨后在每次灌溉時(shí)，系統(tǒng)將盆栽歷史用水消耗量以及該次灌溉后土壤濕度所達(dá)到的峰值等數(shù)據(jù)建立用水消耗量預(yù)測(cè)模型，以保證預(yù)測(cè)模型是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新的。根據(jù)建立的用水消耗量預(yù)測(cè)模型計(jì)算出在本次灌溉和下一次灌溉的時(shí)間區(qū)間內(nèi)盆栽的用水消耗量的預(yù)測(cè)值，將其作為盆栽該區(qū)間內(nèi)所需的灌溉用水量，達(dá)到對(duì)盆栽高精度灌溉的目的。

ARMAX模型建模過(guò)程如下：

（1）預(yù)處理數(shù)據(jù)序列，得到平穩(wěn)序列；

（2）在建模前通過(guò)序列分別生成自相關(guān)（ACF）函數(shù)和偏自相關(guān)函數(shù)（PACF）的相關(guān)圖，通過(guò)相關(guān)圖特點(diǎn)，選用以ARMA模型為基礎(chǔ)的ARMAX模型；

（3）使用赤池信息量準(zhǔn)則確定ARMAX模型模型最佳階數(shù)；

（4）估計(jì)模型未知參數(shù)；

（5）將模型預(yù)測(cè)值用累積和序貫分析法（CU?SUM）對(duì)盆栽植物是否缺水、盆栽用水消耗量進(jìn)行準(zhǔn)確度判斷。

ARMAX模型預(yù)測(cè)表達(dá)式如下：

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)使用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括盆栽種類信息、傳感器采集的溫濕度氮磷鉀等數(shù)值、澆灌用水量數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)值等數(shù)據(jù)。

土壤濕度預(yù)測(cè)與灌溉用水量預(yù)測(cè)系統(tǒng)模塊主要由Exynos 4412開(kāi)發(fā)板控制，土壤傳感器與開(kāi)發(fā)板RS-485端口連接并插入盆栽土壤中，澆灌水泵模塊連接繼電器，繼電器連接開(kāi)發(fā)板端子J38的管腳10，硬件的結(jié)構(gòu)如圖2所示，Exynos 4412 RS-485端口原理如圖3所示。

圖2 土壤濕度預(yù)測(cè)與灌溉用水量預(yù)測(cè)硬件結(jié)構(gòu)

圖3 Exynos 4412 RS-485端口原理

最后，為了驗(yàn)證模型的精確度，以土壤濕度預(yù)測(cè)為例，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)中定時(shí)存儲(chǔ)的土壤濕度預(yù)測(cè)值和實(shí)際檢測(cè)值進(jìn)行函數(shù)擬合對(duì)比，如圖4所示，可以看到兩條線的波動(dòng)基本一致，擬合度較好。

圖4 ARMAX模型對(duì)土壤濕度的預(yù)測(cè)值與實(shí)際檢測(cè)值的擬合

2.2 植物病蟲(chóng)害識(shí)別

資料收集表明，植物的葉片出現(xiàn)病斑往往是大部分植物病蟲(chóng)害出現(xiàn)的依據(jù)，并且不同的病害，葉片上病斑的紋理、顏色和形狀也不同，葉片存活時(shí)間長(zhǎng)、易于收集。葉片圖像的顏色是植物病蟲(chóng)害識(shí)別的重要特征，因此構(gòu)建了三通道CNNs并將其應(yīng)用于植物病蟲(chóng)害識(shí)別。在植物病害葉片圖像特征提取和病害分類研究中，過(guò)程概括為：

（1）圖像收集與預(yù)處理。采集家庭常見(jiàn)盆栽種植植物相對(duì)應(yīng)的病蟲(chóng)害葉片的原始圖像，通過(guò)線下拍攝以及線上爬蟲(chóng)搜集葉片病蟲(chóng)害圖片，對(duì)每張圖片使用隨機(jī)翻轉(zhuǎn)、顏色抖動(dòng)、多角度旋轉(zhuǎn)等方式，得到大量的數(shù)據(jù)集后隨機(jī)劃分為訓(xùn)練集和測(cè)試集，避免訓(xùn)練模型時(shí)出現(xiàn)過(guò)擬合現(xiàn)象。將每張病蟲(chóng)害葉片圖像通過(guò)MATLAB中的imread函數(shù)處理得到RGB三個(gè)通道空間圖像，再進(jìn)行歸一化后作為輸入層輸入CNNs的第一個(gè)卷積層對(duì)象。

（2）模型設(shè)計(jì)。針對(duì)智能家居盆栽系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三通道CNNs模型基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 三通道CNNs模型基本結(jié)構(gòu)

如果輸入經(jīng)過(guò)雙線性插值法裁剪后的葉片圖像大小都是n×n，卷積核的大小是k×k，采用最大值進(jìn)行池化操作的局部窗口大小為p×p，則完全連接層中的神經(jīng)元數(shù)約為1000，輸出層是輸出C種植物病害類型的C個(gè)神經(jīng)元。

卷積層通過(guò)一個(gè)k×k大小的卷積核來(lái)獲得,每個(gè)神經(jīng)元在輸入的病蟲(chóng)害葉片圖像指定的k×k感受野中卷積，獲取多個(gè)不同但大小為(n-k+1)×(n-k+1)的特征圖，再通過(guò)ReLU激活函數(shù)計(jì)算后將結(jié)果輸出到池化層。

池化層對(duì)上一個(gè)卷積層的特征圖的下采樣。所采用的最大值池化操作下采樣在上一卷積層特征圖p×p區(qū)域中取最大值進(jìn)行聚合統(tǒng)計(jì)，但特征圖的大小不變。

兩個(gè)完全連接的層F包含1000個(gè)完全連接到S3的神經(jīng)元。

在輸出層中選擇Softmax分類器，計(jì)算輸入樣本落入每個(gè)類別的概率，然后執(zhí)行圖像識(shí)別。

（3）參數(shù)初始化。在開(kāi)始訓(xùn)練CNNs之前，需要初始化權(quán)重和偏差參數(shù)，常見(jiàn)范圍為[-0.5,0.5]或[-1,1]。

（4）微調(diào)。微調(diào)是使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)訓(xùn)練訓(xùn)練后的CNNs，以便使訓(xùn)練后的模型參數(shù)適合當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)，并從圖像中提取更多抽象特征以進(jìn)行圖像識(shí)別。

如表1所示，以常見(jiàn)的4種室內(nèi)盆栽為例，分別進(jìn)行十折交叉驗(yàn)證，并重復(fù)60次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。智能家居盆栽采用的基于三通道CNNs的病蟲(chóng)害識(shí)別方法識(shí)別效果優(yōu)秀。

表1 基于三通道CNNs病蟲(chóng)害識(shí)別方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，智能家居盆栽通過(guò)基于時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法的土壤濕度預(yù)測(cè)與灌溉用水量預(yù)測(cè)對(duì)盆栽植物進(jìn)行灌溉控制，精準(zhǔn)監(jiān)控土壤溫濕度、氮磷鉀等數(shù)據(jù)，為植物生長(zhǎng)提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，同時(shí)在植物生長(zhǎng)過(guò)程中使用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及時(shí)對(duì)植物病蟲(chóng)害進(jìn)行識(shí)別預(yù)警，光線弱時(shí)智能補(bǔ)光，輔助植物茁壯成長(zhǎng)。智能家居盆栽自動(dòng)化管理控制將消費(fèi)者從學(xué)習(xí)專業(yè)種植知識(shí)枯燥中解放出來(lái)，隨時(shí)隨地多種途徑查看盆栽植物生長(zhǎng)情況，接入米家IoT平臺(tái)，小愛(ài)同學(xué)智能語(yǔ)音聲控為盆栽種植添加一份樂(lè)趣與便捷，與其他家居設(shè)備場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)，讓消費(fèi)者融入到舒適健康、高效智能的智能家居生活中。