基于專家系統(tǒng)的黃瓜園區(qū)無線智能監(jiān)控系統(tǒng)研究

趙宏才+趙曉杰++張興波+王茂勵(lì)

摘要：擬研發(fā)基于專家系統(tǒng)的黃瓜種植園區(qū)智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對黃瓜園區(qū)多處的溫度、濕度、光照度、土壤水分含量、二氧化碳濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，幫助管理員將作物生長環(huán)境調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)。該系統(tǒng)基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集傳輸，通過通用分組無線服務(wù)（GPRS）技術(shù)將環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器并存儲，利用專家系統(tǒng)對黃瓜病害進(jìn)行診斷，同時(shí)提供病害解決方案。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果說明，該系統(tǒng)大大提高了黃瓜種植園區(qū)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，也可為其他農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)、分析提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：專家系統(tǒng)；無線智能監(jiān)控；ZigBee；通用分組無線服務(wù)（GPRS）；信號濾波

中圖分類號： TP274；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2017）17-0215-04

收稿日期：2016-04-21

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號51475251）；山東省自然科學(xué)基金（編號：ZR2014EEM024）；山東省科技重大專項(xiàng)（編號：2015ZDZX10002）。

作者簡介：趙宏才（1958—），男，遼寧撫順人，碩士，副教授，主要從事自動控制理論應(yīng)用、機(jī)器人控制及信息處理等方面的研究。E-mail：zhaohongcai2003@163.com。

通信作者：趙曉杰，碩士研究生，主要從事智能控制技術(shù)、農(nóng)業(yè)信息技術(shù)等方面的研究。Tel：（0531）82605225；E-mail：kuailewfxj@126.com。隨著農(nóng)業(yè)科技水平的提高和人們生活的改善，黃瓜已成為人們冬季餐桌上的家常菜。目前，黃瓜在我國大部分地區(qū)都有種植。由于種植園區(qū)常年生產(chǎn)，其環(huán)境條件相對穩(wěn)定，使得病蟲害有了長期穩(wěn)定的生活環(huán)境；又由于黃瓜喜溫不耐寒的特性，也導(dǎo)致黃瓜在冬季長勢弱、易染病而且恢復(fù)能力差。園區(qū)環(huán)境條件超出黃瓜生長耐受限度，就會造成黃瓜減產(chǎn)，帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失。為在短時(shí)間內(nèi)提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，需要給黃瓜提供最適宜的生長環(huán)境。調(diào)控好黃瓜種植園區(qū)內(nèi)部的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度、土壤水分含量以及對病蟲害的實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)防是黃瓜種植管理最根本的問題。目前，國內(nèi)對該領(lǐng)域的研究僅僅局限在對環(huán)境信息的采集方式和數(shù)據(jù)傳輸方法[1-4]上。

為此，本研究設(shè)計(jì)了黃瓜種植園區(qū)的實(shí)時(shí)無線智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在現(xiàn)有系統(tǒng)基礎(chǔ)上做了以下改進(jìn)：系統(tǒng)通過無線終端采集園區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，其中監(jiān)測終端將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，減小外界因素的干擾；以環(huán)境參數(shù)作為專家系統(tǒng)的決策依據(jù)，通過推理機(jī)制，幫助管理人員快速有效地診斷病害及病因；對云服務(wù)器存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對園區(qū)環(huán)境的智能控制。

1設(shè)計(jì)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機(jī)客戶端、云服務(wù)器、無線通訊網(wǎng)絡(luò)、智能終端和環(huán)境監(jiān)測傳感器構(gòu)成，智能監(jiān)控系統(tǒng)見圖1。安裝在種植園區(qū)的無線智能終端由太陽能電池板供電，無需外接電源，由程序控制在低功耗模式下可常年運(yùn)行，以保證對黃瓜生長周期進(jìn)行無縫監(jiān)控。智能終端將傳感器感知的環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處理后，通過ZigBee與通用分組無線服務(wù)（GPRS）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳送到云服務(wù)器。遠(yuǎn)程監(jiān)控終端采集到的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)與專家知識庫的環(huán)境要素對比，根據(jù)黃瓜當(dāng)前生長期對生長要素的需求，對黃瓜園區(qū)內(nèi)的溫度、濕度、光照度、土壤水分含量以及CO2濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)，合理科學(xué)地控制影響黃瓜生長的各種環(huán)境因子，從而為黃瓜提供一個(gè)最適宜的生長環(huán)境，根據(jù)發(fā)病情況診斷病因并提出治療方案。

2智能監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)中，主要考慮系統(tǒng)的低功耗、穩(wěn)定性、集成性和維護(hù)性。系統(tǒng)硬件主要由智能控制器網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)采集終端和控制終端構(gòu)成。

2.1智能控制器網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

控制器網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)將ZigBee協(xié)調(diào)器返回?cái)?shù)據(jù)與GPRS數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)互傳，完成雙向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及協(xié)議轉(zhuǎn)換。GPRS無線模塊與控制器的UART1連接，通過控制器發(fā)送AT指令來實(shí)現(xiàn)GPRS通信連接及數(shù)據(jù)傳送。控制器還通過UART0與ZigBee協(xié)調(diào)器連接，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)接收與數(shù)據(jù)存儲。其實(shí)質(zhì)是控制器為實(shí)現(xiàn)ZigBee和GPRS的雙向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)。

控制器采用TI公司生產(chǎn)的超低功耗、高性能的MSP430F5438處理器，帶有4個(gè)通用串行通信接口。GPRS通信采用中興ME3000_V2模塊，支持內(nèi)嵌傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議（TCP/IP）協(xié)議，UART接口最高可提供230.4 kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。ZigBee協(xié)調(diào)器采用TI公司生產(chǎn)的CC2530處理器，配置串口以及通用I/O接口。系統(tǒng)控制器采用“太陽能+鋰電池”供電，太陽能電池利用充電模塊向 3.7 V 的鋰電池供電，保證系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定供電。系統(tǒng)控制器網(wǎng)關(guān)連接見圖2。

2.2數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端負(fù)責(zé)將采集到的黃瓜園區(qū)環(huán)境信息轉(zhuǎn)換為

數(shù)字信號，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將信號發(fā)送到控制器網(wǎng)關(guān)。

CC2530的P0口有8個(gè)獨(dú)立配置通道的模擬多路轉(zhuǎn)換器，環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器均采用模塊式傳感器，供電后，傳感器返回的4～20 mA模擬信號輸入到CC2530芯片的P0口，經(jīng)過數(shù)字濾波和A/D轉(zhuǎn)換處理后，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)將各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)返回到控制器網(wǎng)關(guān)。接有太陽能電池的3.7 V鋰電池直接給ZigBee終端節(jié)點(diǎn)供電，傳感器由升壓模塊將3.7 V的電壓抬升到12 V以后的電壓供電（圖3）。

2.3智能控制終端設(shè)計(jì)

種植園區(qū)控制部分用CC2530通過繼電器來控制溫室設(shè)備（風(fēng)機(jī)、卷簾、水泵、噴頭等）的啟停，根據(jù)實(shí)際情況，系統(tǒng)采用光耦控制電路與驅(qū)動電路隔離的6路繼電器模塊，可以驅(qū)動大功率負(fù)載（交流電AC 250 V/10 A，直流電DC 30 V/10 A），繼電器控制原理見圖4。5路繼電器共用電源和數(shù)字池，控制輸入接口均連接到P0（除P0_2、P0_3）端口。endprint

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理

智能監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要包括硬件驅(qū)動程序和上位機(jī)軟件等2個(gè)部分。硬件驅(qū)動程序主要包括ZigBee組網(wǎng)設(shè)計(jì)程序、智能控制器網(wǎng)關(guān)及GPRS通信設(shè)計(jì)程序。采用C#.NET對上位機(jī)軟件開發(fā)了1個(gè)監(jiān)控平臺和結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）技術(shù)管理數(shù)據(jù)庫。

3.1ZigBee組網(wǎng)設(shè)計(jì)

如圖5所示，ZigBee組網(wǎng)包括終端節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)等2個(gè)部分，采用星形組網(wǎng)方式。各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)直接發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器組網(wǎng)主要實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建、數(shù)據(jù)收發(fā)以及與控制器網(wǎng)關(guān)串口數(shù)據(jù)通信。

終端節(jié)點(diǎn)的主要職責(zé)是采集環(huán)境信息并將數(shù)據(jù)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，然后在接入網(wǎng)絡(luò)的前提下，按照協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的指令，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。

3.2控制器網(wǎng)關(guān)及GPRS通信設(shè)計(jì)

控制器網(wǎng)關(guān)采用MSP430超低功耗處理器，負(fù)責(zé)通過UART0接收協(xié)調(diào)器返回各個(gè)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境因素進(jìn)行處理運(yùn)算，按照電流和溫濕度、光照度、土壤水分含量、CO2濃度對應(yīng)關(guān)系計(jì)算出實(shí)際環(huán)境數(shù)據(jù)。然后通過UART1將數(shù)據(jù)發(fā)送到ME3000的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，由ME3000將數(shù)據(jù)輸出到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。GPRS模塊與云服務(wù)器采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程通信?？刂破骶W(wǎng)關(guān)通過向ME3000發(fā)送AT指令進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，ME3000與監(jiān)控中心通信連接流程如圖6所示。

3.3上位機(jī)軟件

系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化查詢語言（structured query language，簡稱SQL）管理數(shù)據(jù)庫，將Visual Studio 2010作為開發(fā)軟件，用C#.NET平臺開發(fā)工具來構(gòu)建遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送終端設(shè)備控制指令，實(shí)現(xiàn)對種植園設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，從而調(diào)節(jié)園區(qū)內(nèi)黃瓜的生長環(huán)境。

3.4監(jiān)測終端數(shù)據(jù)濾波

對于不同位置的農(nóng)田環(huán)境，監(jiān)測數(shù)據(jù)極易受到農(nóng)田勞作、環(huán)境擾動等波動性干擾。監(jiān)測終端除了需要硬件調(diào)理電路外，還必須針對不同的檢測量，采取各種有效的數(shù)字濾波方法[5]。

監(jiān)測終端將采集到的不同環(huán)境信號數(shù)據(jù)代入式（1），分別計(jì)算每路采集信號平均變化率μ。

μ=1n∑dPiPidt。（1）

式中：μ為信號平均變化率；n為采集次數(shù)；Pi為每次信號的采集值；dt為信號采集間隔。

根據(jù)每路信號的平均變化率，監(jiān)測終端自動選擇合適的數(shù)字濾波方法。例如溫度、濕度等大部分農(nóng)田環(huán)境參數(shù)變化緩慢（當(dāng)μ<0.2時(shí)，信號變化率比較慢）的監(jiān)測量，監(jiān)測終端的嵌入式軟件會自動采用滑動平均濾波方法。相關(guān)公式如下：

y（t）=1T0∫tt-T0f（x）dx。（2）

式中：y（t）為濾波后的當(dāng)前采集值；f（x）為當(dāng)前實(shí)測值；T0為滑動濾波長度。系統(tǒng)軟件將新數(shù)據(jù)放到濾波隊(duì)列的隊(duì)尾，扔掉最早采集的數(shù)據(jù)，濾波后的輸出值為固定濾波長度的算術(shù)平均值。

當(dāng)0.2≤μ<0.5時(shí)，監(jiān)測終端自動選擇在本段采集范圍內(nèi)，舍棄最大值和最小值后加權(quán)平均[6]或改進(jìn)的變步長自適應(yīng)最小均方算法[7]進(jìn)行濾波。

當(dāng)0.5≤μ時(shí)，信號變化頻率比較快，監(jiān)測終端自動選擇快速跟蹤濾波的方法。

4專家系統(tǒng)病害診斷及環(huán)境控制

本研究中的無線智能監(jiān)控系統(tǒng)將無線采集系統(tǒng)和專家系統(tǒng)相融合，將采集到的環(huán)境因素作為專家系統(tǒng)推理機(jī)的條件或已知信息，按照專家思維方式解決問題的推理機(jī)根據(jù)已知條件與專家知識庫中存儲信息進(jìn)行對比分析，得出病害癥狀。利用模糊控制算法[8]對各種黃瓜生長環(huán)境進(jìn)行控制，將模糊控制算法與專家系統(tǒng)知識庫融合后，對控制終端輸出命令。

4.1黃瓜生長因素及病害專家知識庫的建立與分析

專家系統(tǒng)知識庫的建立是以專家知識和經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)與核心，可通過咨詢相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜乙约安殚喯嚓P(guān)文獻(xiàn)書籍等途徑獲取黃瓜種植相關(guān)知識，包括黃瓜病蟲害種類及其防治措施和影響黃瓜生長的環(huán)境因素。

該系統(tǒng)決策層主要分為環(huán)境決策模塊和病害防治決策模塊。環(huán)境決策模塊主要對黃瓜的各個(gè)生長時(shí)期提供黃瓜最適宜的生長環(huán)境數(shù)據(jù)；黃瓜病害防治決策模塊的主要任務(wù)是結(jié)合用戶給出的病害癥狀、部位、發(fā)病時(shí)期推理出病害名稱、原因以及解決措施，將知識規(guī)則規(guī)范化，與決策對象所對應(yīng)的內(nèi)容結(jié)合，對規(guī)則條件進(jìn)行分級處理，主要對黃瓜病害的知識庫進(jìn)行重新學(xué)習(xí)與歸納，根據(jù)病害類別、特點(diǎn)、發(fā)病部位、發(fā)病時(shí)期和防治建議建立對應(yīng)的事實(shí)表。

4.2推理機(jī)設(shè)計(jì)

推理機(jī)利用建好的知識庫使得專家系統(tǒng)按照一定邏輯順序進(jìn)行病害診斷，主要包括推理方式和控制策略等2個(gè)部分。本研究主要對黃瓜基本病害進(jìn)行診斷并對生長環(huán)境提出建議，所以本系統(tǒng)推理機(jī)采用正向推理的方法，形式如下：

5系統(tǒng)測試結(jié)果

在病害診斷界面，用戶可以輸入黃瓜發(fā)病時(shí)期、發(fā)病部位、病害癥狀和顏色，系統(tǒng)依據(jù)輸入條件、規(guī)則診斷出結(jié)果，并給出防治措施及發(fā)病原因。病害診斷界面如圖8所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠根據(jù)輸入病害特征準(zhǔn)確判斷出黃瓜病害及病因，并提出相應(yīng)的防治措施。

利用監(jiān)控軟件從云服務(wù)器獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選取其中1個(gè)節(jié)點(diǎn)，摘錄了其中24 h的棚內(nèi)空氣溫濕度和土壤溫度曲線。由圖9可以看出，環(huán)境數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)大幅度擾動或數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。

6結(jié)論

基于專家系統(tǒng)的黃瓜園區(qū)無線智能監(jiān)控系統(tǒng)通過專家系統(tǒng)、ZigBee和GPRS技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測與黃瓜種植園區(qū)環(huán)境控制。通過引入專家系統(tǒng)，針對病害作出準(zhǔn)確診斷，解決了以往由于專家和管理人員不足而引起的大規(guī)模病害突發(fā)而造成黃瓜大量減產(chǎn)的問題。系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、抗擾動性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、能耗低、園區(qū)無人化作業(yè)等特點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)行效果良好，對其他農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有良好的市場推廣前景。

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