基于云平臺的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)*

楊瑞麗，謝文丹

（商丘工學(xué)院信息與電子工程學(xué)院，河南商丘 476000）

1 引言

在中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的道路中，農(nóng)業(yè)擔(dān)當(dāng)著必不可少的角色[1]。隨著“云平臺”和“大數(shù)據(jù)”逐步融入傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，中國農(nóng)業(yè)也開始走向智慧化[2]。智慧農(nóng)業(yè)利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、無線通信等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)的智能化管理，并對整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行智能化指導(dǎo)和評估，從而盡可能避免出現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)生意外或者由于生產(chǎn)風(fēng)險因素而導(dǎo)致的減產(chǎn)等情況，對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平是質(zhì)的突破[3]。智慧農(nóng)業(yè)云平臺對農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)共享，并智能分析與處理在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)中采集的數(shù)據(jù)，以此對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可測、可控和可預(yù)警等目標(biāo)。

智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展核心在于大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，大數(shù)據(jù)技術(shù)雖為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了可觀的成效，但目前大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展受數(shù)據(jù)采集的影響較大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化還存在不足。大數(shù)據(jù)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用中還存在一些問題，尤其是農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)中心和分析云平臺建設(shè)尚不完善。因此，研究基于云平臺的大數(shù)據(jù)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，也成為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)整體技術(shù)水平的關(guān)鍵。

2 系統(tǒng)設(shè)計原理

由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的存在，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)走向了智慧農(nóng)業(yè)[4]。因此，智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)依然是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)體系可以如同物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一樣，劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三層，如圖1所示。

圖1 智慧農(nóng)業(yè)體系層次劃分

物聯(lián)網(wǎng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是傳感器。智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中想要獲得更加精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)，傳感器是必不可少的，它是數(shù)據(jù)采集的核心元件。在智慧農(nóng)業(yè)中采集和檢測的數(shù)據(jù)主要有溫度、濕度、光照強(qiáng)度以及土壤溫濕度等[5]。本系統(tǒng)中需要用到的主要傳感器如圖2所示。

圖2 各類傳感器實(shí)物圖

云平臺是智慧農(nóng)業(yè)中體現(xiàn)“智慧”的關(guān)鍵所在。云平臺的架構(gòu)如圖3所示，它由四個層次構(gòu)成，即：資源層、虛擬層、中間件層以及應(yīng)用層[6]。云平臺是智慧農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)云端數(shù)據(jù)可視化的核心技術(shù)，本系統(tǒng)的云平臺架構(gòu)即是根據(jù)該云平臺架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計的。

圖3 云平臺架構(gòu)

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計

(1)傳感器電路模塊

為了實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物的生長環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)的采集，系統(tǒng)中傳感器電路一共包括三大部分：溫度采集電路、濕度采集電路和光照度采集電路。

所采用的溫度傳感器型號為TMK421。該設(shè)備測量值范圍為-250℃～850℃，并且溫度越高，溫度傳感器的電阻越大。

濕度傳感器基于MoO3納米片，此類傳感器對濕度非常敏感，若濕度變化一個量級，則對應(yīng)電路中的電流可變化5個數(shù)量級[7]。

光照傳感器是基于ZigBee 3.0，其遵循無線通信協(xié)議，不但可以精準(zhǔn)獲取到要檢測環(huán)境中的光照強(qiáng)度，而且可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并保存。

傳感器電路模塊設(shè)計中包含的這三大傳感器模塊可精確采集農(nóng)作物的生長環(huán)境數(shù)據(jù)變化，滿足智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)精確采集農(nóng)作物生長過程中關(guān)鍵數(shù)據(jù)的要求。

(2)無線射頻模塊

系統(tǒng)的無線射頻模塊采用ISO 14443設(shè)備，主要由四大部分構(gòu)成：生長環(huán)境物理特性、射頻功率和信號接口、讀寫器和電子標(biāo)簽，以及傳輸協(xié)議[8]。

設(shè)備天線可將讀寫器的數(shù)據(jù)通過某頻率的電磁波向外發(fā)送，電子標(biāo)簽進(jìn)入信號接口的工作范圍后受感應(yīng)電流的影響被激活，接著會導(dǎo)致存儲信息被發(fā)送出來。隨后，將來自電子標(biāo)簽的載波信號傳送給讀寫器，讀寫器會將其進(jìn)行解調(diào)與解碼，而采集與存儲模塊則會接收處理后的數(shù)據(jù)。

(3)采集與存儲模塊

在整個系統(tǒng)中，采集與存儲模塊作為最核心部分存在，因?yàn)樵撃K的主要功能就是精準(zhǔn)化采集數(shù)據(jù)，如溫濕度、光照強(qiáng)度，且對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析和處理。只有這樣，才能調(diào)整出更加科學(xué)有效的農(nóng)業(yè)管理方案。數(shù)據(jù)采集存儲模塊的主要元件是ARM嵌入式處理器，以此來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)采集數(shù)據(jù)的目的。具體實(shí)現(xiàn)的模塊如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集存儲模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集是利用采集端來確定數(shù)據(jù)的，因此在數(shù)據(jù)采集過程中可以省去配置這一步驟。具體過程為：首先設(shè)置并確定數(shù)據(jù)字段，然后輸入網(wǎng)址，隨之軟件會自動識別并生成數(shù)據(jù)到確定結(jié)果，其中每類數(shù)據(jù)和采集字段是一一對應(yīng)的。此外，還設(shè)計了字段可編輯的功能，比如：修改字段名稱、增減字段等。

預(yù)處理是采集數(shù)據(jù)中的重要一步。在確定采集端數(shù)據(jù)之后首先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。所謂數(shù)據(jù)預(yù)處理，指的是將電路信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，用于之后系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)預(yù)處理可由下式所示：

式中，Ain指的是第i層的第n個特征數(shù)據(jù)；f(·)代表一種激活函數(shù)；Bn-1是一種集合，即第n-1層特征數(shù)據(jù)；Ajn-1指的是第n-1層第j個特征數(shù)據(jù)；kijn指的是Ain的第j個卷積核；bin是一種偏值，即第n層的第i個特征數(shù)據(jù)。最后，采集到的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)是通過池化層處理后的預(yù)處理數(shù)據(jù)計算得到，也就是指濾波器最大值，有下式：

式中，down(·)即表示池化函數(shù)。

數(shù)據(jù)庫可以存儲所有預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，以供二次搜索之用。如果確定采集到的數(shù)據(jù)是經(jīng)過正規(guī)人員修改過的，則必須重新采集更正數(shù)據(jù)。主要過程為：將采集到的數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)，經(jīng)過程序的自動化判斷，對農(nóng)作物生長環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集流程圖如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

系統(tǒng)開發(fā)所用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖6、圖7所示。

圖7 開發(fā)套件內(nèi)部結(jié)構(gòu)

傳感器對應(yīng)智能節(jié)點(diǎn)的連接圖如圖8所示。

圖8 傳感器智能連接點(diǎn)

土壤溫濕度傳感器接線情況如圖9所示。

圖9 土壤溫濕度傳感器接線圖

為了保證整個數(shù)據(jù)采集過程的準(zhǔn)確和安全性，實(shí)驗(yàn)是在具有一定規(guī)模的溫室農(nóng)業(yè)大棚中進(jìn)行的。此外，為了避免實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)受到外界環(huán)境不穩(wěn)定因素的影響，如太陽光的照射等，實(shí)驗(yàn)設(shè)備均安置在農(nóng)業(yè)大棚的中央位置，且距離地面約2米左右，如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場環(huán)境

系統(tǒng)的第三方接入云服務(wù)器是OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺。該平臺具有優(yōu)秀的云計算和數(shù)據(jù)處理能力。當(dāng)終端設(shè)備和OneNET云平臺建立連接之后，通過一定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將農(nóng)業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行打包并上傳至云平臺加以顯示，如圖11所示。

圖11 云平臺數(shù)據(jù)顯示

系統(tǒng)對比實(shí)驗(yàn)使用相同型號的設(shè)備，使實(shí)驗(yàn)盡量在同一環(huán)境下進(jìn)行，以保證采集數(shù)據(jù)的真實(shí)有效性。分別在設(shè)計的系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)中采集5次數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)以農(nóng)作物生長環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)為例。實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)定25℃為生長環(huán)境溫度，在此實(shí)驗(yàn)環(huán)境下測試采集到的農(nóng)作物生長環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)中，首先采用傳統(tǒng)農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對農(nóng)作物生長環(huán)境溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再采用本系統(tǒng)在同一條件下進(jìn)行采集溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比如表1所示。

表1 準(zhǔn)確度對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，云平臺技術(shù)是本系統(tǒng)的最大特色。該技術(shù)為系統(tǒng)提供了新的數(shù)據(jù)處理和遠(yuǎn)程控制方式，并可以完成云端查詢歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)追溯。系統(tǒng)在滿足設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，整體性能也較為穩(wěn)定，數(shù)據(jù)檢測的準(zhǔn)確度更高。此外，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下，基于云平臺的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可以根據(jù)農(nóng)作物生長發(fā)育的規(guī)律對數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)化采集，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的精細(xì)化培育。由實(shí)驗(yàn)對比也可看到，通過本系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)要比通過傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率更高，由此表明本系統(tǒng)在進(jìn)一步促進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用潛力和價值。