基于云平臺(tái)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1 引 言 在中國(guó)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(tái) 和 大數(shù)據(jù) 逐步融 入傳統(tǒng)農(nóng)業(yè) 中國(guó)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(wú)線通信等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) 農(nóng)業(yè)的智能化管理 并對(duì)整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行智能化 指導(dǎo)和評(píng)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(xiǎn)因素而導(dǎo)致的減產(chǎn)等情況 對(duì)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(tái)對(duì)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(duì)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(cè) 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(lái)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(tái)建設(shè)尚不完善 因此 研究基于云平臺(tái)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 基于云平臺(tái)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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 摘 要 物聯(lián)網(wǎng) 大數(shù)據(jù)和云平臺(tái)等技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的應(yīng)用 使智慧農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的一 種新型發(fā)展方向 為順應(yīng)這一趨勢(shì) 提高智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的精準(zhǔn)化控制程度 設(shè)計(jì)一種大數(shù)據(jù)模式下基 于云平臺(tái)的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)精準(zhǔn)化采集系統(tǒng) 系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù) 通過(guò)設(shè)計(jì)傳感器電路 無(wú)線射頻和采集存儲(chǔ)模塊 實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集 在軟件設(shè)計(jì)方面利用采集端確定數(shù)據(jù) 進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處 理 通過(guò)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù) 提高數(shù)據(jù)處理效率 經(jīng)對(duì)比實(shí)驗(yàn) 證明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠提高農(nóng)作物生產(chǎn)的精準(zhǔn)化 控制程度 為未來(lái)智慧農(nóng)業(yè)的前進(jìn)探索提供了一種有效的發(fā)展模式 關(guān)鍵詞 智慧農(nóng)業(yè) 云平臺(tái) 精確化采集 傳感器 DOI 10 3969 j issn 1002 2279 2022 02 007 中圖分類號(hào) TP274 2 TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1002 2279 2022 02 0030 04 Design and Implementation of a Smart Agriculture System Based on Cloud Platform YANG Ruili XIE Wendan School of Information and Electronic Engineering Shangqiu Institute of Technology Shangqiu Henan 476000 China Abstract With the application of Internet of Things big data and cloud platform in modern agriculture smart agriculture has become a new development direction of traditional agriculture In order to adapt to this trend and improve the precise control degree of smart agriculture system a precise data acquisition system of crop growth environment based on cloud platform in big data mode is designed The system uses the related technologies of the Internet of Things to achieve accurate data acquisition by designing sensor circuits wireless radio frequency and acquisition and storage modules In the aspect of software design the acquisition terminal is used to determine the data and preprocess the data Improve the efficiency of data processing by designing the database Through comparative experiments it is proved that the designed system can improve the precision control degree of crop production and provide an effective development model for the future exploration of smart agriculture Keywords Smart agriculture Cloud platform Accurate collection Sensors 基金項(xiàng)目 基于云平臺(tái)的精準(zhǔn)化智慧農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 20B520026 作者簡(jiǎn)介 楊瑞麗 1991 女 河南省商丘市人 碩士 主研方向 物聯(lián)網(wǎng) 收稿日期 2022 02 09 微 處 理 機(jī) MICROPROCESSORS 第2期 2022年4月 No 2 Apr 2022 2期 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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 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(cè)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 云平臺(tái)是智慧農(nóng)業(yè)中體現(xiàn) 智慧 的關(guān)鍵所在 云平臺(tái)的架構(gòu)如圖3所示 它由四個(gè)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(tái)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(tái)架構(gòu)即是根據(jù)該云平臺(tái)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的 3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 3 1 硬件設(shè)計(jì) 1 傳感器電路模塊 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)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(hào)為TMK421 該設(shè)備 測(cè)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MoO 3 納米片 此類傳感器對(duì) 濕度非常敏感 若濕度變化一個(gè)量級(jí) 則對(duì)應(yīng)電路中 的電流可變化5個(gè)數(shù)量級(jí) 7 光照傳感器是基于ZigBee3 0 其遵循無(wú)線通信 協(xié)議 不但可以精準(zhǔn)獲取到要檢測(cè)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(jì)中包含的這三大傳感器模 塊可精確采集農(nóng)作物的生長(zhǎng)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(zhǎng)過(guò)程中關(guān)鍵數(shù) 據(jù)的要求 2 無(wú)線射頻模塊 系統(tǒng)的無(wú)線射頻模塊采用ISO 14443設(shè)備 主 要由四大部分構(gòu)成 生長(zhǎng)環(huán)境物理特性 射頻功率和 信號(hào)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(guò)某頻率的電磁 波向外發(fā)送 電子標(biāo)簽進(jìn)入信號(hào)接口的工作范圍后 受感應(yīng)電流的影響被激活 接著會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)信息被 發(fā)送出來(lái) 隨后 將來(lái)自電子標(biāo)簽的載波信號(hào)傳送給 讀寫器 讀寫器會(huì)將其進(jìn)行解調(diào)與解碼 而采集與存 儲(chǔ)模塊則會(huì)接收處理后的數(shù)據(jù) 3 采集與存儲(chǔ)模塊 在整個(gè)系統(tǒng)中 采集與存儲(chǔ)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(duì)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(chǔ)模塊的主要元件是ARM 嵌入式處理器 以此來(lái)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3 云平臺(tái)架構(gòu) 種植農(nóng)業(yè) 溫室種植 畜牧生產(chǎn) 種植農(nóng)業(yè) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò) 互聯(lián)網(wǎng) 傳感器 控制器 攝像頭 射頻 識(shí)別 應(yīng)用層 網(wǎng)絡(luò)層 感知層 圖1 智慧農(nóng)業(yè)體系層次劃分 a 溫濕度傳感器 b 光照度傳感器 c 土壤溫濕度傳感器 圖2 各類傳感器實(shí)物圖 中間件 資源層 虛擬層 應(yīng)用層 VMware VMware VMware 溫度傳感器 濕度傳感器 光照傳感器 ARM S3C6410 無(wú)線射頻模塊數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)預(yù)處理 圖4 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊硬件結(jié)構(gòu)圖 楊瑞麗等 基于云平臺(tái)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 31 微 處 理 機(jī) 2022年 3 2 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集是利用采集端來(lái)確定 數(shù)據(jù)的 因此在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中可以省去配置這一 步驟 具體過(guò)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(huì)自動(dòng)識(shí)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(duì)應(yīng)的 此 外 還設(shè)計(jì)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào) 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 A i n 指的是第i層的第n個(gè)特征數(shù)據(jù) f 代表 一種激活函數(shù) B n 1 是一種集合 即第n 1層特征數(shù) 據(jù) A j n 1 指的是第n 1層第j個(gè)特征數(shù)據(jù) k ij n 指的是 A i n 的第j個(gè)卷積核 b i n 是一種偏值 即第n層的第i 個(gè)特征數(shù)據(jù) 最后 采集到的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)是通過(guò)池化 層處理后的預(yù)處理數(shù)據(jù)計(jì)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(kù)可以存儲(chǔ)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(guò)正規(guī)人 員修改過(guò)的 則必須重新采集更正數(shù)據(jù) 主要過(guò)程 為 將采集到的數(shù)據(jù)傳送到主機(jī) 經(jīng)過(guò)程序的自動(dòng) 化判斷 對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)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 傳感器對(duì)應(yīng)智能節(jié)點(diǎn)的連接圖如圖8所示 土壤溫濕度傳感器接線情況如圖9所示 為了保證整個(gè)數(shù)據(jù)采集過(guò)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(yáng)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 1 1 1 n j n n n n n i j ij i A B A f A k b 1 圖5 數(shù)據(jù)采集流程圖 1 down n n i i A A 2 系統(tǒng)初始化 MAIN函數(shù) 系統(tǒng)初始化 錯(cuò)報(bào) 關(guān)閉傳感器 采集數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 刪除異常數(shù)據(jù) 取平均值 數(shù)據(jù)傳輸并存儲(chǔ) N Y 圖7 開發(fā)套件內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖6 實(shí)驗(yàn)開發(fā)套件 圖8 傳感器智能連接點(diǎn) 圖9 土壤溫濕度傳感器接線圖 圖10 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境 32 2期 圖11 云平臺(tái)數(shù)據(jù)顯示 系統(tǒng)的第三方接入云服務(wù)器是OneNET物聯(lián)網(wǎng) 平臺(tái) 該平臺(tái)具有優(yōu)秀的云計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力 當(dāng)終端設(shè)備和OneNET云平臺(tái)建立連接之后 通過(guò) 一定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包并上傳至 云平臺(tái)加以顯示 如圖11所示 系統(tǒng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)使用相同型號(hào)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(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)環(huán)境溫度 在此實(shí)驗(yàn)環(huán)境下測(cè)試采 集到的農(nóng)作物生長(zhǎng)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(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)農(nóng)作 物生長(zhǎng)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(duì)比實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示 5 結(jié) 束 語(yǔ) 與傳統(tǒng)技術(shù)相比 云平臺(tái)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(jì)要求的基礎(chǔ)上 整體性能也較 為穩(wěn)定 數(shù)據(jù)檢測(cè)的準(zhǔn)確度更高 此外 在物聯(lián)網(wǎng)技 術(shù)下 基于云平臺(tái)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可以根據(jù)農(nóng)作物 生長(zhǎng)發(fā)育的規(guī)律對(duì)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(duì)比也可看到 通過(guò)本 系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)要比通過(guò)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(jià)值 參考文獻(xiàn) 1 鄭玲玲 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚移動(dòng)終端監(jiān)控系統(tǒng) 分析 J 科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊 2017 25 16 1 2 ZHENG Lingling Analysis of mobile terminal monitoring system in greenhouse based on IoT technology J Techno logy and Economic Guide 2017 25 16 1 2 2 韓洋 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)分析 J 計(jì) 算機(jī)產(chǎn)品與流通 2019 8 118 HAN Yang Analysis of agricultural Internet of Things app lication system based on big data technology J Computer Product and Circulation SP 2019 8 118 3 張騰飛 崔俊宇 芮平 等 基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)作物環(huán) 境采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 南京工程學(xué)院學(xué)報(bào) 自然科學(xué)版 2017 15 4 21 25 ZHANG Tengfei CUI Junyu RUI Ping et al Design of agricultural environment acquisition system based on ZigBee technology J Journal of Nanjing Institute of Technology Na tural Science Edition 2017 15 4 21 25 4 張洲 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) D 成都 電子科技大學(xué) 2019 ZHANG Zhou Design and implementation of smart agri culture system based on Internet of Things D Chengdu University of Electronic Science and Technology of China 2019 5 鄭婷婷 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)控制管理系統(tǒng) D 西安 西安工程大學(xué) 2018 ZHENG Tingting Smart agriculture control and management system based on Internet of Things D Xi an Xi an Polyte chnic University 2018 6 張博文 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)研究 D 荊州 長(zhǎng)江大學(xué) 2017 ZHANG Bowen The research of smart agricultural monito ring system based on Internet of Things D Jingzhou Yang tze University 2017 7 鞏師洋 農(nóng)業(yè)溫室大棚遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) D 銀川 北方民族大學(xué) 2018 GONG Shiyang Design and implementation of remote intel ligent monitoring and control system for greenhouse in agri cultural greenhouse D Yinchuan North Minzu University 2018 8 劉澤楠 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室控制系統(tǒng)的研究 D 石 家莊 石家莊鐵道大學(xué) 2019 LIU Zenan Research on intelligent greenhouse control sys tem based on Internet of Things D Shijiazhuang Shijiazh uang Tiedao University 2019 本系統(tǒng) 25 3 組別 傳統(tǒng)系統(tǒng) 1 2 3 4 5 24 6 25 4 25 1 24 2 25 8 24 3 26 0 25 2 25 0 表1 準(zhǔn)確度對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位 楊瑞麗等 基于云平臺(tái)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 33