設施農業物聯網情景感知技術應用研究

宋斌　陳立平　陳天恩

摘要 將虛擬現實與物聯網技術相結合，構建基于物聯網情景感知的設施農業生產三維可視化管理系統。通過在三維制作軟件Maya中使用多邊形建模方法構建日光溫室等模型，并應用骨骼動畫技術實現卷簾控制動畫，結合Unity3d三維引擎快速構建整個日光溫室園區的三維場景；完善感知數據傳輸及設備遠程控制功能，實現設施農業三維交互場景與物聯網測控功能的融合，通過三維場景實時獲取溫室內數據并實現設施生產執行機構的在線控制，解決復雜三維場景客戶端協調處理瓶頸。結果表明，設施農業物聯網情景感知技術可以為設施農業智能化生產及未來并行化農業生產管理提供技術支撐。

關鍵詞 虛擬現實； 情景感知； 設施農業； 物聯網； Unity3d

中圖分類號 S126；TP391.9 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）20-369-03

Abstract In order to build the 3D visualization management system of facility agriculture of the technology of Internet of context awareness， it is appropriate to develop based on virtual reality and the Internet of things technology. This paper uses polygon modeling method to construct the greenhouse model in the threedimensional production software of Maya， and applies the skeletal animation technology to realize rolling control animation， and constructs the complete scene of the greenhouse park efficiently by Unity3d； improving the perception of the data transmission and remote control functions for devices， the integration of interactive 3D scene of facility agriculture with monitoring and control functions of Things was realized， the realtime data of greenhouses was obtained and the online control of the facility actuator in the threedimensional scene was achieved， bottlenecks in the coordination of complex 3D client was solved； research shows that context aware technology in the facility agriculture of Things can provide technical support for the agricultural intelligent production and parallelization of agricultural production management.

Key words Virtual reality； Context awareness； Facility agriculture； Internet of Things； Unity3d

隨著農業物聯網的普及應用和大數據分析技術的逐漸成熟，海量實時感知數據處理問題的技術瓶頸正在被突破[1-3]，在收集分析農田環境中的傳感器和其他各種來源的信息后，作物生長所處情景便能被計算機識別，一定時間內的記錄也會被感知，通過虛擬現實技術，可以為農業生產管理人員提供真實再現的物聯網情景感知信息和計算服務[4]。設施農業是一種高效的資源節約型農業發展技術，可以為農業生產提供高效可控的技術手段[5]，設施農業物聯網是結合了無線傳感器網絡、物聯網、計算機自動化控制、人工智能和專家知識庫的構建發展起來的，可為種植作物的生長提供更加科學、有保障的環境[6]。虛擬現實技術已被廣泛應用于作物的三維可視化[7-8]、景區的虛擬漫游、工業控制仿真及農業虛擬仿真等方面。

但目前在將設施農業物聯網技術與虛擬現實技術相結合來為農業生產管理者提供三維可視化的服務方面尚無很好的研究。基于此，筆者研究將虛擬現實技術與物聯網技術相融合，構建基于實時數據驅動的日光溫室園區虛擬場景，開發實現的基于物聯網情景感知的設施農業園區三維可視化管理系統，以三維可視化的方式為園區管理人員提供生產管理的服務。

1 設施農業物聯網情景感知三維可視化模式

該研究將虛擬現實技術與物聯網技術相結合，構建設施農業物聯網情景感知日光溫室園區三維可視化控制新模式的結構（圖1），其由硬件控制模塊、遠端中心服務器模塊和日光溫室園區三維交互場景客戶端模塊構成。硬件控制模塊是由工控機進行負責，實現對傳感器采集的數據進行傳輸及對卷簾等控制設備的管理，并與遠端中心服務器進行通信；中心服務器端運行的服務程序為遠端工控機以及三維客戶端提供通信，并協調處理多客戶端的請求，通過調用“國家三農云服務平臺”提供的農業知識庫來對作物的生長提供控制決策；日光溫室園區三維交互客戶端是基于Unity3d引擎來構建三維可視化的場景，提供情景式的服務，實現日光溫室園區的模擬，并通過調用服務器端的服務獲取環境數據進行顯示，當在三維可視化場景中向服務器發送控制指令，實現對溫室卷簾等設備的控制并在三維客戶端場景中進行實時的控制反饋仿真顯示。

3.2.3

溫室設備控制決策服務。

通過調用國家農業信息化工程技術研究中心研發構建的“國家三農云服務模型”中的作物分析決策接口，分析當前是否應對溫室調控設備進行相應地控制。服務器端程序實現的為客戶端提供的溫室控制決策的處理結構如圖8所示。

3.3 單客戶端請求通信

單一日光溫室園區三維可視化客戶端與服務器的請求通信，用Unity3d提供的WWW網絡通信類發送http請求來獲取服務器端提供的Servlet服務，實現數據的請求及控制指令的執行。

3.4 復雜多客戶端請求通信控制策略

構建的日光溫室園區三維管理客戶端因同時部署了多套實現分布式的控制，故在同一時刻會有多個客戶端對同一執行機構的控制，該研究實現多客戶端協調控制的策略為在服務器端按照固定的算法，當客戶端與服務器第1次請求連接時為其生成標識號，并將其返回給客戶端，之后客戶端通信就以此標識號進行標識，服務器對帶有唯一標識的不同客戶端進行排隊處理，以協調處理可能導致通信請求的混亂。

3.5 系統部署運行

最終開發實現的設施農業園區三維管理系統，其整體由硬件控制機構、中心服務器和日光溫室園區三維可視化管理客戶端3個部分組成。其中硬件控制機構安裝在湖北省宜昌市宜都市王家畈鄉的農業園區示范區內的日光溫室中。使用MyEclipse軟件開發實現為三維客戶端提供Servlet服務及與硬件控制機構通信交互控制的服務器程序部署在三峽大學中心機房電腦中的Tomcat7這一WEB服務器中。而由Unity3d開發發布的日光溫室園區三維可視化管理客戶端安裝在三峽大學校內的服務器上及其設施農業基地內的管理中心的電腦中。經過現場運行測試，其實際運行情況良好，不僅可為園區人員提供三維可視化的管理控制服務，而且還可實現多客戶端的協調控制及分布式的生產管理服務。

4 結語

基于Unity3d引擎制作三維可視化的農業溫室場景，提供可以完全沉浸于其中進行三維漫游的功能，并且架構服務器端提供數據通信服務，實現可以在三維可視化的場景下訪問遠程服務器的服務，進行數據的通信，并對獲取的數據存儲進行建模分析做出決策，以向遠程服務器發送控制指令，對相應的設備進行調控，為作物的生長提供適宜的環境條件。虛擬現實技術與設施農業物聯網技術相結合的這一溫室控制新模式充分應用設施農業物聯網情景感知技術，以三維可視化的方式為農業生產者提供服務，實現對設施生產執行機構在線控制的應用研究，為設施農業智能化生產及未來并行化農業生產管理提供進一步的技術支撐。

參考文獻

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