人工智能系統設計在園藝栽培生產中的運用

武書彥，朱坤華，王 輝，蔣愛德，李曉歌

(河南牧業經濟學院 自動化學院，鄭州 450011)

人工智能系統設計在園藝栽培生產中的運用

武書彥，朱坤華，王 輝，蔣愛德，李曉歌

(河南牧業經濟學院 自動化學院，鄭州 450011)

隨著我國國民經濟的快速發展、城鎮化進程的加速和人們生活水平的提高，園藝栽培生產在日常生活中扮演著非常重要的角色，滿足了人們對生活質量的全新要求。充足的光照、適宜的溫度和濕度等自然環境是影響蔬菜、觀賞植物和果樹的生長的重要條件，為了改變園藝植物受自然條件嚴重制約的現狀，人們逐漸將計算機、物聯網技術等應用到一定的人工模擬智能化溫室中，模擬出適宜植物生長的環境條件。人工智能模擬化系統作為人工模擬智能化溫室的核心部分，在園藝栽培和作物的生產管理中的作用日益顯著，但由于其造價太高，人工模擬智能化溫室在使用過程也需要大量的資金投入，嚴重制約了智能化控制系統的使用。為此，從硬件和軟件兩個角度分別對人工智能控制系統進行研究和討論，尋找市場價格低廉、品質過硬、性價比高的人工智能控制系統,搭建適應園藝作物生長的智能化系統平臺。

人工智能系統；園藝栽培；硬件；軟件

0 引言

園藝栽培技術主要是指蔬菜、觀賞植物和果樹等的培育及繁育技術。隨著我國國民經濟的快速發展和城鎮化進程的推進，園藝栽培已成為農業種植中不可缺少的一部分，對人類生存環境的美化和改善具有極其重要的作用。

蔬菜、觀賞植物和果樹等的栽培不僅需要充足的光照、適宜的溫度和濕度等自然環境，還需要灌溉、通風、施肥等諸多條件的配合。為了改變水果等園藝植物受自然條件嚴重制約的現狀，人們試圖尋找將計算機、物聯網技術等應用到一定的人工模擬智能化溫室中，將園藝栽培技術和計算機技術進行有機結合，利用人工智能技術，模擬植物生長適宜的環境條件，逐步出現了如玻璃溫室模擬園藝植物成長環境等生產新模式，加速了園藝栽培產業生產、流通的現代化和國際化。

溫室氣候人工控制的智能控制系統作為最能體現智能化溫室優劣的核心部分，是一種特殊的應用軟件，是達到工業化生產水平的關鍵環節。整個智能系統涉及到多種技術(如先進傳感器技術、計算機應用技術和智能控制技術等)和學科(如生物科學等)。綜合考慮因作物品種的不同施肥、灌溉等園藝作物生產過程中關鍵的技術問題,以及其影響作為生長的產前、產中、產后各要素的效應和相互關系,不僅體現了園藝栽培技術，還體現了與計算機技術和物聯網技術的有機結合。人工智能控制系統在實時檢測溫度、濕度、光照、降雨量等環境條件的同時，還可以檢測土壤的重金屬含量、pH 值等重要信息。實時傳感數據采集能實現實時數據采集和歷史數據存儲，能夠實現園藝作物生產的科學決策，對于科學施肥、灌溉作業來說都具有非常重要的意義。園藝智能化應用系統集各種綜合信息于一體，實時并及時傳遞影響園藝作物生長與生產的信息，對園藝作物的生長和生產進行在線指導, 對生產過程中產生的問題進行定性診斷和定量決策,為提高園藝作物的產量和質量提供科學決策，具有重大的現實意義。

1 人工智能系統的設計

1.1 設計理念的由來

隨著計算機、互聯網和數字控制技術的逐步普及，美國成為最早將計算機應用到大型智能溫室生產的控制和管理的國家，并且運行取得了一定的成績。素以園藝業著稱的荷蘭開發的人工智能溫室控制系統，對控制系統設置參數的同時，還可以通過界面給智能溫室設備以相應操作提示，同時完成遠程參數的設置、信息的報警、控制和管理等功能。以色列針對如何測量作物的高度、植物葉子的厚度、表面的溫度和濕度，研究開發了作物生態監測儀，不僅數據準確，還能21h不間斷工作，定時對數據進行收集和傳送。英國將計算機遠程遙控技術運用到智能溫室里的各項環境數值予以遠程遙控調節的智能控制系統，可以將計算機數據進行傳送。日本則利用網絡技術來對異地進行監控和管理，實現大型農場的種植；日本政府對智能化系統比較重視，對農業專家系統重視較早，設施園藝植物的栽培管理及病蟲害診斷系統，均取得了良好效果[1]。此外，埃及、英國、加拿大、韓國等都在積極開展智能化系統的設計和研究。

我國是農業生產大國，重點是發展智慧農業生產。所謂的“智慧農業”生產，主要體現在實時傳感器對于數據的采集、智能分析、聯動控制、質量監控等4個方面。20世紀七八十年代，我國通過引進國外先進的智能化溫室技術，農業技術人員經過自己的理解，并經過加工和創新后，形成了適合我國農業生產、符合我國國情的國產智能化溫室設施。雖然智能化溫室對園藝植物的生長具有積極的影響，但是國內外的智能化溫室發展仍然很緩慢，主要原因便是造價太高，而且在使用過程中需要大量的資金予以支持。到目前為止，我國只有一些企業和單位在使用智能化溫室[2]，因資金方面的原因，個人很難使用智能化溫室，難以真正走進普通百姓的日常生活。

雖然我國的智能化系統的研究和應用是國際上比較早的國家之一，取得了一定的成果，但同國外智能化溫室先進化的水平相比，我國在最近幾十年才開始逐漸接觸人工智能化溫室控制系統，在近幾年才開始對環境監測技術進行全面的研發。針對智能化溫室價格昂貴、難以普及的特點，本文對于智能化溫室的核心部分核心部分人工智能控制系統進行了研究，分別從硬件和軟件兩個方面進行討論，試圖尋找一種生產市場價格低廉、生產品質過硬、性價比較高、能與國外系統相媲美的人工智能控制系統，用于我國普通智能化溫室，更好地提供園林植物生長的環境條件。

1.2 人工智能控制系統總體的構建

人工智能控制系統集園藝作物養護技術、通信技術和傳感技術于一體，具有便捷操作和易于管理的特點。人工智能控制系統開發者只需要將本領域和本系統的知識經調試和研究后裝入系統中，形成所謂的專家知識庫，使用者和操作者無需懂得計算機專業知識便可對控制系統進行操作。

植物的健康生長離不開光合作用和呼吸作用，更離不開蒸騰作用及其體內有機物質代謝、運輸的有機結合[3]。因此，作為影響植物生長的溫度、相對濕度、光照強度和二氧化碳濃度等環境因素便成了影響適合作物在智能化溫室生長的主要條件[4-5]。作物生長需光量曲線如圖1所示。

圖1 作物生長需光量曲線模式圖Fig.1Figure of crop light requirement curve mode

人工智能化控制系統最主要的作用便是供給智能化溫室以適宜的溫度、相對濕度、光照強度和二氧化碳濃度，保證植物生長過程的進行。以往的實驗表明：植物生長最適宜的溫度為20～28℃；最適宜的相對濕度則由于季節和作物種類的不同而有所不同，一般在50%～85%之間[6]；適宜的二氧化碳體積分數為 1%～1.5%。光補償點和光飽和點是作物光合作用對光強度要求的最低限和最高限，是作物生長提供的光照必需，如表1所示。

表1 作物生長所需的適宜條件

作為智能化溫室核心部分的人工智能溫室控制系統，智能化溫室內外安裝的各種傳感器、感應器及其氣象站發布的天氣預報則是影響作物生長的環境因素參數信息的主要來源。為了提高作物的產量和降低種植成本，需要人工智能溫室控制系統把智能化溫室的窗戶、內外遮陽網和濕簾等智能控制設備調節到最佳的工作狀態，給各種作物的發育成長提供最適宜的溫度、相對濕度和光照強度等自然環境，滿足各種作物發育成長發育的需要[7]。

根據作物生長過程中需要的溫度、濕度及光照等條件等要求，春季和秋季的溫度、濕度及光照條件較適宜，能基本滿足作物生長的自然條件。但是，冬季光照時間短、溫度低，夏季則光照時間長、溫度高，這些條件無法滿足植物生長的需要，嚴重制約著作物的生長和發育。由于一年四季中春季和秋季持續時間比較短暫，冬季和夏季則持續的時間較長，因此針對季節的特殊性，對冬季和夏季兩個季節人工智能控制系統硬件進行設計，不再考慮春季和秋季兩個季節。雖然不同季節的工作模式有所不同，但只是利用人工智能溫室控制系統啟動不同的設備，以實現不同的季節其溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照等條件幾乎一致，讓作物在智能化溫室中生根發芽，從而保證作物的生長。

目前，國內外研究比較成熟的人工智能控制系統主要可以分為以下4種：單片機控制系統、可編程邏輯器件控制系統、工控機控制系統和分布式智能控制系統。本文從成本低廉和客戶方便使用的角度出發，將服務器遠程管理和現場測控系統相結合，滿足了普通百姓的需要。服務器遠程管理系統是整個溫室群的管理者和控制者，僅在暴風雨、暴雪等特殊天氣的情況下，通過發送命令對智能化溫室的各個窗戶、風扇、濕簾、內外遮陽網等控制設備進行手動開啟和關閉等，其他情況下一般不直接參與控制，實現了對溫室群的智能化遠程管理，并可對整個系統運行環境進行設定、處理和存儲。現場控制系統是各個智能化溫室的主控中心，由溫室智能控制設備、傳感設備和執行設備3部分組成，分布在各個智能化溫室大棚中。傳感器用來測定數據，并實時監控著智能化溫室的各項環境指標，如溫度、相對濕度、光照強度及二氧化碳濃度等數據，并根據人工智能控制系統發出的指令，自動同步到智能化溫室各個被控設備上。

1.3 人工智能控制系統硬件的構建

1.3.1 人工智能控制系統微處理器的選擇

基于智能化溫室對人工智能控制系統服務器遠程管理的要求，微處理器必須具備以下特點：功耗低、性價比高、指令周期短[8]。從低成本和高性能的角度出發，本研究采用S3C6410型RSIC 處理器，其可以廣泛應用于移動電話、平板電腦和智能化設備中，而且能為3G 通信提供優秀的硬件服務，滿足人工智能控制系統對微處理器的需要。

1.3.2 人工智能控制系統傳感器的選擇

1)濕度傳感器的選擇。濕度信號是濕敏元件對水接觸的靈敏度的響應值。市面銷售的濕敏元件主要有高分子、半導體陶瓷、電解質和其它4大種類。A1203 型號濕度傳感器具有滯后性較小、線形度好、響應速度快的優點，因其為高分子材料元件，還具有測量濕度高精確度(±4%Rh)的特點，因此選擇A1203 型號濕度傳感器較為合適。

2)智能化溫度傳感器的選擇。溫度是人工智能控制系統各個環境因素中最基本的輸入變量，因此在選擇溫度傳感器時不僅要考慮到傳感器的使用壽命和價格，還要考慮到其對溫度的準確度。DS18B20型傳感器具有靈敏度高、線性好、使用靈活方便的特點，符合本智能控制器的要求。

3)光照度傳感器的選擇。控制遮陽網的開關是光照度傳感器，開關控制遮陽網可以滿足作物對光照量的需求，光照又是影響作物進行光合作用、合成有機物質的重要條件，所以光照度傳感器也是智能控制系統的重要組成部件。Po188-c型光照度傳感器具有安裝方便、抗干擾、體積小、線性度好等特點，滿足要求。傳感器類型如表2所示。

表2 傳感器類型

1.4 人工智能控制系統軟件的選擇

服務器遠程管理系統是人工智能控制系統的“大腦”，操作系統是系統的“靈魂”。要想對應用軟件進行操作，則必須有相應的操作系統才能實現。S3C6410支持的主流操作系統有WINCE、Linux和Android。隨著科科學技術的發展，Android 操作系統智能手機和平板電腦廣泛應用于人們的生產和生活中，其在支持智能手機和平板電腦的同時，還支持眾多硬件平臺，為人們所喜愛。S3C6410支持的主流操作系統有WINCE、Linux和Android，符合人工智能控制系統對于軟件的需求。

嵌入式操作系統不僅廣泛地應用于與計算機相關的各個領域，如智能手機、平板電腦、醫療設備和航空航天中，而且在實際操作中可以根據自己的需要和需求來對操作系統進行靈活進行裁剪，因此嵌入式操作系統為比較適宜的系統。

2 園藝作物智能平臺的構建

為了滿足不同園藝作物的生長條件，迫切需求園藝作物智能系統開發工具，因此搭建一個通用的、基于園藝作物領域的智能平臺系統便顯得特別重要。系統管理員可以利用這個平臺開發適合自己的、不同作物類型的園藝作物生長管理系統。這個智能平臺是專門針對園藝作物生產管理的特點研究和開發的，不僅實現了數據的統一管理，而且還能夠很好地支持并行開發與研究。

2.1 園藝作物智能平臺的功能和特點

1)為方便系統管理員操作，本平臺能夠提供直觀、友好、便于用戶操作的圖形用戶接口；為滿足大眾用戶的需求，本平臺的操作系統還應該提供具有豐富多媒體功能的應用系統界面。

2)為滿足用戶的對平臺的不同需要，智能化應用軟件還應根據不同的需要進行單獨安裝和運行，實現智能應用系統軟件的封裝與啟用，且允許封裝后的智能應用系統軟件方便地插入到平臺架構下。

3)根據園藝作物的生長特點的不同,智能化平臺還應能夠提供多種園藝作物應用框架的模型,滿足不同的園藝作物生長的需要。

4)針對管理員隨時可以更新系統的需要，智能化平臺支持異構計算環境,用來滿足用戶可在異地、異種工作平臺協同地對智能應用系統進行開發和應用的要求。

2.2 園藝作物智能平臺的構建

2.2.1 框架模型的建立

因園藝作物在生長過程中所需要的環境條件不同，因此平臺的構建者需要通過對不同園藝作物生長發育全過程中所需要的營養、水分和光照等環境因素進行比較試驗,構建養分動態圖，通過對高產量園藝作物生長條件的指標數據進行大量的分析，建立園藝作物生長發育與環境關系的數據庫通用框架。平臺的使用人員不僅可以根據自己的需要修改這些數據,還可把這些數據信息推送給數據管理者，參與平臺數據庫管理者的決策推理。

平臺構建者根據園藝作物生長發育全過程中不同栽培和培育技術所產生的綜合效應和管理指標,分析整理了高產量農作物的基礎數據，建立知識庫框架；平臺使用者可以根據本地區的實際情況作相關參數的調整，調用滿足自己需要的知識模塊。平臺可以對不同的數據模型庫進行查詢、修改并進行動態調用,數據模擬庫可以和知識庫掛鉤。

2.2.2 系統結構的構建

智能化平臺的功能包括通用平臺、智能系統和實用信息系統3個層次。通用平臺應包含知識儲備量龐大的數據庫信息，因其知識的復雜性，可能需要長時間的執行操作，又因其知識的日趨復雜性，知識庫的建立是一個動態的建立過程。數據庫不可能完全建好，需要對知識庫進行動態維護，以滿足時代發展的需要。智能系統則是根據自身的不同需要、環境和地區的差異情況，對平臺的數據進行修改，為平臺的使用者提供一個積極的二次開發的環境和工具，從而滿足生產管理者的需要。

2.2.3 可視輸入平臺的構建

為使平臺的使用者或操作者在對數據參數進行編輯過程中方便,保證參數輸入的正確度，可視輸入平臺不僅要方便不同知識層次的操作者，還應該保證準確度。

數據參數的輸入可通過錄入和下拉菜單兩種方法進行控制。參數在錄入輸入的過程中要設置數值上下限,保證數據輸入的準確度和數值的合法化。對不能給出準確值的參數，要給出提示和解決辦法，用戶只需提供作物的類型和種植土壤的環境條件，數據輸入系統即可給出提示，大大增加了平臺的使用率。

3 結論

1)針對影響作物生長的溫度、二氧化碳濃度、相對濕度及光照強度等環境因素，從降低成本和作物高產量的角度出發，以人工智能控制系統作為智能溫室的核心部分，并從硬件和軟件方面分別對人工智能控制系統進行研究和討論。

2)通過比較，S3C6410型RSIC 處理器、A1203 型號濕度傳感器、DS18B20型溫度傳感器及Po188-c型光照度傳感器為比較適宜的硬件，而S3C6410型操作系統則為比較適宜的軟件。此硬件和軟件價格成本低廉，便于操作，是適宜的人工智能控制系統材料。

3)由于智能化管理平臺為作物的生長提供了綜合信息技術咨詢和作物領域內專家數據庫，根據不同管理者的需要，為用戶圖文并茂地根據環境和土壤的實際情況提供有力可行的決策意見，對園藝作物的生長起到了積極的指導作用。智能化平臺在設計過程中廣泛采用了可視化技術,管理員和操作者在使用時過程中可以根據自己的不同需要直接進行操作，無需找工程師或者平臺的開發人員修改程序代碼,在一定程度上實現了平臺的二次開發和利用，加大了平臺的利用率，從而實現了園藝作物生產的科學決策和在線指導。

[1] 周枝旺.基于 ASP_NET 的植物病蟲害遠程診斷咨詢系統[D]． 福州:福建農林科技大學，2006．

[2] K.G.Arvanitis,Vernardos.Multriateadaptive temperature control of greenhouses[J].Computers and Electronies in Agrieulture,2000,26:303-320.

[3] 鐘陽和,施生錦,黃彬香.農業小氣候學[M].北京:氣象出版社,2007.

[4] 嚴斧.作物光溫生態[M].北京:中國農業科學技術出版社, 2009.

[5] 郭世榮.設施作物栽培學[M].北京：高等教育出版社,2012.

[6] 鄧建軍,徐立鴻, 吳啟迪. 溫室環境控制的特點及其系統組成[J]. 農業工程學報,1995(14):5.

[7] Pham D T,Gologluc. A computer aided process planning system for concurrent engineering[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part B Journal of Engineering Manufacture,2001，215(8):1117-1131.

[8] 劉淼. 嵌入式系統接口電路設計Linux驅動程序開發[M].北京：北京航空航天大學出版社,2006.

The Application of Artificial Intelligence System in the Production of Horticultural Cultivation

Wu Shuyan, Zhu Kunhua, Wang Hui, Jiang Aide, Li Xiaoge

(Henan University of Animal Husbandry and Economy,College of Automation, Zhengzhou 450011, China)

With the rapid development of China's national economy，the acceleration of the urbanization process and and the improvement of living standard, the cultivation of horticultural production plays a very important role in our daily life. So as to meeet people's new requirements for the quality of life.Some artificial facilities in the modern means of science and networking technology is applied to change the present situation that the horticultural plants growth seriously restricted by natural conditions, and to make simulation environment of intelligent greenhouse suitable for plant growth and the role of horticulture and crop production management has become more and more significant. but because of the high price of our country existing intelligent greenhouse facilities and the money needed to invest in use process, the use of intelligent system is seriously restricted. The from the aspects of hardware and software respectively on artificial intelligence control system is studied and discussed, looking not only for the production market with low price, excellent quality, but also to build a artificial intelligence control system which can really come into the everyday life of the ordinary people. Building an intelligent system platform to adapt to the growth of horticultural crops.

artificial intelligence system; horticulture; hardware system; software system

2007-12-16

河南省“農牧業信息化”科技創新團隊項目(HUAHE2015011)

武書彥(1975-),男，河南延津人，副教授，博士研究生，(E-mail)18103691417@163.com。

S126

A

1003-188X(2018)02-0216-05