基于IOT云平臺和圖像處理技術的藏區(qū)“凈土健康產(chǎn)業(yè)”系統(tǒng)設計

西北民族大學 潘 昱 周一牧 林曉毅 劉瀟元 鄧智育

本系統(tǒng)意在通過物聯(lián)網(wǎng)技術、圖像處理技術，由傳感器監(jiān)測作物的生長環(huán)境數(shù)據(jù)，如光照強度、空氣溫濕度、大氣壓強、土壤濕度、土壤鹽分含量等；將作物生長數(shù)據(jù)，產(chǎn)地信息通過網(wǎng)絡上傳到云平臺中，制作溯源二維碼。顧客在購買產(chǎn)品時，通過掃描二維碼可得知當前購買商品從生長，采收，再到運輸和銷售的所有詳細信息。

1.序言

凈土健康產(chǎn)業(yè)將會在青藏地區(qū)的區(qū)位發(fā)揮其優(yōu)越的優(yōu)勢，產(chǎn)生出巨大的經(jīng)濟效益。推動植物業(yè)和農(nóng)牧業(yè)增產(chǎn)增效，化劣勢為優(yōu)勢等一些區(qū)域性問題。這些都是我們面前必須攻下的一道難題。本文基于IOT云平臺和圖像處理技術的藏區(qū)“凈土健康產(chǎn)業(yè)”系統(tǒng)設計就很好地解決此問題。

2.系統(tǒng)總體設計

2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

青藏高原特色農(nóng)牧資源得天獨厚，農(nóng)業(yè)主要分布在海拔較低溫度較高的谷地，如雅魯藏布江谷地、湟水谷地等，稱為“谷地農(nóng)業(yè)”。主要農(nóng)作物為耐寒、耐旱的青稞、小麥、豌豆等。牧業(yè)為高寒牧業(yè)，主要牲畜為耐寒的牦牛、藏綿羊等。如何能在利用區(qū)域性優(yōu)勢，發(fā)展特色植物業(yè)，攻克環(huán)境，地勢，生態(tài)等一些惡劣性因素。可以充分利用現(xiàn)代科技技術，就可以快速實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。而本系統(tǒng)能很好地解決此問題，系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

2.2 農(nóng)產(chǎn)品溯源

在農(nóng)田中設置傳感器檢測點和圖像檢測點，將數(shù)據(jù)進行處理后分類上傳到數(shù)據(jù)庫中，生成農(nóng)產(chǎn)品信息庫，包括各種農(nóng)產(chǎn)品從生長到成熟再到采收的詳細數(shù)據(jù)，為不同批次的產(chǎn)品分別制作二維碼，顧客在購買農(nóng)產(chǎn)品時，可通過手機掃描商品上的二維碼，便可得知該產(chǎn)品的產(chǎn)地環(huán)境情況，如經(jīng)緯度、海拔高度、氣候、光照強度、空氣潔凈度及作物生長過程中的圖像等真實數(shù)據(jù)，使顧客能夠買到安全、放心的綠色產(chǎn)品。

2.3 農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出預測

利用圖像處理技術，對作物的長勢進行測定，預測作物的成熟時間，由此估算農(nóng)產(chǎn)品的上市時間，將信息提供給相應產(chǎn)品的經(jīng)銷商，以便提前規(guī)劃市場銷售計劃，避免出現(xiàn)商品供不應求或供過于求的局面，對商品資源合理分配起到重要作用。在最大程度上使農(nóng)民獲益并避免不必要的損失，強化產(chǎn)品供應和市場銷售間消息的互通，保證農(nóng)產(chǎn)品上市時的新鮮程度，創(chuàng)造農(nóng)產(chǎn)品銷售和購買的和諧景象，兼顧農(nóng)民和消費者的利益。

2.4 農(nóng)區(qū)資源保護

在充分利用青藏地區(qū)農(nóng)業(yè)資源的獲取經(jīng)濟效益的同時，保護農(nóng)區(qū)自然資源環(huán)境同樣應放在首要地位。通過對農(nóng)區(qū)土壤肥力及作物生長情況的監(jiān)測，判斷耕地與作物生長的協(xié)調(diào)性，在肥力高的地方密植，肥力低的地方稀植，根據(jù)情況更換作物種植類型，調(diào)整耕種周期，合理灌溉及施肥。在保證農(nóng)產(chǎn)品高質(zhì)量的同時，也保證耕地和生態(tài)資源得到充分的保護。讓過于緊張、疲憊的耕地修養(yǎng)生息，讓生態(tài)得到治理修復，也可以通過改良土壤相應出現(xiàn)的問題，增強農(nóng)業(yè)發(fā)展后勁，實現(xiàn)真正的“藏糧于地”。若想要這方“凈土”能夠源源不斷地供應天然、健康的農(nóng)產(chǎn)品，就必須要愛護這片珍貴的土地，及其周圍的生態(tài)環(huán)境。在大力發(fā)展經(jīng)濟的同時不忘生態(tài)的保護，真正的實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標。

圖2 硬件設計框圖

2.5 硬件設計

傳感器模塊：

(1)土壤濕度傳感器：其主要用來測量土壤容積含水量。當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，濕敏電阻的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度。

(2)溫度傳感器：DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器。其輸出的是數(shù)字信號，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。

(3)光照傳感器：用于檢測光照強度。GY-30數(shù)字光照度傳感器可測量光照度范圍0-65535勒克斯，精度達1勒克斯，支持IIS通信，內(nèi)置16bitAD轉(zhuǎn)換器。

(4)PM2.5激光粉塵傳感器：用來測量顆粒物濃度，并以數(shù)字接口形式輸出，同時也可輸出每種粒子的質(zhì)量數(shù)據(jù)。可嵌入各種與空氣中懸浮顆粒物濃度相關的儀器儀表或環(huán)境改善設備，為其提供及時準確的濃度數(shù)據(jù)。

(5)風速傳感器：三杯電渦流式傳感器，風杯的轉(zhuǎn)軸為金屬齒轉(zhuǎn)盤，感應頭由線圈組成。當轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，引起線圈磁通的變化便輸出連續(xù)的脈沖信號，通過對脈沖信號進行計數(shù)，從而計算出風力的大小。

(6)GY-39環(huán)境氣象站監(jiān)測模塊：用來檢測氣壓，溫濕度和光照強度。傳感器上板載了MCU收集傳感器數(shù)據(jù)，并通過串口或者IIC與主控通信，發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.6 控制器模塊

系統(tǒng)主要控制器系統(tǒng)采用Arduino開源電子原型平臺，包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE)。該系統(tǒng)有三大優(yōu)勢：一是跨平臺，可以在Windows、Macintosh OS X、Linux三大主流操作系統(tǒng)上運行。二是開放性，硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫文件都是開源的，只要在開源協(xié)議范圍內(nèi)，修改代碼和原始設計等，就可以快速實現(xiàn)相應的產(chǎn)品功能。三是更能夠?qū)崿F(xiàn)一些創(chuàng)意性的產(chǎn)品，節(jié)約時間和成本，縮短開發(fā)周期。

2.7 圖像識別模塊

樹莓派，它是一款基于ARM的微型電腦主板，具備所有PC的基本功能只需接通電視機和鍵盤，就能執(zhí)行如電子表格、文字處理、玩游戲、播放高清視頻等諸多功能。

2.8 軟件設計

2.8.1 圖像處理軟件

利用OpenCV跨平臺計算機視覺庫進行開發(fā)，應用圖像處理的方法對作物進行長勢測定, 通過對圖像進行放大、增強及灰度處理等預處理，最后主要的目的是識別綠色葉片的面積大小，以此得到植物長勢的信息。

2.8.2 云平臺OneNET

云平臺OneNET是由中國移動打造的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺。能夠快速縮短時間，完成產(chǎn)品開發(fā)周期和解決方案。將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過MCU經(jīng)網(wǎng)絡上傳到OneNet云平臺。首先在產(chǎn)品中添加傳感器設備，然后添加數(shù)據(jù)流，最后生成應用。系統(tǒng)使用OneNet“設備云”app作為平臺，在手機、平板等移動終端上均可使用，可在應用中實時查看作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)。

3.結束語

綜上所述，隨著國民經(jīng)濟水平的提升，開發(fā)投入成本的提高。而本系統(tǒng)以低成本，高效率等鮮明特點，以此來解決產(chǎn)品供應和市場流通問題，帶動青藏地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展，改善當?shù)剞r(nóng)民生活，深化農(nóng)業(yè)經(jīng)濟現(xiàn)代化發(fā)展進程。同時保護了青藏地區(qū)農(nóng)區(qū)的生態(tài)環(huán)境，打造綠色、生態(tài)、文明的產(chǎn)業(yè)平臺。

參考：李艷麗，蔡冬玲，基于Arduino平臺的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設計：單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2017；王雅惠，凈土產(chǎn)業(yè)需走特色化道路：西藏日報（漢），2016-12-15(006)；楊子彥，推動“凈土”又好又快發(fā)展：西藏日報（漢），2015-12-17(011)。