一種基于虛擬仿真的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

欒嵐

摘? 要：隨著人工智能、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各行各業(yè)中的滲透應(yīng)用，傳統(tǒng)依賴于人工經(jīng)驗(yàn)的勞作模式已然不能跟上現(xiàn)代社會(huì)科技的發(fā)展。該文介紹了一種在虛擬仿真平臺(tái)上的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)，通過(guò)仿真測(cè)試該方案利用Zigbee實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)作業(yè)中的相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧農(nóng)業(yè)園的環(huán)境監(jiān)測(cè)及聯(lián)動(dòng)相應(yīng)的環(huán)境操作。

關(guān)鍵詞：Zigbee? 虛擬仿真? Socket通信? 聯(lián)動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP319 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）02（a）-0011-02

中華民族自古以來(lái)就是農(nóng)業(yè)大國(guó)，幾千年來(lái)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)勞作都是憑借經(jīng)驗(yàn)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行施肥灌溉，缺乏有效的技術(shù)手段采集農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)，這其中不僅對(duì)人力、物力、時(shí)間造成浪費(fèi)，甚至還會(huì)對(duì)自然環(huán)境資源的可持續(xù)性發(fā)展帶來(lái)不良影響。2018年中央一號(hào)文件《關(guān)于實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見(jiàn)》也提到了要提高農(nóng)業(yè)質(zhì)量效益和競(jìng)爭(zhēng)力。農(nóng)業(yè)農(nóng)村農(nóng)民問(wèn)題是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的根本性問(wèn)題。沒(méi)有農(nóng)業(yè)農(nóng)村的現(xiàn)代化，就沒(méi)有國(guó)家的現(xiàn)代化[1]。該文針對(duì)上述問(wèn)題，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上利用實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、高效的通信方式采集環(huán)境數(shù)據(jù)，如空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度、土壤溫濕度等若干環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的噴淋設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、照明設(shè)備等進(jìn)行可視化的遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)，能夠通過(guò)控制系統(tǒng)啟動(dòng)相關(guān)環(huán)境操作或者智能聯(lián)動(dòng)環(huán)境操作以及多樣化的報(bào)警方式。如果能夠得到更為精準(zhǔn)的、專業(yè)的、科學(xué)的且能夠有效促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的相關(guān)環(huán)境參數(shù)，該系統(tǒng)能夠達(dá)到更好地應(yīng)用推廣及使用價(jià)值。

1? 系統(tǒng)方案

為了得到精確、實(shí)時(shí)的相關(guān)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在該方案中采用何種方式進(jìn)行通信是需要首先解決的問(wèn)題之一。方案采用Zigbee的通信協(xié)議，Zigbee是一種基于802.15.4物理層協(xié)議、支持自組網(wǎng)、多點(diǎn)中繼，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀拓?fù)涞膹?fù)雜的組網(wǎng)協(xié)議，加上其低功耗的特點(diǎn)，使得網(wǎng)絡(luò)間的設(shè)備必須各司其職，有效地協(xié)同工作。該系統(tǒng)采用的是ZigBee網(wǎng)狀拓?fù)洌鋬?yōu)點(diǎn)除了滿足ZigBee樹(shù)狀拓?fù)涞乃泄δ苤猓湎噜徛酚善髦g也存在通信關(guān)系，使得網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)分布更為靈活，路由能力更加穩(wěn)定、可靠。可以充分發(fā)揮出ZigBee網(wǎng)絡(luò)的自組織優(yōu)勢(shì)。通常在支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)上，網(wǎng)絡(luò)層會(huì)提供相應(yīng)的路由探索功能，這一特性使得網(wǎng)絡(luò)層可以找到信息傳輸?shù)淖顑?yōu)化的路徑。并且以上所提到的特性都是由網(wǎng)絡(luò)層來(lái)實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用層不需要進(jìn)行任何的參與。這樣就極大地方便了這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的功能，網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)“多級(jí)跳”的方式來(lái)進(jìn)行通信;這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)兼具備自組織、自愈功能。

另外一個(gè)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是C#中的Socket通信，Socket是應(yīng)用層與TCP/IP協(xié)議族通信的中間軟件抽象層，它是一組接口，應(yīng)用程序可以通過(guò)它發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，可對(duì)其進(jìn)行像操作系統(tǒng)對(duì)文件管理一樣的打開(kāi)、讀寫和關(guān)閉等操作。套接字允許應(yīng)用程序?qū)/O插入到網(wǎng)絡(luò)中，并與網(wǎng)絡(luò)中的其他應(yīng)用程序進(jìn)行通信。網(wǎng)絡(luò)套接字是IP地址與端口的組合。在設(shè)計(jì)模式中，Socket其實(shí)就是一個(gè)門面模式，它把復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議族隱藏在Socket接口后面，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是透明的，一組簡(jiǎn)單的接口就是全部，讓Socket自己去組織數(shù)據(jù)，以符合指定的協(xié)議。

2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的上位機(jī)軟件采用Visual Studio2015為開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)ASP.Net技術(shù)和C#來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。VS是一個(gè)完整的開(kāi)發(fā)工具集合，它包括了整個(gè)軟件的生命周期中所需要的大部分工具，如UML工具、代碼管控工具、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）等。利用Visual Studio所寫的目標(biāo)代碼也適用于絕大多數(shù)平臺(tái)。

仿真環(huán)境采用的是京勝世紀(jì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品中心的物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)虛擬仿真了各種RFID、WSN等市面上常見(jiàn)的物聯(lián)網(wǎng)前端設(shè)備。具有真實(shí)物理設(shè)備的完整接口和實(shí)際特性，可以通過(guò)串口和網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行訪問(wèn)。在此平臺(tái)上能夠仿真驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方案只需要再添加提供物理設(shè)備進(jìn)行連接就可以直接進(jìn)行運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)。

3? 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)運(yùn)行用戶界面如下，通過(guò)對(duì)IP地址和端口號(hào)的的錄入，網(wǎng)關(guān)連接成功，能夠立即刷新顯示傳感器獲取到的環(huán)境參數(shù)。根據(jù)獲取的實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度、土壤溫濕度等數(shù)據(jù)可以通過(guò)手動(dòng)控制或自動(dòng)聯(lián)動(dòng)的方式進(jìn)行相應(yīng)的物理設(shè)備進(jìn)行不同的處理。

如果檢測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)不適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)，則可通過(guò)控制內(nèi)外通風(fēng)設(shè)備或內(nèi)外遮陽(yáng)設(shè)備開(kāi)啟關(guān)閉操作進(jìn)行調(diào)節(jié)，如果檢測(cè)到的濕度數(shù)據(jù)不適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)則可通過(guò)對(duì)噴淋設(shè)備和水簾設(shè)備及相應(yīng)的通風(fēng)設(shè)備和遮陽(yáng)設(shè)備的開(kāi)啟關(guān)閉控制進(jìn)行調(diào)節(jié)，如果檢測(cè)到的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)或者空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)不適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)可以通過(guò)對(duì)天窗設(shè)備和遮陽(yáng)設(shè)備的開(kāi)啟關(guān)閉控制進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。對(duì)于設(shè)備控制分成兩種形式：系統(tǒng)界面人工手動(dòng)控制和自動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制。其中系統(tǒng)界面人工手動(dòng)控制是由管理員通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)判定根據(jù)其自身掌握的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和判斷在系統(tǒng)用戶界面上來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)備啟動(dòng)和關(guān)閉的操作，可以對(duì)各類設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)的控制;自動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制則是由系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)預(yù)先在系統(tǒng)中由后臺(tái)程序設(shè)置好的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)范圍值和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的各類參數(shù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，進(jìn)而自動(dòng)完成邏輯判定接著聯(lián)動(dòng)相應(yīng)設(shè)備的啟動(dòng)和關(guān)閉，該方式可脫離人工監(jiān)控，智能化更高，唯一存在的問(wèn)題就是預(yù)先設(shè)置在后臺(tái)程序中的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)范圍值是否精準(zhǔn)，是否是當(dāng)前時(shí)節(jié)環(huán)境的最佳值。相關(guān)設(shè)備的啟動(dòng)和關(guān)閉狀態(tài)都可以在仿真平臺(tái)上的設(shè)備上觀察到相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)。

4? 結(jié)語(yǔ)與展望

該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、動(dòng)態(tài)、高效的采集環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度、土壤溫濕度等若干環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的噴淋設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、照明設(shè)備等進(jìn)行可視化的遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)，能夠通過(guò)控制系統(tǒng)啟動(dòng)相關(guān)環(huán)境操作或者智能聯(lián)動(dòng)環(huán)境操作以及實(shí)現(xiàn)了多樣化的報(bào)警方式。

系統(tǒng)功能拓展如下。

（1）將傳感器所提取到的不同時(shí)間、季節(jié)的相應(yīng)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析存檔入庫(kù)。借助云計(jì)算大數(shù)據(jù)等科學(xué)技術(shù)為不同農(nóng)作物建立專家數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)可以根據(jù)農(nóng)作物種植經(jīng)驗(yàn)和種植技術(shù)制定智能決策功能。它可以提醒管理者根據(jù)作物的實(shí)時(shí)生長(zhǎng)狀況和趨勢(shì)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間增加肥料或開(kāi)展除害工作。通過(guò)這種方式，管理人員將在收到信息后采取行動(dòng)，及時(shí)施肥、補(bǔ)充養(yǎng)分、噴灑藥物等，確保農(nóng)作物健康生長(zhǎng)。

（2）增加圖像識(shí)別技術(shù)。利用網(wǎng)絡(luò)結(jié)合大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行有效分析，監(jiān)控識(shí)別植物生長(zhǎng)過(guò)程精準(zhǔn)把控植物生長(zhǎng)過(guò)程中的各個(gè)形態(tài)，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，病蟲(chóng)害災(zāi)害預(yù)警，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度生產(chǎn)，規(guī)避農(nóng)作物的自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，提高農(nóng)業(yè)智慧化水平。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟和應(yīng)用，智慧農(nóng)業(yè)將進(jìn)一步從單一的溫室大棚監(jiān)控轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的整體控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)土地資源的高度一體化生產(chǎn)、生態(tài)管理，從而確保農(nóng)產(chǎn)品高質(zhì)量、高數(shù)量的產(chǎn)出。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，尤其是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展、圖像處理技術(shù)的改進(jìn)以及云計(jì)算大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，智慧農(nóng)業(yè)將擁有巨大的應(yīng)用前景。今后的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將更加深入地融入農(nóng)業(yè)管理和生產(chǎn)以及經(jīng)營(yíng)，必將為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)新鮮動(dòng)力。

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注釋

①來(lái)源于《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見(jiàn)》（2018年1月2日）。