基于云計算的甜瓜種植探究與實踐

顧玲玲,袁新顏,許美軍

(江蘇商貿(mào)職業(yè)學院,江蘇 南通 226011)

0 引言

黨中央、國務(wù)院歷來高度重視農(nóng)業(yè)、農(nóng)村和農(nóng)民工作。“三農(nóng)”問題在我國作為一個概念提出來是在20世紀90年代中期。2004年中央一號文件中指出,要在宏觀調(diào)控中注重加強農(nóng)業(yè),實行一系列更直接、更有力的政策措施。2018年中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃(2018—2022年)》,規(guī)劃中強調(diào)“加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化步伐,提升農(nóng)業(yè)信息化水平”。

我國是一個農(nóng)業(yè)大國,鄉(xiāng)村常住人口依舊占據(jù)總?cè)丝谳^大比例,農(nóng)業(yè)依然是中國的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),而且全球氣候變化、消費升級、營養(yǎng)健康等因素使得農(nóng)業(yè)的價值變得更加凸顯。在云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能時代,農(nóng)業(yè)也需要來一場徹頭徹尾的變革。通過對資料的收集,深入思考,筆者意識到可將所學知識用于農(nóng)業(yè)種植,確定研究方向。目前,甜瓜種植是經(jīng)驗式種植,即澆水時間、澆水量、溫度控制、甜瓜成熟度等都需種植人員憑借經(jīng)驗給出判斷,費時費力,誤判可能性大,本研究采用傳感器獲取瓜田各項數(shù)據(jù),傳送云端,對數(shù)據(jù)處理,給出控制命令。前期資料的查找,相關(guān)課程的學習為本項目的順利完成奠定了基礎(chǔ)[1]。

1 項目研究背景

1.1 研究現(xiàn)狀及研究意義

伴隨現(xiàn)代信息技術(shù)的進步與推廣,互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與不同產(chǎn)業(yè)的關(guān)系愈發(fā)緊密,其中“互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)+農(nóng)業(yè)”的生產(chǎn)方式突破傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式,完成了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)與新興技術(shù)的相互融合,使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進入新的階段,即智慧農(nóng)業(yè)階段。智慧農(nóng)業(yè)打破現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式,結(jié)合云計算技術(shù)、無線通信技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實現(xiàn)遠距離控制農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、遠距離監(jiān)測農(nóng)產(chǎn)品生長環(huán)境、提前發(fā)布災(zāi)變預警通知等一系列精準、智能控制。本研究項目屬于智慧農(nóng)業(yè)范疇。

美國、日本等多個發(fā)達國家政府相繼推出了智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展計劃并取得了成果。美國在生產(chǎn)及經(jīng)營環(huán)節(jié)借助云計算、物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)分析,實現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品全生命周期和全生產(chǎn)流程的數(shù)據(jù)共享及智能決策。美國中西部地區(qū)在玉米、大豆、甜菜等作物種植方面廣泛應(yīng)用云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。日本作為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)的代表國家,在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域持續(xù)投入。例如:日本葡萄種植園安裝了農(nóng)田服務(wù)器遠程監(jiān)控設(shè)備,記錄農(nóng)場中的各種信息,包括太陽輻射、溫度和濕度等。農(nóng)民可以通過后臺輕松地確定最佳的施肥和收獲時間。數(shù)據(jù)上傳云端,不斷積累可以幫助農(nóng)場更好地分析葡萄的生長規(guī)律,進一步提高葡萄的種植水平和葡萄酒的釀造品質(zhì)。

相對而言,我國智慧農(nóng)業(yè)仍然在初級階段,存在著一些問題:產(chǎn)品初級、脫離實際,無法滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求;傳感器價格昂貴且大多數(shù)只用于溫室環(huán)境;智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)對于作物監(jiān)測的數(shù)據(jù)單一且稀少,聯(lián)動性差。各種傳感器加上后臺系統(tǒng)少則數(shù)十萬,多則百萬。對于多數(shù)普通農(nóng)戶來說,投入產(chǎn)出比低。很多概念性、實驗室產(chǎn)品沒有經(jīng)過大量數(shù)據(jù)驗證,對于農(nóng)戶來說是雞肋產(chǎn)品[2]。

本研究力爭在降低建設(shè)成本的前提下,開發(fā)小型系統(tǒng),滿足瓜農(nóng)需求,力爭對甜瓜生命周期進行實時監(jiān)控。每個甜瓜都有一個二維碼身份證,農(nóng)民可以用手機精確了解到澆水、施肥、授粉、纏蔓等耕作消息,確保不打激素,讓每一個瓜長足天數(shù),真正的“瓜熟蒂落”。

1.2 研究積累

本項目經(jīng)過前期的調(diào)研,與學校的校企合作單位進行溝通與交流,基本確定了本項目的系統(tǒng)架構(gòu),后期主要進行各模塊的硬件和軟件設(shè)計,數(shù)據(jù)上傳云端,研究設(shè)計最優(yōu)路徑。

2 項目研究目標及主要內(nèi)容

(1)云上種瓜系統(tǒng)由自動檢測系統(tǒng)、遠程控制系統(tǒng)等組成。

(2)云上種瓜系統(tǒng)的硬件設(shè)計。項目對最小控制系統(tǒng)、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點、物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)等模塊做詳細的硬件設(shè)計[3]。

(3)云上種瓜系統(tǒng)的軟件設(shè)計。在硬件電路設(shè)計基礎(chǔ)上,項目編寫各模塊的軟件程序,并進行調(diào)試。

(4)云上種瓜系統(tǒng)控制功能。項目設(shè)計手機端App、PC端控制平臺,實時監(jiān)控瓜田狀態(tài),處理搜集的數(shù)據(jù),給出輸出指令,控制環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備。

3 項目創(chuàng)新特色概述

課題組成員前期通過對云計算課程的學習,在項目中添加云服務(wù),將傳感器獲取的數(shù)據(jù)通過ZigBee協(xié)議傳給智能網(wǎng)關(guān),繼而通過MQTT協(xié)議上傳云端。采用云計算技術(shù)進行數(shù)據(jù)存儲,優(yōu)勢較大:處理速率快,易擴容,統(tǒng)一管理,成本低廉,隨意讀取,資源共享。本項目通過多種傳感器對瓜田各項數(shù)據(jù)進行采集。土地監(jiān)測器可用于監(jiān)測土壤供肥性能;土壤溫濕度傳感器可用于測量土壤相對含水量以及土壤溫度;空氣CO2傳感器可用于測量空氣中CO2的含量;空氣溫濕度傳感器可用于測量氣溫和空氣中的濕度;光照傳感器可用于測量光照的強度等。

項目創(chuàng)新:

(1)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄方式是采用手工記錄,容易出現(xiàn)誤差和丟失。本項目中數(shù)據(jù)上傳云端,統(tǒng)一管理,便于操作,還可以形成數(shù)據(jù)圖表。云平臺支持設(shè)備數(shù)據(jù)采集上云和云端數(shù)據(jù)下發(fā)設(shè)備端,提供方便快捷的設(shè)備管理能力,支持遠程調(diào)試、監(jiān)控、運維。

(2)開發(fā)手機App,PC端云平臺,實時監(jiān)測瓜田狀態(tài),數(shù)據(jù)下發(fā)環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備,如噴灌設(shè)備、風機設(shè)備、遮陽網(wǎng)、加熱設(shè)備。

(3)普通瓜田種植依據(jù)農(nóng)民的種植經(jīng)驗,確定什么時候澆水、澆多少水、施多少肥等,目前通過傳感器獲取各項數(shù)據(jù),與標準值進行比較,確定澆水、施肥等環(huán)節(jié)。

4 項目研究技術(shù)路線

(1)深入研究國內(nèi)外智慧農(nóng)業(yè)之云上種瓜的發(fā)展現(xiàn)狀,學習已有的經(jīng)典案例。分析實現(xiàn)云上種瓜的各項技術(shù)。

(2)明確云上種瓜的要求與功能,構(gòu)建系統(tǒng)整體架構(gòu)。

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

人通過五官(視、聽、嗅、味、觸)接收外界的信息,經(jīng)過大腦的思維(信息處理)作出相應(yīng)的動作。而用計算機控制的自動化裝置如機器人,則可以說電子計算機(電腦)相當于人的大腦,而傳感器則相當于人的五官部分。中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟認為,傳感器的存在和發(fā)展,讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官,讓物體慢慢變得活了起來。其對比分析如圖2所示。

圖2 對比分析

(3)其他關(guān)鍵技術(shù)及服務(wù)。

Zigbee技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離和低速率下的無線通信技術(shù),主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸。

智能網(wǎng)關(guān)是連接感知網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的紐帶,具備管理底層的各感知節(jié)點的功能。

MQTT協(xié)議是遙信消息隊列傳輸,基于發(fā)布/訂閱范式的消息協(xié)議,是為大量計算能力有限且工作在低帶寬、不可靠的網(wǎng)絡(luò)的遠程傳感器和控制設(shè)備通信而設(shè)計的協(xié)議,非常適合物聯(lián)網(wǎng)通信。

物聯(lián)網(wǎng)云平臺支持設(shè)備數(shù)據(jù)采集上云和云端數(shù)據(jù)下發(fā)設(shè)備端,提供方便快捷的設(shè)備管理能力,支持遠程調(diào)試、監(jiān)控、運維。

(4)明確云上種瓜控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。

本項目借助多種傳感器獲取瓜田實時數(shù)據(jù),以STM32為核心,采用485信號的傳感器通過485接口連接,并與STM32通信。硬件部分主要包括控制執(zhí)行模塊、電源及外圍電路,物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點通過ZigBee協(xié)議將數(shù)據(jù)傳給網(wǎng)關(guān)。這部分硬件框架圖如3所示。

圖3 硬件框架

(5)明確云上種瓜控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。

本系統(tǒng)軟件設(shè)計包括兩部分,一是通過傳感器采集數(shù)據(jù),利用云服務(wù)上傳云端;二是開發(fā)手機端App、PC端控制平臺,對采集的數(shù)據(jù)處理,給出控制命令,控制噴灌設(shè)備、風機等。本項目選擇Keil uVision5作為開發(fā)環(huán)境,以C語言來編寫傳感器數(shù)據(jù),采集部分功能代碼。PC端控制平臺的編程采用Java Web語言,以B/S架構(gòu)和SSM(Spring+SpringMVC+MyBatis)框架為基礎(chǔ),服務(wù)器采用Apache Tomcat來開發(fā)Web系統(tǒng)。B/S架構(gòu)簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護和使用,降低了用戶的總體成本。手機端App的開發(fā)可基于Android App開發(fā)。

5 結(jié)語

用戶可以通過手機App獲取瓜園的氣溫、空氣濕度、光照、土壤溫度、土壤供肥性能等環(huán)境數(shù)據(jù),進而了解瓜園的生長趨勢及質(zhì)量,視頻的接入使得用戶更加直觀。以遠程灌溉為例,手機端將提醒菜園狀態(tài),當菜園到了澆水時間,則會提示“缺水了,可澆水”的指令,當點擊按鈕“我要澆水”時,菜園將自動打開灌溉設(shè)施,進行澆水。用戶也可以在電腦端后臺進行傳感器及網(wǎng)關(guān)等設(shè)備的工作狀態(tài)統(tǒng)一管理及維護。