基于人工智能計算機視覺技術的大棚監測系統實現

摘" 要：近年來，人工智能技術在核心技術以及典型應用上均已出現優越的進展。為有效滿足人們對大棚環境的監測和預警需求，該設計利用樹莓派（Raspberry PI）搭配DHT11溫濕度傳感器、攝像頭及MQ-2煙霧探測器等器材作為監測設備，搭建基于人工智能計算機視覺技術的大棚監測系統。該系統運用消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT） 、超文本傳輸協議（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）和實時消息協議（Real Time Message Protocol，RTMP）作為通信協議，在基于計算機視覺技術的大棚監測系統上實現溫濕度、煙霧氣體和實時視頻圖像等數據的采集及報警信息的顯示。經過測試，該系統運行穩定，環境數據信息采集準確。

關鍵詞：人工智能；溫濕度；煙霧；監測系統；通信協議

中圖分類號：TP399" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2023）22-0005-05

Abstract： In recent years， artificial intelligence technology has seen explosive progress in core technologies and typical applications. In order to effectively meet people's needs for monitoring and early warning of the greenhouse environment. The system used Raspberry PI with DHT11 temperature and humidity sensors， cameras， and MQ-2 smoke detectors as monitoring equipment to build a smart greenhouse based on WeChat applets. The MQTT （Message Queuing Telemetry Transport） and HTTP （Hyper Text Transfer Protocol） and RTMP（Real Time Message Protocol） were as the communication protocol in the system to realize the collection of temperature， humidity and other data in the real- time， and the display of alarm information on the greenhouse monitoring system based on computer vision technology. After the test， the system runs stably and the environmental data was collected accurately.

Keywords： artificial intelligence; temperature and humidity; smoke; monitoring system; communication protocol

隨著科學社會的進步與發展，農業大棚的智能化隨著物聯網、微型芯片、云計算和人工智能等新技術的發展逐漸成熟[1]，人們對大棚生產的需求激發了對傳統大棚監測的改變。作為一門科學學科，計算機視覺通過研究相關的理論和技術，試圖建立能夠從圖像或者多維數據中獲取“信息”的人工智能系統[2-3]。同時，隨著微處理芯片性能的進步以及網絡通信基礎的快速發展，國內外許多科研機構和公司都開始致力于這一領域的研究和探索，使溫濕度和煙霧氣體的數據監測逐漸數字化和網絡化[4]。目前，國內外的相關研究成果常見于PC端顯示和處理傳感器的數據，有些設計也僅僅是能夠顯示當前監測數據和顯示歷史數據，不具有報警提醒功能；具有報警功能的研究和設計一般都是直接在樹莓派端直接通過蜂鳴器的鳴叫報警，很少有實現遠程微信端的提醒和報警功能，也沒有涉及在微信小程序上實現遠程監測的案例[5-6]。

基于以上分析，本文設計了一個基于人工智能計算機視覺技術實時監測溫度、濕度和有害氣體的大棚監測系統。使用了注冊于英國的慈善基金組織“Raspberry Pi 基金會”世界上最小的臺式計算機樹莓派作為硬件端，其具有體積小、集成度高等優點[7]。微信小程序則作為軟件端，微信小程序具有設計合理，對開發者友好、無須下載、即點即用及方便快捷的特性[8]。本次設計方案在運用人工智能計算機視覺技術的前提下，與行業內其余方案相比，它的優勢是改善了常見系統的便捷性低、平臺限制大等問題。本次設計中利用MQTT和HTTP作為通信協議，在微信端實現了溫度、濕度和煙霧氣體等數據及報警信息的顯示，并使用RTMP技術[7]實現實時視頻監測功能。

1" 系統設計

1.1" 系統總體設計

基于人工智能計算機視覺技術的大棚監測系統由3部分組成，分別是感知監測層、網絡通信層和應用層[9]，系統結構如圖1所示。

感知監測層主要由傳感器和攝像頭組成，傳感器負責室內溫度、濕度、煙霧濃度的監測，攝像頭負責視頻圖像的實時采集。感知監測層用于傳感器和攝像頭采集以及接收網絡通信層傳達的各種命令[10]。

網絡通信層主要負責感知監測層采集到的數據進行傳輸。主要通過MQTT這一基于發布、訂閱的輕量級物聯網協議作為傳感器數據上傳的方式[11-12]，攝像頭采集到的圖像信息則通過RTMP協議進行傳輸。

應用層主要是對網絡通信層傳輸的數據進行智能化分析、管理與控制，用戶可以通過基于人工智能計算機視覺技術的大棚監測系統遠距離監測大棚內的環境。

1.2" 感知監測層

1.2.1" 傳感器模塊

本文中設計的大棚環境監測系統的測量涉及實時視頻、溫度、濕度及煙霧危險氣體3種情況，因此需要將多種傳感器安裝到樹莓派上。另外，選擇了DHT11作為溫濕度傳感器，選擇MQ-2型煙霧傳感器[13]進行煙霧氣體的監測，為實現樹莓派端的報警提醒功能，通過樹莓派上安裝的蜂鳴器，在溫度、濕度超出所設定的閾值時或監測到易燃易爆氣體時就會發出蜂鳴聲進行報警。傳感器配置信息和生產廠家見表1。

1.2.2" 視頻模塊

基于人工智能計算機視覺技術的大棚監測系統采用的是樹莓派官方攝像頭，攝像頭被直接安裝至樹莓派上，但要在樹莓派端實現實時視頻采集，還需要FFmpeg軟件的配合。FFmpeg提供了一整套錄制、轉化以及流化音視頻的完整解決方案，可以用它來記錄和轉換數字音視頻，并能將其轉化為流的開源計算機程序[14]。此外，攝像頭捕捉到的實時視頻畫面通過使用RTMP流的形式被上傳至云端服務器，再由云端服務器進行轉發處理，基于計算機視覺技術的大棚監測系統獲取信息以后便可以在前端顯示視頻畫面。

1.3" 網絡通信層

1.3.1" 樹莓派

樹莓派體積小，功能強大，兼容性強，最主要是其支持多種計算機語言，針對本文的特性設計，選用了Python語言作為樹莓派的開發[15]。在本文中使用的樹莓派3b+中，一般是通過其26個GPIO引腳來實現與傳感器的通信功能。將傳感器和攝像頭接入樹莓派GPIO引腳中便可以獲取傳感器采集到的相關數據。

傳感器采集到的數據被樹莓派監測到以后，樹莓派作為發布者，將監測到的數據通過通信協議進行傳輸，而基于計算機視覺技術的大棚監測系統不能直接作為訂閱者去接收傳感器采集到的數據。所以通過搭建相應的服務器，該系統即可從服務器端接收傳感器監測到的數據信息。網絡通信層流程圖如圖2所示。

1.3.2" 通信協議

在基于人工智能計算機視覺技術的大棚監測系統中使用MQTT協議上傳傳感器數據，而使用MQTT協議需要搭建MQTT Broker服務器作為消息代理服務器。由于微信小程序僅能使用HTTP協議與第三方服務器進行讀取和發送數據，所以搭建了HTTP服務器作為訂閱者從Broker訂閱傳感器數據，基于計算機視覺技術的大棚監測系統再從HTTP服務器獲取數據。此外，視頻傳輸則需要使用RTMP協議，利用RTMP流的形式將攝像頭捕捉到的視頻通過視頻流上傳至云端服務器，再由云端服務器進行轉發處理。本系統的通信協議流程圖如圖3所示。

1.3.3" MQTT服務器

為實現使用MQTT協議傳輸傳感器的相關數據，最為關鍵的部分就是搭建一個MQTT消息代理服務器——MQTT Broker。將MQTT Broker搭建在騰訊云所提供的CVM彈性云服務器，軟硬件配置表分別見表2和表3。

1.3.4" HTTP服務器

HTTP服務器的配置與MQTT服務器的配置基本一致，不過HTTP服務器中使用了最為常見的Ubuntu server作為操作系統。為了實現HTTP服務器的功能，在此服務器中還需安裝Nginx。同時，此服務器還需要承擔了接收和發送RTMP視頻流的功能，因此將Nginx軟件裝載在Nginx-rtmp-module模塊。HTTP服務器的軟硬件配置分別見表4和表5。

1.4" 應用層

應用層對傳感器采集到的數據進行處理分析與管理，給溫濕度傳感器和煙霧傳感器設置閾值，當達到閾值以后便會觸發煙霧報警和溫濕度報警的條件，基于計算機視覺技術的大棚監測的系統端便會發出警示消息提醒用戶。系統報警機制程序的流程圖如圖4所示。2" 系統測試

打開基于人工智能計算機視覺技術的大棚監測系統直接登錄便可以查看大棚室內情況，如圖5（a）所示。點擊傳感器界面查看大棚室內溫度、濕度以及煙霧濃度判斷室內環境，例如監測到當前大棚室內溫度高于設定值30 ℃，便會在系統平臺端出現提醒“監測到溫度過高，請注意！”的信息，且樹莓派端的蜂鳴器也會發出警報聲。當監測到濕度高于設定值時，界面也會彈出提示濕度過高的警告，如圖5（b）所示。經過多次測試，該智能家居監測系統運行穩定，采集信息準確。

3" 結束語

本文介紹了基于人工智能計算機視覺技術的大棚監測系統設計，在基于計算機視覺技術的大棚監測系統上實現了對大棚室內環境溫濕度及煙霧氣體的監測，該大棚監測系統中還實現了實時查看視頻的功能。該系統利用了樹莓派成本低以及基于計算機視覺技術的大棚監測系統“即點即開，無須下載”的功能基本實現了基礎監測防護功能，滿足了用戶對大棚監測的基本要求。經過測試，該系統具有高穩定性、高可靠性、成本低和安全性高等優點，可有效避免造成更大的經濟損失，能夠滿足對農業大棚的環境監測和預警需求，很大程度上提高用戶對居住環境的舒適性和安全性的要求。隨著人工智能技術的飛速發展，結合傳感器應用技術，后續有望將本次設計轉化為基于人工智能計算機視覺技術的大棚監測系統產品，有助于提高人們的生活水平。

參考文獻：

[1] 吳小峰，王艷紅，李慧勇.中小型智能溫室大棚中數據監測系統的設計與實踐[J].湖南郵電職業技術學院學報，2022，21（2）：15-18.

[2] 周曉曉.人工智能技術[J].時代金融，2017（24）：295-295.

[3] 管宇杰.人工智能的眼睛——計算機視覺[C]//2017智能電網新技術發展與應用研討會論文集，2017.

[4] 吳波濤，徐正峰，孫金衛.基于樹莓派的智能溫濕度監控終端的設計與實現[J].電子設計工程，2018，26（22）：190-193.

[5] 夏定純，徐濤.人工智能技術與方法[M].武漢：華中科技大學出版社，2004.

[6] 袁成玉，趙志勇，鄧益民.基于物聯網技術的智能化電力安全帽煙霧檢測系統[J].電子制作，2020（9）：18-20.

[7] 王甜.基于樹莓派+Python的智能安防系統設計[J].科技視界，2020（24）：26-28.

[8] 張媛媛.計算機視覺技術及其在工業中應用的研究[J].赤子（上中旬），2017（5）：242.

[9] 吳楊.基于RTMP協議的實時視頻監控系統的設計與實現[D].杭州：浙江工業大學，2017.

[10] 晏閩如，周萍，王凱.基于樹莓派的智能家居系統設計[J].軟件導刊，2020，19（7）：94-98.

[11] 鄭洋，宋振凱，趙婧.基于STM32的蔬菜大棚環境監測系統設計[J].無線互聯科技，2022，19（19）：71-73.

[12] 陳聞，樊留群.基于計算機視覺技術的工件檢測識別研究與應用[J].機電一體化，2016，22（2）：9-12，31.

[13] 孟麗榮，趙海天.基于MQTT協議的數據監測系統在設施農業中的應用[J].遼寧師專學報（自然科學版），2020，22（4）：82-86.

[14] 黃煌.基于MQ2傳感器的環境檢測[J].新校園（上旬），2015（11）：52.

[15] 邊玉亮，余世干，劉輝.農業大棚無線環境監測系統設計[J].廊坊師范學院學報（自然科學版），2022，22（3）：35-38.