基于增強現實與物聯網的農業監測系統研究

摘 要：設計并開發了一種基于增強現實和物聯網技術的農業監測系統，該系統能夠通過增強現實的交互性界面，直觀地展示農業種植環境中的實時監測數據。其由數據采集層、網絡傳輸層和AR客戶端層三部分組成，能夠通過部署在農業種植環境中的傳感器監測環境信息，使用 MQTT協議將實時數據上傳至服務器，并借助Unity3D和Vuforia SDK，通過增強現實的交互性界面向用戶展示實時數據。系統將增強現實技術運用于農業生產，便于種植者更好地監測數據，為智慧農業提供了一種嶄新的增強現實方案。

關鍵詞：增強現實；智慧農業；物聯網；MQTT；Unity3D；Vuforia

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）12-00-03

0 引 言

隨著全球人口的不斷增長，農業生產正面臨著前所未有的嚴峻挑戰。為了應對不斷增長的糧食需求，農業領域亟需提升生產效率、減少資源浪費，實現可持續性發展。在這一背景下，農業監測系統作為一種至關重要的工具，能夠實時、準確地提供數據支持，幫助農民更有效地管理農田和作物。傳統的農業監測方法存在一些限制，例如數據采集和分析的滯后，以及數據可視化的復雜性。為了克服這些挑戰，本文設計并開發了一種基于增強現實（Augmented Reality， AR）和物聯網技術的農業監測系統。這一系統結合了AR技術的可視化和交互性優勢，以及物聯網技術的實時數據采集和傳輸能力，為種植者提供了全新的方式來監測和管理農田環境。

本文為智慧農業提供了一種嶄新的增強現實方案，借助這一創新性的系統，能夠有效提升農業生產效率，提高資源管理和決策質量。

1 研究現狀

目前，發達國家如美國、以色列、荷蘭等在智慧農業領域已取得了顯著的進展，憑借先進技術大幅提升了農業生產效率、可持續性和農場管理水平[1]。而我國農業的科技化應用狀況相對落后，正處于由傳統農業向現代化農業轉型的過渡階段。傳統的農業監測方法因為數據采集和分析的滯后性，制約了種植者對農田狀況的實時掌握。近年來，物聯網技術在農業傳感器和數據傳輸方面應用廣泛[2-4]，依托于物聯網技術的智慧農業研究逐年增加。研究人員通過建立大規模傳感器網絡，用于監測土壤質量、水資源利用情況和氣象參數等，實現了對農業種植數據的實時監測，而這些數據對于農業決策至關重要。

增強現實是一種將虛擬數字信息與現實世界相結合的技術，通過計算機生成的感知信息來擴展、增強或提升人類感知。近年來，增強現實技術在工業、教育、旅游等領域的應用發展迅猛[5-8]，但該技術在農業領域應用較少。本文將AR技術引入農業監測領域，通過直觀的可視化效果和交互性界面，使種植者能夠實時獲取和掌握關鍵的農業數據。這不僅提高了數據的可理解性，還強化了數據驅動的決策制定能力。本系統由數據采集層、網絡傳輸層和AR客戶端層3部分組成。通過部署在農田的傳感器，將實時數據上傳至服務器，并使用MQTT協議進行數據傳輸，種植者借助AR眼鏡或手機終端，能夠實時獲取有關農田狀況的信息，如作物生長狀態、土壤濕度和氣象數據。本文通過結合增強現實和物聯網技術，旨在提供一種創新的方式來監測和管理農田環境，推動智慧農業的發展。

2 系統架構

本系統結合了增強現實和物聯網技術，構建了一種全新的農業監測解決方案。系統由數據采集層、網絡傳輸層以及AR客戶端層構成。數據采集層主要負責種植環境的數據采集，并將采集到的數據上傳到服務器；網絡傳輸層作為AR客戶端層與數據采集層的橋梁，負責傳輸數據與指令；AR客戶端層將服務器傳輸的種植環境數據通過增強現實的方式展示。系統成功實現了在手機客戶端或AR眼鏡上展示農業種植環境的實時狀態，系統整體功能架構如圖1所示。

數據采集層通過使用各種傳感器和智能設備來進行農業環境的實時數據采集，其中包括空氣中的溫度、濕度、二氧化碳體積分數等對農作物生長有重要影響的環境參數，并由無線模塊通過MQTT協議將數據上傳至網絡傳輸層。AR客戶端則采用Unity3D+Vuforia的增強現實方案實現實時圖像識別、多種跟蹤方式、攝像頭視頻流與虛擬現實模型的融合，提高了用戶體驗[9]。客戶端使用MQTT協議接收數據并對數據進行處理，隨后便可以通過掃描綁定作物的識別物以顯示增強現實界面，讓用戶能夠更直觀地了解農業種植環境的狀態。

3 系統架構

3.1 數據采集層

數據采集層使用ESP32作為主控芯片，控制該層的數據采集、數據處理以及數據上傳功能。該層采集的數據主要包括空氣溫濕度、光照強度、土壤濕度以及氣體體積分數。其中，溫濕度傳感器用于采集種植環境中的空氣溫度和濕度數據，光敏電阻傳感器則用于采集光照強度數據，氣體傳感器用于采集空氣中氧氣、二氧化碳體積分數，土壤濕度傳感器用于采集土壤濕度。傳感器通過GPIO與主控芯片連接。在實際應用中，應當根據環境來選擇具有良好穩定性與高靈敏度的傳感器，以確保采集數據的精確度。

主控芯片基于Arduino進行軟件設計，包括數據處理程序、網絡連接程序和數據上傳程序。主控芯片在讀取傳感器數據后，需要對數據進行處理，或進行數據修正后暫存在內存中。隨后主控芯片需要通過給定的WiFi名稱及密碼進行網絡連接，并使用特定的客戶端ID、MQTT服務器地址和端口，嘗試建立通信信道，將數據發送至服務器，連接流程如圖2所示。最后，將傳感器采集的數據轉換為JSON格式，并通過MQTT協議上傳到云服務器（上傳到MQTT服務器上的一個特定主題中）。當傳感器數據處在異常范圍時，主控芯片可以自動觸發報警并對設備進行控制，將報警標識關聯至JSON數據中一并上傳。

3.2 網絡傳輸層

網絡傳輸層主要負責將從數據采集層獲取的數據上傳到云端或本地服務器，本系統采用MQTT協議實現這一過程。MQTT協議是一種輕量級的發布/訂閱型消息傳遞協議，系統通過MQTT協議實現AR客戶端層以及數據采集層與服務器之間的通信[10]。網絡傳輸層確保了數據傳輸的可靠性和穩定性，采用TCP/IP協議進行數據傳輸，同時應用了斷點續傳和重連機制來處理網絡異常情況。多級節點和多線程的數據傳輸方式進一步增強了系統的擴展性和處理能力。

MQTT協議基于發布/訂閱模式，由發布者、訂閱者和代理構成。發布者發布消息到特定的主題，訂閱者通過訂閱特定的主題來接收消息，代理負責維護連接并確保消息在主題間的正確傳輸。數據采集層與AR客戶端層需要配置MQTT客戶端使其連接到MQTT服務器，配置通常包括指定服務器的主機名或 IP 地址以及端口號。

本系統采用EMQX（Erlang/Enterprise/Elastic MQTT Broker）作為MQTT消息服務器，EMQX是基于Erlang/OTP 平臺開發的開源物聯網MQTT消息服務器。在進行數據傳輸時，數據采集層通過主控芯片連接至MQTT服務器并訂閱特定主題，建立連接發布數據；AR客戶端以相同的主題進行訂閱，一旦AR客戶端層成功訂閱傳感器主題，它將開始接收數據采集層上傳至MQTT服務器中的傳感器數據。

3.3 AR客戶端層

AR客戶端層主要針對Android平臺開發，程序設計流程如圖3所示。本層需要編寫消息處理邏輯，將接收到的數據進行解析，并將傳感器數據通過AR進行可視化展示。Unity客戶端首先需要通過給定的MQTT配置與服務器建立連接，并給定數據采集層所使用的MQTT主題名稱，以確保客戶端可以訂閱、接收傳感器數據。AR部分采用Vuforia插件開發，訪問Vuforia官網注冊并獲取許可，創建識別對象數據庫，將種植對象綁定的識別對象上傳至數據庫，下載對應的資源包后，導入Unity項目中使用。根據需要設置識別對象的尺寸，輸入圖像的實際物理尺寸，以確保 Vuforia 準確識別目標。本系統使用的識別對象是本地大棚對應的二維碼。最后將程序通過Unity平臺打包成APK 文件，安裝到 Android 手機或AR眼鏡中。

圖4所示為本系統的客戶端界面，通過AR技術，將實時采集的數據以直觀、形象的方式呈現給用戶，種植者可以通過客戶端或佩戴AR眼鏡掃描農田或設備，了解作物的生長狀態、土壤濕度、溫度等。

AR技術與物聯網的結合可以為農業領域的智能決策提供強大支持。系統通過實時展示采集到的氣象信息、土壤質量和作物生長數據等，幫助種植者采取適當的措施來優化決策并提高生產效率。遠程監測也是基于AR技術的農業監測系統的另一個重要應用，對于大規模農場或分布在不同地點的農田來說，遠程訪問農場數據至關重要。本系統對識別物與農田位置的關系并沒有任何限制，無論農民身在何處，都可以使用AR客戶端掃描遠程識別物來查看農田的狀態，從而更好地管理和監控農業生產。

4 結 語

本文設計和開發了一種融合了增強現實和物聯網技術的農業監測系統，將現實世界與虛擬數據相結合，旨在提供一種更為高效、精確且直觀的農業監測和管理工具。通過整合數據采集、網絡傳輸和增強現實技術，為現代農業的可持續性和智能化發展提供了一個嶄新的解決方案。本系統具有廣泛的應用前景，可在智慧農業領域發揮關鍵作用。未來，本研究成果將為農業領域的發展助力，幫助農民更有效地監測和管理農田環境，實現資源的高效利用，進而促進農業發展的可持續性，提高生產效率。基于增強現實和物聯網技術的農業監測系統是農業科技未來發展的主要方向，通過將虛擬世界與實際農田環境相融合，有力推動農業智慧化發展，為農業生產開創更加美好的前景。

參考文獻

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[10]朱敏之. 面向端設備的輕量化實時火焰檢測系統的設計與實現[D].北京：北京郵電大學，2022.

作者簡介：孫鳳霄（1997—），男，碩士，講師，研究方向為深度學習、物聯網技術。

霍敏霞（1983—），女，碩士，副教授，研究方向為物聯網技術。

王 昊（1989—），男，碩士，講師，研究方向為數據挖掘。

段宇翔（2002—），男，研究方向為物聯網技術。