基于大數據技術的智慧園林人工智能管理系統設計

徐一斐

（湖南環境生物職業技術學院，湖南 衡陽 421005）

城市化進程加快了園林綠化的發展，但在實際建設中，由于缺少認識、信息化應用不足，導致園林綠化建設無法緊跟城市發展步伐，因此出現了一些問題。傳統園林管理多是以紙媒為載體，這種方式存在時效差、精度低等問題。同時，管理人員發生變動也會產生斷層現象，缺乏系統性管理。大數據技術具有傳播速度快、數據類型多樣等特點，將其應用于園林管理中能夠顯著提升管理效率[1]。同時大數據技術也為智慧園林提供了更多技術支持，包括傳輸、存儲及處理數據等功能。因此該文設計出一種基于大數據技術的智慧園林人工智能管理系統，通過加強系統間的交互性，進一步提升系統對各類信息的管理能力，從而實現智慧園林管理的可持續發展。

1 整體架構

系統采用基于物聯網三層架構的感知層、傳輸層和管理層，各層分別對應數據收集端、數據傳輸端以及遠程監控端（如圖1所示）。其中，數據收集端包括溫濕度（Sentasy）、土壤濕度（RTTPP）和煙霧濃度（Lorawan）等模塊，主要負責收集各類環境數據，并將數據傳遞給PIC18單片機。數據傳輸端由Blynk平臺和XTIOT模塊構成，XTIOT模塊與Blynk平臺進行通信，并與PIC18連接，實現數據傳輸端與數據收集端的交互。遠程監控端的功能由移動設備實現，數據通過Blynk平臺轉發到移動設備，進行可視化監控[2]。

圖1 系統整體架構

2 硬件設計

系統硬件由控制器、傳感器、顯示器及通信器組成。其中，控制器負責為系統持續供電；傳感器負責檢測溫濕度、煙霧濃度和土壤濕度等環境參數；顯示器用以顯示環境參數的數值與模式；通信器則將傳感器收集的數據與Blynk平臺進行交互。

2.1 控制器

系統選用PIC18單片機作為主控制器，該單片機適用溫度為-30℃～70℃，性能穩定，適用范圍較廣。控制單元是PIC18的指揮控制中心，由指令寄存器、指令譯碼器和操作控制器等構成[3]，根據預先編好的程序，從存儲器中依次取出各條指令，放在指令寄存器中。先通過指令譯碼確定應執行何種操作，再根據確定時序，通過操作控制器向相應部件發出微操作控制信號[4]。操作控制器主要包括節拍脈沖發生器、控制矩陣、時鐘脈沖發生器、復位電路和啟停電路等控制邏輯。其設計思路如下：與電阻（R1、R2）、電容器（C1、C2、C3）串聯后進行供電，寫好程序后逐一進入單片機經各管腳運行。如果程序經PA0到PA19，輸入高電平并開啟LED，就可運行計算過程（如圖2所示）。

圖2 PIC18核心系統電路

2.2 傳感器

傳感器包括溫濕度、煙霧濃度及土壤濕度等模塊。傳感器的技術流程如下：1）感受信號。傳感器通過特定的物理、化學或生物機制，感受溫濕度、煙霧濃度及土壤濕度等信號，并將其轉換成電信號。2）處理信號。傳感器將感受到的電信號進行放大、濾波以及數字化等特定處理，便于后續數據分析。3）數據傳輸。傳感器將處理后的信號通過無線方式傳輸到控制器并進行處理。4）數據分析。接收到傳感器傳來的數據后，控制器對數據進行識別、分類和預測等操作，從而得出決策。5）應用反饋。根據數據分析結果，控制器向執行元件發送指令，控制執行元件完成開關、調節等操作，從而對環境進行控制和監測。

溫濕度模塊選用Sentasy，采用數字集成感器為探頭，配以數字化處理電路。Sentasy的功能由內部測溫濕元件實現。當溫濕度發生改變時，溫濕敏電容的介電常數會發生變化，其電容量也會發生變化，線性膨脹便可進行傳遞，從而將環境中的溫濕度轉換成與之對應的標準模擬信號。

煙霧濃度檢測選用Lorawan，如圖3（a）所示，其設計思路如下：收集模擬量輸出，選用AO模擬電壓輸出端，將管腳4與PA5相連，DO管腳則做懸空處理。鑒于氣敏材料的特殊性，當煙霧濃度增大時，電導率會相應上升，輸出電阻值也會變小，從而使輸出的模擬信號增強，Lorawan則通過轉換模數完成數據收集。土壤濕度檢測選用RTTPP，如圖3（b）所示，其設計思路如下：標定濕度選用AO模擬電壓輸出端，將管腳4與PA4相連，DO管腳懸空。輸入模擬量后進行模數轉換，并利用算法得出土壤濕度。當土壤濕度增大時，電阻值會相應變小[5]。

圖3 Lorawan與RTTPP的電路設計

2.3 顯示器

前端一體化與監控網絡化是視頻顯示的發展方向。系統顯示器選用P2.5LED。P2.5LED提供了轉換及流化音視頻的解決方案，包括先進的編解碼庫Libavcodec，可實時查看監控畫面。P2.5LED用來顯示各類數據參數及手動/自動模式的不同狀態，具有基于HTTP的流媒體網絡傳輸協議，通過外設接口驅動LED，各管腳分別連接PA12、PA8和PA6，具體設計思路如下：將網絡攝像頭的Rtsp視頻流轉換成Rmtp視頻流，并推送到服務器。HLS協議負責將所有流分成基于HTTP的文件并下載。開始流媒體會話時，客戶端會下載包括元數據的M3U文件，用于尋找可用的媒體流，最后推送可供移動端播放的視頻流。

2.4 通信器

通信器在遠程監控端與數據傳輸端交互中發揮了重要作用。系統采用大數據傳輸技術的XTIOT模塊與Blynk開源物聯網平臺進行通信，成本低且性能穩定。XTIOT可通過Attention指令快速上手，并且支持發放－觸發模式與無線接入點模式共存。在工作中，通信器將PIC18發來的數字基帶信號通過數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）構成的調制模塊進行功率放大，然后經過發送與接收隔離器，由通信模塊傳輸發送。接收時，感應信號經放大程控與轉換電平后，由DSP控制其芯片進行采樣，經數字處理后解調，解調后的數字信號通過XTIOT發送給Blynk開源物聯網平臺。

3 軟件設計

3.1 終端程序

PIC18使用總線獲取Sentasy與Lorawan的模擬量，通過相應算法得出土壤濕度與煙霧濃度。通過連接串口進行PIC18與XTIOT的通信，然后將環境數據上傳至Blynk上，進行可視化展示。此外，還可在移動設備界面下發部分控制命令，例如系統模式設置及水泵運行等。1）啟動后初始化系統，例如顯示器、sentasy和Lorawan等的初始化。2）選擇自動或手動模式，通信模塊讀取參數后更新顯示器。3）連接云端。如果連接成功，就將PIC18收集的數據通過XTIOT發送至Blynk，每隔5s一次。4）在手動模式下，可下達水泵開啟（閉合）命令，執行具體操作。在自動模式下，系統根據土壤濕度情況進行自主調整，當濕度低于30%RH時，開啟水泵澆水，當濕度高于40%時，閉合水泵。5）調整后對各類信息進行處理與反饋（如圖4所示）。

圖4 終端程序設計

3.2 溫濕度設計

拉高管腳2，完成后進行復位工作，設置Sentasy的I/O端口為輸出，拉低至少15ms，再繼續拉高30μs左右。在此期間應將I/O口轉為輸入模式，進行低電平傳輸。如果檢測到低電平，就表示Sentasy存在。2）檢測到Sentasy后，應編寫Sentasy_Read（）來讀取字節，即檢測到低電平后延時20μs仍高，則讀取一位數據。Sentasy一次完整傳輸數據為40bit，格式主要包括濕度整數、溫度整數、小數數據及校驗總和，各部分均按照10bit傳輸。當傳輸正確時，校驗結果等于所有之和，此時應保留整數，將其作為所測溫濕度值[6]。

3.3 土壤濕度與煙霧設計

初始化AO端口，配置管腳4與管腳5為輸入，然后初始化PA4與PA5，設RTTPP的通道為PA4，Lorawan的通道為PA5，使系統轉換啟動功能。待轉換完成后，往復獲取多次轉換結果，即獲取多次收集的數據，并取均值，從而使結果更可靠。由于PIC18是12位，因此測出值的取值應為0～100。此外，因為獲取值與所需值相反，所以還需要用100減去所得值。

3.4 顯示設計

初始化顯示功能，設置通道PA6、PA12、PA13為推挽輸出，復位驅動釋放顯存后顯示。設置命令口地址，判斷讀狀態后寫命令寄存。待初始化結束，設置數據口地址，判斷讀狀態是否為“忙”。如果是“忙”便寫顯示數據，寫入取模軟件取出的數據。

4 系統測試

為進一步實現系統的交互性與高效性，該文對系統功能進行測試，以驗證系統的運行效率。

4.1 實時監測

當系統連接后開始初始化，顯示器顯示溫度為27℃，相對濕度為32%RH，土壤濕度為60%RH。Sentasy與RTTPP功能均可正常運行，能夠獲取當前環境數據。然后測試煙霧報警，煙霧濃度顯示為1000×10-6，蜂鳴器報警，濃度降至低于750×10-6時會停止報警。由測試可知，系統基本實現了溫度、土壤濕度以及煙霧濃度的實時監測功能。

4.2 自動化

將Sentasy傳感器模塊浸于水中，顯示器顯示土壤濕度為50%RH。將Sentasy拿出水面后，土壤濕度降為0，水泵開始工作。再將Sentasy放于水中，此時土壤濕度顯示為60%RH，水泵停止工作。由測試可知，系統能夠實現智能灌溉，可基本滿足自動化工作需求。

4.3 遠程通信

連接移動設備與XTIOT，設置名稱與密碼，與代碼保持一致，打開移動設備，接收到的來自XTIOT的數據會顯示在屏幕上。將接收數據與顯示數據進行對比，可知系統遠程通信正常。在移動設備上將自動切換為手動，屏幕顯示模式轉換一致。在手動模式下，通過移動設備控制水泵，水泵執行相應操作。由測試可知，系統實現了XTIOT遠程通信功能。

測試后可知，系統可成功收集溫濕度與煙霧濃度數據，并在屏幕上顯示當前信息，同時還可將數據發送至Blynk平臺。出現異常時，可及時自動控制水泵澆水，確保濕度在合理范圍內。

5 結語

綜上所述，為提升園林管理效率，加快園林管理智能化與信息化進程，該文設計了一種基于大數據技術的智慧園林人工智能管理系統。該系統可對植物生長所需環境溫濕度、土壤濕度及煙霧濃度等信息進行智能化收集與傳輸，并結合Blynk開源物聯網平臺與遠程傳輸技術，實現無人值守，使用戶可不受時空限制訪問系統觀測數據。測試表明，該系統操作便捷，檢測效果良好，可節約部分人力。后續研究可拓展至智慧農業管理、智慧林業管理等其他領域，從而促進社會生態的可持續發展。