一种双膜双结构新型蔬菜大棚智能远程控制系统设计与实现.pdf

自 动 化 与 仪 表 2022 37 9 一种双膜双结构新型蔬菜大棚智能远程控制系统设计与实现 DOI 10 19557 ki 1001 9944 2022 09 006 周晓磊 1 王振海 1 陈 辉 1 李培帅 2 1 临沂大学 信息科学与工程学院 临沂 276000 2 浙江大学山东 临沂 现代农业研究院 临沂 276000 摘要 为响应国家政策 加强智慧农业建设 合理利用农业资源 降低生产成本 改善生态 环境 来达到提高蔬菜产品和质量的目的 该文对双膜双结构新型蔬菜大棚智能远程控制 系统进行介绍 在传统单膜大棚的基础上引入双膜双结构架构 物联网技术 蔬菜生长模 型 卷积神经网络 convolutional neural network CNN 等技术 在有效减少外界环境对棚 内温度的影响 增强保温性能的同时 实现了大棚智能化控制 植物病虫害智能化检测 智 能化施肥等功能 关键词 智慧农业 双膜双结构大棚 物联网 大数据 图像目标检测 中图分类号 TP193 文献标识码 B 文章编号 1001 9944 2022 09 0025 04 Design and Implementation of a New Type of Intelligent Remote Control System for Vegetable Greenhouses with Double Membranes and Double Structures ZHOU Xiao lei 1 WANG Zhen hai 1 CHEN Hui 1 LI Pei shuai 2 1 School of Information Science and Engineering Linyi University Linyi 276000 China 2 Zhejiang University Shandong Linyi Modern Agricultural Research Institute Linyi 276000 China Abstract In order to respond to national policies strengthen the construction of smart agriculture rationally use agri cultural resources reduce production costs and improve the ecological environment to achieve the purpose of improv ing crop products and quality This paper introduces a new type of intelligent remote control system for vegetable greenhouses with dual mode and dual structure On the basis of traditional single film greenhouses it introduces dual mode dual structure frame Internet of Things IoT technology vegetable growth model and convolutional neural network CNN and other technologies while effectively reducing the impact of the external environment on the temperature in the shed and enhancing the thermal insulation performance it also realizes the functions of intelligent control of the greenhouse intelligent detection of plant diseases and insect pests and intelligent fertilization Key words smart agriculture dual mode dual structure greenhouse Internet of Things IoT big data image object de tection 收稿日期 2022 04 08 修订日期 2022 07 18 基金项目 浙大山东农研院服务地方经济发展项目 ZDNY 2021 FWLY02016 作者简介 周晓磊 1999 男 在读本科生 研究方向为软件开发 物联网技术 王振海 通讯作者 1972 男 博士 教 授 研究方向为知识图谱 计算机视觉 推荐算法 目前国外的大棚基本已经实现智能化管理 通 过物联网技术采集大棚内环境参数 对收集的数据 进行分析实现大棚智能化控制 并拥有相关的智能 化控制系统 而国内大多以传统农业大棚为主 现有 的大棚存在智能控制系统稳定性差 对环境因素调 控不及时 远程控制不稳定等问题 1 双膜双结构新 型蔬菜大棚通过摄像头 传感器和控制器 实时监 测大棚系统中的空气温湿度 土壤湿度 光照强度 控制系统与智能制造 25 Automation Instrumentation 2022 37 9 二氧化碳浓度 氮元素含量等环境信息并上传至云 端 以便于系统根据特定的植物生长模型对棚内的 相关环境参数自动调节 使用摄像头监控大棚内的 蔬菜生长情况 并将获取到的图像利用计算机识 别技术对图像进行病虫害识别检测 分析出病虫害 种类 推送到用户移动端 通过灌溉系统进行定向 定量的智能化施肥灌溉 同时还可以通过远程移动 端对大棚进行自动卷膜 实现了大棚的智能化管理 1 大棚的构造与性能 1 1 双膜双结构大棚构造 双膜双结构大棚具有两层大棚结构 内层大棚 主要包括固定杆 弧形支架 支撑杆 横梁 透光膜 和卷帘机 外层大棚主要包括固定杆 弧形支架 透 光膜 盖外保温被 电动卷帘机 大棚外层弧形支架 与内层弧形支架 两层结构之间有一定的空间 使 内层透光膜与外层透光膜形成了一层不流动的空 气层 2 大棚模型如图 1 所示 1 2 双膜双结构大棚性能 1 2 1 保温性能好 双膜双结构大棚采用内外双层透光膜 地膜和 一层保温被形成三膜一被提高了保温性能 大棚内 外两层膜之间形成的不流动的空气层是热的不良 导体 双膜之间形成的不流动的空气层导热性能 差 使得大棚内的热量不容易散失掉 从而增强了 蔬菜大棚的保温性能 1 2 2 实用性能好 大棚构造科学坚固 内部空间大 操作使用方 便 双膜双结构大棚的宽度和高度增加 使棚内空 间大 便于机械化操作 大棚双结构构造抗御自然 灾害的能力强 卷帘机代替人工揭盖保温被 节省 大量的人力资源 2 硬件技术主要应用 2 1 大棚环境监测系统 大棚中包含摄像头 温湿度传感器 土壤湿度 传感器 土壤 pH 值传感器 光照强度传感器 二氧 化碳浓度传感器等设备 对大棚内部的蔬菜生长状 况 温度 湿度 土壤湿度 土壤 pH 值 光照强度 二 氧化碳浓度进行实时监测并将大棚内环境实时信 息通过树莓派总控系统上传至云端进行数据储存 数据分析 用户通过大棚内液晶监控面板显示或远 程移动端进行实时查看 了解大棚内实时状况 3 2 2 摄像头实时监控系统 大棚内分多个蔬菜种植区域 每一个区域安装 一个监控摄像头 对区域内蔬菜进行实时监控 系 统利用视频推流技术 将获取到的监控录像上传至 云端 并利用上传的蔬菜图像与数据库中的生长模 型相对比 判断并记录当前植物状态 并针对蔬菜 不同的生长状况进行定向施肥 灌溉 同时在大棚 外部安装监控 对大棚外部透光膜 盖外保温被的 状态和开闭程度进行监控 并对电动卷帘机的工作 状况进行实时监控 便于用户对自动卷联机的控制 2 3 灌溉 施肥系统 大棚内使用多个水泵 对大棚内蔬菜种植区域 进行分区域施肥浇灌 大棚内传感器对土壤 pH 值 水含量及肥料含量进行采集 并通过树莓派将采集 的数据发送至后台 通过后台系统数据分析 将蔬 菜种植区域内所需要补充的土壤水含量及肥料含 量发送至大棚内液晶监控面板显示和远程移动端 通过用户指令将所需肥料通过灌溉系统进行定向 定量灌溉施肥 4 2 4 自动卷膜系统 自动卷膜机主要是通过系统控制的电机启动 带动卷膜轴转动 将膜被卷起实现通风窗的启闭 可有效地控制大棚内的温度和湿度 给蔬菜的种植 营造一个良好的生长环境 使蔬菜长势良好 大大 提高了温室大棚种植的经济效益 用户通过系统设 置 在卷膜机开启和关闭的过程中 能实现任意位 置的停止和启动无须任何辅助装置 3 软件技术设计 3 1 采用卷积神经网络对病虫害进行检测 蔬菜图像中含有的特征信息包括叶片的纹理 1 固定杆 2 支撑杆 3 第一弧形支架 4 横梁 5 加固杆 6 连接块 7 第一透光膜 8 第二弧形支架 9 第二透光膜 图 1 双模双结构大棚模型 Fig 1 Dual mode dual structure greenhouse model 2 1 4 5 6 9 7 6 3 5 1 2 4 9 8 控制系统与智能制造 26 自 动 化 与 仪 表 2022 37 9 病害区域的边缘等 卷积神经网络便可以利用图像 中的特征信息对蔬菜图像中的病虫害类型进行分 类 此外 卷积神经网络以其高效的局部结构和优 良的分类性能获得了广泛的关注 其优点是不需要 对输入的图像数据进行预处理 可以减少分类和学 习过程中的额外工作量 5 3 2 采用蔬菜生长模型 采用蔬菜生长模型 通过网络以及实际调研收 集环境变量对蔬菜生长情况 如重量 大小等 的影 响 以环境中的一个因素为自变量 蔬菜生长情况 为因变量建立坐标系做函数图 根据函数图大棚自 动调控大棚内环境 提供蔬菜最合适的生长条件 蔬菜生长模型最重要的意义是对整个作物生 育系统的知识进行综合 并量化生理生态过程及其 相互关系 即综合知识和量化关系 蔬菜模型是利 用计算机强大的信息处理和计算功能 对不同的生 育过程进行系统分析和合成 相当于所研究系统的 最新知识的积累和综合 3 3 开发环境与设计技术 系统页面构建主要采用 uniapp 完成 前端技术 使用 html css javascript 主要以 C C 编程语言进行 编码 主要使用开发工具 hbuilder platformio vscode 通过 MQTT 协议 message queue telemetry transport 消息队列遥测传输协议 进行消息发布 实现移动 端对物理设备的控制 3 4 远程移动端控制 利用移动互联网技术对手机移动端进行控制 移动端控制主要包括 首页显示界面 控制显示界 面 视频显示界面 个人中心 6 1 首页界面显示的各类参数值 为大棚内部 部署的传感器采集到的相应的实时数据 包括大棚 中空气温湿度 土壤湿度 光照信息二氧化碳浓度 和氮元素含量 用户可以实时看到这些数据 并 根据这些数据对大棚内的环境进行调节 如图 2所示 2 控制界面为双膜双结构大棚控制中心 用 于对大棚内的环境进行调节 如图 3 所示 第一部分内层为大棚的内层膜 第二部分外层 为大棚的外层膜 每层膜都可通过手机控制被独立 的打开或闭合 无需人工操作 第三部分是对风扇 的开关操作 打开风扇 实现通风以及降温功能 当 中间区域的参数值达到期待值时 则可进行关闭操 作 第四部分通过加热实现大棚的增温操作 关闭 则停止加热 第五部分是对水泵的开关操作 打开 水泵 实现喷灌操作 可增加空气湿度与土壤湿度 第六部分是对智能施肥的控制开关 打开智能施肥 开关 系统将根据生长模型中参数 实现施肥操作 3 视频界面为双膜双结构大棚视频监控中 心 可实时监控大棚内的情况 并定时拍照上传云 端 便于图像识别病虫害检测 如图 4 所示 4 个人中心为用户登录界面 用户需登录后 才可以进行操作 用户登录分为免密登录 手机号 登录 和账户登录 2 种方式 在登录时系统会对用 户账户密码进行判断 账户密码都正确才能登录 用户可在个人中心修改密码 接收系统推送的信 息 及时向开发者反馈用户使用信息 如图 5 所示 图 2 首页界面 Fig 2 Home page interface 图 3 控制界面 Fig 3 Control interface 图 4 视频界面 Fig 4 Video interface 图 5 个人中心 Fig 5 Personal center 控制系统与智能制造 27 Automation Instrumentation 2022 37 9 4 结语 本文所设计的双膜双结构新型蔬菜大棚智能 远程控制系统实现了大棚保温性能强 远程智能化 控制 智能化施肥精细化培养和病虫害检测等功 能 为蔬菜提供了适宜的生长环境 有利于增加蔬 菜产量 为种植农户带来更多的经济收益 减轻劳 动强度 推动我国自主研发型大棚系统的发展进程 促进传统农业转型向智能化农业迈进 为我国智能 化农业发展跻身世界前列增砖添瓦 参考文献 1 李学辉 刘三荣 张贵显 基于物联网的智慧农业大棚控制系统 的研究 J 微纳电子与智能制造 2020 2 3 16 22 2 吕慎宝 闫丽 曹雪 等 双膜双结构大拱棚黄瓜 芹菜高效栽培 关键技术 J 中国蔬菜 2019 10 103 106 3 李琳杰 赵伟博 齐锴亮 等 基于阿里云的智能大棚远程监控系 统研究 J 自动化与仪表 2021 36 1 28 30 35 4 李艳 周长吉 富建鲁 甘肃日光温室的特色及改进建议 J 中国 蔬菜 2021 10 8 14 5 谢建梅 基于图像处理的农作物病虫害分类算法的研究 J 吉林 农业科技学院学报 2021 30 6 9 13 6 刘正波 基于物联网技术的智慧农业大棚监控系统研究 J 信息 与电脑 理论版 2021 33 11 163 165 null 模型的累积测量信息来融合远端传 感器通过 IMM 滤波器获得的状态估计以及和本地 传感器的累计量测信息 这两个传感器中使用的多个 模型可以相同 也可以不同 在过程中 利用信息去相 关的方法消除传感器之间的相关性 仿真结果表明 本文提出的方法能够显著提高目标跟踪的精度 参考文献 1 范建德 谢维信 一种高效的分布式多传感器多目标跟踪算法 J 信号处理 2021 37 3 390 398 2 何文乐 无迹卡尔曼滤波 Cam Shift 视频监控跟踪算法改进 J 无 线电工程 2021 51 2 97 103 3 蒋友妮 自动驾驶场景下的行人目标跟踪研究 D 重庆 重庆理 工大学 2020 4 吴昊 姜文斌 陆增洁 等 机器人视觉动态目标跟踪的最优方案 研究 J 信息与电脑 2020 32 1 129 130 5 刘代 赵永波 郭敏 等 一种杂波环境下机动目标跟踪算法 J 电子科技大学学报 2020 49 2 213 218 6 杨贵福 刘鲁涛 基于交互式多模型的雷达单目标跟踪算法 J 应用科技 2021 48 4 54 60 7 范小军 刘锋 一种新的机动目标跟踪的多模型算法 J 电子与信 息学报 2007 29 3 532 535 8 尹聚祺 杨震 罗亚中 等 空间机动目标跟踪的改进自适应 IMM 算法 J 系统工程与电子技术 2021 43 12 3658 3666 9 李昊润 卜凡康 周剑雄 修正的马尔科夫转移矩阵自适应 IMM 算法 J 火力与指挥控制 2021 46 9 118 124 132 10 吴会会 两类数据融合算法及其在目标跟踪中的研究 D 西安 西安电子科技大学 2020 11 何友 多传感器信息融合及应用 J 电子学报 2000 12 60 61 12 潘泉 于昕 程咏梅 等 信息融合理论的基本方法与进展 J 控制 理论与应用 2003 29 4 599 615 13 Julier S J Uhlmann J K A non divergent estimation algorithm in the presence of unknown correlations C IEEE American Control Conference 1997 14 何友 关欣 王国宏 多传感器信息融合研究进展与展望 J 宇航 学报 2005 26 4 524 530 15 Bar Shalom B Y Willett P K Tian A X Tracking and data fusion a handbook of algorithms M Bloomfield CT USA YBS Publish ing 2011 null 上接第 12 页 控制系统与智能制造 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null null null null null null null null null null null null null null null null null null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null null null null null null null null null null null null null null null null null 计为 产品应用案例集 正式刊印 近日 由深圳计为自动化技术有限公司组织研发中心 营销中心倾力编写的 产品应用案例集 已正式刊印 该 案例集是一本可供客户随时参考的物位测量专业工具书 填补了业内没有具体应用案例资料可供参考的空白 该案例集内的文章均为计为自动化原创 是计为自动化针对用户不同工况和具体需求 提供可靠物位测量产 品解决测量难题的经验总结 案例集共 146 页 10 万余字 内容涵盖振动式物位开关 磁翻板液位计 超声波液位 计 射频导纳料位开关 阻旋料位开关 浮球液位计等常见物位测量仪表 主要通过应用案例的形式 针对用户物位 测量过程中的难题和痛点 为用户提供不同解决方案 帮助用户实现稳定可靠的物位测量 助力企业安全生产和稳 定运行 接下来 计为自动化将向客户免费寄送 产品应用案例集 供客户随时查阅和参考 希望其能成为客户喜爱的 专业工具和得力助手 使用户在面对复杂工况和不同仪表时不再一筹莫展 帮助客户更好选型 切实解决用户物位 测量难题 来源 深圳计为自动化技术有限公司 28