智慧农业预警及其自动调节系统的设计与实现_王俊博.pdf

软件工程 SOFTWARE ENGINEERING 第 25卷第12期 2022年 12月 Vol 25 No 12 Dec 2022 文章编号 2096 1472 2022 12 54 05 DOI 10 19644 ki issn2096 1472 2022 012 011 智慧农业预警及其自动调节系统的设计与实现 王俊博 1 杜洪波 2 梁振华 1 戴煜仁 1 1 沈阳工业大学软件学院 辽宁 沈阳 110870 2 沈阳工业大学理学院 辽宁 沈阳 110870 745305676 18334353 2066097452 854848114 摘 要 智能温室是结合自动化和物联网等技术研发的 其作用是实现农作物培育阶段的全自动化和防治病虫 害 通过制作小型智能温室模拟真实环境 同时使用控制变量的方法对比有无害虫防治模块下农作物的生长问题 结果 显示 经过害虫防治的农作物产量和质量均优于无害虫防治的农作物 通过多次研究与模拟实验发现 在智能温室培育 的农作物相较于传统温室 农作物的败坏率降低 相同面积内的农作物更多 农作物的产量和质量也得到提高 关键词 物联网 智慧农业 智能温室大棚 控制系统 中图分类号 TP391 文献标识码 A Design and Implementation of Intelligent Agriculture Early Warning and Automatic Regulation System WANG Junbo 1 DU Hongbo 2 LIANG Zhenhua 1 DAI Yuren 1 1 Software College Shenyang University of Technology Shenyang 110870 China 2 College of Science Shenyang University of Technology Shenyang 110870 China 745305676 18334353 2066097452 854848114 Abstract Intelligent greenhouse is developed by combining automation Internet of Things and other technologies Its role is to achieve full automation in the crop cultivation stage and to prevent and control diseases and pests This paper proposes to make a small intelligent greenhouse to simulate the real environment and use the method of controlling variables to compare the growth of agricultural products with and without pest control modules Results show that the yield and quality of crops after pest control are better than those without pest control Through many studies and simulation experiments it is found that compared with traditional greenhouses the crops cultivated in intelligent greenhouses have lower deterioration rate more crops in the same farming area and the yield and quality of crops have also been improved Keywords Internet of Things intelligent agriculture intelligent greenhouse control system 1 引言 Introduction 三农 工作是全面建设社会主义现代化国家的重中 之重 目前 我国的粮食产量问题已经得到基本解决 但是 随着人们对食物的要求越来越高 提高农作物质量的任务变 得愈加艰巨 现阶段 导致农作物质量下降的原因主要有两 个 一是人工培育无法精准地调动外部环境因素 如水 光和 环境温度等 二是害虫对于农作物的侵害 所以 需要将物 联网技术应用在温室大棚中 使农作物在适宜的环境中茁壮 生长 从而提升产量和品质 实现更高的经济效益 1 为了保证接收数据的精准性 采用ZigBee技术进行大容 量组网 远程控制大棚内部农业设施 最终完成设施对于农 作物生产条件的感知 判断与即时处理 2 长期喷洒农药会导 致土壤板结 使农作物生长受到影响 所以需要结合应用智 能监测与大数据技术 实现对病虫害类型的自动识别 并给 基金项目 辽宁省教育厅高等学校基本科研项目 LJKZ0157 沈阳工业大学2022年大学生创新创业训练计划省级立项 S202210142007 第 25卷第12期 55王俊博等 智慧农业预警及其自动调节系统的设计与实现 出相应的防治措施 3 该研究从环境调节和外在保护两方面锁 定了农作物的生长趋势 让本产品使用更为合理 2 智慧农业物联网概念 Internet of Things concept of the intelligent agriculture 智慧农业是农业生产的高级阶段 是集新兴的互联网 移动互联网 云计算和物联网技术为一体 依托部署在农业 生产现场的各种传感节点 环境温湿度 土壤水分 二氧化 碳 图像等 和无线通信网络实现农业生产环境的智能感知 智能预警 智能决策 智能分析 专家在线指导 为农业生 产提供精准化种植 可视化管理 智能化决策 其中 物联 网技术在智慧农业的应用较为广泛 具体体现在智慧农业通 过应用基于物联网的先进技术和解决方案 实时收集并分析 现场数据供生产决策的方式 达到提升运营效率 扩大收 益 降低损耗的目的 近年来 精准农业 智能灌溉 智能 温室等多种基于物联网的应用都已获得初步成效 在智能温 室应用场景 目前可以实现精准度较高的设备自动化管理 例如对农作物进行自动补水 补光及提供相关环境状况预警 及自动调节大棚内环境等功能 3 智慧农业预警及其自动调节系统需求分析 Demand analysis of intelligent agricultural early warning and its automatic adjustment system 智能温室预警及其自动调节系统是实现自动化农业管理 的重要平台 其能够保证资源的合理分配 在农作物种植培 育的过程中受外部环境变量 例如光照度 水分状态及温室内 透气情况 带来的影响较大 而人工和部分自动化培育方式不 能应时地关注农作物的生长情况 那么 智能温室具有的提 前预警及相应的自动处理功能保证农作物一直处在理想的生 长环境中 目前 一套较为完善的智能温室系统通常包括数 据采集 数据传输 数据自动化处理及智能控制等功能 本 研究的具体功能如图1所示 4 图1 智能温室功能实现流程 Fig 1 Function realization process of intelligent greenhouse 数据采集功能主要包含对农作物生长环境变量信息的采 集 例如土壤温度和湿度 光照度 害虫出现频率等 利用 无线传输功能将采集到的数据传输到云平台 便于人工的监 测 同时工作人员也可以操控云平台对温室内部具体模块发 出指令 即人为可干预农作物培育 使农作物处于适宜的生 长环境中 5 数据处理是将平台数据按时间顺序进行整理及归 纳等 例如工作人员可以在平台实时观测病虫害发生频率 智能控制指的是系统在设计之初 设计人员在各个传感器模 块中设定适宜的农作物生长阈值 传感器接收数据并判断目 前的生长环境是否符合阈值参数 然后进行下一步的自动化 处理 即智能灌溉 智能补光 害虫及温控预警等 上述操 作人工亦可加以干预 6 4 智慧农业预警及其自动调节系统主要功能介绍 Introduction to the main functions of intelligent agricultural early warning and its automatic adjustment system 1 自动监测功能 自动监测功能可以实现全天不间断监 测 依托传感器自动获取农业种植的土壤温度 湿度 二氧 化碳浓度等实时数据 通过通信模块远程传输到云平台 云 平台将数据上传到数据库中 用户可通过云平台 微信小程 序客户端实时查看数据 以及对历史数据做对比和分析 2 视频监控功能 系统通过摄像头可以对大棚进行全景 实时监控 用户可以在云平台实时观看或回放远程视频 用 户通过摄像头可以观看农作物生长及设备运行情况 同时基 于计算机视觉技术实时检测目标叶片遭受病虫害的面积 通 过分析后判断是否需要进行农药喷洒防治病虫害 还能通过 小程序报警 第一时间通知用户种植情况 进而帮助用户更 好的管理农作物 减少损失 提高产量 3 智能控制功能 系统会根据当前实时监测的环境数据 和系统内设置数据进行比对分析 当监测数据不在设置数据 范围内时 系统会控制大棚补光 补水 通风等设备自动化 运行 让农作物处于最适宜的生长环境 同时系统会将设备 的自启动日志提交到云平台上 方便用户查看 4 预警报警功能 当监测环境数据超过用户设置环境参 数范围时 系统会通过蜂鸣器 云平台 微信小程序等方式 报警通知用户 让用户第一时间了解环境情况 用户通过报 警信息可采取相应措施 减少不必要的损失 当监测数据处 于系统内设置数据区间时 会停止报警信息的发送 5 智慧农业预警及其自动调节系统的设计 Design of intelligent agricultural early warning and its automatic adjustment system 5 1 系统总体架构 基于物联网的智能农业大棚系统框架图如图2所示 主要 构成部分有无线传感器采集数据模块 网关与上位机智能监 测中心 图2 基于物联网的智能农业大棚系统框架图 Fig 2 Framework of intelligent agricultural greenhouse system based on Internet of Things 传感器通过对农田环境的感知 将收集到的数据汇总 给主机 并将数据通过Arduino连接的发射端转发至云平台 和小程序端 如果温室大棚规模较大 传感器的数量会相对 较多 可以在传感器中间安装缓冲数据节点 将各部分数据 先进行分析处理 传感器通过ZigBee无线网上协议与终端进 行互通作业 服务管理平台对传输过来的数据进行精准的分 析后 再根据大棚系统之前设定的最优阈值数进行分析与对 比 最后得出结果 系统就会进行智能识别和操作 7 5 2 软件设计 5 2 1 系统设计 平台采用B S的模式结构 考虑到设备网络环境问题 平台采用报文较短的MQTT协议进行数据的交互 MQTT消 息队列作为中间件与设备进行数据通信交互 增加心跳等机 制 对设备的意外下线能够及时处理 云平台服务端如图3所示 使用JAVA语言完成 相较于 其他语言 其开发速度快 系统性能好 云平台客户端分为 两个终端 用户可以在浏览器上使用云平台监控和查看系统 的每个模块 页面操作简洁易懂 方便用户使用 图3 智慧农业云平台端 Fig 3 Cloud platform of intelligent agriculture 手机客户端如图4所示 采用微信小程序云开发 使用 VUE渐进式框架实现小程序开发 通过MQTT接口实现拟实 体与服务的双向通信 实时监控大棚内生产数据 完成指令 传递 数据收发 消息同步等功能 通过控制过程实现对设 备的操作 小程序云开发操作简单 维护量小 图4 智慧农业微信小程序端 Fig 4 WeChat applet of intelligent agriculture 5 2 2 数据库系统设计 系统通过MySQL数据库存储智慧大棚内的生产环境 操 作等信息 然后在数据库中创建多个表 用于存储大棚内数 据和关键设备启动日志 使用NGINX转发摄像头ONVIF协议 数据流 可以实现大棚内视频的实时观看 5 3 硬件设计 采用Arduino单片机为内核 搭配各种传感器和操作模块 实现对应的功能 传感器模块 由于需要对大棚内的环境变化数据进行监 测 所以研究人员设计了自动化补光和控温及补水模块 采 用光学传感器和温 湿度传感器 获取光照温度和环境湿度 信息 通过数据传输模块将这些信息上传到云端数据库 并 根据后台记录的农作物生长数据指定对应的操作模块进行对 应操作 降低了管理成本 数据传输模块 传输模块采用NB lot模组BC20物联网通 信模块 通过手机端小程序及时为管理人员提供实时农作物 的生长数据 并根据农业管理者的要求对大棚内的响应模块 进行调控 自动化模块 自动化模块采用自行设计的机械装置 根 据传感器指令执行相关操作 二氧化碳及氧气补充装置外接 二氧化碳和氧气补充瓶 通过单片机下达指令控制开合阀门 进行调控 补光装置外接光源设备 由单片机内核控制光源 的开关及调节光照强度 自动补水装置同理 图像识别模块 通过安装摄像头对农田中的生物进行外 56 软件工程 2022年 12月 观捕获并对比数据库中的生物样本 定点识别对农作物不利 的生物 通过单片机下达指令进行消灭并上传数据至云端数 据库 云端数据库进行分析并储存数据以便于管理者能清晰 地了解农作物的生长环境变化 通过摄像头也可以及时发现 非法进入者 实时监控实时报警 避免遭受不必要的损失 5 4 系统软件实现 系统服务器操作系统采用Linux Ubuntu 18 04 数据库 采用云数据库MySQL 8 0 使用Vue框架搭配使用Element UI 对云平台客户端进行开发 使用Vue框架开发微信小程序 5 4 1 数据交互实现 系统采用NB IoT的BC20模块用于双向通信 将模块设 置为PSM模式 当串口中断触发时 即可接收监测节点采集 的温度 湿度 PH值等信息 模块与服务器建立链接后 模 块即可发送数据到服务器 移动端使用MQTT协议发布信息 与监听topic接收消息 移动端连接服务器主要代码如下 onShow var that this that client connect mqttUrl that client on connect function console log 成功链接mqtt that client subscribe mysmarthome pub function err if err console log 成功订阅上行数据Topic that client on message function topic message console log topic let dataFromDev dataFromDev JSON parse message console log dataFromDev that Temp dataFromDev Temp that Hum dataFromDev Hum that Light dataFromDev Light that Led dataFromDev Led that Beep dataFromDev Beep that PH dataFromDev PH that Co2 dataFromDev Co2 5 4 2 系统报警功能实现 当移动端接收监测数据超过用户设置环境参数范围时 系统开启蜂鸣器并且向小程序端进行报警通知 能够让用户 及时采取措施 减少损失 报警主要代码如下 onBeepChange event var that this console log event mp detail let sw event mp detail value if sw that client publish mysmarthome sub BEEP SW 1 else that client publish mysmarthome sub BEEP SW 0 touser OPENID template id TEMPLATE ID page index form id FORMID data keyword1 value keyword2 value emphasis keyword keyword1 DATA 5 4 3 害虫图像检测 采用GrabCut算法去除前景与背景相似时的背景 图片 加载后 害虫会被包围在一个矩形框内 框外的图像则被去 除 最终对于害虫进行标记 再利用下式高斯混合模型对前 景和背景进行模拟并进行新的像素分布生成 8 第 25卷第12期 57王俊博等 智慧农业预警及其自动调节系统的设计与实现 58 软件工程 2022年 12月 5 5 系统硬件实现 本系统采用的是多种传感器 温度传感器 湿度传感器 光照度传感器等 监测并自动化调节的方式管理温室大棚 主 要连结点是将Arduino平台搭载多种传感器进行预警及自动补 水 补光等操作 并最终上传数据到云平台 完成云平台与 移动端之间的交互 形成可视化界面 本系统使用了温度 湿度 光照度等传感器 因此相关 代码的设计需要整合 传感器主要应用代码如下 温湿度传感器主要代码如下 void loop int val int dat unsigned char i j val analogRead 0 vall analogRead potpin Serial println vall Serial print DHT humidity 1 Serial print t Serial println DHT temperature 1 lcd setCursor 0 0 lcd print DHT temperature lcd print DHT humidity if vall 4 analogWrite ledpin 200 网络连接服务器主要代码如下 void updateTemp String temph String te String str at cipst tcp str IP str 80 sendDebug str delay 2000 if Serial find Error monitor print Error return str GET Serial print t cipsnd Serial println str length if Serial find monitor print monitor print str Serial print str boolean connect4G delay 2000 String str at cwjap str SSID str str PASS str sendDebug str delay 5000 6 结论 Conclusion 为了顺应农业信息化 产业化发展 开发了基于物联 网技术的农业大棚管理装置 实现了远程对农作物的自动化 管理 以及诸如土壤温度 湿度和当地气象数据等信息的采 集 此外对自动化技术进行了优化和升级 能实时对农作物 当前的生长状况进行判断并进行自动化精确处理 此外 增 加的虫害管制系统也能对农作物生长期间易滋生的害虫进行 及时的上报和处理 保证农作物的安全生产 参考文献 References 1 王宣智 基于物联网技术的智慧温室大棚蔬菜种植技术应用 探析 J 农业工程技术 2021 41 36 55 56 2 刘元刚 熊刚 面向设施农业的ZigBee技术在大棚自动化监控 系统中的应用与实现 J 热带农业科学 2020 12 97 102 3 崔发开 物联网技术在农业病害虫监测方面的应用 J 农业工 程技术 2022 42 18 28 29 4 熊刚 胡启迪 马安良 等 基于异构网络的智慧农业环境信息 监测系统设计与实现 J 热带农业科学 2022 03 100 104 5 宋俊慷 黄秀梅 杨秀增 物联网开放平台在智慧农业监测系 统中的应用 J 农村经济与科技 2020 18 89 91 6 付少华 兰壬庚 李伟 等 智慧农业灌溉系统的设计与实现 J 节水灌溉 2022 02 71 74 下转第49页 参考文献 References 1 田宇 基于机器人操作系统的智能移动小车目标识别研究 J 软件工程 2021 24 08 11 15 2 沈念伟 于大泳 基于多信息融合的轮式机器人定位算法研 究 J 软件工程 2022 25 09 13 17 3 游有鹏 张宇 李成刚 面向直接示教的机器人零力控制 J 机 械工程学报 2014 50 3 10 17 4 杜亮 六自由度工业机器人定位误差参数辨识及补偿方法的 研究 D 广州 华南理工大学 2016 5 殷凤健 梁庆华 程旭 等 基于时间最优的机械臂关节空间轨 迹规划算法 J 机械设计与研究 2017 33 05 12 15 6 李小为 胡立坤 王琥 速度约束下PSO的六自由度机械臂时 间最优轨迹规划 J 智能系统学报 2015 10 3 393 398 7 王学琨 李刚 周东凯 等 基于DE的时间最优6 DOF机械臂 轨迹规划算法 J 计算机仿真 2015 32 8 332 337 8 王川 金晓怡 陈志鹏 等 6 DOF抛光工业机器人关节空间轨 迹规划研究 J 机械设计与制造 2020 11 271 274 9 钱文学 宋帅 李昊 等 基于混合样条曲线的换刀机器人换 刀轨迹规划研究 J 东北大学学报 自然科学版 2021 42 10 1427 1434 10 肖建新 张辉 李炳燃 等 基于改进圆弧转接的直线段连续过 渡算法 J 计算机集成制造系统 2019 25 09 2248 2255 11 EVGEBIEVICH I S TATIANA Z TATIANA V et al Mathematical modeling of the dynamics of 3 DOF robot manipulator with software control J Procedia Computer Science 2020 178 7 311 319 12 王涛 陈立 郭振武 等 基于圆弧转接和跨段前瞻的拾放操作 轨迹规划 J 计算机集成制造系统 2019 25 10 2648 2654 13 李鹏浩 七自由度冗余空间机械臂多目标轨迹规划研究 D 哈尔滨 哈尔滨工业大学 2018 作者简介 陈登钱 1995 男 硕士生 研究领域 智能路径规划 孔维宾 1982 男 博士 副教授 研究领域 电子信息 智 能算法 王德智 1987 男 本科 工程师 研究领域 控制系统 机 器人 孔祥晔 1998 男 硕士生 研究领域 智能控制系统 信号 检测 平 欣 1996 男 硕士生 研究领域 系统与自动控制 7 马佳力 谢娅娅 基于物联网的智慧农业大棚系统的研究与实 现 J 信息通信 2019 01 134 135 8 LI Y WANG H DANG L M et al Crop pest recognition in natural scenes using convolutional neural networks J Computers and Electronics in Agriculture 2020 169 105174 作者简介 王俊博 2001 男 本科生 研究领域 智能物联 杜洪波 1977 男 硕士 副教授 研究领域 数据挖掘与机 器学习 梁振华 2002 男 本科生 研究领域 智能物联 戴煜仁 2002 男 本科生 研究领域 智能物联 上接第58页 上接第62页 2 党向盈 巩敦卫 姚香娟 基于统计分析的弱变异测试可执行 路径生成 J 计算机学报 2016 39 11 2355 2370 3 NGUYEN Q V MADEYSKI L Addressing mutation testing problems by applying multi objective optimization algorithms and higher order mutation J Intelligent and Fuzzy Systems 2017 32 2 1173 1182 4 SAXENA A PRASAD M GUPTA A A review of clustering techniques and developments J Neurocomputing 2017 267 6 664 681 5 PAPADAKIS M MALEVRIS N Automatically performing weak mutation with the aid of symbolic execution concolic testing and search based testing J Software Quality 2011 19 4 691 723 6 DANG X Y GONG D W YAO X J Enhancement of mutation testing via fuzzy clustering and multi population genetic algorithm J IEEE Transactions on Software Engineering 2022 23 4 2426 2463 7 NISHTHA J BHARTI S SHWETA R Systematic literature review on search based mutation testing J E Informatica Software Engineering 2017 11 1 61 78 8 AICHERNIG B K TAPPLER M Efficient active automata learning via mutation testing J Automated Reasoning 2019 63 4 1103 1134 作者简介 党向盈 1978 女 博士 副教授 研究领域 软件测试 进 化算法应用 李金凤 1980 女 硕士 实验师 研究领域 计算机应用 软件开发 第 25卷第12期 49陈登钱等 面向三自由度平面关节机器人的 S 形轨迹规划算法研究