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基于NB-IoT的智能農業輔助控制系統

作者:賀敏娜 ,王新懷,徐茵,王煥,王晗宇時間:2019-08-28來源:電子產品世界收藏

  賀敏娜,王新懷,徐?茵,王?煥,王晗宇(西安電子科技大學,陜西?西安?710126)

本文引用地址:http://www.sncsn.tw/article/201908/404232.htm

  摘?要:設計了以單片機為核心、基于、PID控制和阿里云服務器等技術的智能農業輔助控制系統。設計中系統可實時監測大棚內作物的生長狀況,并自動對溫濕度等環境因素作出相應調整,將分布式傳感器在不同節點采集到的作物生長狀況及生長環境等數據發送到數據采集中心,自動進行初步分析后上傳至服務器,用戶可通過網頁或手機客戶端遠程了解作物生長狀況、控制環境參數及設備運行。由于系統成本低廉,有著廣闊的應用場景,可在農業基地大棚、家庭植物護理等場景布置應用,適應

  關鍵詞:

  注:本文受中央高校科研業務費項目(項目編號20101195625)支持;本項目獲得了2018年陜西省互聯網+大賽銅獎

  0 引言

  長期以來,中國農業發展較為落后,科學技術對農業生產的貢獻率較低。隨著物聯網技術的發展,農業智能化時代逐步到來。筆者經過對陜西省蒲城縣等農業基地的多次實地考察,發現存在著農業自動化程度低、無法遠程監控、增產因素難以把控等問題,因此對大棚內作物的生長狀況進行實時監控十分必要。本系統以分布式傳感器節點、數據鏈、云端服務器為關鍵組分,設計了具有遠端監控作物生長狀態,調節環境參數等功能的智能農業輔助控制系統。

  1 系統設計

  本系統整體可分為4部分:第1部分是以單片機(MCU)和NB-IoT模塊為核心的節點主體;第2部分是以透傳云、服務器為核心的遠程分析及數據傳輸系統;第3部分是包括DHT11溫濕度傳感器、CCS811二氧化碳傳感器、BH1750光照度傳感器等定制化外置傳感器和繼電器、電磁閥等控制器;第4部分是樹莓派微型電腦和NB-IoT模塊節點以及攝像頭等數據量較大的傳感器。樹莓派上可讀取攝像頭拍攝畫面,運行本地分析程序,將分析結果通過NB-IoT上傳至透傳云。整體系統框架圖見圖1。

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  通過引入,使用動態閾值離散化和(全卷積神經網絡)等語義分割技術對棚區木耳的長勢進行動態追蹤,有效解決了當前采摘效率較低的問題。將傳感器和中心節點模塊化,用戶也可通過選裝相關配件、傳感器來選擇相關服務。通過對農作物生長狀況歷史記錄分析,系統可半監督學習作物生長全過程的最優環境參數,對整個生長周期有更全面的了解和調整,從而有效實時地監測大棚內作物的生長狀況,并自動作出相應調整,真正實現智能農業生產。

  1.1 系統控制算法

  系統在安裝后,節點向服務器進行注冊,發送安裝的傳感器和控制器的種類和個數。接著初始化用戶界面,顯示各個傳感器和控制器的狀態,儲存各傳感器的歷史數據表格,以供用戶在圖形化界面上選擇自動控制的流程和條件。服務器根據各節點的運算能力及接入的傳感器和控制器,將每個控制流程平均分布加載到各節點。最后對NB-IoT兩次喚醒之間的休眠間隔進行配置,并使之實現同步喚醒。當NB-IoT休眠時,不進行通訊,各節點和服務器獨立運行。需要發送的數據自動存入緩沖區,等待NB-IoT喚醒后再進行發送。設定控制算法流程示意圖見圖2。

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  1.2 系統工作過程

  節點將接收到的傳感器數據輸入到控制中進行計算,得出控制指令,并將得出的控制指令存入緩沖區等待發送。再讀取各個傳感器,將數據儲存至緩沖區等待上傳。若數據超過報警上下限則強制喚醒NB-IoT,向服務器發送報警信息;反之則進入低功耗模式,等待NB-IoT模塊定時喚醒,以減小功耗。

  服務器通過分析歷史數據,結合基地中心上傳的長勢數據,得出目前狀態的種植方案,更新控制過程的各個參數。待節點的NB-IoT喚醒后,各節點向服務器上傳最新傳感器數據,在服務器上更新控制參數,進而向其他節點發送控制指令(或接收其他節點發來的控制指令)。從其他節點接收本節點內控制算法所需要的數據。最后結束一次工作循環,使NB-IoT休眠。

  2 系統功能實現

  2.1 硬件部分

  2.1.1 節點探針模塊

  采用STM32F103C8T6作為微控制器(MCU),其功能強大且價格低廉。將每塊單片機封裝成一個監測“探針”,置于大棚中的監測點處,實現對大棚內的空氣溫濕度、光照強度和二氧化碳濃度的實時記錄,并將數據上傳至上位機,以便農業工作人員依據實地情況及時作出處理。

  2.1.2 溫濕度檢測模塊

  溫濕度測量采用數字傳感器DHT11,該傳感器依靠單總線協議與MCU(單片機)進行通信。在未接收主機發送的開始信號時,傳感器處于超低能耗狀態,盡可能地節省消耗。同時它應用了專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術,可確保高的測量可靠性與長期穩定性。DHT11單總線協議時序圖見圖3。

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  2.1.3 光照強度檢測模塊

  光照強度測量采用數字型光強度傳感器BH1750,它具有較高的分辨率,利用它可探測到變化范圍在1~65535 lx內的光強數據。傳感器有6種分辨率模式可供選擇,基于對實際情況的分析,采用了連續H分辨率模式,該模式工作在11 lx分辨率下,一次測量時長約為120 ms。依照芯片對應的通信時序圖,我們編寫了基于I 2 C通信協議的使用程序。I 2 C協議時序圖見圖4。

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  2.1.4 二氧化碳濃度檢測模塊

  二氧化碳濃度是農業生產中一項較為重要的參數,在考慮了工作性能、實際需求、傳感器體積、成本等多個方面之后,最終確定使用Cambridge CMOS Sensors公司生產的超低功耗微型氣體傳感器CCS811。

  2.2 軟件部分

  2.2.1 服務器搭建

  本系統通過租用云服務器將NB-IoT采集的數據保存下來,進行數據管理。通過瀏覽器打開我們的web端界面,輸入對應的NB-IoT設備ID,可實現web端與NB-IoT設備的連接。web端程序監測NB-IoT的實時情況,一旦NB-IoT采集的數據更新,即可立即獲取最新的大棚數據。這里同樣通過程序連接NB-IoT模塊,利用自定義函數來獲取賬號下的大棚數據信息。獲取的數據分別對應著大棚號、節點號、棚內溫度(℃),空氣濕度(%)、光照強度(lx)以及二氧化碳濃度。

  為了方便數據的管理,我們使用關系型數據庫管理系統MySQL,存儲數據信息。通過建立獨立數據庫,在庫內為每個大棚單獨建表,各自存儲對應的數據,表的數量可根據當前狀況進行增添或刪減,利于后期項目管理。當節點有需要時,服務器可回歸分析歷史記錄,得出對當前情況最有利的參數值。

  在ODBC驅動的輔助下,實現了JavaScript和MySQL數據庫的連接,當JavaScript獲取NB-IoT更新的數據時,數據即可有序存入庫中。

  2.2.2 用戶界面實現

  為了實現直觀顯示用戶所有設備狀態及關鍵數據,遠程控制大棚設備運作等功能,界面每個賬戶下的設備在首頁以卡片形式展示,用戶可看到各個設備所監測指標的數值及當前設備的在線狀態。用戶在界面點擊單個卡片便可進入詳情頁面,查看該設備上的具體數據及圖表化形象展示。

  配置適配器MyFragmentPagerAdapter,創建ViewHolder 并定義item點擊回調接口。用TabLayout控件,設置監聽并重寫onTabSelected方法。利用Adapter實現各個Fragment切換,并用RecyclerView來實現在頁面中添加列表式的item,同樣需要配置適配器RvAdapter。每個item配置但單獨的xml文件。各個item點擊的效果由item_selector.xml來實現。

  利用Android下的廣播機制,通過自定義的UsrCloudClient、UsrCloudClientService等Java類,來連接NB-IoT設備并進行實時數據更新與獲取。

  2.2.3 作物長勢分析系統實現

  本系統通過網絡攝像頭對圖像進行采集后,先對圖像進行語義分割。進而采用(全卷積網絡)對語義進 行分割,通過預先劃分區域的圖像數據集訓練后,可對任意場景和角度將作物區域進行分割。相比傳統的(Mask)蒙版劃分適應性更強,可靠性更高。典型FCN網絡架構見圖5。

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  3 結論

  經實際測試,本系統硬件、軟件及方案都可行,且高度滿足當前中國科技農業推廣的需求。對比目前同類產品,本系統具有成本低、效率高、可定制化等優點,基本適用于所有農作物的農業生產。

  參考文獻

  [1]孫科.使用 NB-IoT物聯網技術建設智慧小區[J].中國新通信,2017,19(9):95-96.

  [2]許愛萍.天津發展中的主要問題與解決路徑[J].世界農業,2017(3):198-203.

  [3]夏顯力,趙凱,王勁榮.美國農業發展對加快我國現代農業建設的啟示與借鑒[J].農業現代化研究,2007,28(4):467-471.

  [4]王蘭明,牛文林.從以色列高效集約型農業看高科技應用效果[J].河北北方學院學報(自然科學版),2001(2):39-41.

  [5]林長勇.基于NB-IoT的物聯網應用研究[J].信息與電腦(理論版),2017(17):167-168.

  [6]孟凡,王金忠.NB-IoT聯合組網及優化策略[J].電信工程技術與標準化,2018,31(6):32-36.

  [7]徐軍, 孫庭.數字圖像處理技術在圖像識別上的應用[J].有線電視技術,2008,15(5):129-130.

  [8]李冠林,王海光,黃沖,等.基于圖像處理和圖像識別的植物病害診斷方法初探[C].公共植保與綠色防控,2010.

  [9]于海斌,曾鵬,王忠鋒,等.分布式無線傳感器網絡通信協議研究[J].通信學報,2004,25(10):102-110.

  [10]梅方權.農業信息化帶動農業現代化的戰略分析[J].中國農村經濟,2001(12):22-26.

  [11]吳靜,張冬平.國家科技政策對農業創新型企業發展影響的實證分析[J].技術經濟與管理研究,2018(6):106-113.

  [12] Yang J D,Chen Y S,Hsu W H.Adaptive thresholding algorithm and itshardware implementation[J].Pattern Recognition Letters,1994,15(2):141-150.

  [13] Long J, Shelhamer E, Darrell T. Fully convolutional networks forsemantic segmentation[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis & MachineIntelligence,2014,39(4):640-651.

  作者簡介:

  王新懷,男,博士,副教授,研究方向:微波毫米波電路與系統設計、智能天線與天線組陣技術等領域。

  徐茵,女,高級工程師,研究方向:微波毫米波電路與系統設計、實時信號處理系統設計等領域。

  賀敏娜,經濟與管理學院信息管理與信息系統專業。

  王煥,電子工程學院電子信息工程專業。

  王晗宇,電子工程學院電子信息工程專業。

  (注:本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第9期第73頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。)



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