1 引 言 在中國經(jīng)濟快速發(fā)展的道路中 農(nóng)業(yè)擔(dān)當(dāng)著必 不可少的角色 1 隨著 云平臺 和 大數(shù)據(jù) 逐步融 入傳統(tǒng)農(nóng)業(yè) 中國農(nóng)業(yè)也開始走向智慧化 2 智慧農(nóng) 業(yè)利用物聯(lián)網(wǎng) 大數(shù)據(jù) 無線通信等技術(shù)來實現(xiàn)對 農(nóng)業(yè)的智能化管理 并對整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進行智能化 指導(dǎo)和評估 從而盡可能避免出現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)生 意外或者由于生產(chǎn)風(fēng)險因素而導(dǎo)致的減產(chǎn)等情況 對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平是質(zhì)的突破 3 智慧農(nóng)業(yè)云平 臺對農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)共享 并智能 分析與處理在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)中采集的數(shù)據(jù) 以此 對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進行精準(zhǔn)控制 達到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可測 可 控和可預(yù)警等目標(biāo) 智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展核心在于大數(shù)據(jù)的應(yīng)用 大數(shù) 據(jù)技術(shù)雖為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了可觀的成效 但目前大 數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展受數(shù)據(jù)采集的影響較大 農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 的信息化還存在不足 大數(shù)據(jù)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng) 用中還存在一些問題 尤其是農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)中心和分 析云平臺建設(shè)尚不完善 因此 研究基于云平臺的大 數(shù)據(jù)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用 也成為提高農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)整體技術(shù)水平的關(guān)鍵 基于云平臺的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 楊瑞麗 謝文丹 商丘工學(xué)院信息與電子工程學(xué)院 河南商丘476000 摘 要 物聯(lián)網(wǎng) 大數(shù)據(jù)和云平臺等技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的應(yīng)用 使智慧農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的一 種新型發(fā)展方向 為順應(yīng)這一趨勢 提高智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的精準(zhǔn)化控制程度 設(shè)計一種大數(shù)據(jù)模式下基 于云平臺的農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)精準(zhǔn)化采集系統(tǒng) 系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù) 通過設(shè)計傳感器電路 無線射頻和采集存儲模塊 實現(xiàn)精準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集 在軟件設(shè)計方面利用采集端確定數(shù)據(jù) 進行數(shù)據(jù)預(yù)處 理 通過設(shè)計數(shù)據(jù)庫 提高數(shù)據(jù)處理效率 經(jīng)對比實驗 證明所設(shè)計系統(tǒng)能夠提高農(nóng)作物生產(chǎn)的精準(zhǔn)化 控制程度 為未來智慧農(nóng)業(yè)的前進探索提供了一種有效的發(fā)展模式 關(guān)鍵詞 智慧農(nóng)業(yè) 云平臺 精確化采集 傳感器 DOI 10 3969 j issn 1002 2279 2022 02 007 中圖分類號 TP274 2 TN92 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1002 2279 2022 02 0030 04 Design and Implementation of a Smart Agriculture System Based on Cloud Platform YANG Ruili XIE Wendan School of Information and Electronic Engineering Shangqiu Institute of Technology Shangqiu Henan 476000 China Abstract With the application of Internet of Things big data and cloud platform in modern agriculture smart agriculture has become a new development direction of traditional agriculture In order to adapt to this trend and improve the precise control degree of smart agriculture system a precise data acquisition system of crop growth environment based on cloud platform in big data mode is designed The system uses the related technologies of the Internet of Things to achieve accurate data acquisition by designing sensor circuits wireless radio frequency and acquisition and storage modules In the aspect of software design the acquisition terminal is used to determine the data and preprocess the data Improve the efficiency of data processing by designing the database Through comparative experiments it is proved that the designed system can improve the precision control degree of crop production and provide an effective development model for the future exploration of smart agriculture Keywords Smart agriculture Cloud platform Accurate collection Sensors 基金項目 基于云平臺的精準(zhǔn)化智慧農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計 20B520026 作者簡介 楊瑞麗 1991 女 河南省商丘市人 碩士 主研方向 物聯(lián)網(wǎng) 收稿日期 2022 02 09 微 處 理 機 MICROPROCESSORS 第2期 2022年4月 No 2 Apr 2022 2期 2 系統(tǒng)設(shè)計原理 由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的存在 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)走向了智慧 農(nóng)業(yè) 4 因此 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)依然是物聯(lián)網(wǎng)系 統(tǒng) 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)體系可以如同物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一 樣 劃分為感知層 網(wǎng)絡(luò)層 應(yīng)用層三層 如圖1所示 物聯(lián)網(wǎng)中的一項關(guān)鍵技術(shù)就是傳感器 智慧農(nóng) 業(yè)系統(tǒng)中想要獲得更加精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù) 傳感 器是必不可少的 它是數(shù)據(jù)采集的核心元件 在智 慧農(nóng)業(yè)中采集和檢測的數(shù)據(jù)主要有溫度 濕度 光 照強度以及土壤溫濕度等 5 本系統(tǒng)中需要用到的 主要傳感器如圖2所示 云平臺是智慧農(nóng)業(yè)中體現(xiàn) 智慧 的關(guān)鍵所在 云平臺的架構(gòu)如圖3所示 它由四個層次構(gòu)成 即 資源層 虛擬層 中間件層以及應(yīng)用層 6 云平臺是 智慧農(nóng)業(yè)實現(xiàn)云端數(shù)據(jù)可視化的核心技術(shù) 本系統(tǒng) 的云平臺架構(gòu)即是根據(jù)該云平臺架構(gòu)進行設(shè)計的 3 系統(tǒng)實現(xiàn) 3 1 硬件設(shè)計 1 傳感器電路模塊 為了實現(xiàn)對農(nóng)作物的生長環(huán)境數(shù)據(jù)進行精準(zhǔn)的 采集 系統(tǒng)中傳感器電路一共包括三大部分 溫度采 集電路 濕度采集電路和光照度采集電路 所采用的溫度傳感器型號為TMK421 該設(shè)備 測量值范圍為 250 850 并且溫度越高 溫度 傳感器的電阻越大 濕度傳感器基于MoO 3 納米片 此類傳感器對 濕度非常敏感 若濕度變化一個量級 則對應(yīng)電路中 的電流可變化5個數(shù)量級 7 光照傳感器是基于ZigBee3 0 其遵循無線通信 協(xié)議 不但可以精準(zhǔn)獲取到要檢測環(huán)境中的光照強 度 而且可以將數(shù)據(jù)進行記錄并保存 傳感器電路模塊設(shè)計中包含的這三大傳感器模 塊可精確采集農(nóng)作物的生長環(huán)境數(shù)據(jù)變化 滿足智 慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)精確采集農(nóng)作物生長過程中關(guān)鍵數(shù) 據(jù)的要求 2 無線射頻模塊 系統(tǒng)的無線射頻模塊采用ISO 14443設(shè)備 主 要由四大部分構(gòu)成 生長環(huán)境物理特性 射頻功率和 信號接口 讀寫器和電子標(biāo)簽 以及傳輸協(xié)議 8 設(shè)備天線可將讀寫器的數(shù)據(jù)通過某頻率的電磁 波向外發(fā)送 電子標(biāo)簽進入信號接口的工作范圍后 受感應(yīng)電流的影響被激活 接著會導(dǎo)致存儲信息被 發(fā)送出來 隨后 將來自電子標(biāo)簽的載波信號傳送給 讀寫器 讀寫器會將其進行解調(diào)與解碼 而采集與存 儲模塊則會接收處理后的數(shù)據(jù) 3 采集與存儲模塊 在整個系統(tǒng)中 采集與存儲模塊作為最核心部 分存在 因為該模塊的主要功能就是精準(zhǔn)化采集數(shù) 據(jù) 如溫濕度 光照強度 且對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的分析 和處理 只有這樣 才能調(diào)整出更加科學(xué)有效的農(nóng)業(yè) 管理方案 數(shù)據(jù)采集存儲模塊的主要元件是ARM 嵌入式處理器 以此來實現(xiàn)精準(zhǔn)采集數(shù)據(jù)的目的 具 體實現(xiàn)的模塊如圖4所示 圖3 云平臺架構(gòu) 種植農(nóng)業(yè) 溫室種植 畜牧生產(chǎn) 種植農(nóng)業(yè) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 移動網(wǎng)絡(luò) 互聯(lián)網(wǎng) 傳感器 控制器 攝像頭 射頻 識別 應(yīng)用層 網(wǎng)絡(luò)層 感知層 圖1 智慧農(nóng)業(yè)體系層次劃分 a 溫濕度傳感器 b 光照度傳感器 c 土壤溫濕度傳感器 圖2 各類傳感器實物圖 中間件 資源層 虛擬層 應(yīng)用層 VMware VMware VMware 溫度傳感器 濕度傳感器 光照傳感器 ARM S3C6410 無線射頻模塊數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)預(yù)處理 圖4 數(shù)據(jù)采集存儲模塊硬件結(jié)構(gòu)圖 楊瑞麗等 基于云平臺的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 31 微 處 理 機 2022年 3 2 軟件設(shè)計 系統(tǒng)的精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集是利用采集端來確定 數(shù)據(jù)的 因此在數(shù)據(jù)采集過程中可以省去配置這一 步驟 具體過程為 首先設(shè)置并確定數(shù)據(jù)字段 然后 輸入網(wǎng)址 隨之軟件會自動識別并生成數(shù)據(jù)到確定 結(jié)果 其中每類數(shù)據(jù)和采集字段是一一對應(yīng)的 此 外 還設(shè)計了字段可編輯的功能 比如 修改字段名 稱 增減字段等 預(yù)處理是采集數(shù)據(jù)中的重要一步 在確定采集 端數(shù)據(jù)之后首先進行數(shù)據(jù)預(yù)處理 所謂數(shù)據(jù)預(yù)處 理 指的是將電路信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號 用于之后 系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)預(yù)處理可由下式所示 式中 A i n 指的是第i層的第n個特征數(shù)據(jù) f 代表 一種激活函數(shù) B n 1 是一種集合 即第n 1層特征數(shù) 據(jù) A j n 1 指的是第n 1層第j個特征數(shù)據(jù) k ij n 指的是 A i n 的第j個卷積核 b i n 是一種偏值 即第n層的第i 個特征數(shù)據(jù) 最后 采集到的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)是通過池化 層處理后的預(yù)處理數(shù)據(jù)計算得到 也就是指濾波器 最大值 有下式 式中 down 即表示池化函數(shù) 數(shù)據(jù)庫可以存儲所有預(yù)處理后的數(shù)據(jù) 以供二 次搜索之用 如果確定采集到的數(shù)據(jù)是經(jīng)過正規(guī)人 員修改過的 則必須重新采集更正數(shù)據(jù) 主要過程 為 將采集到的數(shù)據(jù)傳送到主機 經(jīng)過程序的自動 化判斷 對農(nóng)作物生長環(huán)境進行精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集流程圖如圖5所示 4 實驗與分析 系統(tǒng)開發(fā)所用到的實驗設(shè)備如圖6 圖7所示 傳感器對應(yīng)智能節(jié)點的連接圖如圖8所示 土壤溫濕度傳感器接線情況如圖9所示 為了保證整個數(shù)據(jù)采集過程的準(zhǔn)確和安全性 實驗是在具有一定規(guī)模的溫室農(nóng)業(yè)大棚中進行的 此外 為了避免實驗數(shù)據(jù)受到外界環(huán)境不穩(wěn)定因素 的影響 如太陽光的照射等 實驗設(shè)備均安置在農(nóng)業(yè) 大棚的中央位置 且距離地面約2米左右 如圖10 所示 1 1 1 n j n n n n n i j ij i A B A f A k b 1 圖5 數(shù)據(jù)采集流程圖 1 down n n i i A A 2 系統(tǒng)初始化 MAIN函數(shù) 系統(tǒng)初始化 錯報 關(guān)閉傳感器 采集數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)存儲 刪除異常數(shù)據(jù) 取平均值 數(shù)據(jù)傳輸并存儲 N Y 圖7 開發(fā)套件內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖6 實驗開發(fā)套件 圖8 傳感器智能連接點 圖9 土壤溫濕度傳感器接線圖 圖10 實驗現(xiàn)場環(huán)境 32 2期 圖11 云平臺數(shù)據(jù)顯示 系統(tǒng)的第三方接入云服務(wù)器是OneNET物聯(lián)網(wǎng) 平臺 該平臺具有優(yōu)秀的云計算和數(shù)據(jù)處理能力 當(dāng)終端設(shè)備和OneNET云平臺建立連接之后 通過 一定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將農(nóng)業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行打包并上傳至 云平臺加以顯示 如圖11所示 系統(tǒng)對比實驗使用相同型號的設(shè)備 使實驗盡 量在同一環(huán)境下進行 以保證采集數(shù)據(jù)的真實有效 性 分別在設(shè)計的系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)中采集5次數(shù)據(jù) 實驗以農(nóng)作物生長環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)為例 實驗環(huán)境 設(shè)定25 為生長環(huán)境溫度 在此實驗環(huán)境下測試采 集到的農(nóng)作物生長環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度 實驗中 首先采用傳統(tǒng)農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對農(nóng)作 物生長環(huán)境溫度數(shù)據(jù)進行采集 再采用本系統(tǒng)在同 一條件下進行采集溫度數(shù)據(jù) 進行對比實驗 實驗 數(shù)據(jù)對比如表1所示 5 結(jié) 束 語 與傳統(tǒng)技術(shù)相比 云平臺技術(shù)是本系統(tǒng)的最大 特色 該技術(shù)為系統(tǒng)提供了新的數(shù)據(jù)處理和遠程控 制方式 并可以完成云端查詢歷史數(shù)據(jù) 實現(xiàn)數(shù)據(jù)追 溯 系統(tǒng)在滿足設(shè)計要求的基礎(chǔ)上 整體性能也較 為穩(wěn)定 數(shù)據(jù)檢測的準(zhǔn)確度更高 此外 在物聯(lián)網(wǎng)技 術(shù)下 基于云平臺的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可以根據(jù)農(nóng)作物 生長發(fā)育的規(guī)律對數(shù)據(jù)進行精準(zhǔn)化采集 從而實現(xiàn) 農(nóng)業(yè)的精細化培育 由實驗對比也可看到 通過本 系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)要比通過傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù) 準(zhǔn)確率更高 由此表明本系統(tǒng)在進一步促進智慧農(nóng) 業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用潛力和價值 參考文獻 1 鄭玲玲 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚移動終端監(jiān)控系統(tǒng) 分析 J 科技經(jīng)濟導(dǎo)刊 2017 25 16 1 2 ZHENG Lingling Analysis of mobile terminal monitoring system in greenhouse based on IoT technology J Techno logy and Economic Guide 2017 25 16 1 2 2 韓洋 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)分析 J 計 算機產(chǎn)品與流通 2019 8 118 HAN Yang Analysis of agricultural Internet of Things app lication system based on big data technology J Computer Product and Circulation SP 2019 8 118 3 張騰飛 崔俊宇 芮平 等 基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)作物環(huán) 境采集系統(tǒng)設(shè)計 J 南京工程學(xué)院學(xué)報 自然科學(xué)版 2017 15 4 21 25 ZHANG Tengfei CUI Junyu RUI Ping et al Design of agricultural environment acquisition system based on ZigBee 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