Vol 1 No 3 智 慧 農(nóng) 業(yè) S m a r t A g r i c u l t u r e 2019 年 7 月 第 1 卷 第 3 期 Jul 2019 Vol 1 No 3 基 于 云 服 務(wù) 的 棚 室 蔬 菜 智 能 終 端 系 統(tǒng) 設(shè) 計 與 實 現(xiàn) 要 要 要 以 黑 龍 江 省 為 研 究 案 例 張 海 峰 袁 李 楊 袁 張 宇 袁 宋 麗 娟 袁 唐 立 新 袁 畢 洪 文 淵 黑 龍 江 省 農(nóng) 業(yè) 科 學(xué) 院 農(nóng) 業(yè) 遙 感 與 信 息 研 究 所 袁 黑 龍 江 哈 爾 濱 1 5 0 0 8 6 冤 摘 要 院 棚 室 蔬 菜 產(chǎn) 業(yè) 在 黑 龍 江 省 農(nóng) 業(yè) 轉(zhuǎn) 方 式 堯 調(diào) 結(jié) 構(gòu) 和 供 給 側(cè) 改 革 中 占 有 重 要 的 戰(zhàn) 略 地 位 遙 黑 龍 江 省 棚 室 蔬 菜 生 產(chǎn) 規(guī) 模 近 年 來 發(fā) 展 較 快 袁 技 術(shù) 支 撐 需 求 也 與 日 俱 增 遙 本 研 究 針 對 黑 龍 江 省 棚 室 蔬 菜 發(fā) 展 規(guī) 模 與 技 術(shù) 服 務(wù) 支 撐 能 力 不 匹 配 的 現(xiàn) 狀 袁 提 出 了 基 于 云 服 務(wù) 的 棚 室 蔬 菜 智 能 終 端 系 統(tǒng) 及 關(guān) 鍵 技 術(shù) 的 實 現(xiàn) 方 法 遙 本 研 究 以 專 家 服 務(wù) 為 主 堯 數(shù) 據(jù) 挖 掘 技 術(shù) 為 輔 袁 以 物 聯(lián) 網(wǎng) 設(shè) 備 為 感 知 手 段 堯 以 智 能 手 機 為 用 戶 終 端 袁 利 用 云 服 務(wù) 對 知 識 堯 資 源 堯 物 聯(lián) 網(wǎng) 數(shù) 據(jù) 的 整 合 配 置 能 力 袁 提 供 蔬 菜 專 家 及 棚 室 蔬 菜 用 戶 對 信 息 獲 取 堯 存 儲 堯 分 析 和 決 策 的 高 效 解 決 方 案 遙 本 研 究 的 部 分 內(nèi) 容 已 在 黑 龍 江 省 農(nóng) 業(yè) 科 研 部 門 堯 企 業(yè) 堯 蔬 菜 合 作 社 堯 農(nóng) 戶 等 不 同 用 戶 群 體 中 實 驗 應(yīng) 用 袁 能 夠 為 專 家 提 供 棚 室 蔬 菜 生 產(chǎn) 環(huán) 境 的 遠 程 問 診 手 段 袁 適 用 于 各 類 棚 室 蔬 菜 應(yīng) 用 場 景 遙 本 研 究 還 提 出 了 對 大 規(guī) 模 應(yīng) 用 場 景 下 的 技 術(shù) 解 決 方 案 建 議 袁 可 在 全 國 的 棚 室 蔬 菜 生 產(chǎn) 中 推 廣 應(yīng) 用 袁 實 現(xiàn) 更 廣 泛 高 效 的 專 家 技 術(shù) 服 務(wù) 支 撐 遙 關(guān) 鍵 詞 院 棚 室 蔬 菜 曰 云 服 務(wù) 曰 資 源 池 曰 物 聯(lián) 網(wǎng) 曰 智 能 終 端 曰 A r d u i n o 中 圖 分 類 號 院 S 2 4 文 獻 標 志 碼 院 A 文 章 編 號 院 2 0 1 9 0 6 S A 0 0 2 張 海 峰 李 楊 張 宇 宋 麗 娟 唐 立 新 畢 洪 文 基 于 云 服 務(wù) 的 棚 室 蔬 菜 智 能 終 端 系 統(tǒng) 設(shè) 計 與 實 現(xiàn) 要 要 要 以 黑 龍 江 省 為 研 究 案 例 J 智 慧 農(nóng) 業(yè) 2019 1 3 87 99 Zhang H Li Y Zhang Y Song L Tang L Bi H Design and implementation of intelligent terminal service system for greenhouse vegetables based on cloud service A case study of Heilongjiang province J Smart Agriculture 2019 1 3 87 99 in Chinese with English abstract 收 稿 日 期 院 2019 05 24 修 訂 日 期 院 2019 07 21 基 金 項 目 院 黑 龍 江 省 自 然 科 學(xué) 基 金 面 上 資 助 項 目 淵F2016037 冤 作 者 簡 介 院 張 海 峰 淵1980 冤 袁 男 袁 副 研 究 員 袁 研 究 方 向 院 農(nóng) 業(yè) 信 息 平 臺 堯 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 袁 Email 院 joker zhf 遙 通 訊 作 者 院 畢 洪 文 淵1964 冤 袁 女 袁 研 究 員 袁 研 究 方 向 院 農(nóng) 業(yè) 信 息 化 技 術(shù) 堯 農(nóng) 業(yè) 產(chǎn) 業(yè) 技 術(shù) 經(jīng) 濟 袁 電 話 院 13603609906 袁 Email 院 bhw01 遙 doi 10 12133 j smartag 2019 1 3 201906 SA002 1 引 言 黑 龍 江 地 處 中 國 東 北 北 部 袁 冬 季 漫 長 袁 無 霜 期 短 袁 特 殊 的 氣 候 條 件 使 得 實 現(xiàn) 蔬 菜 全 年 生 產(chǎn) 和 供 應(yīng) 袁 必 須 依 靠 棚 室 設(shè) 施 遙 近 年 來 袁 黑 龍 江 省 蔬 菜 產(chǎn) 業(yè) 得 到 長 足 發(fā) 展 遙 2018 年 袁 全 省 蔬 菜 播 種 面 積 呈 穩(wěn) 步 增 長 趨 勢 袁 春 夏 播 種 面 積 24 1 萬 公 頃 袁 其 中 設(shè) 施 蔬 菜 播 種 面 積 達 6 萬 公 頃 袁 同 比 增 長 12 7 1 遙 隨 著 全 省 農(nóng) 作 物 種 植 結(jié) 構(gòu) 的 調(diào) 整 袁 蔬 菜 面 積 還 在 呈 現(xiàn) 一 定 程 度 的 增 長 態(tài) 勢 遙 但 是 袁 黑 龍 江 省 棚 室 蔬 菜 產(chǎn) 業(yè) 存 在 著 生 產(chǎn) 水 平 不 高 堯 管 理 粗 放 堯 生 產(chǎn) 效 率 低 堯 技 術(shù) 服 務(wù) 不 到 位 等 問 題 袁 其 中 信 息 技 術(shù) 服 務(wù) 不 足 是 影 響 黑 龍 江 省 棚 室 蔬 菜 產(chǎn) 業(yè) 健 康 發(fā) 展 的 重 要 因 素 之 一 2 遙 從 服 務(wù) 對 象 規(guī) 模 來 看 袁 黑 龍 江 省 2018 年 棚 室 蔬 菜 種 植 面 積 達 6 萬 公 頃 袁 實 現(xiàn) 監(jiān) 管 和 技 術(shù) 支智 慧 農(nóng) 業(yè) S m a r t A g r i c u l t u r e Vol 1 No 3 撐 需 要 大 量 的 計 算 存 儲 資 源 袁 傳 統(tǒng) 的 服 務(wù) 器 計 算 架 構(gòu) 無 法 滿 足 該 計 算 及 負 載 均 衡 需 求 曰 從 技 術(shù) 應(yīng) 用 層 面 來 看 袁 物 聯(lián) 網(wǎng) 系 統(tǒng) 堯 生 產(chǎn) 者 堯 專 家 產(chǎn) 生 了 大 量 環(huán) 境 感 知 數(shù) 據(jù) 堯 技 術(shù) 數(shù) 據(jù) 堯 產(chǎn) 銷 數(shù) 據(jù) 堯 答 疑 數(shù) 據(jù) 袁 這 些 數(shù) 據(jù) 蘊 含 著 大 量 的 知 識 袁 這 些 知 識 的 挖 掘 利 用 情 況 還 處 于 初 級 階 段 袁 還 沒 有 形 成 對 生 產(chǎn) 的 高 效 推 動 曰 從 技 術(shù) 應(yīng) 用 成 本 來 看 袁 以 物 聯(lián) 網(wǎng) 為 代 表 的 信 息 技 術(shù) 建 設(shè) 及 應(yīng) 用 成 本 較 高 袁 而 棚 室 蔬 菜 的 利 潤 往 往 不 足 以 支 撐 其 運 維 費 用 袁 致 使 農(nóng) 民 的 安 裝 意 愿 不 強 3 7 遙 針 對 上 述 問 題 袁 按 照 野 平 臺 上 移 袁 服 務(wù) 下 延 冶 的 農(nóng) 業(yè) 信 息 技 術(shù) 服 務(wù) 方 針 袁 應(yīng) 用 野 平 臺 即 服 務(wù) 淵PAAS 冤 冶 的 云 設(shè) 計 理 念 袁 結(jié) 合 自 主 研 發(fā) 的 低 成 本 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 袁 開 展 了 云 服 務(wù) 棚 室 蔬 菜 智 能 終 端 服 務(wù) 系 統(tǒng) 構(gòu) 建 研 究 袁 以 期 為 黑 龍 江 省 農(nóng) 業(yè) 信 息 服 務(wù) 由 知 識 生 產(chǎn) 型 向 知 識 服 務(wù) 型 轉(zhuǎn) 變 袁 實 現(xiàn) 云 服 務(wù) 信 息 化 增 效 和 知 識 服 務(wù) 效 率 拓 展 袁 以 及 專 家 資 源 和 知 識 服 務(wù) 能 力 的 共 享 和 協(xié) 作 提 供 技 術(shù) 支 撐 袁 為 全 國 棚 室 蔬 菜 信 息 化 發(fā) 展 提 供 解 決 方 案 典 型 案 例 遙 2 系 統(tǒng) 架 構(gòu) 設(shè) 計 及 實 現(xiàn) 2 1 基 于 云 服 務(wù) 的 棚 室 蔬 菜 智 能 終 端 服 務(wù) 系 統(tǒng) 科 技 信 息 服 務(wù) 資 源 的 開 發(fā) 與 利 用 涉 及 到 不 同 專 業(yè) 的 專 家 堯 數(shù) 據(jù) 庫 堯 在 線 知 識 資 源 堯 棚 室 蔬 菜 生 產(chǎn) 者 堯 物 聯(lián) 網(wǎng) 系 統(tǒng) 袁 專 家 與 生 產(chǎn) 者 之 間 需 要 大 量 非 實 時 和 少 量 實 時 的 數(shù) 據(jù) 交 換 袁 他 們 的 知 識 結(jié) 構(gòu) 相 差 較 大 袁 無 法 使 用 簡 單 統(tǒng) 一 的 標 準 來 實 現(xiàn) 互 聯(lián) 袁 因 此 設(shè) 計 一 種 基 于 云 服 務(wù) 的 棚 室 蔬 菜 智 能 終 端 服 務(wù) 系 統(tǒng) 袁 可 有 效 解 決 數(shù) 據(jù) 的 融 合 再 利 用 與 服 務(wù) 有 效 供 給 問 題 遙 基 于 云 服 務(wù) 的 棚 室 蔬 菜 智 能 終 端 服 務(wù) 系 統(tǒng) 是 以 云 服 務(wù) 為 載 體 袁 為 適 應(yīng) 農(nóng) 業(yè) 信 息 技 術(shù) 服 務(wù) 智 能 化 堯 泛 在 化 堯 扁 平 化 堯 綠 色 環(huán) 保 的 發(fā) 展 趨 勢 而 衍 生 的 以 專 家 智 慧 為 主 要 服 務(wù) 內(nèi) 容 堯 以 物 聯(lián) 網(wǎng) 為 感 知 節(jié) 點 堯 以 移 動 智 能 設(shè) 備 為 終 端 袁 通 過 網(wǎng) 絡(luò) 為 棚 室 蔬 菜 產(chǎn) 業(yè) 提 供 按 需 使 用 堯 隨 時 獲 取 堯 基 于 專 家 群 的 知 識 服 務(wù) 遙 它 是 一 種 解 決 蔬 菜 專 家 技 術(shù) 服 務(wù) 覆 蓋 范 圍 和 手 段 的 信 息 服 務(wù) 新 模 式 袁 能 有 效 提 升 知 識 堯 資 源 堯 物 聯(lián) 網(wǎng) 數(shù) 據(jù) 的 整 合 配 置 能 力 袁 為 棚 室 蔬 菜 技 術(shù) 服 務(wù) 提 供 高 效 解 決 方 案 遙 2 2 云 服 務(wù) 架 構(gòu) 設(shè) 計 該 智 能 終 端 服 務(wù) 系 統(tǒng) 架 構(gòu) 包 括 感 知 層 堯 基 礎(chǔ) 設(shè) 施 層 堯 數(shù) 據(jù) 層 堯 應(yīng) 用 層 堯 終 端 展 示 層 淵 圖 1 冤 遙 基 礎(chǔ) 設(shè) 施 層 包 括 具 有 分 布 式 計 算 能 力 以 及 可 在 線 擴 充 的 服 務(wù) 器 系 統(tǒng) 和 數(shù) 據(jù) 庫 系 統(tǒng) 袁 主 要 作 用 是 實 現(xiàn) 大 規(guī) 模 數(shù) 據(jù) 計 算 和 持 久 化 存 儲 曰 物 聯(lián) 網(wǎng) 感 知 層 包 括 單 片 機 堯 傳 感 器 和 無 線 網(wǎng) 橋 等 設(shè) 備 袁 作 用 是 實 現(xiàn) 棚 室 蔬 菜 生 產(chǎn) 環(huán) 境 和 蔬 菜 本 體 影 像 感 知 曰 數(shù) 據(jù) 層 包 括 棚 室 蔬 菜 數(shù) 據(jù) 庫 和 知 識 系 統(tǒng) 袁 涵 蓋 品 種 信 息 堯 病 害 知 識 堯 栽 培 技 術(shù) 堯 專 家 信 息 等 數(shù) 據(jù) 袁 作 用 是 初 步 數(shù) 據(jù) 處 理 和 虛 擬 專 家 構(gòu) 建 袁 應(yīng) 用 Ten sorFlow 淵 一 個 基 于 數(shù) 據(jù) 流 編 程 dataflow program ming 的 符 號 數(shù) 學(xué) 系 統(tǒng) 冤 實 現(xiàn) 數(shù) 據(jù) 訓(xùn) 練 和 模 型 構(gòu) 建 等 內(nèi) 容 曰 應(yīng) 用 層 構(gòu) 建 知 識 關(guān) 聯(lián) 搜 索 引 擎 袁 為 專 家 和 用 戶 提 供 內(nèi) 容 服 務(wù) 和 解 決 方 案 曰 終 端 展 示 層 主 要 是 通 過 開 發(fā) 符 合 HTML5 標 準 的 Web 頁 面 袁 實 現(xiàn) 不 同 平 臺 的 自 適 應(yīng) 袁 即 可 滿 足 Android 智 能 手 機 堯 IOS 設(shè) 備 和 PC 端 的 應(yīng) 用 袁 作 用 是 構(gòu) 建 服 務(wù) 與 用 戶 的 人 機 接 口 袁 實 現(xiàn) 用 戶 對 云 服 務(wù) 的 調(diào) 用 遙 2 3 系 統(tǒng) 實 現(xiàn) 關(guān) 鍵 技 術(shù) 2 3 1 基 礎(chǔ) 設(shè) 施 層 關(guān) 鍵 技 術(shù) 在 系 統(tǒng) 大 規(guī) 模 應(yīng) 用 的 場 景 下 袁 黑 龍 江 省 每 個 棚 室 蔬 菜 作 為 一 個 技 術(shù) 支 持 單 元 淵 面 積 約 為 1 15 公 頃 冤 袁 按 照 20 的 服 務(wù) 安 裝 覆 蓋 率 袁 大 約 需 要 18 萬 個 計 算 節(jié) 點 遙 棚 室 物 聯(lián) 網(wǎng) 產(chǎn) 生 海 量 實 時 的 流 式 視 頻 文 件 和 傳 感 器 數(shù) 據(jù) 袁 可 能 存 在 大 量 在 線 機 器 學(xué) 習(xí) 和 實 時 判 斷 的 應(yīng) 用 場 景 袁 僅 靠 傳 統(tǒng) 關(guān) 系 型 數(shù) 據(jù) 庫 難 以 處 理 8 9 遙 大 規(guī) 模 的 視 頻 流 監(jiān) 測 分 析 和 海 量 物 聯(lián) 網(wǎng) 數(shù) 據(jù) 實 時 處 理 需 要 大 數(shù) 據(jù) 技 術(shù) 作 為 支 8 8Vol 1 No 3 圖 1 棚 室 蔬 菜 智 能 終 端 系 統(tǒng) 總 體 架 構(gòu) Fig 1 Architecture of vegetable intelligent terminal system 撐 袁 在 對 Hadoop 堯 Spark 和 Storm 等 分 布 式 處 理 架 構(gòu) 進 行 比 較 分 析 后 袁 發(fā) 現(xiàn) Storm 的 高 效 實 時 計 算 能 力 符 合 海 量 實 時 數(shù) 據(jù) 計 算 的 應(yīng) 用 場 景 要 求 袁 Storm 的 水 平 擴 展 和 自 動 容 錯 能 力 為 服 務(wù) 的 規(guī) 模 擴 展 和 穩(wěn) 定 運 行 提 供 了 保 障 遙 基 礎(chǔ) 設(shè) 施 層 圍 繞 Storm 框 架 構(gòu) 建 袁 主 要 由 數(shù) 據(jù) 接 入 模 塊 堯 數(shù) 據(jù) 緩 存 模 塊 和 Storm 集 群 組 成 遙 數(shù) 據(jù) 接 入 模 塊 負 責(zé) 快 速 獲 取 物 聯(lián) 網(wǎng) 數(shù) 據(jù) 并 接 入 到 數(shù) 據(jù) 處 理 集 群 袁 本 系 統(tǒng) 采 用 開 源 的 分 布 式 海 量 日 志 采 集 聚 合 傳 輸 系 統(tǒng) Apache Flume 實 現(xiàn) 各 種 實 時 感 知 數(shù) 據(jù) 的 快 速 接 入 遙 在 視 頻 數(shù) 據(jù) 處 理 方 面 袁 由 于 棚 室 監(jiān) 測 的 大 部 分 時 間 圖 像 都 不 會 發(fā) 生 顯 著 變 化 袁 全 程 存 儲 將 造 成 大 量 空 間 浪 費 袁 因 此 通 過 視 頻 處 理 庫 把 攝 像 頭 的 視 頻 流 轉(zhuǎn) 換 為 幀 進 行 抽 樣 存 儲 袁 將 幀 數(shù) 據(jù) 以 JSON 的 格 式 傳 遞 給 Kafka Broker 淵 一 種 高 吞 吐 量 分 布 式 發(fā) 布 訂 閱 消 息 系 統(tǒng) 冤 袁 供 流 數(shù) 據(jù) 緩 沖 組 件 和 存 儲 使 用 遙 數(shù) 據(jù) 緩 存 主 要 是 提 高 海 量 數(shù) 據(jù) 的 負 載 能 力 袁 避 免 因 大 量 數(shù) 據(jù) 引 起 宕 機 袁 系 統(tǒng) 采 用 Kafka 數(shù) 據(jù) 緩 存 模 塊 保 證 消 息 的 持 久 性 和 穩(wěn) 定 性 袁 每 秒 可 處 理 數(shù) 百 萬 條 數(shù) 據(jù) 遙 Storm 集 群 負 責(zé) 實 時 海 量 數(shù) 據(jù) 處 理 袁 由 1 個 Nimbus 淵 主 節(jié) 點 冤 和 若 干 個 Supervisor 淵 計 算 節(jié) 點 冤 組 成 袁 應(yīng) 用 Storm Kafka 插 件 可 以 持 續(xù) 不 斷 地 從 緩 存 模 塊 中 讀 取 數(shù) 據(jù) 袁 實 時 運 算 后 分 類 存 儲 遙 物 聯(lián) 網(wǎng) 數(shù) 據(jù) 進 入 MySQL 數(shù) 據(jù) 庫 袁 視 頻 數(shù) 據(jù) 經(jīng) 過 截 取 處 理 后 進 入 分 布 式 數(shù) 據(jù) 庫 Hbase 袁 如 圖 2 所 示 遙 服 務(wù) 系 統(tǒng) 充 分 利 用 Storm 集 群 進 行 高 速 運 算 及 存 儲 袁 對 外 通 過 Apache Tomcat 服 務(wù) 器 提 供 統(tǒng) 一 標 準 的 計 算 及 存 儲 服 務(wù) 袁 后 臺 的 Storm 可 以 全 自 動 按 需 彈 性 提 供 服 務(wù) 資 源 袁 按 照 系 統(tǒng) 的 推 廣 建 設(shè) 進 度 動 態(tài) 擴 充 袁 實 現(xiàn) 資 源 的 集 約 化 應(yīng) 用 和 服 務(wù) 效 益 最 大 化 遙 2 3 2 物 聯(lián) 網(wǎng) 感 知 層 關(guān) 鍵 技 術(shù) 本 研 究 以 開 源 硬 件 Arduino 單 片 機 為 核 心 搭 建 物 聯(lián) 網(wǎng) 感 知 終 端 袁 主 板 型 號 為 Wemos D1 袁 傳 感 器 連 接 如 圖 3 所 示 遙 該 單 片 機 有 11 個 數(shù) 字 IO 引 腳 袁 1 個 模 擬 引 張 海 峰 等 院 基 于 云 服 務(wù) 的 棚 室 蔬 菜 智 能 終 端 系 統(tǒng) 設(shè) 計 與 實 現(xiàn) 要 要 要 以 黑 龍 江 省 為 研 究 案 例 8 9智 慧 農(nóng) 業(yè) S m a r t A g r i c u l t u r e Vol 1 No 3 圖 3 W e m o s D 1 開 發(fā) 板 及 傳 感 器 連 接 示 意 圖 Fig 3 Wemos D1 development board and sensor connection diagram 攝像頭數(shù)據(jù) 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù) 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù) Client agent 代理客戶端 Flume 日志采集 Collector agent 收集代理 Kafka 流處理 St orm Nimbus 主節(jié)點 Storm 分布計算 Supervisor 監(jiān)督作業(yè) Hbase MySQL 數(shù)據(jù)庫 Apache Tomcat 前端展示 監(jiān)測 預(yù)警 分析 互動 腳 淵 最 大 支 持 3 3V 電 壓 輸 入 冤 袁 采 用 2 4G WiFi 無 線 數(shù) 據(jù) 傳 輸 方 式 袁 具 有 大 量 的 代 碼 庫 袁 技 術(shù) 資 源 支 持 豐 富 10 遙 通 過 WeMos D1 Arduino 開 發(fā) 板 堯 選 型 應(yīng) 用 空 氣 溫 濕 度 傳 感 器 DHT22 堯 光 照 強 度 傳 感 器 BH1750FVI 堯 二 氧 化 碳 傳 感 器 T6603 5 堯 雷 神 FDR 型 土 壤 水 分 傳 感 器 和 地 溫 淵 水 溫 冤 傳 感 器 DS18B20 袁 實 現(xiàn) 棚 室 內(nèi) 空 氣 溫 濕 度 堯 光 照 強 度 堯 二 氧 化 碳 濃 度 堯 土 壤 水 分 堯 地 溫 等 數(shù) 據(jù) 的 實 時 可 視 化 監(jiān) 測 和 云 端 存 儲 袁 為 云 端 智 能 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 和 專 家 對 棚 室 蔬 菜 生 產(chǎn) 的 遠 程 指 導(dǎo) 提 供 判 斷 依 據(jù) 袁 設(shè) 備 選 型 如 表 1 所 示 遙 物 聯(lián) 網(wǎng) 系 統(tǒng) 可 根 據(jù) 生 產(chǎn) 需 要 定 制 硬 件 系 統(tǒng) 袁 而 手 機 作 為 數(shù) 據(jù) 監(jiān) 測 設(shè) 備 可 以 實 時 監(jiān) 控 棚 室 內(nèi) 的 生 產(chǎn) 情 況 袁 降 低 了 硬 件 投 入 成 本 袁 滿 足 集 約 化 生 產(chǎn) 的 要 求 遙 2 3 3 數(shù) 據(jù) 層 關(guān) 鍵 技 術(shù) 淵1 冤 知 識 圖 譜 的 構(gòu) 建 遙 知 識 圖 譜 旨 在 通 過 建 立 棚 室 蔬 菜 生 產(chǎn) 要 素 之 間 的 關(guān) 聯(lián) 鏈 接 袁 將 碎 片 化 的 數(shù) 據(jù) 有 機 地 組 織 起 來 袁 為 系 統(tǒng) 搜 索 堯 挖 掘 堯 分 析 等 提 供 高 階 數(shù) 據(jù) 支 撐 遙 知 識 圖 譜 為 系 統(tǒng) 的 自 動 應(yīng) 答 堯 知 識 抽 取 堯 數(shù) 據(jù) 挖 掘 堯 常 識 推 理 等 功 能 提 供 支 持 遙 知 識 圖 譜 的 構(gòu) 建 需 要 多 種 技 術(shù) 支 持 袁 從 數(shù) 據(jù) 中 提 取 出 實 體 堯 屬 性 堯 關(guān) 系 等 知 識 要 素 遙 根 據(jù) 棚 室 蔬 菜 生 產(chǎn) 的 必 要 因 素 袁 按 照 篩 選 法 提 取 名 圖 2 基 礎(chǔ) 設(shè) 施 層 數(shù) 據(jù) 處 理 示 意 圖 Fig 2 Data processing diagram in infrastructure layer DS18b20 土壤溫度 T6603 5 二氧化碳 BH1750FV I 光照強度 DHT22 空氣溫濕 度 雷神 FDR 土壤水分 設(shè)備名稱 用途 測量范圍 精度 空氣溫度 40 125 0 5 DHT22 空氣濕度 0 100 2 BH1750FVI 光照強度 1 65535lx 20 T6603 5 二氧化碳濃度 400 2000ppm 75ppm 雷神 FDR 型土 壤水分傳感器 土壤含水量 0 100 5 DS18B20 地溫 50 150 0 5 表 1 棚 室 蔬 菜 智 能 終 端 物 聯(lián) 網(wǎng) 傳 感 器 設(shè) 備 選 型 Table 1 Sensors for vegetable intelligent terminal in greenhouse 9 0Vol 1 No 3 詞 遙 將 名 詞 做 交 集 袁 生 成 棚 室 蔬 菜 生 產(chǎn) 詞 典 遙 將 詞 典 中 的 名 詞 在 數(shù) 據(jù) 庫 中 進 行 映 射 關(guān) 聯(lián) 袁 存 儲 到 知 識 庫 中 遙 根 據(jù) 專 家 知 識 內(nèi) 容 袁 提 取 每 一 個 名 詞 的 特 征 袁 構(gòu) 造 比 較 方 法 袁 使 用 KNN 淵K Nearest Neighbor 冤 近 鄰 算 法 進 行 分 類 袁 最 后 獲 取 每 個 名 詞 的 所 屬 類 別 袁 同 時 剔 除 無 關(guān) 名 詞 映 射 遙 由 于 領(lǐng) 域 知 識 圖 譜 構(gòu) 建 難 度 很 大 袁 目 前 自 動 化 方 法 還 處 于 探 索 階 段 袁 多 采 用 人 工 標 注 與 自 動 化 處 理 相 結(jié) 合 的 手 段 袁 本 系 統(tǒng) 主 要 針 對 相 對 簡 單 的 結(jié) 構(gòu) 化 數(shù) 據(jù) 領(lǐng) 域 遙 淵2 冤 病 害 預(yù) 警 及 識 別 技 術(shù) 遙 針 對 蔬 菜 病 害 預(yù) 警 難 度 大 的 問 題 袁 系 統(tǒng) 根 據(jù) 病 害 發(fā) 生 環(huán) 境 條 件 設(shè) 立 預(yù) 警 閾 值 袁 環(huán) 境 條 件 達 到 閾 值 時 進 行 報 警 遙 數(shù) 據(jù) 層 在 病 害 預(yù) 警 方 面 存 儲 各 種 病 害 的 發(fā) 病 條 件 閾 值 及 發(fā) 病 圖 片 特 征 袁 以 黃 瓜 為 例 見 表 2 和 表 3 遙 當 物 聯(lián) 網(wǎng) 獲 取 的 傳 感 器 數(shù) 據(jù) 接 近 閾 值 時 觸 發(fā) 警 報 推 送 袁 達 到 閾 值 時 連 續(xù) 警 報 推 送 遙 在 病 害 識 別 方 面 設(shè) 計 采 用 卷 積 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 進 行 模 型 訓(xùn) 練 袁 首 先 收 集 整 理 特 定 蔬 菜 病 害 圖 片 袁 使 用 基 于 BSD 許 可 淵 開 源 冤 發(fā) 行 的 跨 平 臺 計 算 機 視 覺 庫 OpenCv 統(tǒng) 一 加 工 為 128 伊128 大 小 的 圖 像 袁 由 蔬 菜 病 害 專 家 進 行 鑒 別 并 設(shè) 定 標 識 后 存 入 病 害 圖 片 庫 袁 建 立 棚 室 蔬 菜 的 文 字 與 圖 像 的 對 應(yīng) 描 述 關(guān) 系 袁 以 供 病 蟲 害 診 斷 堯 栽 培 技 術(shù) 指 導(dǎo) 和 Ten sorFlow 構(gòu) 建 快 速 卷 積 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 圖 像 推 理 模 塊 使 用 遙 在 Python 集 成 開 發(fā) 環(huán) 境 中 導(dǎo) 入 病 害 圖 片 庫 和 TensorFlow 袁 應(yīng) 用 卷 積 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 進 行 訓(xùn) 練 袁 見 圖 4 遙 系 統(tǒng) 在 病 害 識 別 方 面 應(yīng) 用 訓(xùn) 練 好 的 模 型 袁 將 病 害 圖 片 輸 入 到 卷 積 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 中 淵 如 圖 5 所 示 冤 袁 經(jīng) 過 若 干 卷 積 和 池 化 層 對 圖 像 進 行 特 征 提 取 袁 通 過 選 擇 性 搜 索 算 法 得 到 圖 像 的 感 興 趣 區(qū) 域 RoI 淵Region of Interest 冤 袁 在 RoI 池 化 層 中 將 特 征 框 池 化 到 特 定 大 小 袁 將 感 興 趣 區(qū) 域 的 特 征 向 量 與 全 連 接 層 相 連 袁 并 定 義 多 任 務(wù) 損 失 函 數(shù) 袁 分 別 與 Soft max 分 類 器 和 Boxbounding 回 歸 器 相 連 袁 分 別 得 到 當 前 感 興 趣 區(qū) 域 的 類 別 及 坐 標 包 圍 框 11 12 遙 對 所 得 到 的 包 圍 框 進 行 非 極 大 值 抑 制 袁 得 到 最 終 判 斷 結(jié) 果 遙 淵3 冤 虛 擬 專 家 技 術(shù) 的 實 現(xiàn) 遙 針 對 人 工 專 家 資 蔬菜代碼 特征代碼 特征描述 圖像集 Cucumber N11 植株上部葉片上卷 顏色呈褐色 Tf chr grahp11 Cucumber N12 葉片局部黃花 焦枯 穿孔或脫落 Tf chr grahp12 Cucumber N13 黃瓜降落傘形葉 Tf chr grahp13 表 2 黃 瓜 病 害 特 征 Table 2 Characteristics of cucumber diseases 病害名稱 代碼 發(fā)病空氣 溫度 發(fā)病濕度 圖像集 黃瓜霜霉病 T21 16 24 85 Tf disease grahp21 細菌性角斑病 T22 18 25 75 Tf disease grahp22 黃瓜灰霉病 T23 18 23 94 Tf disease grahp23 黃瓜炭疽病 T24 20 27 95 Tf disease grahp24 表 3 黃 瓜 病 害 發(fā) 生 條 件 Table 3 Occurrence conditions of cucumber diseases 圖 4 病 害 識 別 模 型 訓(xùn) 練 流 程 圖 Fig 4 Flow chart of training disease identification model 張 海 峰 等 院 基 于 云 服 務(wù) 的 棚 室 蔬 菜 智 能 終 端 系 統(tǒng) 設(shè) 計 與 實 現(xiàn) 要 要 要 以 黑 龍 江 省 為 研 究 案 例 9 1智 慧 農(nóng) 業(yè) S m a r t A g r i c u l t u r e Vol 1 No 3 圖 5 卷 積 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 圖 像 識 別 Fig 5 Image recognition based on convolutional neural network 源 相 對 稀 缺 且 存 在 空 耗 和 綜 合 能 力 服 務(wù) 不 足 的 問 題 袁 系 統(tǒng) 采 用 了 虛 擬 專 家 和 資 源 池 解 決 方 案 遙 虛 擬 專 家 是 由 不 同 專 業(yè) 領(lǐng) 域 堯 擁 有 不 同 空 閑 時 間 的 專 家 團 隊 和 知 識 數(shù) 據(jù) 庫 組 成 袁 專 家 團 隊 的 人 員 配 置 覆 蓋 棚 室 蔬 菜 生 產(chǎn) 者 的 問 題 領(lǐng) 域 和 服 務(wù) 請 求 時 間 袁 專 家 知 識 庫 則 是 基 于 深 度 學(xué) 習(xí) 的 數(shù) 據(jù) 庫 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 袁 通 過 人 工 錄 入 和 專 家 問 題 答 疑 不 斷 擴 充 知 識 數(shù) 據(jù) 袁 分 擔(dān) 人 工 專 家 的 業(yè) 務(wù) 壓 力 遙 資 源 池 分 配 算 法 是 云 服 務(wù) 下 完 成 需 求 和 對 接 的 主 要 途 徑 之 一 袁 在 傳 統(tǒng) 云 服 務(wù) 平 臺 的 資 源 調(diào) 度 過 程 中 袁 需 要 根 據(jù) 資 源 池 所 承 載 的 業(yè) 務(wù) 負 荷 情 況 及 時 調(diào) 整 平 臺 分 配 的 資 源 遙 本 系 統(tǒng) 由 于 融 合 了 專 家 資 源 袁 并 將 專 家 加 入 到 資 源 池 中 供 系 統(tǒng) 分 配 袁 因 此 只 要 在 算 法 上 實 現(xiàn) 專 家 服 務(wù) 狀 態(tài) 的 判 斷 袁 確 定 專 家 是 否 可 在 某 一 時 刻 被 調(diào) 用 袁 以 及 某 一 時 刻 的 虛 擬 專 家 所 能 提 供 的 知 識 服 務(wù) 范 圍 袁 即 可 將 虛 擬 專 家 資 源 融 入 到 資 源 池 調(diào) 配 方 案 中 遙 在 專 家 數(shù) 量 相 對 充 足 的 時 候 袁 還 要 考 慮 專 家 服 務(wù) 頻 次 袁 使 相 對 空 閑 的 專 家 被 優(yōu) 先 調(diào) 用 遙 最 后 袁 由 權(quán) 威 專 家 進 入 QoS 淵Quality of Service 袁 服 務(wù) 質(zhì) 量 冤 系 統(tǒng) 對 專 家 的 答 復(fù) 進 行 評 判 袁 淘 汰 掉 錯 誤 答 復(fù) 和 無 效 回 答 數(shù) 據(jù) 袁 系 統(tǒng) 進 行 數(shù) 據(jù) 整 理 和 存 儲 遙 針 對 海 量 多 源 異 構(gòu) 的 物 聯(lián) 網(wǎng) 數(shù) 據(jù) 堯 蔬 菜 數(shù) 據(jù) 堯 病 害 數(shù) 據(jù) 堯 農(nóng) 藥 化 肥 數(shù) 據(jù) 堯 專 家 數(shù) 據(jù) 難 以 直 接 利 用 的 問 題 袁 系 統(tǒng) 通 過 自 動 化 提 取 與 歸 納 關(guān) 鍵 信 息 實 現(xiàn) 數(shù) 據(jù) 的 應(yīng) 用 價 值 遙 專 家 知 識 通 過 文 本 數(shù) 據(jù) 預(yù) 處 理 和 關(guān) 鍵 詞 特 征 提 取 后 袁 形 成 推 理 機 袁 由 系 統(tǒng) 對 問 題 文 本 進 行 相 似 語 義 處 理 袁 即 由 原 問 題 演 繹 出 同 等 語 義 的 若 干 問 題 袁 形 成 多 對 一 的 問 題 和 答 案 關(guān) 聯(lián) 鍵 值 對 袁 作 為 知 識 數(shù) 據(jù) 存 儲 到 云 數(shù) 據(jù) 中 心 袁 當 有 相 同 語 義 問 題 的 時 候 自 動 調(diào) 用 答 案 進 行 解 答 袁 用 戶 問 題 搜 索 次 數(shù) 越 多 袁 范 圍 越 廣 袁 專 家 解 答 過 的 問 題 越 多 袁 資 源 池 數(shù) 據(jù) 庫 對 問 題 的 命 中 率 就 越 高 袁 如 圖 6 所 示 遙 資 源 池 數(shù) 據(jù) 庫 答 疑 數(shù) 圖 6 虛 擬 專 家 問 題 解 答 流 程 圖 Fig 6 Flow chart of virtual expert problem solving 9 2Vol 1 No 3 圖 7 專 家 主 動 服 務(wù) 模 式 視 頻 并 發(fā) 技 術(shù) 路 線 圖 Fig 7 Expert active service mode video concurrency technology roadmap 據(jù) 采 用 循 環(huán) 神 經(jīng) 絡(luò) 算 法 和 文 本 處 理 技 術(shù) 袁 有 效 降 低 用 戶 轉(zhuǎn) 接 人 工 專 家 的 概 率 遙 2 3 4 應(yīng) 用 層 關(guān) 鍵 技 術(shù) 應(yīng) 用 層 主 要 負 責(zé) 實 現(xiàn) 用 戶 需 求 的 各 項 功 能 袁 以 及 提 供 調(diào) 用 接 口 遙 淵1 冤 專 家 主 動 服 務(wù) 模 式 遙 應(yīng) 用 物 聯(lián) 網(wǎng) 集 成 技 術(shù) 和 HTML5 技 術(shù) 袁 專 家 登 錄 服 務(wù) 系 統(tǒng) 對 蔬 菜 棚 室 的 物 聯(lián) 網(wǎng) 系 統(tǒng) 進 行 遠 程 監(jiān) 管 袁 實 現(xiàn) 對 各 個 節(jié) 點 的 巡 視 袁 實 時 查 看 各 蔬 菜 大 棚 監(jiān) 測 點 的 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 和 圖 像 信 息 袁 專 家 可 通 過 系 統(tǒng) 對 棚 室 內(nèi) 的 攝 像 機 進 行 旋 轉(zhuǎn) 和 變 焦 操 作 來 發(fā) 現(xiàn) 蔬 菜 生 產(chǎn) 中 的 問 題 袁 也 能 在 系 統(tǒng) 中 進 行 實 時 語 音 或 非 實 時 留 言 提 示 來 提 供 技 術(shù) 解 決 方 案 遙 該 技 術(shù) 的 視 頻 監(jiān) 管 部 分 主 要 利 用 螢 石 云 的 開 發(fā) 者 平 臺 和 推 流 技 術(shù) 淵 見 圖 7 冤 袁 攝 像 頭 通 過 在 螢 石 云 注 冊 后 袁 系 統(tǒng) 會 自 動 生 成 不 同 格 式 的 在 線 視 頻 流 地 址 袁 主 要 包 括 HLS 播 放 地 址 和 RTMP 播 放 地 址 袁 其 中 HLS 格 式 播 放 地 址 可 以 直 接 在 支 持 HTML5 的 網(wǎng) 上 終 端 直 接 調(diào) 用 遙 Android 和 蘋 果 手 機 客 戶 端 均 可 直 接 使 用 袁 缺 點 是 延 時 較 高 袁 RTMP 格 式 延 時 較 小 袁 但 是 一 般 需 要 帶 客 戶 端 使 用 遙 螢 石 云 服 務(wù) 平 臺 在 免 費 使 用 的 情 況 下 只 能 并 發(fā) 3 路 袁 無 法 滿 足 云 服 務(wù) 的 高 并 發(fā) 需 求 遙 因 此 袁 系 統(tǒng) 通 過 FFmpeg 淵 一 套 可 以 用 來 記 錄 堯 轉(zhuǎn) 換 數(shù) 字 音 頻 堯 視 頻 袁 并 能 將 其 轉(zhuǎn) 化 為 流 的 開 源 計 算 機 程 序 冤 將 視 頻 流 推 送 至 Nginx 服 務(wù) 器 實 現(xiàn) 用 戶 高 并 發(fā) 訪 問 袁 即 可 突 破 并 發(fā) 限 制 袁 實 現(xiàn) 專 家 主 動 服 務(wù) 模 式 的 高 并 發(fā) 訪 問 遙 淵2 冤 用 戶 人 機 模 式 遙 用 戶 通 過 智 能 手 機 端 或 PC 端 直 接 對 系 統(tǒng) 進 行 查 詢 袁 可 以 通 過 文 字 或 上 傳 圖 片 的 形 式 進 行 服 務(wù) 請 求 遙 系 統(tǒng) 接 收 來 自 用 戶 物 聯(lián) 網(wǎng) 系 統(tǒng) 的 反 饋 數(shù) 據(jù) 和 用 戶 人 工 輸 入 的 問 題 數(shù) 據(jù) 并 進 行 處 理 袁 反 饋 給 用 戶 信 息 遙 該 模 式 與 常 規(guī) 的 技 術(shù) 服 務(wù) 類 系 統(tǒng) 平 臺 的 技 術(shù) 路 線 相 似 袁 數(shù) 據(jù) 處 理 流 程 主 要 由 Hibernate 框 架 實 現(xiàn) 袁 利 用 其 對 象 映 射 能 力 降 低 系 統(tǒng) 的 開 發(fā) 難 度 和 模 塊 耦 合 度 遙 圖 像 上 傳 比 對 主 要 是 調(diào) 用 數(shù) 據(jù) 層 的 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 模 型 進 行 匹 配 袁 如 置 信 率 低 于 80 則 轉(zhuǎn) 入 人 工 專 家 處 理 袁 高 于 或 等 于 80 則 直 接 輸 出 判 斷 結(jié) 果 到 用 戶 終 端 遙 淵3 冤 野 人 人 互 動 冶 模 式 遙 主 要 通 過 服 務(wù) 系 統(tǒng) 建 立 專 家 與 用 戶 的 對 話 平 臺 袁 專 家 可 通 過 智 能 手 機 端 與 用 戶 進 行 實 時 對 話 遙 本 系 統(tǒng) 為 實 現(xiàn) 輕 量 級 的 客 戶 端 應(yīng) 用 袁 采 用 HTML5 定 義 的 WebSocket 協(xié) 議 實 現(xiàn) 實 時 通 訊 遙 WebSocket 是 一 種 在 單 個 TCP 連 接 上 進 行 全 雙 工 通 信 的 協(xié) 議 袁 允 許 服 務(wù) 器 端 主 動 向 客 戶 端 瀏 覽 器 推 送 數(shù) 據(jù) 袁 避 免 了 傳 統(tǒng) 推 送 技 術(shù) 依 靠 輪 詢 帶 來 的 服 務(wù) 器 資 源 消 耗 遙 WebSocket 通 信 協(xié) 議 于 2011 年 被 IETF 定 為 標 準 RFC6455 袁 并 由 RFC7936 補 充 規(guī) 范 遙 WebSocket API 也 被 萬 維 網(wǎng) 聯(lián) 盟 定 為 標 準 遙 WebSocket 能 更 好 的 節(jié) 約 云 端 服 務(wù) 器 資 源 和 網(wǎng) 絡(luò) 帶 寬 袁 并 且 能 夠 提 供 較 好 的 實 時 性 互 動 遙 依 靠 WebSocket 協(xié) 議 袁 棚 室 蔬 菜 用 戶 和 專 家 只 需 通 過 手 機 瀏 覽 器 與 服 務(wù) 器 分 別 完 成 一 次 握 手 袁 就 能 創(chuàng) 建 持 久 性 連 接 和 通 訊 遙 張 海 峰 等 院 基 于 云 服 務(wù) 的 棚 室 蔬 菜 智 能 終 端 系 統(tǒng) 設(shè) 計 與 實 現(xiàn) 要 要 要 以 黑 龍 江 省 為 研 究 案 例 9 3智 慧 農(nóng) 業(yè) S m a r t A g r i c u l t u r e Vol 1 No 3 淵4 冤 知 識 關(guān) 聯(lián) 搜 索 引 擎 遙 專 家 知 識 與 棚 室 蔬 菜 生 產(chǎn) 者 的 知 識 供 需 匹 配 需 要 通 過 知 識 關(guān) 聯(lián) 搜 索 引 擎 對 知 識 內(nèi) 容 進 行 匯 聚 堯 選 擇 與 評 價 袁 調(diào) 用 數(shù) 據(jù) 層 的 知 識 圖 譜 模 塊 袁 使 相 類 似 的 知 識 或 者 問 題 匯 聚 在 一 起 13 18 遙 選 擇 主 要 目 的 是 搜 索 與 用 戶 服 務(wù) 請 求 吻 合 度 最 高 的 服 務(wù) 數(shù) 據(jù) 集 袁 通 過 模 型 對 問 題 的 本 質(zhì) 特 征 進 行 描 述 袁