基于云平台的智慧农业系统设计与实现.pdf

1 引 言 在中国经济快速发展的道路中 农业担当着必 不可少的角色 1 随着 云平台 和 大数据 逐步融 入传统农业 中国农业也开始走向智慧化 2 智慧农 业利用物联网 大数据 无线通信等技术来实现对 农业的智能化管理 并对整个农业生产进行智能化 指导和评估 从而尽可能避免出现农业生产中发生 意外或者由于生产风险因素而导致的减产等情况 对提高农业生产水平是质的突破 3 智慧农业云平 台对农业大数据进行统一管理和数据共享 并智能 分析与处理在农业生产各环节中采集的数据 以此 对农业生产进行精准控制 达到农业生产的可测 可 控和可预警等目标 智慧农业的发展核心在于大数据的应用 大数 据技术虽为农业生产带来了可观的成效 但目前大 数据技术的发展受数据采集的影响较大 农业生产 的信息化还存在不足 大数据技术在农业生产中应 用中还存在一些问题 尤其是农业大数据中心和分 析云平台建设尚不完善 因此 研究基于云平台的大 数据技术在智慧农业系统中的应用 也成为提高农 业生产整体技术水平的关键 基于云平台的智慧农业系统设计与实现 杨瑞丽 谢文丹 商丘工学院信息与电子工程学院 河南商丘476000 摘 要 物联网 大数据和云平台等技术在现代农业的应用 使智慧农业已经成为传统农业的一 种新型发展方向 为顺应这一趋势 提高智慧农业系统的精准化控制程度 设计一种大数据模式下基 于云平台的农作物生长环境数据精准化采集系统 系统利用物联网相关技术 通过设计传感器电路 无线射频和采集存储模块 实现精准数据采集 在软件设计方面利用采集端确定数据 进行数据预处 理 通过设计数据库 提高数据处理效率 经对比实验 证明所设计系统能够提高农作物生产的精准化 控制程度 为未来智慧农业的前进探索提供了一种有效的发展模式 关键词 智慧农业 云平台 精确化采集 传感器 DOI 10 3969 j issn 1002 2279 2022 02 007 中图分类号 TP274 2 TN92 文献标识码 A 文章编号 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 基金项目 基于云平台的精准化智慧农业数据采集系统的研究与设计 20B520026 作者简介 杨瑞丽 1991 女 河南省商丘市人 硕士 主研方向 物联网 收稿日期 2022 02 09 微 处 理 机 MICROPROCESSORS 第2期 2022年4月 No 2 Apr 2022 2期 2 系统设计原理 由于物联网技术的存在 传统农业走向了智慧 农业 4 因此 智慧农业系统的基础依然是物联网系 统 智慧农业系统体系可以如同物联网系统结构一 样 划分为感知层 网络层 应用层三层 如图1所示 物联网中的一项关键技术就是传感器 智慧农 业系统中想要获得更加精准的农业相关数据 传感 器是必不可少的 它是数据采集的核心元件 在智 慧农业中采集和检测的数据主要有温度 湿度 光 照强度以及土壤温湿度等 5 本系统中需要用到的 主要传感器如图2所示 云平台是智慧农业中体现 智慧 的关键所在 云平台的架构如图3所示 它由四个层次构成 即 资源层 虚拟层 中间件层以及应用层 6 云平台是 智慧农业实现云端数据可视化的核心技术 本系统 的云平台架构即是根据该云平台架构进行设计的 3 系统实现 3 1 硬件设计 1 传感器电路模块 为了实现对农作物的生长环境数据进行精准的 采集 系统中传感器电路一共包括三大部分 温度采 集电路 湿度采集电路和光照度采集电路 所采用的温度传感器型号为TMK421 该设备 测量值范围为 250 850 并且温度越高 温度 传感器的电阻越大 湿度传感器基于MoO 3 纳米片 此类传感器对 湿度非常敏感 若湿度变化一个量级 则对应电路中 的电流可变化5个数量级 7 光照传感器是基于ZigBee3 0 其遵循无线通信 协议 不但可以精准获取到要检测环境中的光照强 度 而且可以将数据进行记录并保存 传感器电路模块设计中包含的这三大传感器模 块可精确采集农作物的生长环境数据变化 满足智 慧农业生产系统精确采集农作物生长过程中关键数 据的要求 2 无线射频模块 系统的无线射频模块采用ISO 14443设备 主 要由四大部分构成 生长环境物理特性 射频功率和 信号接口 读写器和电子标签 以及传输协议 8 设备天线可将读写器的数据通过某频率的电磁 波向外发送 电子标签进入信号接口的工作范围后 受感应电流的影响被激活 接着会导致存储信息被 发送出来 随后 将来自电子标签的载波信号传送给 读写器 读写器会将其进行解调与解码 而采集与存 储模块则会接收处理后的数据 3 采集与存储模块 在整个系统中 采集与存储模块作为最核心部 分存在 因为该模块的主要功能就是精准化采集数 据 如温湿度 光照强度 且对数据进行相应的分析 和处理 只有这样 才能调整出更加科学有效的农业 管理方案 数据采集存储模块的主要元件是ARM 嵌入式处理器 以此来实现精准采集数据的目的 具 体实现的模块如图4所示 图3 云平台架构 种植农业 温室种植 畜牧生产 种植农业 无线传感器网络 移动网络 互联网 传感器 控制器 摄像头 射频 识别 应用层 网络层 感知层 图1 智慧农业体系层次划分 a 温湿度传感器 b 光照度传感器 c 土壤温湿度传感器 图2 各类传感器实物图 中间件 资源层 虚拟层 应用层 VMware VMware VMware 温度传感器 湿度传感器 光照传感器 ARM S3C6410 无线射频模块数据 数据预处理 图4 数据采集存储模块硬件结构图 杨瑞丽等 基于云平台的智慧农业系统设计与实现 31 微 处 理 机 2022年 3 2 软件设计 系统的精准化数据采集是利用采集端来确定 数据的 因此在数据采集过程中可以省去配置这一 步骤 具体过程为 首先设置并确定数据字段 然后 输入网址 随之软件会自动识别并生成数据到确定 结果 其中每类数据和采集字段是一一对应的 此 外 还设计了字段可编辑的功能 比如 修改字段名 称 增减字段等 预处理是采集数据中的重要一步 在确定采集 端数据之后首先进行数据预处理 所谓数据预处 理 指的是将电路信号转换为数字信号 用于之后 系统处理的数据采集 数据预处理可由下式所示 式中 A i n 指的是第i层的第n个特征数据 f 代表 一种激活函数 B n 1 是一种集合 即第n 1层特征数 据 A j n 1 指的是第n 1层第j个特征数据 k ij n 指的是 A i n 的第j个卷积核 b i n 是一种偏值 即第n层的第i 个特征数据 最后 采集到的精准数据是通过池化 层处理后的预处理数据计算得到 也就是指滤波器 最大值 有下式 式中 down 即表示池化函数 数据库可以存储所有预处理后的数据 以供二 次搜索之用 如果确定采集到的数据是经过正规人 员修改过的 则必须重新采集更正数据 主要过程 为 将采集到的数据传送到主机 经过程序的自动 化判断 对农作物生长环境进行精准化数据采集 数据的精准采集流程图如图5所示 4 实验与分析 系统开发所用到的实验设备如图6 图7所示 传感器对应智能节点的连接图如图8所示 土壤温湿度传感器接线情况如图9所示 为了保证整个数据采集过程的准确和安全性 实验是在具有一定规模的温室农业大棚中进行的 此外 为了避免实验数据受到外界环境不稳定因素 的影响 如太阳光的照射等 实验设备均安置在农业 大棚的中央位置 且距离地面约2米左右 如图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 图5 数据采集流程图 1 down n n i i A A 2 系统初始化 MAIN函数 系统初始化 错报 关闭传感器 采集数据 数据存储 删除异常数据 取平均值 数据传输并存储 N Y 图7 开发套件内部结构 图6 实验开发套件 图8 传感器智能连接点 图9 土壤温湿度传感器接线图 图10 实验现场环境 32 2期 图11 云平台数据显示 系统的第三方接入云服务器是OneNET物联网 平台 该平台具有优秀的云计算和数据处理能力 当终端设备和OneNET云平台建立连接之后 通过 一定的网络协议将农业现场数据进行打包并上传至 云平台加以显示 如图11所示 系统对比实验使用相同型号的设备 使实验尽 量在同一环境下进行 以保证采集数据的真实有效 性 分别在设计的系统和传统系统中采集5次数据 实验以农作物生长环境的温度数据为例 实验环境 设定25 为生长环境温度 在此实验环境下测试采 集到的农作物生长环境温度数据的准确度 实验中 首先采用传统农作物生长环境数据采集系统对农作 物生长环境温度数据进行采集 再采用本系统在同 一条件下进行采集温度数据 进行对比实验 实验 数据对比如表1所示 5 结 束 语 与传统技术相比 云平台技术是本系统的最大 特色 该技术为系统提供了新的数据处理和远程控 制方式 并可以完成云端查询历史数据 实现数据追 溯 系统在满足设计要求的基础上 整体性能也较 为稳定 数据检测的准确度更高 此外 在物联网技 术下 基于云平台的智慧农业系统可以根据农作物 生长发育的规律对数据进行精准化采集 从而实现 农业的精细化培育 由实验对比也可看到 通过本 系统采集的数据要比通过传统农业系统采集的数据 准确率更高 由此表明本系统在进一步促进智慧农 业发展中的应用潜力和价值 参考文献 1 郑玲玲 基于物联网技术的温室大棚移动终端监控系统 分析 J 科技经济导刊 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 韩洋 基于大数据技术的农业物联网应用系统分析 J 计 算机产品与流通 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 张腾飞 崔俊宇 芮平 等 基于ZigBee技术的农作物环 境采集系统设计 J 南京工程学院学报 自然科学版 2017 15 4 21 25 ZHANG Tengfei CUI Junyu RUI Ping et al Design of agricultural environment acquisition system based on ZigBee technology J Journal of Nanjing Institute of Technology Na tural Science Edition 2017 15 4 21 25 4 张洲 基于物联网的智慧农业系统设计及实现 D 成都 电子科技大学 2019 ZHANG Zhou Design and implementation of smart agri culture system based on Internet of Things D Chengdu University of Electronic Science and Technology of China 2019 5 郑婷婷 基于物联网的智慧农业控制管理系统 D 西安 西安工程大学 2018 ZHENG Tingting Smart agriculture control and management system based on Internet of Things D Xi an Xi an Polyte chnic University 2018 6 张博文 基于物联网的智慧农业大棚监控系统研究 D 荆州 长江大学 2017 ZHANG Bowen The research of smart agricultural monito ring system based on Internet of Things D Jingzhou Yang tze University 2017 7 巩师洋 农业温室大棚远程智能监控系统的设计与实现 D 银川 北方民族大学 2018 GONG Shiyang Design and implementation of remote intel ligent monitoring and control system for greenhouse in agri cultural greenhouse D Yinchuan North Minzu University 2018 8 刘泽楠 基于物联网的智能温室控制系统的研究 D 石 家庄 石家庄铁道大学 2019 LIU Zenan Research on intelligent greenhouse control sys tem based on Internet of Things D Shijiazhuang Shijiazh uang Tiedao University 2019 本系统 25 3 组别 传统系统 1 2 3 4 5 24 6 25 4 25 1 24 2 25 8 24 3 26 0 25 2 25 0 表1 准确度对比实验数据 单位 杨瑞丽等 基于云平台的智慧农业系统设计与实现 33