基于云平台的人工智能大棚种植系统关键技术研究

徐全福，雷友建，李春江

（江门职业技术学院，广东 江门 529090）

基于云平台的人工智能农业控制系统是以人工智能和大数据为基础的新一代农业现代化生产模式，人工智能技术在现代农业中的应用就是通过各类传感器设备采集数据、无线网络进行数据传输以及相互连通，再通过视频识别、语音识别、进行环境参数的采集，最后通过控制终端进行自动控制，形成人工智能农业大棚种植自动控制系统。

1 市场调研

经过走访珠三角一些农业大棚发现，目前我国的大棚种植还是以人工为主，科技应用不高，需要大量的人工，严重影响了大棚种植的高产高效和现代化农业的建设。经调研发现城市周边郊区主要以大棚种植蔬菜类为主，因为蔬菜生产周期短，效益高，但人工成本是大棚蔬菜种植的主要压力，面对虫害、高温等外围环境农场主也是比较被动，无法做到实时管理，而农业种植自动控制管理系统正是针对农业种植过程中需要解决的问题而研发的，有助于解决劳动力不足的问题以及提高产能。

2 系统需求分析

通过用户需求分析，农业大棚种植农业系统主要对环境中的土壤温湿度、大气温湿度、二氧化碳和光照强度等数据进行实时采集，同时在农场建设照明、喷洒、抽风等农业控制基础设施，若外界环境的变化超过预设的值，系统会自动进行启动和停止相关控制，自我调节农场的环境参数，营造一个适合植物生长的环境，如打开抽风机通风、实施喷洒等自动控制，除了要采集环境数据外，想要更加精准地了解农场里的植物生长状况，还需要增加视频监控功能，用于对农场里的植物进行生长监控视频录制和进行图像对比识别，通过视频监控和图像识别来进行大数据分析统计，进而判断农作物的虫害情况，同时对农作物的生长进行预测与评估，基于云平台的人工智能农业种植控制系统就是利用物联网与大数据、互联网融合的技术，及时地反馈信息，有助于更加精准地解决农业问题，极大地提高农业的经济效益和生态效益。

3 系统架构总体分析

通过对基于云平台的智慧大棚种植控制系统自动需求分析，大棚种植农业系统总体架构主要包括传感器信号采集、无线通信、数据终端处理、云平台服务器4个部分，该系统架构具体为传感器数据采集、环境监测、视频控制、远程控制、大数据预测分析，其信号传输主要是利用感知层的传感器采集农业大棚环境数据，然后通过无线通信技术发送到云端服务平台进行存储，网络层网关通过协议对传输的数据信息进行封装或加密，并将封装后的数据发给网络的传输层，数据再通过传输层实现远距离传送，这样用户在应用层可以随时通过手机终端、电脑等设备实时查看农业大棚里的的环境数据，还可以进行农作物的预测分析、远程控制、预警设置等管理，图1为系统架构网络层结构，以及其数据传输流程。

图1 人工智能大棚种植功能需求分析Fig.1 Analysis of planting function demand of artificial intelligence greenhouse

4 Zigbee无线传感节点设计

Zigbee是随着物联网技术发展起来的一种新兴数据传输技术，主要用在传输速率低、近距离传输范围的各类电子设备之间。无线传感节点是将单个传感数据进行组网的节点，人工智能农业大棚控制系统各环境参数采集后通过无线传输技术进行传输和组网，采用Zigbee 来进行无线节点通信，Zigbee 网络主要包括路由器、协调器、终端结点，在Zigbee 协调器开启后，Zigbee无线节点会对网络自动进行扫描，此时协调器会自动寻找没有Zigbee 节点的信道，找到相对稳定且没有干扰的信道作为其组网的网络信道，当其他节点传感设备开启后，节点此时会自动搜索并连接到对应的网络，同时发出Beacon 信号产生自己的子节点，这样一个Zigbee无线通信网络就搭建起来了，所以只要组建的网络各子节点之间能够相互连接，协调器与节点之间就能实现数据传输。

系统传感器数据采集流程：首先Zigbee 无线节点与传感器连接，Zigbee 开启组网建立后，Zigbee 无线节点首先会将传感器模块收集的空气湿度、二氧化碳、土壤湿度、空气温度、光照、土壤温度等环境数据实时传送至系统Zigbee 协调器，由Zigbee 协调器经过网关统一进行转发，经过移动通讯网络，将信息数据发送至云平台服务器，之后处理保存到云端数据库，其工作流程如图2所示。

5 系统的主要功能

5.1 实时监测功能

人工智能农业大棚系统中安装了各种环境传感器，传感器可以实时对种植环境的各项数据进行检测和收集，如湿度、温度、pH 值等，当传感器将环境数据采集后，通过无线网组网，将环境中的各项信息数据发送到后端的服务管理云平台，云平台对传输过来的数据进行储存，并在显示终端进行显示，用户不仅可以实时查看环境数据，还可以利用大数据技术进行分析，预测植物生长情况或虫害的发生。

图2 Zigbee节点工作流程图Fig.2 The ZigBee node work flow

5.2 云平台远程控制功能

首先农业生态系统云平台服务管理器对传输过来的环境数据进行准确分析之后，系统会对比数据进行植物生长分析并预测结果，如此系统就会了解到农业生产种植环境中的状况，实现系统的自动控制，例如及时地保持生产区的通风、开启洒水开关、增加光照等，同时用户还可通过手机APP 或终端显示屏随时了解大棚中环境的大气温湿度、土壤湿度、光照强度、二氧化碳浓度等环境的变化，也可改成手动模式，对控制系统进行手动调节，同时系统还设置了多种蔬菜种植模式，农户可以实现多种农作物种植，给大棚种植提供最适宜的环境生长参数。

6 总结

基于云平台的人工智能农业控制系统的关键技术研究能克服环境对植物生长的限制，通过实时采集传感器数据与传统的种植形式相对比，实现系统自动调节，同时通过调节种植环境中的土壤湿度、空气温湿度、二氧化碳浓度、光照强度等参数指标，减少季节对农作物生长的限制，从而减少大棚种植中农作物对自然环境条件依赖，使农作物始终处于在最佳的生长环境中，大大降低种植成本，缩短种植时间，实现节能增收。