人工智能系统设计在园艺栽培生产中的运用_武书彦

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2018 年 2 月
农机化研究
第2 期
季节的特殊性，对冬季和夏季两个季节人工智能控制 系统硬件进 行 设 计，不 再 考 虑 春 季 和 秋 季 两 个 季 节。 虽然不同季节的工作模式有所不同，但只是利用人工 智能温室控制系统启动不同的设备，以实现不同的季 节其温度、湿 度、二 氧 化 碳 浓 度 和 光 照 等 条 件 几 乎 一 致，让作物在 智 能 化 温 室 中 生 根 发 芽，从 而 保 证 作 物 的生长。
我国是 农 业 生 产 大 国，重 点 是 发 展 智 慧 农 业 生 产。所谓的“智慧农业”生产，主要体现在实时传感器 对于数据的采集、智能分析、联动控制、质量监控等 4 个方面。20 世纪七八十年代，我国通过引进国外先进 的智能化温 室 技 术，农 业 技 术 人 员 经 过 自 己 的 理 解， 并经过加工 和 创 新 后，形 成 了 适 合 我 国 农 业 生 产、符 合我国国情的国产智能化温室设施。虽然智能化温 室对园艺植物的生长具有积极的影响，但是国内外的 智能化温 室 发 展 仍 然 很 缓 慢，主 要 原 因 便 是 造 价 太 高，而且在使用过程中需要大量的资金予以支持。到 目前为止，我国只有一些企业和单位在使用智能化温 室［2］，因资金方面的原因，个人很难使用智能化温室， 难以真正走进普通百姓的日常生活。
中，将园艺栽培技术和计算机技术进行有机结合，利 线指导，对生产过程中产生的问题进行定性诊断和定
用人工智能技术，模拟植物生长适宜的环境条件，逐 量决策，为 提 高 园 艺 作 物 的 产 量 和 质 量 提 供 科 学 决
步出现了如玻璃温室模拟园艺植物成长环境等生产 策，具有重大的现实意义。
新模式，加速 了 园 艺 栽 培 产 业 生 产、流 通 的 现 代 化 和 国际化。
人 工 模 拟 智 能 化 温 室 在 使 用 过 程 也 需 要 大 量 的 资 金 投 入 ，严 重 制 约 了 智 能 化 控 制 系 统 的 使 用 。 为 此 ，从 硬 件 和
软 件 两 个 角 度 分 别 对 人 工 智 能 控 制 系 统 进 行 研 究 和 讨 论 ，寻 找 市 场 价 格 低 廉 、品 质 过 硬 、性 价 比 高 的 人 工 智 能 控
光照强度和二氧化碳浓度等环境因素便成了影响适 合作物在智 能 化 温 室 生 长 的 主 要 条 件［4 － 5］。作 物 生 长需光量曲线如图 1 所示。
图 1 作物生长需光量曲线模式图 Fig． 1 Figure of crop light requirement curve mode
人工智能化控制系统最主要的作用便是供给智 能化温室以 适 宜 的 温 度、相 对 湿 度、光 照 强 度 和 二 氧 化碳浓度，保证植物生长过程的进行。以往的实验表 明：植物生长最适宜的温度为 20 ～ 28℃ ；最适宜的相 对湿度则由于季节和作物种类的不同而有所不同，一 般在 50% ～ 85% 之间［6］；适 宜 的 二 氧 化 碳 体 积 分 数 为 1% ～ 1． 5% 。光补偿点和光饱和点是作物光合作 用对光强度要求的最低限和最高限，是作物生长提供 的光照必需，如表 1 所示。
人工智能控制系 统 集 园 艺 作 物 养 护 技 术 、通 信 技 术和传感技术于一体，具有便捷操作和易于管理的特 点。人工智能控制系统开发者只需要将本领域和本 系统的知识经调试和研究后装入系统中，形成所谓的 专家知识库，使用者和操作者无需懂得计算机专业知 识便可对控制系统进行操作。
植物的健康生长 离 不 开 光 合 作 用 和 呼 吸 作 用 ，更 离不开蒸腾作用及其体内有机物质代谢、运输的有机 结合［3］。因此，作为影响植物生长的温度、相对湿度、
虽然我国的智能化系统的研究和应用是国际上 比较早的国 家 之 一，取 得 了 一 定 的 成 果，但 同 国 外 智 能化温室先进化的水平相比，我国在最近几十年才开 始逐渐接触人工智能化温室控制系统，在近几年才开 始对环境监测技术进行全面的研发。针对智能化温 室价格昂贵、难 以 普 及 的 特 点，本 文 对 于 智 能 化 温 室 的核心部分核心部分人工智能控制系统进行了研究， 分别从硬件和软件两个方面进行讨论，试图寻找一种 生产市场价格低廉、生产品质过硬、性价比较高、能与 国外系统相媲美的人工智能控制系统，用于我国普通 智能化温室，更好地提供园林植物生长的环境条件。 1． 2 人工智能控制系统总体的构建
及，美国成为最早将计算机应用到大型智能温室生产 的控制和管 理 的 国 家，并 且 运 行 取 得 了 一 定 的 成 绩。 素以园艺业著称的荷兰开发的人工智能温室控制系
收稿日期： 2007 － 12 － 16 基金项目： 河南省“农牧业信息化”科技创新团队项目（HUAHE2015011） 作者简介： 武书 彦 （ 1975 － ） ，男，河南延津人，副教授，博士研 究 生，
目前 ，国内外研究 比 较 成 熟 的 人 工 智 能 控 制 系 统 主要可以分为以下 4 种：单片机控制系统、可编程逻 辑器件控制系统、工控机控制系统和分布式智能控制 系统。本文从成本低廉和客户方便使用的角度出发， 将服务器远程管理和现场测控系统相结合，满足了普 通百姓的需要。服务器远程管理系统是整个温室群 的管理者和 控 制 者，仅 在 暴 风 雨、暴 雪 等 特 殊 天 气 的 情况下，通过 发 送 命 令 对 智 能 化 温 室 的 各 个 窗 户、风 扇、湿帘、内外 遮 阳 网 等 控 制 设 备 进 行 手 动 开 启 和 关 闭等，其他情 况 下 一 般 不 直 接 参 与 控 制，实 现 了 对 温 室群的智能化远程管理，并可对整个系统运行环境进 行设定、处理和存储。现场控制系统是各个智能化温 室的主控中 心，由 温 室 智 能 控 制 设 备、传 感 设 备 和 执 行设备 3 部分组成，分布在各个智能化温室大棚中。 传感器用来测定数据，并实时监控着智能化温室的各 项环境指标，如温度、相对湿度、光照强度及二氧化碳 浓度等数据，并 根 据 人 工 智 能 控 制 系 统 发 出 的 指 令， 自动同步到智能化温室各个被控设备上。 1． 3 人工智能控制系统硬件的构建 1． 3． 1 人工智能控制系统微处理器的选择
2018 年 2 月
农机化研究
第2 期
人工智能系统设计在园艺栽培生产中的运用
武书彦，朱坤华，王 辉，蒋爱德，李晓歌
（ 河南牧业经济学院 自动化学院，郑州 450011）
摘 要： 随 着 我 国 国 民 经 济 的 快 速 发 展 、城 镇 化 进 程 的 加 速 和 人 们 生 活 水 平 的 提 高 ，园 艺 栽 培 生 产 在 日 常 生 活
合考虑因作物品种的不同施肥、灌溉等园艺作物生产 过程中关 键 的 技 术 问 题，以 及 其 影 响 作 为 生 长 的 产
园艺栽培技术主要是指蔬菜、观赏植物和果树等 前、产中、产后各要素的效应和相互关系，不仅体现了
的培育及繁育技术。随着我国国民经济的快速发展 园艺栽培技术，还体现了与计算机技术和物联网技术
中扮 演 着 非 常 重 要 的 角 色 ，满 足 了 人 们 对 生 活 质 量 的 全 新 要 求 。 充 足 的 光 照 、适 宜 的 温 度 和 湿 度 等 自 然 环 境 是
影 响 蔬 菜 、观 赏 植 物 和 果 树 的 生 长 的 重 要 条 件 ，为 了 改 变 园 艺 植 物 受 自 然 条 件 严 重 制 约 的 现 状 ，人 们 逐 渐 将 计 算பைடு நூலகம்
机 、物 联 网 技 术 等 应 用 到 一 定 的 人 工 模 拟 智 能 化 温 室 中 ，模 拟 出 适 宜 植 物 生 长 的 环 境 条 件 。 人 工 智 能 模 拟 化 系
统 作 为 人 工 模 拟 智 能 化 温 室 的 核 心 部 分 ，在 园 艺 栽 培 和 作 物 的 生 产 管 理 中 的 作 用 日 益 显 著 ，但 由 于 其 造 价 太 高 ，
根据作物生长过 程 中 需 要 的 温 度 、湿 度 及 光 照 等 条件等要求，春 季 和 秋 季 的 温 度、湿 度 及 光 照 条 件 较 适宜，能基 本 满 足 作 物 生 长 的 自 然 条 件。 但 是，冬 季 光照时间短、温 度 低，夏 季 则 光 照 时 间 长、温 度 高，这 些条件无法满足植物生长的需要，严重制约着作物的 生长和发育。由于一年四季中春季和秋季持续时间 比较短暂，冬 季 和 夏 季 则 持 续 的 时 间 较 长，因 此 针 对
表 1 作物生长所需的适宜条件
温度 /℃
湿度 /%
二氧化碳体积分数 /%
20 ～ 28
50 ～ 85
1 ～ 1． 5
作为智能化温室核心部分的人工智能温室控制 系统，智能化 温 室 内 外 安 装 的 各 种 传 感 器、感 应 器 及 其气象站发布的天气预报则是影响作物生长的环境 因素参数信息的主要来源。为了提高作物的产量和 降低种植成本，需要人工智能温室控制系统把智能化 温室的窗户、内外遮阳网和湿帘等智能控制设备调节 到最佳的工作状态，给各种作物的发育成长提供最适 宜的温度、相 对 湿 度 和 光 照 强 度 等 自 然 环 境，满 足 各 种作物发育成长发育的需要［7］。
（ E － mail）18103691417@ 163． com。
统，对控制系 统 设 置 参 数 的 同 时，还 可 以 通 过 界 面 给 智能温室设备以相应操作提示，同时完成远程参数的 设置、信息 的 报 警、控 制 和 管 理 等 功 能。 以 色 列 针 对 如何测量作 物 的 高 度、植 物 叶 子 的 厚 度、表 面 的 温 度
1 人工智能系统的设计
温室气候人工控制的智能控制系统作为最能体 现智能化温室优劣的核心部分，是一种特殊的应用软 件，是达到工业化生产水平的关键环节。整个智能系 统涉及到多种技术 （ 如先进传感器技术、计算机应用 技术和智能控制技术等） 和学科（ 如生物科学等） 。综
1． 1 设计理念的由来 随着计 算 机、互 联 网 和 数 字 控 制 技 术 的 逐 步 普
制 系 统 ，搭 建 适 应 园 艺 作 物 生 长 的 智 能 化 系 统 平 台 。
关键词： 人工智能系统； 园艺栽培； 硬件； 软件
中图分类号： S126
文献标识码： A
DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2018.02.043
0 引言
文章编号： 1003 － 188X（ 2018） 02 － 0216 － 05
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农机化研究
第2 期
和湿度，研究开发了作物生态监测仪，不仅数据准确， 还能 21h 不间断工作，定时对数据进行收集和传送。 英国将计算机远程遥控技术运用到智能温室里的各 项环境数值予以远程遥控调节的智能控制系统，可以 将计算机数据进行传送。日本则利用网络技术来对 异地进行监 控 和 管 理，实 现 大 型 农 场 的 种 植； 日 本 政 府对智能 化 系 统 比 较 重 视，对 农 业 专 家 系 统 重 视 较 早，设施园艺 植 物 的 栽 培 管 理 及 病 虫 害 诊 断 系 统，均 取得了良好 效 果［1］。 此 外，埃 及、英 国、加 拿 大、韩 国 等都在积极开展智能化系统的设计和研究。
和城镇化进程的推进，园艺栽培已成为农业种植中不 的有机结合。人工智能控制系统在实时检测温度、湿
可缺少的一部分，对人类生存环境的美化和改善具有 度、光照、降雨量等环境条件的同时，还可以检测土壤
极其重要的作用。
的重金属含量、pH 值等重要信息。实时传感数据采
蔬菜、观赏植物和果树等的栽培不仅需要充足的 集能实现实时数据采集和历史数据存储，能够实现园
光照、适宜的温度和湿度等自然环境，还需要灌溉、通 艺作物生产的科学决策，对于科学施肥、灌溉作业来
风、施肥等诸多条件的配合。为了改变水果等园艺植 说都具有非常重要的意义。园艺智能化应用系统集
物受自然条件严重制约的现状，人们试图寻找将计算 各种综合信息于一体，实时并及时传递影响园艺作物
机、物联网技术等应用到一定的人工模拟智能化温室 生长与生产的信息，对园艺作物的生长和生产进行在