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)

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)

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，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制系统,搭建适应园艺作物生长的智能化系统平台。

人工智能系统；园艺栽培；硬件；软件

0 引言

园艺栽培技术主要是指蔬菜、观赏植物和果树等的培育及繁育技术。随着我国国民经济的快速发展和城镇化进程的推进，园艺栽培已成为农业种植中不可缺少的一部分，对人类生存环境的美化和改善具有极其重要的作用。

蔬菜、观赏植物和果树等的栽培不仅需要充足的光照、适宜的温度和湿度等自然环境，还需要灌溉、通风、施肥等诸多条件的配合。为了改变水果等园艺植物受自然条件严重制约的现状，人们试图寻找将计算机、物联网技术等应用到一定的人工模拟智能化温室中，将园艺栽培技术和计算机技术进行有机结合，利用人工智能技术，模拟植物生长适宜的环境条件，逐步出现了如玻璃温室模拟园艺植物成长环境等生产新模式，加速了园艺栽培产业生产、流通的现代化和国际化。

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前、产中、产后各要素的效应和相互关系,不仅体现了园艺栽培技术，还体现了与计算机技术和物联网技术的有机结合。人工智能控制系统在实时检测温度、湿度、光照、降雨量等环境条件的同时，还可以检测土壤的重金属含量、pH 值等重要信息。实时传感数据采集能实现实时数据采集和历史数据存储，能够实现园艺作物生产的科学决策，对于科学施肥、灌溉作业来说都具有非常重要的意义。园艺智能化应用系统集各种综合信息于一体，实时并及时传递影响园艺作物生长与生产的信息，对园艺作物的生长和生产进行在线指导, 对生产过程中产生的问题进行定性诊断和定量决策,为提高园艺作物的产量和质量提供科学决策，具有重大的现实意义。

1 人工智能系统的设计

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。

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。

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

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、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.1Figure 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。

表1 作物生长所需的适宜条件

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]。

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。

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

基于智能化温室对人工智能控制系统服务器远程管理的要求，微处理器必须具备以下特点：功耗低、性价比高、指令周期短[8]。从低成本和高性能的角度出发，本研究采用S3C6410型RSIC 处理器，其可以广泛应用于移动电话、平板电脑和智能化设备中，而且能为3G 通信提供优秀的硬件服务，满足人工智能控制系统对微处理器的需要。

1.3.2 人工智能控制系统传感器的选择

1)湿度传感器的选择。湿度信号是湿敏元件对水接触的灵敏度的响应值。市面销售的湿敏元件主要有高分子、半导体陶瓷、电解质和其它4大种类。A1203 型号湿度传感器具有滞后性较小、线形度好、响应速度快的优点，因其为高分子材料元件，还具有测量湿度高精确度(±4%Rh)的特点，因此选择A1203 型号湿度传感器较为合适。

2)智能化温度传感器的选择。温度是人工智能控制系统各个环境因素中最基本的输入变量，因此在选择温度传感器时不仅要考虑到传感器的使用寿命和价格，还要考虑到其对温度的准确度。DS18B20型传感器具有灵敏度高、线性好、使用灵活方便的特点，符合本智能控制器的要求。

3)光照度传感器的选择。控制遮阳网的开关是光照度传感器，开关控制遮阳网可以满足作物对光照量的需求，光照又是影响作物进行光合作用、合成有机物质的重要条件，所以光照度传感器也是智能控制系统的重要组成部件。Po188-c型光照度传感器具有安装方便、抗干扰、体积小、线性度好等特点，满足要求。传感器类型如表2所示。

表2 传感器类型

1.4 人工智能控制系统软件的选择

服务器远程管理系统是人工智能控制系统的“大脑”，操作系统是系统的“灵魂”。要想对应用软件进行操作，则必须有相应的操作系统才能实现。S3C6410支持的主流操作系统有WINCE、Linux和Android。随着科科学技术的发展，Android 操作系统智能手机和平板电脑广泛应用于人们的生产和生活中，其在支持智能手机和平板电脑的同时，还支持众多硬件平台，为人们所喜爱。S3C6410支持的主流操作系统有WINCE、Linux和Android，符合人工智能控制系统对于软件的需求。

嵌入式操作系统不仅广泛地应用于与计算机相关的各个领域，如智能手机、平板电脑、医疗设备和航空航天中，而且在实际操作中可以根据自己的需要和需求来对操作系统进行灵活进行裁剪，因此嵌入式操作系统为比较适宜的系统。

2 园艺作物智能平台的构建

为了满足不同园艺作物的生长条件，迫切需求园艺作物智能系统开发工具，因此搭建一个通用的、基于园艺作物领域的智能平台系统便显得特别重要。系统管理员可以利用这个平台开发适合自己的、不同作物类型的园艺作物生长管理系统。这个智能平台是专门针对园艺作物生产管理的特点研究和开发的，不仅实现了数据的统一管理，而且还能够很好地支持并行开发与研究。

2.1 园艺作物智能平台的功能和特点

1)为方便系统管理员操作，本平台能够提供直观、友好、便于用户操作的图形用户接口；为满足大众用户的需求，本平台的操作系统还应该提供具有丰富多媒体功能的应用系统界面。

2)为满足用户的对平台的不同需要，智能化应用软件还应根据不同的需要进行单独安装和运行，实现智能应用系统软件的封装与启用，且允许封装后的智能应用系统软件方便地插入到平台架构下。

3)根据园艺作物的生长特点的不同,智能化平台还应能够提供多种园艺作物应用框架的模型,满足不同的园艺作物生长的需要。

4)针对管理员随时可以更新系统的需要，智能化平台支持异构计算环境,用来满足用户可在异地、异种工作平台协同地对智能应用系统进行开发和应用的要求。

2.2 园艺作物智能平台的构建

2.2.1 框架模型的建立

因园艺作物在生长过程中所需要的环境条件不同，因此平台的构建者需要通过对不同园艺作物生长发育全过程中所需要的营养、水分和光照等环境因素进行比较试验,构建养分动态图，通过对高产量园艺作物生长条件的指标数据进行大量的分析，建立园艺作物生长发育与环境关系的数据库通用框架。平台的使用人员不仅可以根据自己的需要修改这些数据,还可把这些数据信息推送给数据管理者，参与平台数据库管理者的决策推理。

平台构建者根据园艺作物生长发育全过程中不同栽培和培育技术所产生的综合效应和管理指标,分析整理了高产量农作物的基础数据，建立知识库框架；平台使用者可以根据本地区的实际情况作相关参数的调整，调用满足自己需要的知识模块。平台可以对不同的数据模型库进行查询、修改并进行动态调用,数据模拟库可以和知识库挂钩。

2.2.2 系统结构的构建

智能化平台的功能包括通用平台、智能系统和实用信息系统3个层次。通用平台应包含知识储备量庞大的数据库信息，因其知识的复杂性，可能需要长时间的执行操作，又因其知识的日趋复杂性，知识库的建立是一个动态的建立过程。数据库不可能完全建好，需要对知识库进行动态维护，以满足时代发展的需要。智能系统则是根据自身的不同需要、环境和地区的差异情况，对平台的数据进行修改，为平台的使用者提供一个积极的二次开发的环境和工具，从而满足生产管理者的需要。

2.2.3 可视输入平台的构建

为使平台的使用者或操作者在对数据参数进行编辑过程中方便,保证参数输入的正确度，可视输入平台不仅要方便不同知识层次的操作者，还应该保证准确度。

数据参数的输入可通过录入和下拉菜单两种方法进行控制。参数在录入输入的过程中要设置数值上下限,保证数据输入的准确度和数值的合法化。对不能给出准确值的参数，要给出提示和解决办法，用户只需提供作物的类型和种植土壤的环境条件，数据输入系统即可给出提示，大大增加了平台的使用率。

3 结论

1)针对影响作物生长的温度、二氧化碳浓度、相对湿度及光照强度等环境因素，从降低成本和作物高产量的角度出发，以人工智能控制系统作为智能温室的核心部分，并从硬件和软件方面分别对人工智能控制系统进行研究和讨论。

2)通过比较，S3C6410型RSIC 处理器、A1203 型号湿度传感器、DS18B20型温度传感器及Po188-c型光照度传感器为比较适宜的硬件，而S3C6410型操作系统则为比较适宜的软件。此硬件和软件价格成本低廉，便于操作，是适宜的人工智能控制系统材料。

3)由于智能化管理平台为作物的生长提供了综合信息技术咨询和作物领域内专家数据库，根据不同管理者的需要，为用户图文并茂地根据环境和土壤的实际情况提供有力可行的决策意见，对园艺作物的生长起到了积极的指导作用。智能化平台在设计过程中广泛采用了可视化技术,管理员和操作者在使用时过程中可以根据自己的不同需要直接进行操作，无需找工程师或者平台的开发人员修改程序代码,在一定程度上实现了平台的二次开发和利用，加大了平台的利用率，从而实现了园艺作物生产的科学决策和在线指导。

[1] 周枝旺.基于 ASP_NET 的植物病虫害远程诊断咨询系统[D]． 福州:福建农林科技大学，2006．

[2] K.G.Arvanitis,Vernardos.Multriateadaptive temperature control of greenhouses[J].Computers and Electronies in Agrieulture,2000,26:303-320.

[3] 钟阳和,施生锦,黄彬香.农业小气候学[M].北京:气象出版社,2007.

[4] 严斧.作物光温生态[M].北京:中国农业科学技术出版社, 2009.

[5] 郭世荣.设施作物栽培学[M].北京：高等教育出版社,2012.

[6] 邓建军,徐立鸿, 吴启迪. 温室环境控制的特点及其系统组成[J]. 农业工程学报,1995(14):5.

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[8] 刘淼. 嵌入式系统接口电路设计Linux驱动程序开发[M].北京：北京航空航天大学出版社,2006.

The Application of Artificial Intelligence System in the Production of Horticultural Cultivation

Wu Shuyan, Zhu Kunhua, Wang Hui, Jiang Aide, Li Xiaoge

(Henan University of Animal Husbandry and Economy,College of Automation, Zhengzhou 450011, China)

With the rapid development of China's national economy，the acceleration of the urbanization process and and the improvement of living standard, the cultivation of horticultural production plays a very important role in our daily life. So as to meeet people's new requirements for the quality of life.Some artificial facilities in the modern means of science and networking technology is applied to change the present situation that the horticultural plants growth seriously restricted by natural conditions, and to make simulation environment of intelligent greenhouse suitable for plant growth and the role of horticulture and crop production management has become more and more significant. but because of the high price of our country existing intelligent greenhouse facilities and the money needed to invest in use process, the use of intelligent system is seriously restricted. The from the aspects of hardware and software respectively on artificial intelligence control system is studied and discussed, looking not only for the production market with low price, excellent quality, but also to build a artificial intelligence control system which can really come into the everyday life of the ordinary people. Building an intelligent system platform to adapt to the growth of horticultural crops.

artificial intelligence system; horticulture; hardware system; software system

2007-12-16

河南省“农牧业信息化”科技创新团队项目(HUAHE2015011)

武书彦(1975-),男，河南延津人，副教授，博士研究生，(E-mail)18103691417@163.com。

S126

A

1003-188X(2018)02-0216-05