设施农业物联网情景感知技术应用研究

宋斌　陈立平　陈天恩

摘要 将虚拟现实与物联网技术相结合，构建基于物联网情景感知的设施农业生产三维可视化管理系统。通过在三维制作软件Maya中使用多边形建模方法构建日光温室等模型，并应用骨骼动画技术实现卷帘控制动画，结合Unity3d三维引擎快速构建整个日光温室园区的三维场景；完善感知数据传输及设备远程控制功能，实现设施农业三维交互场景与物联网测控功能的融合，通过三维场景实时获取温室内数据并实现设施生产执行机构的在线控制，解决复杂三维场景客户端协调处理瓶颈。结果表明，设施农业物联网情景感知技术可以为设施农业智能化生产及未来并行化农业生产管理提供技术支撑。

关键词 虚拟现实； 情景感知； 设施农业； 物联网； Unity3d

中图分类号 S126；TP391.9 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）20-369-03

Abstract In order to build the 3D visualization management system of facility agriculture of the technology of Internet of context awareness， it is appropriate to develop based on virtual reality and the Internet of things technology. This paper uses polygon modeling method to construct the greenhouse model in the threedimensional production software of Maya， and applies the skeletal animation technology to realize rolling control animation， and constructs the complete scene of the greenhouse park efficiently by Unity3d； improving the perception of the data transmission and remote control functions for devices， the integration of interactive 3D scene of facility agriculture with monitoring and control functions of Things was realized， the realtime data of greenhouses was obtained and the online control of the facility actuator in the threedimensional scene was achieved， bottlenecks in the coordination of complex 3D client was solved； research shows that context aware technology in the facility agriculture of Things can provide technical support for the agricultural intelligent production and parallelization of agricultural production management.

Key words Virtual reality； Context awareness； Facility agriculture； Internet of Things； Unity3d

随着农业物联网的普及应用和大数据分析技术的逐渐成熟，海量实时感知数据处理问题的技术瓶颈正在被突破[1-3]，在收集分析农田环境中的传感器和其他各种来源的信息后，作物生长所处情景便能被计算机识别，一定时间内的记录也会被感知，通过虚拟现实技术，可以为农业生产管理人员提供真实再现的物联网情景感知信息和计算服务[4]。设施农业是一种高效的资源节约型农业发展技术，可以为农业生产提供高效可控的技术手段[5]，设施农业物联网是结合了无线传感器网络、物联网、计算机自动化控制、人工智能和专家知识库的构建发展起来的，可为种植作物的生长提供更加科学、有保障的环境[6]。虚拟现实技术已被广泛应用于作物的三维可视化[7-8]、景区的虚拟漫游、工业控制仿真及农业虚拟仿真等方面。

但目前在将设施农业物联网技术与虚拟现实技术相结合来为农业生产管理者提供三维可视化的服务方面尚无很好的研究。基于此，笔者研究将虚拟现实技术与物联网技术相融合，构建基于实时数据驱动的日光温室园区虚拟场景，开发实现的基于物联网情景感知的设施农业园区三维可视化管理系统，以三维可视化的方式为园区管理人员提供生产管理的服务。

1 设施农业物联网情景感知三维可视化模式

该研究將虚拟现实技术与物联网技术相结合，构建设施农业物联网情景感知日光温室园区三维可视化控制新模式的结构（图1），其由硬件控制模块、远端中心服务器模块和日光温室园区三维交互场景客户端模块构成。硬件控制模块是由工控机进行负责，实现对传感器采集的数据进行传输及对卷帘等控制设备的管理，并与远端中心服务器进行通信；中心服务器端运行的服务程序为远端工控机以及三维客户端提供通信，并协调处理多客户端的请求，通过调用“国家三农云服务平台”提供的农业知识库来对作物的生长提供控制决策；日光温室园区三维交互客户端是基于Unity3d引擎来构建三维可视化的场景，提供情景式的服务，实现日光温室园区的模拟，并通过调用服务器端的服务获取环境数据进行显示，当在三维可视化场景中向服务器发送控制指令，实现对温室卷帘等设备的控制并在三维客户端场景中进行实时的控制反馈仿真显示。

3.2.3

温室设备控制决策服务。

通过调用国家农业信息化工程技术研究中心研发构建的“国家三农云服务模型”中的作物分析决策接口，分析当前是否应对温室调控设备进行相应地控制。服务器端程序实现的为客户端提供的温室控制决策的处理结构如图8所示。

3.3 单客户端请求通信

单一日光温室园区三维可视化客户端与服务器的请求通信，用Unity3d提供的WWW网络通信类发送http请求来获取服务器端提供的Servlet服务，实现数据的请求及控制指令的执行。

3.4 复杂多客戶端请求通信控制策略

构建的日光温室园区三维管理客户端因同时部署了多套实现分布式的控制，故在同一时刻会有多个客户端对同一执行机构的控制，该研究实现多客户端协调控制的策略为在服务器端按照固定的算法，当客户端与服务器第1次请求连接时为其生成标识号，并将其返回给客户端，之后客户端通信就以此标识号进行标识，服务器对带有唯一标识的不同客户端进行排队处理，以协调处理可能导致通信请求的混乱。

3.5 系统部署运行

最终开发实现的设施农业园区三维管理系统，其整体由硬件控制机构、中心服务器和日光温室园区三维可视化管理客户端3个部分组成。其中硬件控制机构安装在湖北省宜昌市宜都市王家畈乡的农业园区示范区内的日光温室中。使用MyEclipse软件开发实现为三维客户端提供Servlet服务及与硬件控制机构通信交互控制的服务器程序部署在三峡大学中心机房电脑中的Tomcat7这一WEB服务器中。而由Unity3d开发发布的日光温室园区三维可视化管理客户端安装在三峡大学校内的服务器上及其设施农业基地内的管理中心的电脑中。经过现场运行测试，其实际运行情况良好，不仅可为园区人员提供三维可视化的管理控制服务，而且还可实现多客户端的协调控制及分布式的生产管理服务。

4 结语

基于Unity3d引擎制作三维可视化的农业温室场景，提供可以完全沉浸于其中进行三维漫游的功能，并且架构服务器端提供数据通信服务，实现可以在三维可视化的场景下访问远程服务器的服务，进行数据的通信，并对获取的数据存储进行建模分析做出决策，以向远程服务器发送控制指令，对相应的设备进行调控，为作物的生长提供适宜的环境条件。虚拟现实技术与设施农业物联网技术相结合的这一温室控制新模式充分应用设施农业物联网情景感知技术，以三维可视化的方式为农业生产者提供服务，实现对设施生产执行机构在线控制的应用研究，为设施农业智能化生产及未来并行化农业生产管理提供进一步的技术支撑。

参考文献

[1] 李道亮.物联网与智慧农业[J].农业工程，2012，2（1）：1-7.

[2] 童恩栋，沈强，雷君，等.物联网情景感知技术研究[J].计算机科学，2011，38（4）：9-20.

[3] 赵志军，沈强，唐晖，等.物联网架构和智能信息处理理论与关键技术[J].计算机科学，2011，38（8）：1-8.

[4] 杨宝祝，刘妍，吴华瑞，等.基于情景感知的个性化农业信息服务模型研究[J].农机化研究，2012，34（11）：11-13.

[5] 齐飞，周新群，丁小明，等.设施农业工程技术分类方法探讨[J].农业工程学报，2012，28（10）：1-7.

[6] 阎晓军，王维瑞，梁建平.北京市设施农业物联网应用模式构建[J].农业工程学报，2012， 28（4）：149-154.

[7] 赵春江，王功明，郭新宇，等.基于交互式骨架模型的玉米根系三维可视化研究[J].农业工程学报，2007，23（9）：1-6.

[8] 郭新宇，赵春江，肖伯祥，等.玉米三维重构及可视化系统的设计与实现[J].农业工程学报，2007，23（4）：144-148.

[9] 陈志荣，陈福民.基于骨骼混合的蒙皮网格技术[J].计算机辅助工程，2006（4）：57-60，68.