基于专家系统的智慧农业管理平台的研究

何伟+常赛

摘要：为实时远程监控植物的生长信息，科学地调节环境参数，设计了基于专家系统的智慧农业管理平台。平台由感知层、传输层及应用层构成，可实现对环境温度、土壤湿度、空气湿度、光照度及CO2浓度的实时采集，通过专家系统分析得出管理决策，自动调整适合植物生长的环境参数，并实时将数据及现场情况通过系统界面展示给用户，从而减少人工操作的不确定性，真正实现智慧农业管理。

关键词：专家系统；物联网；智慧農业；远程监控；管理平台

中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）31-0052-02

Abstract： Intelligent agricultural management platform based on expert system is designed for the real-time remote monitoring of the plants information and the scientific regulation of environmental parameters. The platform consists of the sensing layer， the transport layer and the application layer. Environmental temperature， soil moisture， air humidity， light intensity and CO2 can be analyzed by expert system. The environmental parameters can be automatically adjusted by the analysis decisions. The real-time data sent to the users through the interface of systems to reduce the uncertainty of manual operation. So this system can realize the real wisdom of agricultural management.

Key words：expert system； internet of things； intelligent agriculture； remote monitoring； management platform

1 背景

农业是一个国家的立国之本，随着科技的发展，以人工智能为基础的智慧农业快速发展，促使了农业由简单自动化朝着智慧农业转型。智慧农业的核心技术涉及两个方面：一、如何实现数据的采集及传输；二、如何体现“智慧”。首先利用物联网体系结构，可以实现对农作物生长环境参数的采集及控制，为实现智慧农业提供了技术支持[1，2]。但仅利用物联网技术只是在原来简单自动化的基础上增加了可视及可控性，还不能称之为真正的智慧农业。专家系统能模仿人类的思维，根据拥有的专门知识进行推理，解决只有专家才能解决的问题[3]。本平台利用专家系统的智慧，实现在物联网基础上的智慧农业监控平台，减少在传统自动化控制下的单一性及人工控制平台对于操作人员专业技术的过于依赖性，实现真正的智慧农业管理平台。

2 系统设计

系统以物联网三层架构为基础，由感知层、传输层及应用层构成。系统架构如图1所示[4，5]。

感知层主要为数据采集及控制终端，包括温度传感器、湿度传感器、光照度传感器、CO2浓度传感器及喷淋、风机、增氧泵等设备。系统感知层需要监测的环境参数包括农业大棚内的环境温度、土壤湿度、空气湿度、光照强度以及CO2浓度。

传输层主要实现感知层和应用层的数据双向传输。首先数据采集终端的将采集的数据发送给网关节点，网关节点与2G＼3G＼4G或以太网连接，将采集的环境参数传送到应用层供其处理。应用层可通过传输层发送控制命令，调节感知层的环境参数。

应用层实现基于专家系统的管理软件，通过对于现场采集数据进行分析，利用专家系统判断当前环境参数是否有利于植物的生长，对于不利因素通过知识库的对比分析，给出建议参数，并发送控制命令通过传输层控制感知层的相关设备控制器，实现农业智慧控制。

3 平台设计

3.1 功能设计

基于专家系统的智慧农业信息平台主要包括：数据采集模块，数据分析模块，数据管理模块，数据显示模块及数据控制模块五个模块[6-8]。系统功能结构如图2所示。

其中数据采集模块采用TCP Socket技术监听并接受传输层上传的数据，数据采集分为两种级别：人工采集及自动采集。数据分析模块利用专家系统实现对现场采集数据的分析，利用分析后的结果，如果现场采集数据经过分析后不利于植物的生长，则利用显示模块进行实时报警，并利用数据控制模块的自动控制功能，发送控制命令，调节控制节点的参数，使得植物的环境参数始终保持合理数值，有利于其生长；数据管理模块主要实现对用户权限、用户基本信息、历史数据、报警记录及基础参数进行管理；数据显示模块可实现实时数据报警及生成数据报表；数据控制模块可根据系统分析模块的要求，实现自动环境参数控制命令的发送。在特殊情况下也可以实现管理员的人工操作，手动干预环境参数。

3.2 专家系统

专家系统的基本结构如图3所示，专家系统由人机交互界面、知识库、推理机、解释器、综合数据库、知识获取等6个部分构成。

知识库是整个诊断平台中最重要的组成部分。知识库与推理机实现专家系统的推理机制。知识库存储着从领域专家或书籍中获取的有关领域的专业知识，主要包括诊断规则、决策模型， 专家经验、植物生长环境参数。推理机是构成专家系统的核心部分， 其任务是模拟领域专家的思维过程， 控制并执行对问题的求解 。根据现场采集的实时数据， 利用知识库中的知识， 按照系统设计的推理方法和控制策略进行诊断推理， 诊断出相应的结果。

4 平台实现

服务器操作系统采用Microsoft Windows Server 2010 ， PC 机操作系统为Microsoft Windows 7 ， 數据库均为SQL SERVER2008 。

具体界面实现：

1）界面实现。为提高用户的使用体验效果， 本系统使用图形化界面，用户界面模拟真实的植物生长环境，方便用户对各个数据采集点进行监控。

2）数据显示与查询。采用曲线形图和表格显示各数据采集节点实时监测数据；并提供操作日志，各个采集点的历史数据，控制命令记录等数据查询。

3）对专家系统中的知识库及推理机制可实现参数化调整，以便系统适用于不同的植物种类。

5 结束语

基于专家系统的智慧农业信息平台的可实现对农作物现场环境参数进行远程监测，并通过专家系统模块，对采集的数据进行分析，当现场环境不符合当前植物的生长条件时，通过自动控制模式，发送控制命令，调节环境参数，使得现场环境得到实时的智能监控，减少人工操作的盲目性。经过多次试验，证明该系统具有良好的稳定性，对农作物环境参数利用专家系统可实现智能监控，系统具有一定的社会推广价值。

参考文献：

[1] 张开生， 田开元， 吕明， 等. 基于物联网技术的农业大棚环境监控系统设计[J]. 西安科技大学学报， 2015， 35（6）.

[2] 严璋鹏， 彭程. 基于物联网技术的智慧农业实施方案研究[J]. 西安邮电大学学报， 2013， 18（4）.

[3] 郑可锋， 姚旭国， 祝利莉， 等. 基于专家系统的农业远程诊断软件平台的设计与实现[J]. 浙江农业科学， 2008（3）： 253-255.

[4] 张伟， 江莹旭， 阮艳凤，等. 面向智慧农业的物联网系统与实训平台开发[J]. 实验技术与管理， 2015， 32（5）.

[5] 刘春红， 张漫， 张帆， 等. 基于传感器网络的智慧农业信息平台开发[J]. 中国农业大学学报， 2011， 16（5）： 151-156.

[6] 施连敏， 陈志峰， 盖之华. 物联网在智慧农业中的应用[J]. 农机化研究， 2013（6）： 250-252.

[7] 孙健. 基于3G 网络的农业大棚环境数据采集及自动控制系统设计与实现[D]. 长春： 吉林大学， 2014.

[8] 张小伟. 基于物联网技术的农业大棚监控系统研究[D]. 西安： 陕西科技大学， 2014.