徐一斐

（湖南环境生物职业技术学院，湖南 衡阳 421005）

城市化进程加快了园林绿化的发展，但在实际建设中，由于缺少认识、信息化应用不足，导致园林绿化建设无法紧跟城市发展步伐，因此出现了一些问题。传统园林管理多是以纸媒为载体，这种方式存在时效差、精度低等问题。同时，管理人员发生变动也会产生断层现象，缺乏系统性管理。大数据技术具有传播速度快、数据类型多样等特点，将其应用于园林管理中能够显著提升管理效率[1]。同时大数据技术也为智慧园林提供了更多技术支持，包括传输、存储及处理数据等功能。因此该文设计出一种基于大数据技术的智慧园林人工智能管理系统，通过加强系统间的交互性，进一步提升系统对各类信息的管理能力，从而实现智慧园林管理的可持续发展。

1 整体架构

系统采用基于物联网三层架构的感知层、传输层和管理层，各层分别对应数据收集端、数据传输端以及远程监控端（如图1所示）。其中，数据收集端包括温湿度（Sentasy）、土壤湿度（RTTPP）和烟雾浓度（Lorawan）等模块，主要负责收集各类环境数据，并将数据传递给PIC18单片机。数据传输端由Blynk平台和XTIOT模块构成，XTIOT模块与Blynk平台进行通信，并与PIC18连接，实现数据传输端与数据收集端的交互。远程监控端的功能由移动设备实现，数据通过Blynk平台转发到移动设备，进行可视化监控[2]。

图1 系统整体架构

2 硬件设计

系统硬件由控制器、传感器、显示器及通信器组成。其中，控制器负责为系统持续供电；传感器负责检测温湿度、烟雾浓度和土壤湿度等环境参数；显示器用以显示环境参数的数值与模式；通信器则将传感器收集的数据与Blynk平台进行交互。

2.1 控制器

系统选用PIC18单片机作为主控制器，该单片机适用温度为-30℃～70℃，性能稳定，适用范围较广。控制单元是PIC18的指挥控制中心，由指令寄存器、指令译码器和操作控制器等构成[3]，根据预先编好的程序，从存储器中依次取出各条指令，放在指令寄存器中。先通过指令译码确定应执行何种操作，再根据确定时序，通过操作控制器向相应部件发出微操作控制信号[4]。操作控制器主要包括节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。其设计思路如下：与电阻（R1、R2）、电容器（C1、C2、C3）串联后进行供电，写好程序后逐一进入单片机经各管脚运行。如果程序经PA0到PA19，输入高电平并开启LED，就可运行计算过程（如图2所示）。

图2 PIC18核心系统电路

2.2 传感器

传感器包括温湿度、烟雾浓度及土壤湿度等模块。传感器的技术流程如下：1）感受信号。传感器通过特定的物理、化学或生物机制，感受温湿度、烟雾浓度及土壤湿度等信号，并将其转换成电信号。2）处理信号。传感器将感受到的电信号进行放大、滤波以及数字化等特定处理，便于后续数据分析。3）数据传输。传感器将处理后的信号通过无线方式传输到控制器并进行处理。4）数据分析。接收到传感器传来的数据后，控制器对数据进行识别、分类和预测等操作，从而得出决策。5）应用反馈。根据数据分析结果，控制器向执行元件发送指令，控制执行元件完成开关、调节等操作，从而对环境进行控制和监测。

温湿度模块选用Sentasy，采用数字集成感器为探头，配以数字化处理电路。Sentasy的功能由内部测温湿元件实现。当温湿度发生改变时，温湿敏电容的介电常数会发生变化，其电容量也会发生变化，线性膨胀便可进行传递，从而将环境中的温湿度转换成与之对应的标准模拟信号。

烟雾浓度检测选用Lorawan，如图3（a）所示，其设计思路如下：收集模拟量输出，选用AO模拟电压输出端，将管脚4与PA5相连，DO管脚则做悬空处理。鉴于气敏材料的特殊性，当烟雾浓度增大时，电导率会相应上升，输出电阻值也会变小，从而使输出的模拟信号增强，Lorawan则通过转换模数完成数据收集。土壤湿度检测选用RTTPP，如图3（b）所示，其设计思路如下：标定湿度选用AO模拟电压输出端，将管脚4与PA4相连，DO管脚悬空。输入模拟量后进行模数转换，并利用算法得出土壤湿度。当土壤湿度增大时，电阻值会相应变小[5]。

图3 Lorawan与RTTPP的电路设计

2.3 显示器

前端一体化与监控网络化是视频显示的发展方向。系统显示器选用P2.5LED。P2.5LED提供了转换及流化音视频的解决方案，包括先进的编解码库Libavcodec，可实时查看监控画面。P2.5LED用来显示各类数据参数及手动/自动模式的不同状态，具有基于HTTP的流媒体网络传输协议，通过外设接口驱动LED，各管脚分别连接PA12、PA8和PA6，具体设计思路如下：将网络摄像头的Rtsp视频流转换成Rmtp视频流，并推送到服务器。HLS协议负责将所有流分成基于HTTP的文件并下载。开始流媒体会话时，客户端会下载包括元数据的M3U文件，用于寻找可用的媒体流，最后推送可供移动端播放的视频流。

2.4 通信器

通信器在远程监控端与数据传输端交互中发挥了重要作用。系统采用大数据传输技术的XTIOT模块与Blynk开源物联网平台进行通信，成本低且性能稳定。XTIOT可通过Attention指令快速上手，并且支持发放－触发模式与无线接入点模式共存。在工作中，通信器将PIC18发来的数字基带信号通过数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）构成的调制模块进行功率放大，然后经过发送与接收隔离器，由通信模块传输发送。接收时，感应信号经放大程控与转换电平后，由DSP控制其芯片进行采样，经数字处理后解调，解调后的数字信号通过XTIOT发送给Blynk开源物联网平台。

3 软件设计

3.1 终端程序

PIC18使用总线获取Sentasy与Lorawan的模拟量，通过相应算法得出土壤湿度与烟雾浓度。通过连接串口进行PIC18与XTIOT的通信，然后将环境数据上传至Blynk上，进行可视化展示。此外，还可在移动设备界面下发部分控制命令，例如系统模式设置及水泵运行等。1）启动后初始化系统，例如显示器、sentasy和Lorawan等的初始化。2）选择自动或手动模式，通信模块读取参数后更新显示器。3）连接云端。如果连接成功，就将PIC18收集的数据通过XTIOT发送至Blynk，每隔5s一次。4）在手动模式下，可下达水泵开启（闭合）命令，执行具体操作。在自动模式下，系统根据土壤湿度情况进行自主调整，当湿度低于30%RH时，开启水泵浇水，当湿度高于40%时，闭合水泵。5）调整后对各类信息进行处理与反馈（如图4所示）。

图4 终端程序设计

3.2 温湿度设计

拉高管脚2，完成后进行复位工作，设置Sentasy的I/O端口为输出，拉低至少15ms，再继续拉高30μs左右。在此期间应将I/O口转为输入模式，进行低电平传输。如果检测到低电平，就表示Sentasy存在。2）检测到Sentasy后，应编写Sentasy_Read（）来读取字节，即检测到低电平后延时20μs仍高，则读取一位数据。Sentasy一次完整传输数据为40bit，格式主要包括湿度整数、温度整数、小数数据及校验总和，各部分均按照10bit传输。当传输正确时，校验结果等于所有之和，此时应保留整数，将其作为所测温湿度值[6]。

3.3 土壤湿度与烟雾设计

初始化AO端口，配置管脚4与管脚5为输入，然后初始化PA4与PA5，设RTTPP的通道为PA4，Lorawan的通道为PA5，使系统转换启动功能。待转换完成后，往复获取多次转换结果，即获取多次收集的数据，并取均值，从而使结果更可靠。由于PIC18是12位，因此测出值的取值应为0～100。此外，因为获取值与所需值相反，所以还需要用100减去所得值。

3.4 显示设计

初始化显示功能，设置通道PA6、PA12、PA13为推挽输出，复位驱动释放显存后显示。设置命令口地址，判断读状态后写命令寄存。待初始化结束，设置数据口地址，判断读状态是否为“忙”。如果是“忙”便写显示数据，写入取模软件取出的数据。

4 系统测试

为进一步实现系统的交互性与高效性，该文对系统功能进行测试，以验证系统的运行效率。

4.1 实时监测

当系统连接后开始初始化，显示器显示温度为27℃，相对湿度为32%RH，土壤湿度为60%RH。Sentasy与RTTPP功能均可正常运行，能够获取当前环境数据。然后测试烟雾报警，烟雾浓度显示为1000×10-6，蜂鸣器报警，浓度降至低于750×10-6时会停止报警。由测试可知，系统基本实现了温度、土壤湿度以及烟雾浓度的实时监测功能。

4.2 自动化

将Sentasy传感器模块浸于水中，显示器显示土壤湿度为50%RH。将Sentasy拿出水面后，土壤湿度降为0，水泵开始工作。再将Sentasy放于水中，此时土壤湿度显示为60%RH，水泵停止工作。由测试可知，系统能够实现智能灌溉，可基本满足自动化工作需求。

4.3 远程通信

连接移动设备与XTIOT，设置名称与密码，与代码保持一致，打开移动设备，接收到的来自XTIOT的数据会显示在屏幕上。将接收数据与显示数据进行对比，可知系统远程通信正常。在移动设备上将自动切换为手动，屏幕显示模式转换一致。在手动模式下，通过移动设备控制水泵，水泵执行相应操作。由测试可知，系统实现了XTIOT远程通信功能。

测试后可知，系统可成功收集温湿度与烟雾浓度数据，并在屏幕上显示当前信息，同时还可将数据发送至Blynk平台。出现异常时，可及时自动控制水泵浇水，确保湿度在合理范围内。

5 结语

综上所述，为提升园林管理效率，加快园林管理智能化与信息化进程，该文设计了一种基于大数据技术的智慧园林人工智能管理系统。该系统可对植物生长所需环境温湿度、土壤湿度及烟雾浓度等信息进行智能化收集与传输，并结合Blynk开源物联网平台与远程传输技术，实现无人值守，使用户可不受时空限制访问系统观测数据。测试表明，该系统操作便捷，检测效果良好，可节约部分人力。后续研究可拓展至智慧农业管理、智慧林业管理等其他领域，从而促进社会生态的可持续发展。