【大数据技术与应用开题报告：智慧农业打顶系统设计与实现5300字】

开题报告姓名学号专业大数据技术与应用班级专升本1班论文（设计）题目智慧农业打顶系统设计与实现一、选题的目的、意义（理论、现实）和国内外研究概况（一）选题目的随着5G时代的到来，以物联网技术为代表的信息技术将会更为高效的结合人工智能、大数据、无人机等高新技术在农业生产中得到广泛应用，例如农产品溯源、精细化耕种、智能化田间管理、智能收割等方向的实现和应用将会更为简便和廉价，进而使我国能够跨过机械化发展阶段，步入智能农业的更高层次，从而进一步解放生产力，提高生产效率，降低生产成本。当前我国的现有的智慧农业方案，更多的是基于单片机的设计方式，例如杨方，赵慧芳，杨蕊等的基于物联网的设施蔬菜环境监控系统设计和王一涯，陈曙光，王宪菊的基于物联网的花卉温室环境检测系统设计，以及张慧颖的基于物联网的温室智能监测系统设计都是典型的基于单片机的设计方案。这种设计方案成本高，开放性差，对于现在流行的人工智能应用支持度差。而如果采用树莓派的设计方案则可以很好地解决这些问题树莓派是一种于2012年正式上市的卡片式电脑，号称世界上最便宜的个人电脑。它采用基于ARM架构的微电脑主板，并在信用卡大小的主板上集成了数模接口、千兆网卡、WIFI、USB3.0接口以及SD卡插槽等各种接口，其性能不亚于普通个人电脑，而价格确极其低廉。由于其高度的集成性以及低廉的价格，一经推出便大受欢迎，迅速积累了大量的用户群，并使得众多传感器厂商推出了适用于树莓派的传感器套件。棉花是我国重要的农业经济作物，对农业经济的发展至关重要。在棉花种植收获的过程中，只有打顶过程未实现机械化作业，仍然需要依靠人工打顶。人工打顶的效率及成本，严重制约了棉花的种植规模，影响了棉农的种植的积极性。为了提高棉花打顶的作业效率，降低打顶成本，必须大力推行高效率、低成本的作业方式进行打顶。本课题拟选择树莓派作为棉花打顶系统的核心控制器，设计了自动对行装置，以期提高棉花打顶机的打顶质量。（二）选题意义1.理论意义进入21世纪以来，传感器技术、计算机控制技术、网络技术以及新兴的物联网技术蓬勃发展，利用这些技术来提高智慧农业的生产效率变得刻不容缓。在此基础上开发的农作物打顶系统在使用这些技术的同时，也同样提高了农作物打顶系统的控制效率。以棉花为例设计的树莓派打顶系统能够丰富智慧农业物联网技术的应用理论。2.现实意义以棉花为例设计的树莓派打顶系统中，打顶高度自动调节技术的研究和推进，有利于实现高效打顶，降低漏打顶率和过打顶率，顶部仿形技术亦有向烟草打顶和玉米去雄方向推广的价值，同时在设计中融入先进技术，提高了棉花打顶系统的工作效率。（三）国内外研究概况1.国外研究现状目前欧美发达国家一直在努力推动智慧农业的发展，2005年，芬兰LofarAgro项目中一个用于监测马铃薯田地里的疫霉属的WSN，包含150个集成了温度和湿度传感器的无线传感器节点。通过观察田里空气湿度、温度条件和马铃薯叶的湿度级别，研究人员探寻该疾病爆发的潜在危险和杀菌剂发挥药效的条件；2006年，澳大利亚CSIRO研究中心实现了基于无线传感网络的智能农场，通过感知各节点的土壤湿度等环境信息，分析获得的土壤湿度变化曲线，以获得最有效的灌溉方法；2007年，美国加州GrapeNetworks配置了“全球最大的无线传感器网络”，通过记录和分析常年的环境信息，便可掌握葡萄生长环境与葡萄酒品质的准确关系。目前，在智慧农业建设上，很多国家已取得一定成绩。以色列在农业生产中大力推广物联网技术，其在智能育种、自动灌溉等方向领先全球；美国在自身高度发达的机械化农业基础上，大力发展物联网技术，进一步使得大农场的机械化播种、施肥、收割等流程更为智能化、精细化，产生了巨大的经济效益。澳大利亚在农产品尤其是畜牧业领域大力推广物联网技术，使得农产品的溯源可以从超市一直覆盖到单一牲畜个体，在全球建立了良好的农产品安全形象和口碑。具体说来，在遥感技术方面，目前国外主要有美国的凯斯AFS系统、GreenStar系统、天宝（Trimble）系统以及英国的Fieldstar系统等，它们针对大田作物栽培，采用GIS中的空间抽样方法获取关键点上的土壤信息，应用高分辨率卫星遥感及低空遥感数据实现对作物生长全过程的状态监测、分析和决策的循环，运用高精度GPS动态差分技术完成农田的精确定位，研发变量施肥模型，通过施肥处方图来实施农机导航和肥料的田间投放控制。在信号传输方面，美国、英国、德国、瑞典、日本等国家的RFID技术较为成熟，且具有了RFID先进产品。在决策支持系统方面，美国的DSSAT系统（DecisionSupportSystemforAgro-technologyTransfer）是目前国际上最具有代表性的农业决策支持系统。英国的Katsuyuki开发的专家系统能实现变量施肥决策。美国芝加哥大学的DilsR.A.研发了计算机网络的大豆专家决策管理系统，可实现在线决策。美国农业部建立了棉花生长发育模拟模型GOSSYM/COMA。美国农业科学院ManojK.G.开发了针对番茄的温室育苗决策支持系统，分为长期规划和日常温度管理两个模块，系统应用的控制算法能最大限度地利用环境条件，尽可能降低能源的消耗。2.国内研究概况随着人口增加、城镇化发展，农业从基于资源的时代转向基于知识与数据的时代。将来的农业将是竞争的、知识密集的、市场驱动的农业。智能技术的发展和普及，如云计算、大数据、物联网、人工智能及智能控制等，使得智慧农业的发展已具备技术条件。最近几年随着人工智能的热度不断增加，树莓派、arduino等智能硬件也销量大增，越来越多的企业和个人都加入到智能硬件的开发生态中来，定制树莓派在这方面以低成本、高可扩展性引人瞩目。自2015年9月英蓓特开始承接树莓派定制服务以来，陆续收到来自全球的客户订单，其中既有包括了IBM、微软等大客户需求，又有一些中小型企业的需求，要求定制的内容包括：修改存储方式（比如集成存储器如eMMC替代原SD卡）；添加Zigbee、WiFi，、Z-Wave，Sub-GHzISM等通信方式，集成RTC，增加LTE或者GSM模块，调整元器件的位置，修改PCB的尺寸，添加Lora之类的物联网协议，增删树莓派上的接口等等。国外某酒店服务管理公司通过定制的树莓派开发了酒店房间应用控制以及触屏控制。国外某智能家居公司通过定制的树莓派开发了家庭自动化与安全网关。国内也开始出现了将树莓派应用到智慧农业领域的方案。如何江的基于树莓派的智能云灌溉系统研究，陈卓的基于树莓派的联网监控系统的研究与设计以及宋志扬的基于树莓派的温室监控系统设计等。但是这些设计都只是简单的将树莓派取代单片机，并没有依托树莓派的强大性能实现复杂的智能控制。二、本课题的理论依据、研究内容和研究方法、步骤及进度安排（一）理论依据1.树莓派简介树莓派是一款超小体积的计算机，它需要利用TF卡装载操作系统才能够运行。树莓派利用ARM作为处理器，还具有板载内存、HDMI接口、USB接口、音频接口、网络接口等。虽然树莓派也将通用输入/输出接口（GPIO）引出可以用于连接外围设备和传感器，但是由于需要操作系统的支持，树莓派对GPIO的操作没有Arduino方便和直接。树莓派3B+具有板载WiFi连接功能，完成设置后可以通过计算机远程访问实现对树莓派的控制以及程序设计。综合考量树莓派的成本和Arduino差不多，但是比Arduino性能更强大。在本项目中传感器的前置机需要不断采集传感器数据，并把数据提交给物联网关，同时运行决策系统控制继电器的开关，所以需要比Arduino更好的性能，而树莓派能更好的胜任其任务。2.Netty网络框架在本项目中数目众多的传感器需要不停采集数据并通过树莓派发往服务端，并发访问量巨大。同时服务器需要传回控制信号，这样会造成服务端压力巨大。所以需要设立物联网网关专门用于传感器数据的接收及控制信号的回传，这就要求物联网网关具有高并发、低延迟的特性，而Netty网络框架可以很好的满足这个要求。Netty是业界最流行的NIO框架之一，它是JBoss公司推出的基于JavaNIO的异步事件驱动的网络框架，可以很方便的使用它来快速开发高并发高可用的网络服务端或客户端程序。与同类网络框架对比，其具有执行效率高，吞吐量大，开发简便，可靠性强等优点。所以一经推出迅速在Java开发领域得到广泛应用，很多的商用项目中都使用了Netty作为基础的网络通讯组件,例如Hadoop的RPC框架avro使用Netty作为底层通信框架；阿里分布式服务框架Dubbo中也使用了Netty进行节点间通信。与传统的Java阻塞式网络通讯模式相比，Netty具有以下的特点：1.代码简洁，大大降低了开发的难度2.针对主流的网络通讯协议提供了大量的编解码器。3.用户可通过ChannelHandler实现对自定义通讯协议的编解码，扩展性强；4.与其他网络通讯框架例如MINA相比具有更高的性能。5.由于Netty修复了已经发现的所有jdk的NIO包种的bug，所以使用Netty的程序更为稳定。6.Netty是开源的网络框架，社区活跃度高，版本更新迅速。7.在众多顶级互联网企业以及电信金融等领域得到了广泛的应用。（二）研究内容本文基于树莓派这一最新的高性能计算终端，设计了一套价格低廉，性能优越，扩展性好的前端数据采集节点。并基于Java开发体系中流行的Spring框架设计了一套高并发高可用的后端服务支撑平台。整个系统分为树莓派数据采集前置机模块、基于Netty的物联网数据传输网关、基于Spring的物联网大数据服务后台、及基于Vue的前端综合控制平台。本文详细讨论了基于树莓派的数据采集前置机的硬件方案设计，并逐一分析设计了软件模块中所包含的数据采集、数据传输、以及基于决策系统的智能控制四个子模块。为了提高系统的数据吞吐能力及应对高并发的访问量设计了基于Netty的物联网数据传输网关模块；为了让平台的后端管理模块能够具备扩展到PC、手机、平板或其他移动终端的能力，本文设计了一种前后端分离的软件架构，服务端采用Spring框架+RESTful风格接口的模式，前端采用基于Vue.js框架的SPA应用，并能自适应于各种移动终端。针对整个系统的各个子模块，设计了完整的测试方案，并应用各种自动化测试工具，充分验证了系统的高可靠高并发能力。（三）研究方法、步骤文献综述法。文献综述法是指通过对某一领域或者针对某一研究问题的搜集所有的研究成果，并通过阅读、分析所有的问题和研究成果，归纳目前的研究结论，了解这一研究领域或者研究问题的最新研究趋势和研究方向。本研究采用文献综述法，其目的主要为了收集有关智慧农业、物联网技术、农作物打顶系统的相关研究资料，为本研究的后续开展奠定理论基础。2.案例研究法。采用案例研究法能够通过真实案例分析，加强文献研究的真实、客观性，让研究结论具有更高的参考价值。本文在研究过程中，主要以“棉花”作为农作物智能打顶系统开发的典型案例，以树莓派为控制核心，设计棉花打顶系统，有利于为其他农作物的智慧生产提供可供借鉴的启示。（四）进度安排依据本课题的实际，工作进度计划拟定如下：2022年7月16日—9月30日，确定选题并开始查阅相关文献；2022年10月1日—10月20日，完成开题报告撰写并获得同意开题；2022年10月21日—12月31日，完成毕业论文初稿；2023年1月1日—2022年1月15日，完成毕业论文二稿；2023年3月1日前，完成毕业论文三稿；2023年3月15日前，提交论文查重及评阅，并按评阅教师意见进行修改，完成定稿；2023年3月20日前，完成论文并通过答辩；三、本课题的重点、难点，预期结果和成果形式（一）课题设计（研究）的重点1.基于树莓派的传感器数据采集及决策系统设计传感器数据采集前置机采集传感器数据，然后通过网络传给物联网网关，并接收网关回传的控制信号或由内置决策系统，依据采集的数据通过决策模型控制继电器的电路开关，从而控制棉花打顶机的高度控制系统。2.基于Netty的物联网网关为了提高系统的数据吞吐能力及应对高并发的访问量设计了基于Netty的物联网数据传输网关模块，其主要功能是接收前置机传来的传感器数据，然后存储到大数据平台方便日后处理，同时接收控制平台传来的操控指令，并发回给对应的前置机，做出相应的操控动作。3.基于Java平台的Spring框架的高并发、高可用、高扩展的后端服务平台设计。该模块接收网关传回的传感器数据并依托大数据技术对数据进行处理，同时为用户前端的控制平台通过RESTFul风格的接口提供数据操控的访问服务。4.基于Vue的数据可视化前端管理界面的设计。该模块属于后台控制的用户界面平台,其他前述的大数据服务平台通过RESTFul接口通讯，在前端页面做可视化输出，提供完善的前置机管理、控制等功能，并具备自适应各种移动终端的能力。（二）课题设计（研究）难点关于农作物打顶系统相关的研究文献不多，数据采集和分析工作需要借助互联网数据采集工具来进行，同时也需要进行实地的调查。架构设计完成后，其实践检验需要较长时间。（三）预期成果通过本文研究，基于树莓派，并依托强大的Java微服务体系，设计棉花打顶系统，实现物联网技术与农作物打顶工作的有效结合，提高棉花打顶机的效率，促进智慧农业的长足发展。（四）成果形式论文形式参考文献：[1]新闻学院.【学科发展报告】智慧农业[DB/OL].http///post/485.html,2019.[2]何江.基于树莓派的智能云灌溉系统研究[D].[3]陈卓.基于树莓派的联网监控系统的研究与设计[D].（2）期刊文章[4]关于加快推进农业机械化和农机装备产业转型升级的指导意见[J].中国农村科技,2019(12):23.王艳红,罗锡文.智慧农业是中国农业未来的发展方向[J].农业机械,2020(07):62-63.[6]尹丽.物联网在智慧农业中的应用探析[J].现代农业研究,2020,26(09):36-37.（3）外文[7]AndreiB.B.Torres,AtslandsR.daRocha,TicianaL.CoelhodaSilva,JoséN.deSouza,RubensS.Gondim.Multileveldatafusionfortheinternetofthingsinsmartagriculture[J].ComputersandElectronicsinAgric