【大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用開題報告：智慧農(nóng)業(yè)打頂系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)5300字】

開題報告姓名學(xué)號專業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用班級專升本1班論文（設(shè)計）題目智慧農(nóng)業(yè)打頂系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)一、選題的目的、意義（理論、現(xiàn)實）和國內(nèi)外研究概況（一）選題目的隨著5G時代的到來，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為代表的信息技術(shù)將會更為高效的結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)、無人機等高新技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，例如農(nóng)產(chǎn)品溯源、精細化耕種、智能化田間管理、智能收割等方向的實現(xiàn)和應(yīng)用將會更為簡便和廉價，進而使我國能夠跨過機械化發(fā)展階段，步入智能農(nóng)業(yè)的更高層次，從而進一步解放生產(chǎn)力，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。當前我國的現(xiàn)有的智慧農(nóng)業(yè)方案，更多的是基于單片機的設(shè)計方式，例如楊方，趙慧芳，楊蕊等的基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施蔬菜環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計和王一涯，陳曙光，王憲菊的基于物聯(lián)網(wǎng)的花卉溫室環(huán)境檢測系統(tǒng)設(shè)計，以及張慧穎的基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計都是典型的基于單片機的設(shè)計方案。這種設(shè)計方案成本高，開放性差，對于現(xiàn)在流行的人工智能應(yīng)用支持度差。而如果采用樹莓派的設(shè)計方案則可以很好地解決這些問題樹莓派是一種于2012年正式上市的卡片式電腦，號稱世界上最便宜的個人電腦。它采用基于ARM架構(gòu)的微電腦主板，并在信用卡大小的主板上集成了數(shù)模接口、千兆網(wǎng)卡、WIFI、USB3.0接口以及SD卡插槽等各種接口，其性能不亞于普通個人電腦，而價格確極其低廉。由于其高度的集成性以及低廉的價格，一經(jīng)推出便大受歡迎，迅速積累了大量的用戶群，并使得眾多傳感器廠商推出了適用于樹莓派的傳感器套件。棉花是我國重要的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟作物，對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展至關(guān)重要。在棉花種植收獲的過程中，只有打頂過程未實現(xiàn)機械化作業(yè)，仍然需要依靠人工打頂。人工打頂?shù)男始俺杀?，嚴重制約了棉花的種植規(guī)模，影響了棉農(nóng)的種植的積極性。為了提高棉花打頂?shù)淖鳂I(yè)效率，降低打頂成本，必須大力推行高效率、低成本的作業(yè)方式進行打頂。本課題擬選擇樹莓派作為棉花打頂系統(tǒng)的核心控制器，設(shè)計了自動對行裝置，以期提高棉花打頂機的打頂質(zhì)量。（二）選題意義1.理論意義進入21世紀以來，傳感器技術(shù)、計算機控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展，利用這些技術(shù)來提高智慧農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率變得刻不容緩。在此基礎(chǔ)上開發(fā)的農(nóng)作物打頂系統(tǒng)在使用這些技術(shù)的同時，也同樣提高了農(nóng)作物打頂系統(tǒng)的控制效率。以棉花為例設(shè)計的樹莓派打頂系統(tǒng)能夠豐富智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用理論。2.現(xiàn)實意義以棉花為例設(shè)計的樹莓派打頂系統(tǒng)中，打頂高度自動調(diào)節(jié)技術(shù)的研究和推進，有利于實現(xiàn)高效打頂，降低漏打頂率和過打頂率，頂部仿形技術(shù)亦有向煙草打頂和玉米去雄方向推廣的價值，同時在設(shè)計中融入先進技術(shù)，提高了棉花打頂系統(tǒng)的工作效率。（三）國內(nèi)外研究概況1.國外研究現(xiàn)狀目前歐美發(fā)達國家一直在努力推動智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，2005年，芬蘭LofarAgro項目中一個用于監(jiān)測馬鈴薯田地里的疫霉屬的WSN，包含150個集成了溫度和濕度傳感器的無線傳感器節(jié)點。通過觀察田里空氣濕度、溫度條件和馬鈴薯葉的濕度級別，研究人員探尋該疾病爆發(fā)的潛在危險和殺菌劑發(fā)揮藥效的條件；2006年，澳大利亞CSIRO研究中心實現(xiàn)了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能農(nóng)場，通過感知各節(jié)點的土壤濕度等環(huán)境信息，分析獲得的土壤濕度變化曲線，以獲得最有效的灌溉方法；2007年，美國加州GrapeNetworks配置了“全球最大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”，通過記錄和分析常年的環(huán)境信息，便可掌握葡萄生長環(huán)境與葡萄酒品質(zhì)的準確關(guān)系。目前，在智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)上，很多國家已取得一定成績。以色列在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大力推廣物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其在智能育種、自動灌溉等方向領(lǐng)先全球；美國在自身高度發(fā)達的機械化農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)上，大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，進一步使得大農(nóng)場的機械化播種、施肥、收割等流程更為智能化、精細化，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。澳大利亞在農(nóng)產(chǎn)品尤其是畜牧業(yè)領(lǐng)域大力推廣物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使得農(nóng)產(chǎn)品的溯源可以從超市一直覆蓋到單一牲畜個體，在全球建立了良好的農(nóng)產(chǎn)品安全形象和口碑。具體說來，在遙感技術(shù)方面，目前國外主要有美國的凱斯AFS系統(tǒng)、GreenStar系統(tǒng)、天寶（Trimble）系統(tǒng)以及英國的Fieldstar系統(tǒng)等，它們針對大田作物栽培，采用GIS中的空間抽樣方法獲取關(guān)鍵點上的土壤信息，應(yīng)用高分辨率衛(wèi)星遙感及低空遙感數(shù)據(jù)實現(xiàn)對作物生長全過程的狀態(tài)監(jiān)測、分析和決策的循環(huán)，運用高精度GPS動態(tài)差分技術(shù)完成農(nóng)田的精確定位，研發(fā)變量施肥模型，通過施肥處方圖來實施農(nóng)機導(dǎo)航和肥料的田間投放控制。在信號傳輸方面，美國、英國、德國、瑞典、日本等國家的RFID技術(shù)較為成熟，且具有了RFID先進產(chǎn)品。在決策支持系統(tǒng)方面，美國的DSSAT系統(tǒng)（DecisionSupportSystemforAgro-technologyTransfer）是目前國際上最具有代表性的農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)。英國的Katsuyuki開發(fā)的專家系統(tǒng)能實現(xiàn)變量施肥決策。美國芝加哥大學(xué)的DilsR.A.研發(fā)了計算機網(wǎng)絡(luò)的大豆專家決策管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)在線決策。美國農(nóng)業(yè)部建立了棉花生長發(fā)育模擬模型GOSSYM/COMA。美國農(nóng)業(yè)科學(xué)院ManojK.G.開發(fā)了針對番茄的溫室育苗決策支持系統(tǒng)，分為長期規(guī)劃和日常溫度管理兩個模塊，系統(tǒng)應(yīng)用的控制算法能最大限度地利用環(huán)境條件，盡可能降低能源的消耗。2.國內(nèi)研究概況隨著人口增加、城鎮(zhèn)化發(fā)展，農(nóng)業(yè)從基于資源的時代轉(zhuǎn)向基于知識與數(shù)據(jù)的時代。將來的農(nóng)業(yè)將是競爭的、知識密集的、市場驅(qū)動的農(nóng)業(yè)。智能技術(shù)的發(fā)展和普及，如云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能及智能控制等，使得智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展已具備技術(shù)條件。最近幾年隨著人工智能的熱度不斷增加，樹莓派、arduino等智能硬件也銷量大增，越來越多的企業(yè)和個人都加入到智能硬件的開發(fā)生態(tài)中來，定制樹莓派在這方面以低成本、高可擴展性引人矚目。自2015年9月英蓓特開始承接樹莓派定制服務(wù)以來，陸續(xù)收到來自全球的客戶訂單，其中既有包括了IBM、微軟等大客戶需求，又有一些中小型企業(yè)的需求，要求定制的內(nèi)容包括：修改存儲方式（比如集成存儲器如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模塊，調(diào)整元器件的位置，修改PCB的尺寸，添加Lora之類的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，增刪樹莓派上的接口等等。國外某酒店服務(wù)管理公司通過定制的樹莓派開發(fā)了酒店房間應(yīng)用控制以及觸屏控制。國外某智能家居公司通過定制的樹莓派開發(fā)了家庭自動化與安全網(wǎng)關(guān)。國內(nèi)也開始出現(xiàn)了將樹莓派應(yīng)用到智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的方案。如何江的基于樹莓派的智能云灌溉系統(tǒng)研究，陳卓的基于樹莓派的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計以及宋志揚的基于樹莓派的溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計等。但是這些設(shè)計都只是簡單的將樹莓派取代單片機，并沒有依托樹莓派的強大性能實現(xiàn)復(fù)雜的智能控制。二、本課題的理論依據(jù)、研究內(nèi)容和研究方法、步驟及進度安排（一）理論依據(jù)1.樹莓派簡介樹莓派是一款超小體積的計算機，它需要利用TF卡裝載操作系統(tǒng)才能夠運行。樹莓派利用ARM作為處理器，還具有板載內(nèi)存、HDMI接口、USB接口、音頻接口、網(wǎng)絡(luò)接口等。雖然樹莓派也將通用輸入/輸出接口（GPIO）引出可以用于連接外圍設(shè)備和傳感器，但是由于需要操作系統(tǒng)的支持，樹莓派對GPIO的操作沒有Arduino方便和直接。樹莓派3B+具有板載WiFi連接功能，完成設(shè)置后可以通過計算機遠程訪問實現(xiàn)對樹莓派的控制以及程序設(shè)計。綜合考量樹莓派的成本和Arduino差不多，但是比Arduino性能更強大。在本項目中傳感器的前置機需要不斷采集傳感器數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)提交給物聯(lián)網(wǎng)關(guān)，同時運行決策系統(tǒng)控制繼電器的開關(guān)，所以需要比Arduino更好的性能，而樹莓派能更好的勝任其任務(wù)。2.Netty網(wǎng)絡(luò)框架在本項目中數(shù)目眾多的傳感器需要不停采集數(shù)據(jù)并通過樹莓派發(fā)往服務(wù)端，并發(fā)訪問量巨大。同時服務(wù)器需要傳回控制信號，這樣會造成服務(wù)端壓力巨大。所以需要設(shè)立物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)專門用于傳感器數(shù)據(jù)的接收及控制信號的回傳，這就要求物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)具有高并發(fā)、低延遲的特性，而Netty網(wǎng)絡(luò)框架可以很好的滿足這個要求。Netty是業(yè)界最流行的NIO框架之一，它是JBoss公司推出的基于JavaNIO的異步事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)框架，可以很方便的使用它來快速開發(fā)高并發(fā)高可用的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端或客戶端程序。與同類網(wǎng)絡(luò)框架對比，其具有執(zhí)行效率高，吞吐量大，開發(fā)簡便，可靠性強等優(yōu)點。所以一經(jīng)推出迅速在Java開發(fā)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，很多的商用項目中都使用了Netty作為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)通訊組件,例如Hadoop的RPC框架avro使用Netty作為底層通信框架；阿里分布式服務(wù)框架Dubbo中也使用了Netty進行節(jié)點間通信。與傳統(tǒng)的Java阻塞式網(wǎng)絡(luò)通訊模式相比，Netty具有以下的特點：1.代碼簡潔，大大降低了開發(fā)的難度2.針對主流的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議提供了大量的編解碼器。3.用戶可通過ChannelHandler實現(xiàn)對自定義通訊協(xié)議的編解碼，擴展性強；4.與其他網(wǎng)絡(luò)通訊框架例如MINA相比具有更高的性能。5.由于Netty修復(fù)了已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的所有jdk的NIO包種的bug，所以使用Netty的程序更為穩(wěn)定。6.Netty是開源的網(wǎng)絡(luò)框架，社區(qū)活躍度高，版本更新迅速。7.在眾多頂級互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)以及電信金融等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。（二）研究內(nèi)容本文基于樹莓派這一最新的高性能計算終端，設(shè)計了一套價格低廉，性能優(yōu)越，擴展性好的前端數(shù)據(jù)采集節(jié)點。并基于Java開發(fā)體系中流行的Spring框架設(shè)計了一套高并發(fā)高可用的后端服務(wù)支撐平臺。整個系統(tǒng)分為樹莓派數(shù)據(jù)采集前置機模塊、基于Netty的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)關(guān)、基于Spring的物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)服務(wù)后臺、及基于Vue的前端綜合控制平臺。本文詳細討論了基于樹莓派的數(shù)據(jù)采集前置機的硬件方案設(shè)計，并逐一分析設(shè)計了軟件模塊中所包含的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、以及基于決策系統(tǒng)的智能控制四個子模塊。為了提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐能力及應(yīng)對高并發(fā)的訪問量設(shè)計了基于Netty的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)關(guān)模塊；為了讓平臺的后端管理模塊能夠具備擴展到PC、手機、平板或其他移動終端的能力，本文設(shè)計了一種前后端分離的軟件架構(gòu)，服務(wù)端采用Spring框架+RESTful風(fēng)格接口的模式，前端采用基于Vue.js框架的SPA應(yīng)用，并能自適應(yīng)于各種移動終端。針對整個系統(tǒng)的各個子模塊，設(shè)計了完整的測試方案，并應(yīng)用各種自動化測試工具，充分驗證了系統(tǒng)的高可靠高并發(fā)能力。（三）研究方法、步驟文獻綜述法。文獻綜述法是指通過對某一領(lǐng)域或者針對某一研究問題的搜集所有的研究成果，并通過閱讀、分析所有的問題和研究成果，歸納目前的研究結(jié)論，了解這一研究領(lǐng)域或者研究問題的最新研究趨勢和研究方向。本研究采用文獻綜述法，其目的主要為了收集有關(guān)智慧農(nóng)業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、農(nóng)作物打頂系統(tǒng)的相關(guān)研究資料，為本研究的后續(xù)開展奠定理論基礎(chǔ)。2.案例研究法。采用案例研究法能夠通過真實案例分析，加強文獻研究的真實、客觀性，讓研究結(jié)論具有更高的參考價值。本文在研究過程中，主要以“棉花”作為農(nóng)作物智能打頂系統(tǒng)開發(fā)的典型案例，以樹莓派為控制核心，設(shè)計棉花打頂系統(tǒng)，有利于為其他農(nóng)作物的智慧生產(chǎn)提供可供借鑒的啟示。（四）進度安排依據(jù)本課題的實際，工作進度計劃擬定如下：2022年7月16日—9月30日，確定選題并開始查閱相關(guān)文獻；2022年10月1日—10月20日，完成開題報告撰寫并獲得同意開題；2022年10月21日—12月31日，完成畢業(yè)論文初稿；2023年1月1日—2022年1月15日，完成畢業(yè)論文二稿；2023年3月1日前，完成畢業(yè)論文三稿；2023年3月15日前，提交論文查重及評閱，并按評閱教師意見進行修改，完成定稿；2023年3月20日前，完成論文并通過答辯；三、本課題的重點、難點，預(yù)期結(jié)果和成果形式（一）課題設(shè)計（研究）的重點1.基于樹莓派的傳感器數(shù)據(jù)采集及決策系統(tǒng)設(shè)計傳感器數(shù)據(jù)采集前置機采集傳感器數(shù)據(jù)，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，并接收網(wǎng)關(guān)回傳的控制信號或由內(nèi)置決策系統(tǒng)，依據(jù)采集的數(shù)據(jù)通過決策模型控制繼電器的電路開關(guān)，從而控制棉花打頂機的高度控制系統(tǒng)。2.基于Netty的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)為了提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐能力及應(yīng)對高并發(fā)的訪問量設(shè)計了基于Netty的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)關(guān)模塊，其主要功能是接收前置機傳來的傳感器數(shù)據(jù)，然后存儲到大數(shù)據(jù)平臺方便日后處理，同時接收控制平臺傳來的操控指令，并發(fā)回給對應(yīng)的前置機，做出相應(yīng)的操控動作。3.基于Java平臺的Spring框架的高并發(fā)、高可用、高擴展的后端服務(wù)平臺設(shè)計。該模塊接收網(wǎng)關(guān)傳回的傳感器數(shù)據(jù)并依托大數(shù)據(jù)技術(shù)對數(shù)據(jù)進行處理，同時為用戶前端的控制平臺通過RESTFul風(fēng)格的接口提供數(shù)據(jù)操控的訪問服務(wù)。4.基于Vue的數(shù)據(jù)可視化前端管理界面的設(shè)計。該模塊屬于后臺控制的用戶界面平臺,其他前述的大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺通過RESTFul接口通訊，在前端頁面做可視化輸出，提供完善的前置機管理、控制等功能，并具備自適應(yīng)各種移動終端的能力。（二）課題設(shè)計（研究）難點關(guān)于農(nóng)作物打頂系統(tǒng)相關(guān)的研究文獻不多，數(shù)據(jù)采集和分析工作需要借助互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集工具來進行，同時也需要進行實地的調(diào)查。架構(gòu)設(shè)計完成后，其實踐檢驗需要較長時間。（三）預(yù)期成果通過本文研究，基于樹莓派，并依托強大的Java微服務(wù)體系，設(shè)計棉花打頂系統(tǒng)，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)作物打頂工作的有效結(jié)合，提高棉花打頂機的效率，促進智慧農(nóng)業(yè)的長足發(fā)展。（四）成果形式論文形式參考文獻：[1]新聞學(xué)院.【學(xué)科發(fā)展報告】智慧農(nóng)業(yè)[DB/OL].http///post/485.html,2019.[2]何江.基于樹莓派的智能云灌溉系統(tǒng)研究[D].[3]陳卓.基于樹莓派的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].（2）期刊文章[4]關(guān)于加快推進農(nóng)業(yè)機械化和農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的指導(dǎo)意見[J].中國農(nóng)村科技,2019(12):23.王艷紅,羅錫文.智慧農(nóng)業(yè)是中國農(nóng)業(yè)未來的發(fā)展方向[J].農(nóng)業(yè)機械,2020(07):62-63.[6]尹麗.物聯(lián)網(wǎng)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用探析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)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