兩級(jí)決策模型下的多網(wǎng)融合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng).pdf

2021年 1期 科技創(chuàng)新與應(yīng)用 TechnologyInnovationandApplication 設(shè)計(jì)創(chuàng)新 兩級(jí)決策模型下的多網(wǎng)融合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng) 裴煥杰 陶 嬋 鄧 昀 陳守 學(xué) 夏勁 彪 梁 煜釩 桂林 理 工大學(xué) 廣 西 桂林 541006 引言 我國(guó)是 一 個(gè) 水 資源 極 其 匱 乏 的 國(guó)家 考慮 到 我國(guó) 的 農(nóng) 業(yè) 發(fā) 展 中 廣泛 存 在 的 人 工 粗 放 式灌 溉 所 造 成 的 水 資源 嚴(yán) 重 浪費(fèi) 問(wèn)題 加 之 國(guó) 內(nèi) 智 能節(jié) 水 灌 溉 系 統(tǒng) 的 開(kāi) 發(fā) 尚 處 于 初 級(jí) 階 段 且 引 進(jìn) 國(guó) 外 技術(shù) 價(jià) 格 比 較 昂貴 灌 溉 技術(shù) 領(lǐng) 域 普 遍存 在 節(jié) 水 精 度不 強(qiáng) 實(shí) 時(shí) 性 不高 準(zhǔn) 確 度不 夠 等一 系 列 問(wèn)題 基于 此研 發(fā) 出 一 款符 合 本 國(guó)國(guó)情 的 智 能 灌 溉 控 制 系 統(tǒng) 很是 重要 針 對(duì) 當(dāng) 下 傳 統(tǒng) 農(nóng) 業(yè) 向 現(xiàn) 代 農(nóng) 業(yè) 過(guò)渡 階 段中 所 面 臨 的 種種 問(wèn)題 借 鑒 前 人 經(jīng)驗(yàn) 創(chuàng) 造 并 設(shè)計(jì) 了 一 款 基于多 種 網(wǎng) 絡(luò) 相互 融 合 的 農(nóng) 業(yè)物 聯(lián) 網(wǎng)智 能節(jié) 水 灌 溉 系 統(tǒng) 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 農(nóng) 田 環(huán) 境 狀 況 的 遠(yuǎn) 程 實(shí) 時(shí) 監(jiān) 測(cè) 進(jìn) 行 灌 溉 預(yù) 報(bào) 與 決 策 1系統(tǒng)整體框架 系 統(tǒng) 整 體 架 構(gòu)及 硬 件 設(shè)計(jì)多 網(wǎng) 融 合 的 農(nóng) 業(yè)物 聯(lián) 網(wǎng)智 能節(jié) 水 灌 溉 系 統(tǒng) 按 功 能 可 以分 為 終 端 信息 采 集 控 制 系 統(tǒng) 和 灌 溉 控 制 系 統(tǒng) 兩 部 分 終 端 信息 采 集 控 制 系 統(tǒng) 由 終 端 監(jiān) 控 設(shè) 備 網(wǎng) 關(guān) 模 塊 云服 務(wù) 器 三 部 分組成 終 端 采 集 控 制模 塊 與 網(wǎng) 關(guān) 模 塊 間通 過(guò) ZigBee LoraWAN NB IOT等 網(wǎng) 絡(luò) 通 信 2 網(wǎng) 關(guān) 模 塊 與 云服 務(wù) 器 之 間 借 助 于 4G 以 太 網(wǎng) 等 因 特網(wǎng) 進(jìn) 行通 信 灌 溉 控 制 系 統(tǒng) 部 署 在 云 端 服 務(wù) 器 并 將 決 策 結(jié) 果 通 過(guò) 云 端 服 務(wù) 器 實(shí) 時(shí) 傳 送 到 網(wǎng) 關(guān) 模 塊 具 體 結(jié)構(gòu)如圖 1所示 數(shù) 據(jù)采 集 設(shè)計(jì) 終 端 信息 采 集 設(shè) 備 由 信息獲 取 終 端 模 塊 控 制 終 端 模 塊 及 電磁 閥 三 部 分 構(gòu) 成 本 系 統(tǒng) 采用單 一 節(jié) 點(diǎn) ZigBee網(wǎng) 絡(luò)信息獲 取 設(shè) 備 通 過(guò) 外 接 任 意 類 別傳 感 器 ZigBee節(jié) 點(diǎn)將 傳 感 器 所 傳 遞 的 數(shù) 據(jù) 通 過(guò) 自 組 好 的 網(wǎng) 絡(luò) 發(fā) 送 到 協(xié) 調(diào) 器 隨 即 協(xié) 調(diào) 器 調(diào) 用 串 口模 塊 令 數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 至 上位 機(jī) 軟 件 3 通 信 網(wǎng) 絡(luò) 設(shè)計(jì) 主 要 由 ZigBee LoraWAN NB IOT 4G 以 太 網(wǎng) 等多 種 網(wǎng) 絡(luò) 相互 融 合 終 端 監(jiān) 控 設(shè) 備 與 網(wǎng) 關(guān) 模 塊 間通 過(guò) ZigBee LoraWAN NB IOT等 網(wǎng) 絡(luò) 通 信 網(wǎng) 關(guān) 模 塊 與 云服 務(wù) 器 間 借 助 4G 以 太 網(wǎng) 等 網(wǎng) 絡(luò) 通 信 摘 要 針 對(duì) 現(xiàn) 階 段 我國(guó) 農(nóng)田 果 林 等大面 積栽培種植 區(qū) 灌溉 技術(shù) 落 后 實(shí) 時(shí) 性 差 等 問(wèn)題 1 設(shè)計(jì) 了一 款 多 種 傳 輸 網(wǎng)絡(luò)融 合 的 終端 信息 采集 系統(tǒng) 和 智 能 節(jié) 水 灌溉 系統(tǒng) 終端 信息 采集 系統(tǒng)通 過(guò) 無(wú) 線 傳感器網(wǎng)絡(luò) 將 采集 到 的 數(shù) 據(jù)傳遞 到 云 服務(wù)器 上 智 能 節(jié) 水 灌溉 決 策 系統(tǒng) 部 署 在 云平 臺(tái) 上 通 過(guò) Penman Monteith公 式 計(jì) 算蒸騰 量 運(yùn) 用 水 平 衡 方 程以 確定 灌溉時(shí) 間間隔 采 用 兩 級(jí) 判 斷 模 型 得 出 最佳 的 灌溉 決 策 系統(tǒng) 實(shí) 現(xiàn) 了 大 數(shù) 據(jù)精 準(zhǔn) 分析 智 能 灌溉 等 功 能 實(shí) 測(cè) 結(jié) 果 表 明 該 系統(tǒng)可在 無(wú) 人 條件 下 自 動(dòng)采 集 環(huán)境 因素 通 過(guò) 大 數(shù) 據(jù) 分析得 出在 保 證作物最佳生 長(zhǎng)條件 下 的 最 優(yōu) 灌溉 量 真正達(dá) 到 精 準(zhǔn) 灌溉 關(guān)鍵詞 多網(wǎng)融 合 云 服務(wù)器 Penman Monteith公 式 兩 級(jí) 判 斷 決 策 模 型 中圖分類號(hào) 院 S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 院 A 文章編號(hào) 院 2095 2945 2021 01 0120 03 Abstract Aimingattheproblemsofbackwardirrigationtechnologyandpoorreal timeperformanceinlarge scale cultivationareassuchasfarmlandandfruitforestsinmycountryatthisstage aterminalinformationcollectionsystemand intelligentwater savingirrigationsystemintegratedwithmultipletransmissionnetworksaredesigned Theterminalinformation collectionsystemtransmitsthecollecteddatatothecloudserverthroughthewirelesssensornetwork theintelligentwater savingirrigationdecision makingsystemisdeployedonthecloudplatform thePenman Monteithformulaisusedtocalculate thetranspiration thewaterbalanceequationisusedtodeterminetheirrigationtimeinterval thetwo leveljudgmentmodelis adoptedtoobtainthebestirrigationdecision andthesystemrealizesthefunctionsofpreciseanalysisofbigdata intelligent irrigationandotherfunctions Theactualmeasurementresultsshowthatthesystemcanautomaticallycollectenvironmental factorsunderunmannedconditionsandobtaintheguaranteethroughbigdataanalysis Theoptimalirrigationamountunderthe optimalgrowthconditionsofcropstrulyachievespreciseirrigation Keywords multi networkintegration cloudserver Penman Monteithformula two leveljudgmentdecisionmodel 作者簡(jiǎn)介 鄧昀 1980 男 碩士 信息 科 學(xué) 與 工程學(xué) 院 教授 研究方向 無(wú) 線 傳感器網(wǎng)絡(luò) 陳守 學(xué) 1978 男 碩士 信息 科 學(xué) 與 工程學(xué) 院 中 級(jí) 講 師 研究方向 無(wú) 線 傳感器網(wǎng)絡(luò) 120 2021年 1期 科技創(chuàng)新與應(yīng)用 TechnologyInnovationandApplication 設(shè)計(jì)創(chuàng)新 網(wǎng) 關(guān) 模 塊 設(shè)計(jì) 網(wǎng) 關(guān) 模 塊 是 整個(gè) 通 信 網(wǎng) 絡(luò) 的 協(xié) 議 轉(zhuǎn) 換 設(shè) 備 接 收來(lái) 自 終 端 信息獲 取 模 塊 傳 送 的 數(shù) 據(jù) 包 進(jìn) 行 分 析 壓 縮 和 融 合 數(shù) 據(jù) 后 4 通 過(guò) 4G 以 太 網(wǎng) 在 內(nèi)的 多 種 網(wǎng) 絡(luò) 將 數(shù) 據(jù) 傳 遞 至 云 端 并 借 助 ZigBee LoraWAN NB IOT網(wǎng) 絡(luò) 將 同 步 數(shù) 據(jù) 包 傳 遞 至 終 端 信息獲 取 模 塊 使 其 與 網(wǎng) 關(guān) 模 塊 達(dá) 到 時(shí)間 同 步后隨 即 進(jìn) 入 休眠 模 式以 用 于 降 低 功 耗 網(wǎng) 關(guān) 同 云 端 建 立 TCP IP連 接 并 通 過(guò) 4G 以 太 網(wǎng) 接 收 并 解 析 云 端 所 傳 遞 的 決 策 結(jié) 果 數(shù) 據(jù) 包 借 助 ZigBee LoraWAN NB IOT在 內(nèi)的 多 種 網(wǎng) 絡(luò) 傳 送 到 控 制 終 端 模 塊 隨 即 控 制 電磁 閥 之后 控 制 終 端 模 塊 與 網(wǎng) 關(guān) 模 塊 達(dá) 到 時(shí)間 同 步 即 進(jìn) 入低 功 耗 休眠 模 式 云服 務(wù) 器 云服 務(wù) 器 采用 TCP并 發(fā) 服 務(wù) 器 模 型 首 先 云服 務(wù) 器 等 待 網(wǎng) 關(guān) 模 塊 的 連 接 請(qǐng) 求 一 旦 網(wǎng) 關(guān)發(fā) 送 連 接 請(qǐng) 求 便 產(chǎn)生 1個(gè)用 于 處 理 該 網(wǎng) 關(guān) 的 業(yè) 務(wù) 新 線程 并分 析 計(jì)算 該 網(wǎng) 關(guān) 模 塊 所 傳 送 的 數(shù) 據(jù) 包 最 后將 其 存 儲(chǔ) 到 決 策 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 以 利 于 灌 溉 控 制 系 統(tǒng) 調(diào) 用 此 外 為 防 止 避免延 遲 在 云服 務(wù) 器 的 每 個(gè)線程中均采用 輪 詢 算 法 不 間 斷實(shí) 時(shí) 循 環(huán) 查 詢 智 能 灌 溉 系 統(tǒng) 決 策 結(jié) 果 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 是否 存 在 更 新 若 存 在 讀 取 該 網(wǎng) 絡(luò) 并 傳 輸 到 與 其 相 對(duì) 應(yīng) 的 網(wǎng) 關(guān) 2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 智 能 灌 溉 控 制 系 統(tǒng) 由 基 礎(chǔ) 數(shù) 據(jù) 設(shè)置 模 塊 實(shí) 時(shí) 監(jiān) 控 與 報(bào)警 模 塊以 及 灌 溉 預(yù) 測(cè) 與 專 家 決 策 模 塊 這 3個(gè) 模 塊組 成 基 礎(chǔ) 數(shù) 據(jù) 設(shè)置 模 塊 其 主 要 功 能 為 錄 入 或 更新 基 礎(chǔ) 信 息 氣 象 土 壤 特 性 等 資 料 以 便 于 為 其 他 模 塊 的 功 能 提 供 數(shù) 據(jù) 支 持 實(shí) 時(shí) 監(jiān) 控 與 報(bào)警 模 塊 主 要 是 通 過(guò) 如 同 表 格 圖 形 等 相 對(duì) 直 觀 的 表 達(dá) 方 式在 客 戶 端 上 直 觀 顯 示 出 實(shí) 時(shí) 環(huán) 境 信息 以實(shí) 現(xiàn) 動(dòng) 態(tài) 顯 示 功 能 一 旦 任 意 環(huán) 境因 素 超 過(guò) 設(shè) 定 閾 值 系 統(tǒng) 便 自動(dòng) 發(fā) 送報(bào)警信 號(hào)到 用 戶 客 戶 端 上 灌 溉 預(yù) 測(cè) 與 專 家 決 策 模 塊 通 過(guò) 錄 入 經(jīng)驗(yàn) 豐富 的 農(nóng) 作物 種 植專 家 的 灌 溉 方 法 及 模 型 庫(kù) 中 存 儲(chǔ) 的大 量 灌 溉 預(yù) 測(cè) 和 決 策 的 數(shù) 學(xué) 模 型 得 出 是否 達(dá) 到灌 溉 標(biāo)準(zhǔn) 并 計(jì)算 出 灌 溉 時(shí)間和 灌 溉 量 以 達(dá) 到實(shí) 現(xiàn) 高 效 高 品 質(zhì) 節(jié) 水 系 統(tǒng) 的 軟 件 設(shè)計(jì) 包 括 計(jì)算 參 考 物 蒸 發(fā) 蒸騰 量 灌 溉 預(yù) 報(bào) 灌 溉 決 策 三 大 功 能 部 分 軟 件 系 統(tǒng) 都是 依 據(jù) 硬 件 采 集 設(shè) 備 的 數(shù) 據(jù) 作 為 參 數(shù) 輸 入 然后 根據(jù)不同的 功 能 設(shè)計(jì) 計(jì)算 程 序 1 計(jì)算 蒸 發(fā) 蒸騰 量 程 序 設(shè)計(jì) 計(jì)算 蒸 發(fā) 蒸騰 量 主 要 是 為 了 得 出 作物 次 數(shù) 刻 一 個(gè) 需 水 狀態(tài) 首 先 將 硬 件 設(shè) 備 采 集 到 的 參 數(shù) 作 為 初 始 值 采用 Penman Monteith公 式 對(duì) 參 數(shù) 進(jìn) 行計(jì)算 得 出 作物 的 蒸 發(fā) 蒸騰 量 得 出 作物是否 缺 水 缺 水 則 計(jì)算 灌 溉 量 不 缺 水 則 等 待 下 次 重 新 采 集 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行計(jì)算 判 斷 作物是否 缺 水 2 灌 溉 預(yù) 報(bào) 程 序 設(shè)計(jì) 該 功 能 的 設(shè)計(jì)主 要 是 根據(jù) 硬 件 收 集 的 數(shù) 據(jù) 作 為程 序 的 參 數(shù) 輸 入 然后 根據(jù) 首 先判 斷 是否 缺 水 只 有 在 缺 水 的 狀態(tài) 下 才 能 計(jì)算 出 作物 的 灌 溉 時(shí)間間 隔 不 缺 水 則 等 待 下 次 參 數(shù) 的 傳 輸 重 新 計(jì)算 如 果 缺 水 則 根據(jù) 灌 溉 預(yù) 報(bào) 算 法 公 式 計(jì)算 出 灌 溉 的 時(shí)間間 隔 是 否 與 原始 間 隔 相 等 如 果 相 等 則 不 更新 等 待 chongx1計(jì) 算 如 果 不相 等 則 更新 時(shí)間間 隔 3 灌 溉 決 策 程 序 設(shè)計(jì) 灌 溉 決 策 程 序 設(shè)計(jì)主 要 的 原 理是 用 戶 可 以 根據(jù) 三 種 決 策 方 式進(jìn) 行 選擇 提 供 灌 溉 定 量 指 導(dǎo) 每 一 種 決 策 都 有 不同的 決 策 公 式 最 終 可 得 出 一 個(gè) 具 體 的 灌 溉 決 策 方 案 具 體 的程 序 流 程 框 圖如圖 2所 示 圖 2程 序 流程圖 3 系統(tǒng)功能測(cè)試 設(shè)計(jì) 了 基于 隨 機(jī) 森 林 和 長(zhǎng) 短 時(shí) 記憶 網(wǎng) 絡(luò) 模 型的 農(nóng) 作 物 產(chǎn) 量 氣 候 因 子 分 析 及 預(yù) 測(cè) 評(píng) 價(jià) 模 型 通 過(guò) 對(duì) 玉米 進(jìn) 行 試 驗(yàn) 參 考 2006 2017年 的 人 均 玉米 產(chǎn) 量 統(tǒng) 計(jì) 同 年 份 的 圖 1系統(tǒng)總體 架 構(gòu) 121 2021年 1期 科技創(chuàng)新與應(yīng)用 TechnologyInnovationandApplication 設(shè)計(jì)創(chuàng)新 氣 象 觀 測(cè) 資 料 基于 決 策樹(shù) 和 隨 機(jī) 森 林 模 型 通 過(guò) 對(duì) 影響 玉米 產(chǎn) 量 的 氣 候 因 子 測(cè) 試 得 到 的 數(shù) 據(jù) 結(jié) 果 分 析 5 得 出 在 玉米 不同 生 育 期 中 哪 些 氣 候 因 子 對(duì) 玉米 生 長(zhǎng) 影響最 大 結(jié) 果 表 明 玉米 在 不同 生 育 期下受 不同 氣 候 因 子 的 影 響 接 著選 取 2017年 的 日 均 溫 度 數(shù) 據(jù)為 歷史 數(shù) 據(jù) 通 過(guò) 長(zhǎng) 短 時(shí) 記憶 網(wǎng) 絡(luò) 對(duì) 玉米 成 熟 期最 后 15天 的 日 均 氣 溫 進(jìn) 行 預(yù) 測(cè) A 為 歷史 數(shù) 據(jù) B 為 預(yù) 測(cè) 未 來(lái) 一 段 時(shí)間 的 數(shù) 據(jù) 最 后 通 過(guò) 氣 候 因 子 綜 合 評(píng) 價(jià) 指 標(biāo) 對(duì) 被 預(yù) 測(cè) 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 分 析 系 統(tǒng)模 型 流 程 如圖 3所示 圖 3系統(tǒng) 模 型流程圖 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 圖如圖 4 圖 5 圖 6所示 圖 4玉米 相對(duì) 氣象 產(chǎn) 量 和 各 生育 期 氣候 因子 間 的 關(guān) 系 圖 4 結(jié)束語(yǔ) 提出 了 一 種 新 型的 基于 智 能節(jié) 水 灌 溉 系 統(tǒng) 的 智 能 灌 溉 決 策 系 統(tǒng) 該 系 統(tǒng)將 終 端 信息 采 集 系 統(tǒng) 與 智 能 灌 溉 決 策 系 統(tǒng) 相 結(jié) 合 云服 務(wù) 器 通 過(guò) 無(wú) 線 網(wǎng) 絡(luò) 將 終 端 信息 采 集 系 統(tǒng) 獲 取 的 數(shù) 據(jù) 傳 遞 到 智 能 灌 溉 決 策 系 統(tǒng) 通 過(guò) 對(duì) 參 考 物 蒸 發(fā) 蒸騰 量 的 計(jì)算 得 出 最 佳 灌 溉 時(shí)間間 隔 利 用大 數(shù) 據(jù) 分 析 得 出 最 優(yōu) 灌 溉 決 策 該 系 統(tǒng) 的 應(yīng) 用 可 大 幅 度 減少 農(nóng) 業(yè) 生產(chǎn) 中 生產(chǎn) 資 料 消 耗 和水 資源 浪費(fèi) 等 問(wèn)題 具 有 一 定 的 社 會(huì) 效 益 和 經(jīng)濟(jì)效 益 6 參考文獻(xiàn) 院 1 李 德旺 許春雨 宋 建成 等 基 于 物 聯(lián) 網(wǎng) 的 遠(yuǎn) 程 智 能 灌溉 控 制 系統(tǒng) 的 開(kāi) 發(fā) J 節(jié) 水 灌溉 2017 10 87 91 2 余 國(guó) 雄 王 衛(wèi)星 謝 家興 等 基 于 物 聯(lián) 網(wǎng) 的 荔枝園 信息 獲取 與智 能 灌溉 專家決 策 系統(tǒng) J 農(nóng)業(yè) 工程學(xué) 報(bào) 2016 32 20 144 152 3 王 明 沂 李 丹丹 徐 唱 等 基 于 ZigBee和 STM32的 智 能 家 居 系統(tǒng) 的 研究 J 移動(dòng) 信息 2016 2 46 46 4 武 新梅 周 素 茵 徐 愛(ài)俊 生態(tài)治 理 模 式 下生豬養(yǎng)殖 業(yè) 污 水 智 慧監(jiān)管 J 浙江 農(nóng) 林 大學(xué)學(xué) 報(bào) 2018 35 3 543 551 5 秦鵬 程 劉 志 雄 萬(wàn) 素 琴 等 基 于 決 策 樹(shù) 和隨 機(jī)森 林 模 型的 湖 北 油菜 產(chǎn) 量 限 制 因子 分析 J 中 國(guó) 農(nóng)業(yè) 氣象 2016 37 6 691 699 6 鄧昀 程小 輝 智 能 灌溉 系統(tǒng) 的 無(wú) 線 傳感器網(wǎng)絡(luò) 設(shè)計(jì) J 自 動(dòng) 化 儀 表 2013 34 2 80 83 圖 5隨 機(jī)森 林 模 型 下 的 玉米 產(chǎn) 量 影響 的 環(huán)境 因子 相 關(guān) 性 圖 6LSTM算 法 預(yù) 測(cè) 的 未 來(lái) 15天 內(nèi) 的 溫 度 變 化 圖 A B 122