两级决策模型下的多网融合农业物联网智能节水灌溉系统.pdf

2021年 1期 科技创新与应用 TechnologyInnovationandApplication 设计创新 两级决策模型下的多网融合农业物联网智能节水灌溉系统 裴焕杰 陶 婵 邓 昀 陈守 学 夏劲 彪 梁 煜钒 桂林 理 工大学 广 西 桂林 541006 引言 我国是 一 个 水 资源 极 其 匮 乏 的 国家 考虑 到 我国 的 农 业 发 展 中 广泛 存 在 的 人 工 粗 放 式灌 溉 所 造 成 的 水 资源 严 重 浪费 问题 加 之 国 内 智 能节 水 灌 溉 系 统 的 开 发 尚 处 于 初 级 阶 段 且 引 进 国 外 技术 价 格 比 较 昂贵 灌 溉 技术 领 域 普 遍存 在 节 水 精 度不 强 实 时 性 不高 准 确 度不 够 等一 系 列 问题 基于 此研 发 出 一 款符 合 本 国国情 的 智 能 灌 溉 控 制 系 统 很是 重要 针 对 当 下 传 统 农 业 向 现 代 农 业 过渡 阶 段中 所 面 临 的 种种 问题 借 鉴 前 人 经验 创 造 并 设计 了 一 款 基于多 种 网 络 相互 融 合 的 农 业物 联 网智 能节 水 灌 溉 系 统 实 现 对 农 田 环 境 状 况 的 远 程 实 时 监 测 进 行 灌 溉 预 报 与 决 策 1系统整体框架 系 统 整 体 架 构及 硬 件 设计多 网 融 合 的 农 业物 联 网智 能节 水 灌 溉 系 统 按 功 能 可 以分 为 终 端 信息 采 集 控 制 系 统 和 灌 溉 控 制 系 统 两 部 分 终 端 信息 采 集 控 制 系 统 由 终 端 监 控 设 备 网 关 模 块 云服 务 器 三 部 分组成 终 端 采 集 控 制模 块 与 网 关 模 块 间通 过 ZigBee LoraWAN NB IOT等 网 络 通 信 2 网 关 模 块 与 云服 务 器 之 间 借 助 于 4G 以 太 网 等 因 特网 进 行通 信 灌 溉 控 制 系 统 部 署 在 云 端 服 务 器 并 将 决 策 结 果 通 过 云 端 服 务 器 实 时 传 送 到 网 关 模 块 具 体 结构如图 1所示 数 据采 集 设计 终 端 信息 采 集 设 备 由 信息获 取 终 端 模 块 控 制 终 端 模 块 及 电磁 阀 三 部 分 构 成 本 系 统 采用单 一 节 点 ZigBee网 络信息获 取 设 备 通 过 外 接 任 意 类 别传 感 器 ZigBee节 点将 传 感 器 所 传 递 的 数 据 通 过 自 组 好 的 网 络 发 送 到 协 调 器 随 即 协 调 器 调 用 串 口模 块 令 数 据 发 送 至 上位 机 软 件 3 通 信 网 络 设计 主 要 由 ZigBee LoraWAN NB IOT 4G 以 太 网 等多 种 网 络 相互 融 合 终 端 监 控 设 备 与 网 关 模 块 间通 过 ZigBee LoraWAN NB IOT等 网 络 通 信 网 关 模 块 与 云服 务 器 间 借 助 4G 以 太 网 等 网 络 通 信 摘 要 针 对 现 阶 段 我国 农田 果 林 等大面 积栽培种植 区 灌溉 技术 落 后 实 时 性 差 等 问题 1 设计 了一 款 多 种 传 输 网络融 合 的 终端 信息 采集 系统 和 智 能 节 水 灌溉 系统 终端 信息 采集 系统通 过 无 线 传感器网络 将 采集 到 的 数 据传递 到 云 服务器 上 智 能 节 水 灌溉 决 策 系统 部 署 在 云平 台 上 通 过 Penman Monteith公 式 计 算蒸腾 量 运 用 水 平 衡 方 程以 确定 灌溉时 间间隔 采 用 两 级 判 断 模 型 得 出 最佳 的 灌溉 决 策 系统 实 现 了 大 数 据精 准 分析 智 能 灌溉 等 功 能 实 测 结 果 表 明 该 系统可在 无 人 条件 下 自 动采 集 环境 因素 通 过 大 数 据 分析得 出在 保 证作物最佳生 长条件 下 的 最 优 灌溉 量 真正达 到 精 准 灌溉 关键词 多网融 合 云 服务器 Penman Monteith公 式 两 级 判 断 决 策 模 型 中图分类号 院 S126 文献标志码 院 A 文章编号 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 作者简介 邓昀 1980 男 硕士 信息 科 学 与 工程学 院 教授 研究方向 无 线 传感器网络 陈守 学 1978 男 硕士 信息 科 学 与 工程学 院 中 级 讲 师 研究方向 无 线 传感器网络 120 2021年 1期 科技创新与应用 TechnologyInnovationandApplication 设计创新 网 关 模 块 设计 网 关 模 块 是 整个 通 信 网 络 的 协 议 转 换 设 备 接 收来 自 终 端 信息获 取 模 块 传 送 的 数 据 包 进 行 分 析 压 缩 和 融 合 数 据 后 4 通 过 4G 以 太 网 在 内的 多 种 网 络 将 数 据 传 递 至 云 端 并 借 助 ZigBee LoraWAN NB IOT网 络 将 同 步 数 据 包 传 递 至 终 端 信息获 取 模 块 使 其 与 网 关 模 块 达 到 时间 同 步后随 即 进 入 休眠 模 式以 用 于 降 低 功 耗 网 关 同 云 端 建 立 TCP IP连 接 并 通 过 4G 以 太 网 接 收 并 解 析 云 端 所 传 递 的 决 策 结 果 数 据 包 借 助 ZigBee LoraWAN NB IOT在 内的 多 种 网 络 传 送 到 控 制 终 端 模 块 随 即 控 制 电磁 阀 之后 控 制 终 端 模 块 与 网 关 模 块 达 到 时间 同 步 即 进 入低 功 耗 休眠 模 式 云服 务 器 云服 务 器 采用 TCP并 发 服 务 器 模 型 首 先 云服 务 器 等 待 网 关 模 块 的 连 接 请 求 一 旦 网 关发 送 连 接 请 求 便 产生 1个用 于 处 理 该 网 关 的 业 务 新 线程 并分 析 计算 该 网 关 模 块 所 传 送 的 数 据 包 最 后将 其 存 储 到 决 策 数 据 库 以 利 于 灌 溉 控 制 系 统 调 用 此 外 为 防 止 避免延 迟 在 云服 务 器 的 每 个线程中均采用 轮 询 算 法 不 间 断实 时 循 环 查 询 智 能 灌 溉 系 统 决 策 结 果 数 据 库 是否 存 在 更 新 若 存 在 读 取 该 网 络 并 传 输 到 与 其 相 对 应 的 网 关 2系统软件设计 智 能 灌 溉 控 制 系 统 由 基 础 数 据 设置 模 块 实 时 监 控 与 报警 模 块以 及 灌 溉 预 测 与 专 家 决 策 模 块 这 3个 模 块组 成 基 础 数 据 设置 模 块 其 主 要 功 能 为 录 入 或 更新 基 础 信 息 气 象 土 壤 特 性 等 资 料 以 便 于 为 其 他 模 块 的 功 能 提 供 数 据 支 持 实 时 监 控 与 报警 模 块 主 要 是 通 过 如 同 表 格 图 形 等 相 对 直 观 的 表 达 方 式在 客 户 端 上 直 观 显 示 出 实 时 环 境 信息 以实 现 动 态 显 示 功 能 一 旦 任 意 环 境因 素 超 过 设 定 阈 值 系 统 便 自动 发 送报警信 号到 用 户 客 户 端 上 灌 溉 预 测 与 专 家 决 策 模 块 通 过 录 入 经验 丰富 的 农 作物 种 植专 家 的 灌 溉 方 法 及 模 型 库 中 存 储 的大 量 灌 溉 预 测 和 决 策 的 数 学 模 型 得 出 是否 达 到灌 溉 标准 并 计算 出 灌 溉 时间和 灌 溉 量 以 达 到实 现 高 效 高 品 质 节 水 系 统 的 软 件 设计 包 括 计算 参 考 物 蒸 发 蒸腾 量 灌 溉 预 报 灌 溉 决 策 三 大 功 能 部 分 软 件 系 统 都是 依 据 硬 件 采 集 设 备 的 数 据 作 为 参 数 输 入 然后 根据不同的 功 能 设计 计算 程 序 1 计算 蒸 发 蒸腾 量 程 序 设计 计算 蒸 发 蒸腾 量 主 要 是 为 了 得 出 作物 次 数 刻 一 个 需 水 状态 首 先 将 硬 件 设 备 采 集 到 的 参 数 作 为 初 始 值 采用 Penman Monteith公 式 对 参 数 进 行计算 得 出 作物 的 蒸 发 蒸腾 量 得 出 作物是否 缺 水 缺 水 则 计算 灌 溉 量 不 缺 水 则 等 待 下 次 重 新 采 集 数 据 进 行计算 判 断 作物是否 缺 水 2 灌 溉 预 报 程 序 设计 该 功 能 的 设计主 要 是 根据 硬 件 收 集 的 数 据 作 为程 序 的 参 数 输 入 然后 根据 首 先判 断 是否 缺 水 只 有 在 缺 水 的 状态 下 才 能 计算 出 作物 的 灌 溉 时间间 隔 不 缺 水 则 等 待 下 次 参 数 的 传 输 重 新 计算 如 果 缺 水 则 根据 灌 溉 预 报 算 法 公 式 计算 出 灌 溉 的 时间间 隔 是 否 与 原始 间 隔 相 等 如 果 相 等 则 不 更新 等 待 chongx1计 算 如 果 不相 等 则 更新 时间间 隔 3 灌 溉 决 策 程 序 设计 灌 溉 决 策 程 序 设计主 要 的 原 理是 用 户 可 以 根据 三 种 决 策 方 式进 行 选择 提 供 灌 溉 定 量 指 导 每 一 种 决 策 都 有 不同的 决 策 公 式 最 终 可 得 出 一 个 具 体 的 灌 溉 决 策 方 案 具 体 的程 序 流 程 框 图如图 2所 示 图 2程 序 流程图 3 系统功能测试 设计 了 基于 随 机 森 林 和 长 短 时 记忆 网 络 模 型的 农 作 物 产 量 气 候 因 子 分 析 及 预 测 评 价 模 型 通 过 对 玉米 进 行 试 验 参 考 2006 2017年 的 人 均 玉米 产 量 统 计 同 年 份 的 图 1系统总体 架 构 121 2021年 1期 科技创新与应用 TechnologyInnovationandApplication 设计创新 气 象 观 测 资 料 基于 决 策树 和 随 机 森 林 模 型 通 过 对 影响 玉米 产 量 的 气 候 因 子 测 试 得 到 的 数 据 结 果 分 析 5 得 出 在 玉米 不同 生 育 期 中 哪 些 气 候 因 子 对 玉米 生 长 影响最 大 结 果 表 明 玉米 在 不同 生 育 期下受 不同 气 候 因 子 的 影 响 接 着选 取 2017年 的 日 均 温 度 数 据为 历史 数 据 通 过 长 短 时 记忆 网 络 对 玉米 成 熟 期最 后 15天 的 日 均 气 温 进 行 预 测 A 为 历史 数 据 B 为 预 测 未 来 一 段 时间 的 数 据 最 后 通 过 气 候 因 子 综 合 评 价 指 标 对 被 预 测 数 据 进 行 分 析 系 统模 型 流 程 如图 3所示 图 3系统 模 型流程图 实 验 结 果 图如图 4 图 5 图 6所示 图 4玉米 相对 气象 产 量 和 各 生育 期 气候 因子 间 的 关 系 图 4 结束语 提出 了 一 种 新 型的 基于 智 能节 水 灌 溉 系 统 的 智 能 灌 溉 决 策 系 统 该 系 统将 终 端 信息 采 集 系 统 与 智 能 灌 溉 决 策 系 统 相 结 合 云服 务 器 通 过 无 线 网 络 将 终 端 信息 采 集 系 统 获 取 的 数 据 传 递 到 智 能 灌 溉 决 策 系 统 通 过 对 参 考 物 蒸 发 蒸腾 量 的 计算 得 出 最 佳 灌 溉 时间间 隔 利 用大 数 据 分 析 得 出 最 优 灌 溉 决 策 该 系 统 的 应 用 可 大 幅 度 减少 农 业 生产 中 生产 资 料 消 耗 和水 资源 浪费 等 问题 具 有 一 定 的 社 会 效 益 和 经济效 益 6 参考文献 院 1 李 德旺 许春雨 宋 建成 等 基 于 物 联 网 的 远 程 智 能 灌溉 控 制 系统 的 开 发 J 节 水 灌溉 2017 10 87 91 2 余 国 雄 王 卫星 谢 家兴 等 基 于 物 联 网 的 荔枝园 信息 获取 与智 能 灌溉 专家决 策 系统 J 农业 工程学 报 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 系统 的 研究 J 移动 信息 2016 2 46 46 4 武 新梅 周 素 茵 徐 爱俊 生态治 理 模 式 下生猪养殖 业 污 水 智 慧监管 J 浙江 农 林 大学学 报 2018 35 3 543 551 5 秦鹏 程 刘 志 雄 万 素 琴 等 基 于 决 策 树 和随 机森 林 模 型的 湖 北 油菜 产 量 限 制 因子 分析 J 中 国 农业 气象 2016 37 6 691 699 6 邓昀 程小 辉 智 能 灌溉 系统 的 无 线 传感器网络 设计 J 自 动 化 仪 表 2013 34 2 80 83 图 5随 机森 林 模 型 下 的 玉米 产 量 影响 的 环境 因子 相 关 性 图 6LSTM算 法 预 测 的 未 来 15天 内 的 温 度 变 化 图 A B 122