水稻工厂化育秧滴灌控制系统设计——基于模糊神经网络.pdf

水稻工厂化育秧滴灌控制系统设计 基于模糊神经网络 张铭轩 null 李爱传 null 李 岐 null 董昕源 null 吴少博 null 黑龙江八一农垦大学 nullnull工程学院 nullnull信息与电气工程学院 黑龙江 大庆 nullnullnullnullnullnull 摘 要 针对近年来水稻产量不断提高的现状 为了减少人力 优化育秧环境 降低生产成本 基于模糊控制与 神经网络相结合的方法 设计了一种基于模糊神经网络的水稻工厂化育秧滴灌控制系统 具有实时数据监测 历史数据查询分析 滴灌信息预测等功能 关键词 水稻 工厂化育秧 滴灌 控制系统 模糊神经网络 中图分类号 S275 6 S220 39 文献标识码 A 文章编号 1003 188X 2023 08 0064 05 0 引言 当今 水资源问题已经成为全球范围内的焦点问 题 不正确的农业灌溉方式及水利设备渗漏等造成了 浪费和次生盐碱化的问题 null 随着经济的飞速发展 及城市人口的大量增加 我国的城市化规模不断扩 大 使人们对水资源的需求进一步加强 因此 在水 资源不断减少 需求量越来越大的情况下 水资源无 法满足需求的情况越来越严重 null 预计到 nullnullnullnull 年 我国人均水资源量将逼近国际公认的 nullnullnullnullnull null 严重缺 水警戒线 由于缺水导致过量超采地下水 致使地下 水位大幅度下降 产生严重的生态环境问题 null 在水 质性缺水日益严重的情况下 灌溉的发展前景趋向于 节水型高效农业 这是解决我国水资源短缺问题的必 然要求 null 尽管现在温室大棚的滴灌系统有些已经 实现了自动控制 但更多的时候还需要人工去控制调 整执行机构 导致滴灌过度或者滴灌不足 人工劳动 成本高 对于拥有大量执行机构的温室来说 管理尤 其困难 自动化滴灌系统可根据作物的生长环境对 作物进行精确灌溉 null 其通过感知作物的生产环境制 定出合理的灌溉制度 根据实际情况实现对作物的适 时 适量的精确滴灌 null 智能滴灌系统能够实现对作 物的适时 适量的滴灌 不仅保证了作物的正常生长 收稿日期 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 基金项目 黑龙江省自然科学基金面上项目 nullnullnullnullnullnullnullnull 黑龙江八一 农垦大学青年创新人才项目 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 黑龙江八一 农垦大学启动计划项目 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 作者简介 张铭轩 nullnullnullnullnull 男 黑龙江绥化人 硕士研究生 nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 通讯作者 李爱传 nullnullnullnullnull 男 黑龙江肇东人 副教授 硕士生导师 博士 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 而且能够实现对水资源的合理运用 缓解水资源短缺 的问题 同时 智能滴灌系统的简单便捷 操作并不 复杂 使得智能滴灌系统成为了近年来农业滴灌的研 究方向重点 引发了极大的关注 null 为此 针对近年 来水稻产量不断提高的现状 为了减少人力 优化育 秧环境 降低生产成本 基于模糊控制与神经网络相 结合的方法 完成了一个基于模糊神经网络的水稻工 厂化育秧滴灌控制系统 以保障区域农业的可持续发 展 提高农业用水效率 1 平台整体设计要求 平台主要由平台软件 微信小程序 中心监控系 统和下位机组成 其中 平台软件是控制核心 内部 集成了灌溉控制模型 能代替农业专家下达灌溉决策 指令 微信小程序是用户控制端 便于在任意地点进 行灵活控制 中心监控计算机负责各种数据的接收 处理 显示 上传及发送 下位机要求经济可靠 准确 性高 便于推广 2 系统研究内容 研究工作围绕建立一个上位机与下位机相联合 的控制系统 其中 上位机需要实现一个用户友好型 的界面 以及设计一个符合规范的关系型数据库 并 对下位机采集的数据进行数据处理 以便于实现对水 稻工厂化育秧滴灌的自动化控制 设计一个移动端的 微信小程序 实现对温度环境参数设定 手动控制执 行机构等主要功能 以便于农业工作人员可以随时随 地实现对温室系统的监控与操作 null 基于微型处理器搭建下位机系统 控制各种传 感器对水稻育秧生长环境 光照强度 温度 湿度 nullnull nullnullnullnull 年 null 月 农 机 化 研 究 第 null 期 DOI 10 13427 ki njyi 2023 08 008 nullnullnull 浓度等 进行实时监测 将实时采集的数据上传 到上位机进行数据处理并显示 null 利用整个滴灌系统的下位机系统对电气设备 机械设备等设施进行调控 以实现水稻工厂化育秧的 自动化滴灌控制 null 编写上位机应用软件 将下位机采集的数据储 存到数据库之中 便于数据统计和分析 null 编写微信小程序 在移动端对滴灌系统下达各 种指令 控制整个滴灌系统进行工作 3 下位灌溉控制器硬件设计 根据系统要求 下位机采集大棚内的环境因素实 现采集环境因素数据的数据交互 并进行各个设备的 调控 同时 将采集的各个数据上传到远程服务器中 根据服务端下达的指令正确驱动电气设备进行环境 调控 下位机按照要求被分成智能控制主芯片 核心处 理器选用 nullnull 公司的 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 转换电 路 光电耦合电路 放大电路 人机接口模块及报警电 路等 如图 null 所示 它可以脱离主机独立工作 重点 突出其控制功能 因存储数据量小 需把数据上传至 上位机处理 图 null 下位机硬件组成框图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull 4 软件设计 根据平台的功能要求 将软件分成若干个相对独 立的功能模块 可实现如下功能 即信息采集自动化 可用上位机滴灌程序进行有效灌溉 可用微信小程序 控制灌溉 可与云服务器对接 平台使用对象是农业 技术人员 遵循便捷性 可扩展性的原则 4 1 数据库设计 系统使用 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 数据库 因其开源免费 性价比高 可对数据库中的数据信息进行增删改查 在市场上广为应用 正是因为 nullnullnullnullnull 极其稳定的数 据操作结构 主流的关系型数据库及数据库的开源 性 数据库能够得到持续有效的更新 所以选择为本 温室系统的数据库 null 将下位机传感器采集的环境参数上传至中心 监控计算机的数据库中 可用自编的微信小程序进行 实时的控制及显示 如表 null 所示 表 null 环境参数记录表 nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 字段 描述 类型 能否为空 nullnull 唯一标识 nullnullnull 否 nullnullnull 温度 nullnullnullnullnull 否 nullnullnull 湿度 nullnullnullnullnull 否 nullnullnull 光照强度 nullnullnullnullnull 否 nullnull null nullnull null 浓度 nullnullnullnullnull 否 nullnullnullnullnullnull 数据上传时间 nullnullnullnullnullnullnullnull 否 null 在进行滴灌控制前 可在微信小程序客户端进 行环境参数设置 环境参数设定表中记录了历史种植 经验中设定的滴灌环境参数 如表 null 所示 当系统采 集了现场中新的实时环境参数后 系统通过基于模糊 神经网络的灌溉决策对下位机的执行机构进行自动调 控 从而实现系统的自动滴灌 表 null 环境参数设定表 nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 字段 描述 类型 能否为空 nullnull 唯一标识 nullnullnull 否 nullnullnullnullnullnull 温度设定 nullnullnullnullnull 否 nullnullnullnullnullnull 湿度设定 nullnullnullnullnull 否 nullnullnullnullnullnull 光照强度设定 nullnullnullnullnull 否 nullnull null nullnullnull nullnull null 浓度设定 nullnullnullnullnull 否 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 参数设定时间 nullnullnullnullnullnullnullnull 否 4 2 下位机软件设计 下位机控制软件包括滴灌子程序 环境参数采集 子程序 nullnullnull 调整子程序 数值滤波子程序 中断显示 子程序及串口通信子程序等 上位机连接下位机成 功之后 系统才进入到上位机控制模式 如果连接不 成功 即为单机独立工作模式 null 4 3 上位机监控软件的设计 设计 nullnull 端应用程序软件 能够接收下位机上传 的监测数据 存储到数据库中 并以数据和图表的形 式在界面进行显示 在移动端设计微信小程序能够 查询某一时间段内 滴灌控制系统监测一个或多个参 nullnull nullnullnullnull 年 null 月 农 机 化 研 究 第 null 期 数的监控数据 nullnullnullnull 可以向指定下位机发送控制指 令 人工设置控制器响应的阈值 因此 采用 nullnullnullnull 语 言进行上位机设计 4 4 微信小程序 相对比于传统手机应用程序 小程序无需下载安 装 占用存储空间小 一次开发可以适配所用系统 从 而降低了开发成本 从温室控制使用人的操作便捷 性来说 与传统触摸屏控制或者现场机柜按钮控制相 比 手机人人都有 且不受地域影响 微信小程序的加 载速度更快 界面更加友好 简洁 用户体验性更好 与传统上位机的网页控制相比 微信小程序功能比传 统网页更加全面 因此 系统采用了制作微信小程序进行移动端控 制 以便于用户能够实时对温度环境进行了解 并根 据经验对环境参数随时进行设置调控 微信小程序 的架构简单分明 由 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 实现的逻辑层及用 nullnullnullnull 和 nullnullnullnull 实现的视图层组成 在逻辑层上 微 信小程序提供了一部分原生的 nullnullnull 从而方便对一些 功能进行调用 在视图层上 nullnullnullnull 与 nullnullnullnull 相比 小程序的 nullnullnullnull 对一些基础组件进行了整合 比 nullnullnull nullnull 更加简单实用 在 nullnullnullnull 上 微信不仅兼顾了 nullnullnull 的大部分优点特性 而且增加了尺寸单位和样式导入 的特性 可更好地来确定视图层的样式 4null4null1 微信小程序全局配置 null nullnullnullnullnullnullnullnull 创建路径 微信开发者工具自动生成 文件 分别用作首页 控制 个人中心 登录页面 历史 数据 技术支持 用户反馈及关于 null 在 nullnullnullnullnullnull 下设置如下 将 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 即下拉 nullnullnullnullnullnullnull 的样式设置为 nullnullnullnullnull 将 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 即导航栏背景颜 色 设置为 nullnullnullnullnullnullnull 将 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 即导航栏标题文字内 容 设置为控制系统 将 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 即导航栏标题颜色 设 置为 nullnullnullnullnull 在客户端窗口的底部设置一个 nullnullnull 栏 用于实现 各个页面的切换 在 nullnullnullnull 文件同层级下新建文件 nullnullnullnullnull 用于放入图片 配置 null 个 nullnullnull nullnullnull 中每项都是一个对 象 其属性值如下 nullnullnullnullnullnullnullnull 用于页面路径配置 分别 为首页页面路径 控制页面路径 个人中心页面路径 nullnullnullnull 设置 nullnullnull 上的文字 分别设置为首页 控制 个人中 心 nullnullnullnullnullnullnullnull 设置页面未选中时的图片路径 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 设置页面选中时的图片路径 4null4null2 微信小程序首页设置 在 nullnullnullnullnullnullnullnull 文件中进行首页的逻辑层设置 使用 小程序提供的 nullnullnull 即 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 从而发起 nullnullnullnullnull 请求 以便于接收存储在数据库的各种环境参数 将 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 定义为函数 在生命周期函数 nullnullnullnullnullnull 中使 用定时器 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 周期性调用 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 定义的函 数 从而实现视图层页面的数据展示更新 4null4null3 微信小程序控制页面设置 在 nullnullnullnullnullnull 文件夹下的 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 文件中设置表 单 nullnullnullnull 可以将组件内用户输入的 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 进行提交 当点击 nullnullnullnull 表单中 nullnullnullnull nullnullnullnullnull 为 nullnullnullnullnullnull 的 nullnullnullnullnullnull 组件时 会将表单 组件中的 nullnullnullnullnull 值进行提交 需要在表单组件中加上 nullnullnullnull 来作为 nullnullnull 在 nullnullnullnull 表单中设置 nullnullnullnullnullnull 组件 将 nullnullnullnull 属性改为 nullnullnullnullnullnull 即数字输入键盘 将 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 属性修改为 请输入您设置的设定值 即输入框为空时占位符 用 nullnullnullnull 视图容器分别将 nullnullnullnullnull 组件包裹 并在 nullnullnullnull 中写入文本温度设定值 湿度设定值 光照强度 设定值 在最外层 nullnullnullnull 视图容器中加入 nullnullnullnullnullnull 组件 设置 nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 属性改为 nullnullnullnullnullnullnull 绿 色 在 nullnullnullnullnullnull 文件夹下的 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 文件中 设置 null 个包裹 nullnullnullnullnull 组件的 nullnullnullnull 视图容器的字体颜色为黑 色 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 为 nullnullnullnullnull 设置其中两个 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull 的 nullnullnullnullnull 组件中输入值颜色为 nullnullnullnullnullnullnull 文本大小为 nullnullnullnullnullnull 设置 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 的 nullnullnullnullnull 组件中输入值颜 色为 nullnullnullnullnullnullnull 文本大小为 nullnullnullnullnullnull 并且设置 nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull 为 nullnullnullnullnullnull 在 nullnullnullnullnullnull 文件夹下的 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 文件中同样使用 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 实现对表单中数据向数据库的储存 4null4null4 个人中心页面配置 null 在 nullnullnullnullnull 文件夹中的 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 中配置 nullnullnullnull 视 图容器 nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnull 并嵌入 nullnullnullnull 视图容器 其中 nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 并写入 nullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 嵌入 nullnullnullnull 视图容器 nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 并写入 nullnull nullnullnullnull 在此视图容器中嵌套 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 导航栏 写入 nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 用于页面 跳转 文本设置为登录 在 nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 的 nullnullnullnull 视图容器中嵌套 图片对象 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 设置图片资 源地址为 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 图片裁剪 缩放的模式为默认 nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 用此图片作 为背景图片 并进行高斯模糊处理 在 nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 的 nullnullnullnull 视图容器中嵌套 nullnull nullnullnullnull 年 null 月 农 机 化 研 究 第 null 期 nullnullnullnull 视图容器 nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 并在其中 嵌套一个图片对象 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 设置图片资源地址为 nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 即获取的用户头像信息 用于显示用户头像 嵌套一个 nullnullnullnull 视图容器 nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnull 写 入 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 用于显示用户的微信昵称 嵌套一个 nullnullnullnullnullnull 组件 nullnullnullnull 属性为 nullnullnullnull 设置点击事件 为 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 文本设置为退出登录 此 nullnullnullnullnullnull 组件实现退出登录功能 null 设置 null 个页面链接 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 并分别嵌套 null 个 nullnullnullnull 视图容器 设置第 null 个页面链接 nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 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为 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 的 nullnullnullnull 视图容器做相对定位 将类名为 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 的 nullnullnullnullnull 图片对象显示为块级元素 nullnullnullnullnullnull 设置为计 算外边距 高度为 nullnullnullnull 宽度为 nullnullnullnull 并对图片使用 高斯模糊 nullnullnullnull 即将上半部分的背景图像做定位以 及高斯模糊处理 将类名为 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 的视图 容器做绝对定位 设置以包含元素的 nullnullnull的左边位 置 并用 null 轴定义旋转 nullnullnull 属性规定元素的顶部边 缘 将 nullnullnull 设置为 nullnullnull 将 nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 设置为 nullnullnullnullnullnull 即 将文本对齐方式设置为将文本排列到中间位置 将此 视图容器中的用户姓名以及头像信息做定位处理 将类名为 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 的图片对象宽度设置为 nullnullnullnullnullnull 高度设置为 nullnullnullnullnullnull 并增加圆角边框 nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 定义角落形状为 nullnullnull 即设置用户头像大小以 及形状 将类名为 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 的视图容器的文本颜色设置 为黑色 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 设置为 nullnullnullnullnull 定义一个 nullnullnullnullnull 的 上边距 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 设置为 nullnullnullnullnull 定义一个 nullnullnullnullnull 的下边距 文本大小为 nullnullnullnullnull 即设置视图容器的位 置以及文本颜色和大小 将类名为 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 的 nullnullnullnull 视图容器设置为 nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull 相对定位 将 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 设置为 nullnullnull nullnull nullnull nullnullnull 高度 nullnullnullnullnullnull 设置为 nullnullnullnull 宽度 nullnullnullnullnull 设 置为 nullnullnullnull 即对类名为 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 的 nullnullnullnull 视图容器做 定位处理 并设置背景颜色 将超过部分隐藏 进行大 小设置 将类型为 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 的视图容器做相对定位 设置 以包含元素的 nullnullnull的左边位置 并用 null 轴定义旋转 nullnullnull 属性规定元素的顶部边缘 将 nullnullnull 设置为 nullnullnull 将 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 设置为 nullnullnullnullnullnull 即将文本对齐方式设置为将 文本排列到中间位置 将 nullnullnullnullnullnull 设置为 nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull 即设置其 null 个边框样式 将文本设置为红色 文本大 小为 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 元素填充设置为 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull 设置为 nullnullnullnullnull 设置整个页面的背景颜色为 nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull 将类名为 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 的视图容器 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 设置为 nullnullnull 背景颜色设置为 nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull 设置 nullnullnullnullnullnullnull 元素填充为 nullnullnullnullnull 将类名为 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 的 null 个视图容器 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 设置为 nullnullnullnullnull 背景颜色设置为 nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull 设置 nullnullnullnullnullnullnull 元 素填充 为 nullnullnullnullnull 微信小程序登录后页面如图 null 所示 图 null 微信小程序登录界面 nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 5 结论 基于模糊神经网络的水稻工厂化育秧滴灌控制 系统 通过下位机各个传感器对水稻秧苗的生长土壤 nullnull nullnullnullnull 年 null 月 农 机 化 研 究 第 null 期 环境 光照强度 二氧化碳等因素进行采集 将采集的 数据传给上位机及远程服务器 实现对水稻秧苗的生 长环境监测 用模糊神经网络进行数据处理和灌溉决 策 同时 系统将土壤湿度偏差 土壤湿度偏差变化 率以及温度偏差 温度偏差变化率作为模糊神经网络 的输入 通过 nullnullnull 闭环控制系统实现对变温装置与变 湿装置的控制 从而实现对水稻秧苗的自动化滴灌控 制 完成对水稻秧苗的精确滴灌 参考文献 null 高秀清 null我国水资源现状及高效节水型农业发展对策 null nul