基于边缘计算和多传感器融合的温室环境监测研究_李景涛.pdf

基 于 边 缘 计 算 和 多 传 感 器 融 合 的 温 室 环 境 监 测 研 究 李 景 涛 1 李 立 博 2 冯 翠 媛 2 李 军 辉 3 1 河 北 绿 多 多 农 业 科 技 开 发 有 限 公 司 河 北 邯 郸 0 5 6 0 0 8 2 河 北 绿 谷 信 息 科 技 有 限 公 司 河 北 石 家 庄 0 5 0 0 3 6 3 河 北 地 质 大 学 河 北 石 家 庄 0 5 0 0 3 1 摘 要 准 确 判 断 温 室 环 境 是 否 处 于 作 物 最 佳 生 长 状 态 是 实 现 作 物 高 质 量 生 长 的 关 键 为 此 本 研 究 提 出 了 一 种 基 于 边 缘 计 算 和 多 传 感 器 融 合 的 温 室 环 境 监 测 方 法 先 利 用 边 缘 计 算 技 术 对 多 传 感 器 进 行 数 据 采 集 并 通 过 四 分 法 对 异 常 数 据 进 行 清 理 为 了 减 少 冗 余 信 息 进 一 步 使 用 主 成 分 分 析 P C A 对 数 据 进 行 降 维 之 后 提 出 一 种 改 进 的 D S 证 据 理 论 融 合 算 法 结 合 模 糊 支 持 向 量 机 F S V M 优 化 基 本 概 率 赋 值 B P A 函 数 增 强 特 征 融 合 的 准 确 性 最 后 以 温 室 黄 瓜 为 例 进 行 试 验 验 证 结 果 表 明 该 方 法 在 温 室 环 境 监 测 方 面 具 有 准 确 性 和 可 靠 性 关 键 词 温 室 环 境 边 缘 计 算 多 传 感 器 数 据 融 合 D S 证 据 理 论 F S V M D O I 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 5 7 3 9 2 0 2 5 2 4 0 3 9 开 放 科 学 资 源 服 务 标 识 码 O S I D 现 代 农 业 对 温 室 种 植 的 精 细 化 管 理 提 出 了 更 高 的 要 求 监 测 温 室 内 的 环 境 因 素 如 温 度 湿 度 C O 2 浓 度 以 及 光 照 条 件 能 够 有 效 提 高 作 物 的 生 长 质 量 提 升 资 源 利 用 效 率 1 目 前 温 室 环 境 数 据 的 采 集 主 要 依 靠 多 传 感 器 系 统 然 而 受 传 感 器 老 化 环 境 干 扰 等 因 素 影 响 传 感 器 数 据 往 往 存 在 异 常 值 和 不 确 定 性 影 响 智 能 控 制 系 统 的 决 策 准 确 性 处 理 这 种 不 确 定 性 问 题 常 用 方 法 包 括 贝 叶 斯 估 计 法 和 D S 证 据 理 论 其 中 贝 叶 斯 估 计 法 依 赖 先 验 概 率 在 先 验 信 息 未 知 或 不 足 的 情 况 下 难 以 适 用 D S 证 据 理 论 能 够 在 无 先 验 概 率 的 情 况 下 对 不 确 定 信 息 进 行 融 合 2 其 通 过 基 本 概 率 赋 值 B P A 来 量 化 数 据 的 不 确 定 性 具 有 较 好 的 数 据 融 合 效 果 本 研 究 基 于 边 缘 计 算 技 术 在 温 室 部 署 计 算 节 点 对 多 传 感 器 采 集 的 数 据 进 行 实 时 处 理 减 少 云 端 计 算 压 力 提 高 响 应 速 度 同 时 结 合 不 同 传 感 器 的 数 据 进 行 数 据 异 常 值 清 洗 以 提 升 数 据 质 量 在 数 据 特 征 融 合 之 前 对 多 维 数 据 进 行 降 维 最 后 提 出 改 进的 D S 证据 理论 方法 利用 模糊 支持 向量 机 F S V M 优 化 B P A 函 数 增 强 环 境 参 数 的 不 确 定 性 建 模 能 力 从 而 实 现 高 精 度 的 温 室 环 境 监 测 1 研 究 内 容 与 方 法 1 1 基 于 边 缘 计 算 的 数 据 采 集 温 室 环 境 是 一 个 复 杂 的 分 布 参 数 系 统 具 备 非 线 性 显 著 多 变 量 相 关 性 强 时 滞 效 应 突 出 等 特 点 3 传 统 的 云 计 算 模 式 受 限 于 数 据 传 输 的 延 迟 和 中 心 化 处 理 的 瓶 颈 在 进 行 大 规 模 数 据 处 理 时 难 以 满 足 高 频 采 集 高 并 发 处 理 与 即 时 决 策 的 需 求 边 缘 计 算 能 在 数 据 采 集 点 附 近 完 成 预 处 理 异 常 检 测 和 初 步 建 模 并 降 低 温 室 环 境 数 据 获 取 的 成 本 具 有 快 速 响 应 能 力 不 需 要 再 将 全 部 数 据 传 输 到 云 端 进 行 集 中 处 理 4 本 研 究 搭 建 了 如 图 1 所 示 的 集 成 多 传 感 器 的 边 缘 计 算 系 统 系 统 包 括 环 境 数 据 采 集 子 系 统 和 网 关 控 制 子 系 统 在 环 境 数 据 采 集 子 系 统 中 多 种 类 的 传 感 装 置 是 必 要 的 它 们 可 以 对 温 室 作 物 生 长 环 境 进 行 全 方 位 的 数 据 采 集 接 入 的 传 感 器 包 括 空 气 温 度 传 感 器 空 气 湿 度 传 感 器 光 强 传 感 器 C O 2 浓 度 传 感 器 土 壤 p H 值 传 感 器 土 壤 温 度 传 感 器 土 壤 湿 度 传 感 器 土 壤 养 分 传 感 器 和 水 肥 数 据 传 感 器 这 些 传 感 器 设 备 安 装 在 温 室 内 不 同 区 域 根 据 作 物 的 分 布 情 况 进 行 科 学 布 设 采 集 节 点 1 和 采 集 节 点 2 通 过 S T M 3 2 单 片 机 采 集 数 据 北 斗 定 位 授 时 模 块 为 S T M 3 2 提 供 时 间 和 位 置 信 息 给 采 集 的 数 据 打 上 精 准 时 间 戳 和 位 置 坐 标 S T M 3 2 L o R a 采 集 节 点 具 备 超 低 功 耗 特 性 能 够 使 用 太 阳 能 供 电 将 采 集 的 数 据 通 过 L o R a 通 信 模 块 传 输 到 边 缘 计 算 平 台 的 网 关 控 制 子 系 统 执 行 运 算 基 金 项 目 邯 郸 市 科 学 技 术 研 究 与 发 展 计 划 项 目 基 于 边 缘 计 算 与 云 边 协 同 技 术 的 温 室 大 棚 系 统 研 究 2 2 1 1 2 0 1 0 9 7 第 一 作 者 李 景 涛 1 9 7 2 男 本 科 研 究 方 向 农 业 收 稿 日 期 2 0 2 5 0 7 1 8 现 代 农 业 科 技 2 0 2 5 年 第 2 4 期 农 业 装 备 智 慧 农 业 1 4 9网 关 控 制 子 系 统 由 A R M 处 理 器 主 控 可 在 本 地 完 成 数 据 预 处 理 异 常 判 断 5 同 时 该 方 式 能 够 缩 减 传 输 带 宽 并 降 低 系 统 性 运 算 延 迟 提 升 信 息 安 全 性 最 后 将 处 理 后 的 数 据 通 过 4 G 5 G 上 传 至 云 端 系 统 1 2 改 进 D S 证 据 理 论 融 合 算 法 在 多 传 感 器 数 据 融 合 过 程 中 传 统 D S 证 据 理 论 由 于 其 在 处 理 冲 突 证 据 时 的 局 限 性 可 能 导 致 合 成 结 果 失 真 影 响 决 策 的 可 靠 性 此 外 D S 证 据 理 论 对 B P A 的 依 赖 性 较 强 而 B P A 的 获 取 通 常 依 赖 经 验 或 简 单 统 计 方 法 难 以 精 准 建 模 导 致 融 合 精 度 下 降 为 解 决 D S 证 据 理 论 中 冲 突 证 据 问 题 本 文 提 出 了 利 用 F S V M 优 化 B P A 的 方 法 明 确 温 室 中 各 环 境 参 数 间 的 不 确 定 信 息 F S V M 是 一 种 可 以 有 效 表 达 不 确 定 信 息 的 方 法 在 温 室 混 沌 的 环 境 中 F S V M 通 过 模 糊 隶 属 度 表 达 出 各 个 环 境 参 数 对 状 态 属 性 不 同 的 影 响 程 度 因 此 在 研 究 多 传 感 器 决 策 融 合 时 采 用 F S V M 算 法 构 造 D S 证 据 理 论 的 B P A 以 提 高 证 据 融 合 的 可 靠 性 F S V M 是 在 传 统 S V M 的 基 础 上 引 入 模 糊 隶 属 度 以 减 少 异 常 点 和 噪 声 的 影 响 其 目 标 函 数 如 公 式 1 所 示 m i n 1 2 m i n 1 2 w 2 C i 1 N i i 1 式 中 w 是 模 型 的 权 重 向 量 i 是 样 本 x i 的 模 糊 隶 属 度 i 是 松 弛 变 量 C 是 正 则 化 参 数 F S V M 通 过 优 化 i 使 决 策 边 界 对 不 确 定 样 本 更 加 稳 健 F S V M 作 为 二 分 类 算 法 输 出 的 是 硬 分 类 标 签 而 D S 证 据 理 论 需 要 的 是 软 判 决 形 式 的 输 入 即 隶 属 度 形 式 因 此 将 F S V M 的 硬 判 决 输 出 转 化 为 基 于 样 本 到 超 平 面 的 距 离 计 算 隶 属 度 样 本 点 到 分 类 超 平 面 的 距 离 可 以 用 来 衡 量 其 隶 属 度 如 公 式 2 所 示 i 1 1 e x p k d i 2 式 中 d i w T x i b 是 样 本 x i 到 超 平 面 的 距 离 T 表 示 向 量 转 置 b 是 F S V M 模 型 分 类 超 平 面 的 偏 置 项 k 是 一 个 调 整 系 数 计 算 得 到 的 隶 属 度 i 可 以 直 接 用 于 B P A 构 造 计 算 方 法 如 公 式 3 所 示 m i C k i k j 1 M i j 3 式 中 是 调 节 因 子 防 止 归 一 化 过 程 中 某 些 类 别 概 率 过 小 m i 是 第 i 个 证 据 源 的 基 本 概 率 C k 是 识 别 框 架 中 的 第 k 个 假 设 i k 是 第 i 个 样 本 对 第 k 个 类 别 的 模 糊 隶 属 度 i j 是 第 i 个 样 本 对 第 j 个 类 别 的 模 糊 隶 属 度 在 计 算 B P A 后 使 用 D S 证 据 理 论 进 行 融 合 D S 证 据 理 论 的 核 心 是 D e m p s t e r 合 成 规 则 其 假 设 所 有 的 证 据 完 全 独 立 且 可 靠 在 D e m p s t e r 合 成 规 则 中 如 果 任 意 一 条 证 据 否 定 了 某 个 基 本 假 设 不 管 其 他 证 据 以 多 大 信 度 支 持 这 个 基 本 假 设 合 成 结 果 将 完 全 否 定 这 个 基 本 假 设 6 设 命 题 框 架 为 x y m 1 和 m 2 是 2 个 概 率 分 配 函 数 m 1 x 表 示 来 自 第 1 个 证 据 源 的 关 于 命 题 x 的 基 本 概 率 分 配 m 2 y 表 示 来 自 第 2 个 证 据 源 的 关 于 命 题 y 的 基 本 概 率 分 配 则 D e m p s t e r 合 成 规 则 如 公 式 4 所 示 M A m 1 m 2 A 0 A 1 k 1 x y A m 1 x m 2 y A 4 式 中 M A 表 示 合 成 后 的 基 本 分 配 概 率 即 综 合 了 来 自 不 同 证 据 源 的 证 据 后 对 命 题 A 的 支 持 度 常 数 k 是 冲 突 变 量 表 示 2 个 证 据 源 之 间 的 冲 突 程 度 归 采 集 节 点 2 L o R a 通 信 模 块 S T M 3 2 单 片 机 北 斗 定 位 授 时 模 块 太 阳 能 供 电 采 集 节 点 1 环 境 数 据 传 感 光 强 与 C O 2 浓 度 传 感 器 空 气 温 湿 度 传 感 器 土 壤 温 湿 度 传 感 器 土 壤 p H 值 传 感 器 土 壤 养 分 传 感 器 水 肥 数 据 传 感 器 网 关 控 制 子 系 统 L o R a 通 信 模 块 A R M 4 G 5 G 网 管 模 块 供 电 电 源 环 境 数 据 采 集 子 系 统 L o R a 通 信 模 块 S T M 3 2 单 片 机 北 斗 定 位 授 时 模 块 太 阳 能 供 电 图 1 集 成 多 传 感 器 的 边 缘 计 算 系 统 现 代 农 业 科 技 2 0 2 5 年 第 2 4 期 农 业 装 备 智 慧 农 业 1 5 0一 化 因 子 定 义 为 1 k 其 作 用 是 确 保 合 成 后 的 基 本 概 率 分 配 函 数 满 足 概 率 和 为 1 的 条 件 如 果 冲 突 变 量 k 1 则 意 味 着 完 全 冲 突 无 法 合 成 冲 突 变 量 k 计 算 如 公 式 5 所 示 k x y m 1 x m 2 y 5 根 据 上 述 方 法 把 在 证 据 表 示 层 得 到 的 2 个 证 据 m 1 和 m 2 进 行 融 合 得 到 最 终 的 检 测 结 果 2 温 室 环 境 结 构 模 型 构 建 与 验 证 黄 瓜 对 环 境 条 件 敏 感 且 生 长 周 期 明 确 适 用 于 测 试 和 验 证 温 室 环 境 监 测 技 术 因 此 选 取 黄 瓜 作 为 试 验 对 象 为 实 现 对 温 室 环 境 的 有 效 识 别 基 于 黄 瓜 的 适 宜 生 长 条 件 构 建 温 室 环 境 识 别 等 级 体 系 分 为 4 个 等 级 即 试 验 选 取 温 室 的 各 个 传 感 器 数 据 作 为 数 据 集 这 些 数 据 包 括 空 气 温 度 空 气 湿 度 C O 2 浓 度 土 壤 温 度 土 壤 湿 度 土 壤 p H 值 光 照 强 度 土 壤 养 分 和 水 肥 浓 度 9 个 特 征 变 量 智 能 传 感 系 统 每 小 时 记 录 1 条 数 据 共 计 4 8 0 0 条 数 据 每 2 4 0 条 数 据 为 一 个 温 室 培 养 周 期 共 计 2 0 个 周 期 据 此 得 到 多 传 感 器 数 据 箱 线 图 图 2 样 本 按 照 5 1 的 比 例 分 为 训 练 集 和 测 试 集 对 温 度 湿 度 C O 2 浓 度 光 照 等 多 传 感 器 数 据 进 行 四 分 位 法 数 据 清 洗 以 剔 除 分 散 型 异 常 数 据 得 到 清 洗 后 多 传 感 器 数 据 箱 线 图 图 3 使 用 主 成 分 分 析 P C A 将 9 项 环 境 因 子 空 气 温 度 空 气 湿 度 C O 2 浓 度 土 壤 温 度 土 壤 湿 度 土 壤 p H 光 照 强 度 土 壤 养 分 水 肥 浓 度 降 维 7 计 算 得 出 主 成 分 1 2 3 的 贡 献 率 分 别 为 6 3 5 2 1 7 8 1 前 3 个 主 成 分 累 计 贡 献 率 为 9 3 3 大 于 阈 值 9 0 其 余 主 成 分 贡 献 率 均 小 于 5 因 此 保 留 前 3 个 主 成 分 作 为 模 型 的 输 入 为 了 分 析 与 评 估 温 室 环 境 等 级 融 合 时 本 文 算 法 的 融 合 性 能 以 准 确 率 精 确 率 召 回 率 和 F 1 值 作 为 评 价 指 标 在 此 选 择 了 4 种 融 合 算 法 B P N N E l m a n D S 证 据 理 论 改 进 D S 证 据 理 论 进 行 对 比 分 析 结 果 如 图 4 所 示 可 以 看 出 改 进 D S 证 据 理 论 模 型 的 准 确 率 和 精 确 率 均 优 于 其 他 3 种 融 合 算 法 其 准 确 率 高 达 8 9 2 精 确 率 为 8 8 1 验 证 了 本 文 算 法 的 有 效 性 3 结 论 为 了 提 升 温 室 环 境 监 测 的 准 确 性 本 文 提 出 了 一 种 基 于 边 缘 计 算 与 多 传 感 器 融 合 的 环 境 监 测 方 法 该 方 法 分 别 在 数 据 处 理 和 特 征 融 合 方 面 进 行 改 进 首 先 提 出 了 边 缘 计 算 数 据 采 集 系 统 实 现 了 数 据 的 本 地 快 速 处 理 与 远 程 协 同 管 理 提 升 了 系 统 整 体 响 应 速 李 景 涛 等 基 于 边 缘 计 算 和 多 传 感 器 融 合 的 温 室 环 境 监 测 研 究 a b d c 特 征 变 量 空 气 温 度 空 气 湿 度 土 壤 温 度 土 壤 湿 度 特 征 变 量 土 壤 养 分 m g k g C O 2 浓 度 p p m 特 征 变 量 特 征 变 量 土 壤 p H 值 水 肥 浓 度 m S c m 光 照 强 度 l x 数 值 1 2 0 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 数 值 1 4 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 数 值 8 7 6 5 4 3 2 1 0 数 值 3 0 0 0 0 2 5 0 0 0 2 0 0 0 0 1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 图 2 多 传 感 器 数 据 箱 线 图 1 5 1度 和 可 靠 性 其 次 在 多 传 感 器 数 据 融 合 方 面 结 合 F S V M 优 化 B P A 函 数 通 过 改 进 D S 证 据 理 论 进 行 特 征 融 合 试 验 表 明 该 方 法 提 高 了 环 境 检 测 的 精 准 度 可 为 作 物 高 质 量 生 长 提 供 有 利 的 环 境 条 件 参 考 文 献 1 刘 奥 龙 袁 培 何 正 阳 等 现 代 农 业 温 室 环 境 控 制 策 略 研 究 进 展 J 节 水 灌 溉 2 0 2 4 3 1 0 1 6 2 韩 德 强 杨 艺 韩 崇 昭 D S 证 据 理 论 研 究 进 展 及 相 关 问 题 探 讨 J 控 制 与 决 策 2 0 1 4 2 9 1 1 1 1 3 王 耀 南 李 树 涛 多 传 感 器 信 息 融 合 及 其 应 用 综 述 J 控 制 与 决 策 2 0 0 1 1 6 5 5 1 8 5 2 2 4 刘 汝 超 张 珊 薛 雯 瑞 等 基 于 边 缘 计 算 的 油 气 管 道 实 时 数 据 处 理 方 法 研 究 J 中 国 管 理 信 息 化 2 0 2 5 2 8 1 2 7 9 8 1 5 王 志 明 李 鹏 韦 杰 等 基 于 边 缘 计 算 和 多 传 感 器 融 合 的 输 电 线 路 监 测 研 究 J 计 算 机 测 量 与 控 制 2 0 2 3 3 1 1 1 1 1 3 1 1 8 6 余 付 平 黄 益 恒 沈 堤 等 D S 证 据 理 论 在 空 中 目 标 识 别 中 的 应 用 现 状 与 展 望 J 电 光 与 控 制 2 0 2 4 3 1 4 7 5 8 6 7 葛 璐 瑶 基 于 P C A 方 法 的 移 动 医 疗 高 维 数 据 降 维 处 理 J 科 学 技 术 创 新 2 0 2 4 1 1 8 8 9 1 图 4 4 种 融 合 算 法 对 比 分 析 结 果 数 值 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 融 合 算 法 改 进 D S 证 据 理 论 B P N N E l m a n D S 证 据 理 论 准 确 率 精 确 率 召 回 率 F 1 值 现 代 农 业 科 技 2 0 2 5 年 第 2 4 期 农 业 装 备 智 慧 农 业 上 接 第 1 3 8 页 放 整 体 经 济 效 益 远 高 于 传 统 养 殖 模 式 社 会 效 益 和 生 态 效 益 明 显 未 来 庐 江 县 可 充 分 利 用 当 地 的 资 源 优 势 及 养 殖 经 验 对 各 养 殖 环 节 进 行 进 一 步 优 化 参 考 文 献 1 胡 晓 娜 朱 永 久 吴 兴 兵 等 池 塘 陆 基 循 环 水 养 殖 系 统 构 建 及 其 运 行 效 果 J 农 业 工 程 学 报 2 0 2 4 4 0 1 8 2 1 0 2 1 9 2 郭 从 霞 陆 基 高 位 圆 池 循 环 水 培 育 黄 颡 鱼 鱼 种 技 术 J 科 学 养 鱼 2 0 2 3 8 2 9 3 0 3 任 敬 孟 秋 黄 颡 鱼 漏 斗 形 池 塘 循 环 水 高 效 养 殖 试 验 J 水 产 养 殖 2 0 2 3 4 4 3 5 6 5 7 4 曾 家 家 罗 华 胜 介 百 飞 不 同 品 种 黄 颡 鱼 池 塘 工 程 化 循 环 水 养 殖 对 比 试 验 J 江 西 水 产 科 技 2 0 2 2 6 9 1 1 5 闵 瑞 梅 洁 徐 江 等 循 环 水 养 殖 系 统 构 建 及 其 在 黄 颡 鱼 苗 种 培 育 中 的 应 用 J 湖 北 农 业 科 学 2 0 2 2 6 1 2 3 1 2 5 1 2 8 6 郑 艳 波 马 瑞 宁 蒋 小 珍 等 黄 颡 鱼 高 效 益 养 殖 模 式 探 讨 J 广 西 农 学 报 2 0 2 0 3 5 1 2 5 2 8 a b d c 数 值 1 2 0 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 数 值 8 7 6 5 4 3 2 1 0 特 征 变 量 空 气 温 度 空 气 湿 度 土 壤 温 度 土 壤 湿 度 特 征 变 量 土 壤 p H 值 水 肥 浓 度 m S c m 数 值 3 0 0 0 0 2 5 0 0 0 2 0 0 0 0 1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 数 值 1 4 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 特 征 变 量 土 壤 养 分 m g k g C O 2 浓 度 p p m 特 征 变 量 光 照 强 度 l x 图 3 清 洗 后 多 传 感 器 数 据 箱 线 图 1 5 2