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        基于物聯(lián)網(wǎng)的高檔花卉智慧大棚關(guān)鍵技術(shù)研究

        2018-12-31 00:00:00鄭詩情武傳勝林智鋅李君胡曦
        健康科學(xué) 2018年9期

        隨著人們物質(zhì)和精神文化不斷提高,在各種場合,特別是喜慶布置,家庭裝飾和大型禮儀布置等方面,盆栽花卉深受大家喜歡,市場需求量較大,國內(nèi)外都進行廣泛栽培。在我國,由于高檔花卉生產(chǎn)起步較晚,生產(chǎn)設(shè)施較落后,栽培技術(shù)相對落后,難以規(guī)?;a(chǎn)出高品質(zhì)的花卉產(chǎn)品,市場競爭力不強,且主要以自然開花為主,花期較短,供應(yīng)期相對集中,商品經(jīng)濟效益不高。

        特別是一些高檔花卉,對環(huán)境要求較高,在華東地區(qū)無法在室外栽培,因此大多采用大棚栽培。但是大棚栽培對棚內(nèi)的光照、溫度和濕度等環(huán)境的控制要求比較高,傳統(tǒng)的人工檢測和調(diào)節(jié)難度較大,且精度不高,這樣使得溫室的利用率比較低。目前隨著科技的不斷發(fā)展,有些大棚也已經(jīng)開始使用一些傳感器監(jiān)測大棚內(nèi)的環(huán)境,但也只局限于環(huán)境的監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù),技術(shù)人員才會對大棚的環(huán)境進行調(diào)整。

        本課題提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧大棚主要是是利用物聯(lián)網(wǎng)及分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)將溫室內(nèi)的光照、溫度、濕度、二氧化碳含量、作物長勢、土壤質(zhì)地和養(yǎng)分水分狀況等進行采集、存儲、傳輸、處理和輸出,再與信息轉(zhuǎn)換、實時控制、專家系統(tǒng)相配合,按區(qū)內(nèi)要素的空間變量數(shù)據(jù)精確設(shè)定最佳施肥、灌溉、光照控制、加濕等多種農(nóng)事操作,使傳統(tǒng)的粗放生產(chǎn)變?yōu)榫氜r(nóng)作,從而可以顯著提高水、肥等的利用效率,以最經(jīng)濟的投入獲得最佳產(chǎn)出。與傳統(tǒng)的溫室相比,智慧大棚,除了能夠保證棚內(nèi)花卉的高質(zhì)量外,還能夠?qū)厥噎h(huán)境的控制來調(diào)整高檔花卉的長勢,使得這些花卉能夠提前或者滯后進入花期,從而使得花卉提前上市,并延長上市的時間從而獲得更高的經(jīng)濟效益。

        本智慧大棚項目除了完成物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的基本應(yīng)用外,還包含以下三個平臺:

        精準(zhǔn)花卉栽培管理平臺 —— 建立環(huán)境參數(shù)分析控制模型,利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測花卉溫室的局部環(huán)境參數(shù)和周邊地區(qū)的區(qū)域環(huán)境參數(shù)并加以分析,然后通過PLC實現(xiàn)溫室機械裝置的自動控制,使花卉生長在適宜的溫度、濕度、光照和CO2環(huán)境中。

        精準(zhǔn)花卉栽培專家系統(tǒng) —— 建立花卉栽培專家知識庫,建立花卉栽培環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)倉庫,通過人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實現(xiàn)花卉栽培管理、生長發(fā)育診斷和病蟲害診斷。

        精準(zhǔn)生態(tài)農(nóng)業(yè)公共服務(wù)互動平臺 —— 建設(shè)互聯(lián)網(wǎng)互動平臺,使消費者體驗精準(zhǔn)花卉栽培全過程,了解花卉知識,促進花卉市場健康化發(fā)展;使種植戶獲得園藝專家技術(shù)支持,提升花卉栽培產(chǎn)業(yè)水平。

        通過智慧大棚的應(yīng)用,能夠有效的提高花卉的成品質(zhì)量,在脫葉、花卉長勢、花期控制等方面有很好的效果。這使得花卉產(chǎn)品在市場的競爭里更加明顯,提高市場的占有率。

        1、具體研究開發(fā)內(nèi)容和重點解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

        (1)構(gòu)建智慧大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

        在本項目中,我們將利用先進的高可靠低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,采集精準(zhǔn)溫室花卉栽培的數(shù)據(jù),包括溫度、濕度、光照、CO2濃度等。通過專有協(xié)議及互聯(lián)互通網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴a(chǎn)管理中心。對于一個精準(zhǔn)溫室花卉栽培環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計會面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)部分是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中的難點,一部分是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測本身的自身特性所導(dǎo)致的設(shè)計難點。

        (2)建立健全花卉栽培專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

        專家系統(tǒng)技術(shù)是人工智能中面向應(yīng)用的重要分支之一。專家系統(tǒng)與一般人工智能系統(tǒng)又有所區(qū)別。最重要的特征是它的研究對象不是普通人的職能,而是某個領(lǐng)域具有技術(shù)特長的專家解決專門問題的本領(lǐng)。知識和推理構(gòu)成專家系統(tǒng)的兩大要素。因此,專家系統(tǒng)是一個由存放專門領(lǐng)域知識的知識庫,以及一個能選擇和運用知識的推理機制組成的計算機系統(tǒng)。根據(jù)專家?guī)斓奶攸c,邀請花卉栽培方面的專家組與公司技術(shù)骨干完成花卉栽培的專家系統(tǒng)。

        (3)智慧大棚精確反饋全自動控制系統(tǒng)

        當(dāng)溫室環(huán)境參數(shù)發(fā)生異常時,必須及時對該環(huán)境參數(shù)值進行調(diào)整,也就是必須及時地啟動相應(yīng)設(shè)備來改變溫室環(huán)境,體現(xiàn)出實時性。同時,溫室的環(huán)境控制通過不同配套設(shè)施來實現(xiàn),這就包含多個控制任務(wù),其中有些是定時任務(wù)(如灌溉等),有些是隨即任務(wù)(如降溫等),只有它們互相協(xié)調(diào),并發(fā)執(zhí)行,才能達到好的控制效果,體現(xiàn)出多任務(wù)和并發(fā)性。不同執(zhí)行機構(gòu)對溫室環(huán)境可能產(chǎn)生相同影響,因此對執(zhí)行機構(gòu)的控制要考慮一定的順序問題,以提高控制效果,減少運營成本。為此針對本項目的一些特點,將采用一種基于反饋量的智慧大棚精確自動控制系統(tǒng)。

        (4)構(gòu)建WEB服務(wù)器平臺,實現(xiàn)遠程登錄訪問

        消費者通過互聯(lián)網(wǎng)不僅僅可以購買到自己需要的商品,同時在該項目所提供的參與性網(wǎng)站中,消費者還可以全過程體驗花卉栽培,不但可以了解花卉栽培的全過程,同時也加深對于高附加值生態(tài)農(nóng)產(chǎn)品的認知。在該平臺所提供的在線品種展示中,消費者可以了解到不同品種花卉的具體信息,從而對于消費者的購買選擇起到導(dǎo)引的作用。同時,在花卉的栽培過程中,如遇到突發(fā)或者專家數(shù)據(jù)庫無法解決的問題時,可以請專家通過互聯(lián)網(wǎng)遠程登錄并提供技術(shù)支持,查看問題的實際情況,以及監(jiān)測數(shù)據(jù),共同分析原因解決問題。

        (5)構(gòu)建花卉成長數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)追溯功能

        通過對花卉栽培的全過程進行跟蹤監(jiān)測,從種子、基土的選擇到花卉的上市。該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)將記錄所有的信息,包括日常環(huán)境變量、花卉長勢,施肥等。通過分析這些數(shù)據(jù)記錄,能夠分析花卉的各成長階段對環(huán)境的要求,通過不斷改善專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)能夠更加高效的實現(xiàn)花卉的人工智能栽培。

        2、項目的特色和創(chuàng)新之處

        “基于物聯(lián)網(wǎng)的高檔花卉智慧大棚關(guān)鍵技術(shù)研究”項目的創(chuàng)新之處在于:

        (1)建立溫室花卉栽培專家系統(tǒng)

        該專家系統(tǒng)主要包括花卉知識數(shù)據(jù)庫、推理機構(gòu)、解析機構(gòu)和人機交互接口,通過獲取到得環(huán)境參數(shù),自適應(yīng)計算及調(diào)整環(huán)境溫度,使得花卉始終在最佳的環(huán)境中生產(chǎn)。

        (2)基于反饋環(huán)境變量的精確控制

        在普通的溫室控制系統(tǒng)中,大部門控制技術(shù)都是基于開關(guān)量的,而基于反饋的精確控制則是通過對環(huán)境變化的增量來不斷調(diào)整控制信號,使得調(diào)節(jié)能夠快速、穩(wěn)定的到達預(yù)定環(huán)境。

        (3)花卉溯源系統(tǒng)

        該系統(tǒng)的主要功能是記錄花卉栽培的全過程,并記錄成長過程中所有的環(huán)境變量情況以及花卉成長情況。對以后改善花卉的栽培技術(shù)提供參考,并能夠為專家系統(tǒng)提供幫助。

        (4)專家系統(tǒng)的云服務(wù)功能

        在該項目中,為了能夠達到環(huán)境的自動控制,我們建立了專家系統(tǒng),但是作為一個專家系統(tǒng)不應(yīng)該僅僅為本公司的作物栽培提供幫助,同時也可以通過服務(wù)器開放一個接口,為本地其他花卉種植戶也提供服務(wù)。只要將他們的溫室環(huán)境變量上傳給專家系統(tǒng),專家系統(tǒng)通過計算返回一個控制結(jié)果,從起到調(diào)節(jié)的功能。

        遼寧科技大學(xué)校級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目:201810146307。

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