陳美琦，劉浩

（湖南人文科技學院，信息學院，婁底 417000）

0 引言

硬地育秧模糊定量灌溉智慧控制系統(tǒng)包括根據(jù)天氣預(yù)報信息擬合溫度、濕度曲線，并得到對應(yīng)的溫度、濕度模糊區(qū)間，結(jié)合秧苗的生長期，計算待測秧苗的需水量，從而為灌溉提供數(shù)據(jù)參考。該系統(tǒng)還可以對秧苗的狀態(tài)進行預(yù)警，包括燒葉、枯葉、干尖預(yù)警?？梢詫崿F(xiàn)秧苗需水狀況的監(jiān)測與評估，綜合秧苗的生產(chǎn)需求，對秧苗進行智能灌施，從而確保秧苗的生長質(zhì)量和生長周期。

1 機插秧苗的需水量模糊定量算法描述

1.1 機插秧苗的需水量模糊定量描述分析

秧苗需水狀況模糊定量計算的基本過程是：在圖像采集器采集過程中，圖像采集控制器通過圖像減法，去除基質(zhì)和基質(zhì)盤的背景，通過去除背景信息的秧苗的連通域的寬度，連通域的距離，連通域的重疊情況以及連通域面積的增長等信息，通過設(shè)置的攝像頭圖像采集，判斷秧苗在一葉、兩葉和三葉期的平均葉寬、葉長和葉莖，并判別葉片的生長期。根據(jù)天氣預(yù)報，形成上午8 點到晚上6 點的溫度曲線圖，與試驗標準曲線圖T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7 進行曲線圖相似度比較，將其進行模糊分（見表1）。通過土壤溫濕度傳感器的濕度檢測信息進行H0、H1、H2、H3 四種濕度曲線圖的模糊濕度分類（見表2）。同時根據(jù)光照傳感器對秧苗進行燒葉、枯葉、干尖等情況進行及時預(yù)警。根據(jù)天氣預(yù)報信息擬合溫度模糊區(qū)間、濕度模糊區(qū)間和判斷待測秧苗的生長期，計算待測秧苗的需水量。

表1 溫度模糊區(qū)間等級劃分

表2 濕度模糊區(qū)間等級劃分

具體描述如下：St表示相同測量時間內(nèi)溫度曲線圖面積，S1～S7分別表示7 個需水等級的溫度曲線圖區(qū)間的溫度曲線圖面積；

Ah表示相同測量時間內(nèi)濕度曲線圖面積，A1～A7分別表示4 個濕度模糊等級的濕度曲線圖區(qū)間的濕度度曲線圖面積。

1.2 機插秧苗的需水量模糊定量計算

機插秧苗的待測秧苗的需水量模糊定量計算公式如下：

其中，Q（Pi，Tj，Hk）為待測秧苗需水量預(yù)測值；Pi為待測秧苗所處的生長期，i為生長期序號；Tj為待測秧苗所處的溫度模糊區(qū)間，j為溫度模糊區(qū)間序號；Hk為待測秧苗所處的濕度模糊區(qū)間，k為濕度模糊區(qū)間序號；QB（Pi，Tj，Hk）為全生長期平均需水量；SbTj為Tj對應(yīng)的溫度標準線圖面積；SbHk為Hk對應(yīng)的濕度標準曲線圖面積；STj為Tj的實際溫度曲線圖面積；SHk為Hk的實際濕度曲線圖面積。

秧苗需水定量計算模塊，包括溫度模糊模塊，用于根據(jù)天氣預(yù)報信息擬合出待測秧苗所處環(huán)境的溫度曲線圖，對其進行模糊分類，得到溫度模糊區(qū)間；濕度模糊模塊，用于根據(jù)天氣預(yù)報信息擬合出待測秧苗所處環(huán)境的濕度曲線圖，對其進行模糊分類，得到濕度模糊區(qū)間；葉期判斷模塊，用于判斷待測秧苗所處的生長期；計算模塊，用于根據(jù)所述溫度模糊區(qū)間、濕度模糊區(qū)間和生長期，計算待測秧苗的需水量。

2 硬地育秧模糊定量灌溉智慧控制系統(tǒng)的概述

2.1 硬地育秧智慧控制系統(tǒng)概述

根據(jù)硬地育秧智慧控制系統(tǒng)云處理中心通過天氣預(yù)報第三方服務(wù)的開放接口，獲取當天24h 天氣預(yù)報信息，24h 的氣溫、濕度、光照預(yù)測信息，光照根據(jù)陰晴、季節(jié)以及氣溫等經(jīng)驗進行模糊化，模糊化規(guī)則庫為氣象經(jīng)驗，模糊等級為弱、較弱、正常、較強、強五個等級。24h 氣溫、濕度、光照等級和時間四個變量，以2000ms 的間隔通過Modbus RTU 格式，經(jīng)過工業(yè)網(wǎng)關(guān)、無線傳輸網(wǎng)關(guān)、無線傳輸模塊、就地控制中心傳遞至圖像采集控制器，圖像采集控制器獲得數(shù)據(jù)后，將反饋代碼沿上述通道反向反饋至云處理中心，云處理中心再沿信息通道下發(fā)第二組數(shù)據(jù)，直至24h 天氣預(yù)備數(shù)據(jù)傳送完成。工業(yè)網(wǎng)關(guān)和手機App 終端通過4G/5G 網(wǎng)絡(luò)與云處理中心信息交互。

圖1 云平臺控制中心示意圖

無線傳輸模塊組通過串口與就地控制中心進行信息交互，將數(shù)據(jù)信息匯集編碼后再通過串口經(jīng)過工業(yè)網(wǎng)關(guān)將信息傳遞至云處理中心。

光照傳感器、環(huán)境溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器的信息通過Modbus RTU 傳送至就地控制中心，就地控制中心再通過Modbus RTU 寫入圖像采集控制器。

同理24h 天氣預(yù)報信息也是就地控制中心通過無線傳輸模塊組讀取后，再寫入圖像采集控制器，圖像采集控制器根據(jù)讀入信息將圖像處理結(jié)果信息碼反饋就地控制中心。

圖像采集控制器的圖像處理結(jié)果信息碼、秧苗需水量模糊定量等，也是需要匯集到就地控制中心的信息，秧苗需水量模糊定量通過云端下載到就地控制中心。

從安裝的角度來看，土壤溫濕度傳感器安裝在攝像頭監(jiān)視的基質(zhì)區(qū)域；攝像頭與水平成120 度斜角；

圖像配準是一個黑色亞光磨砂平面，斜面也是120度傾斜角，與攝像頭安裝平行正對。圖像配準上有2個直徑1cm 的紅色亞光圓斑，圓斑中心間隔為5cm。

圖像采集控制器的USB 口配置一個USB 存儲卡，存放歷史圖片，另一個串口配置一個串口轉(zhuǎn)Wi-Fi 模塊，用于傳遞圖像信息。

工業(yè)網(wǎng)關(guān)具有Wi-Fi 路由功能；也具有ModBus 串口協(xié)議透傳功能，可以透傳ModBus RTU、ModBus ASCII、ModBus TCP/IP 三種協(xié)議。

圖像信息是用戶通過手機App 終端發(fā)送圖像刷新請求信息，再通過云處理中心經(jīng)過工業(yè)網(wǎng)關(guān)，無線傳輸模塊組后匯集到地控制中心，在寫入圖像采集控制器，圖像采集控制器通過串口經(jīng)過Wi-Fi 轉(zhuǎn)換模塊，工業(yè)網(wǎng)關(guān)，經(jīng)過云處理中心將現(xiàn)場圖像轉(zhuǎn)發(fā)給用戶手機App 終端。

2.2 硬地育秧智慧控制系統(tǒng)的灌施模塊

硬地育秧智慧控制系統(tǒng)的灌施設(shè)計的基本過程如下：灌溉渠和設(shè)置在棚內(nèi)的秧苗盤，秧苗盤包括上層基質(zhì)盤和下層的盤下基質(zhì)，其特征在于：該系統(tǒng)的灌施設(shè)計還包括噴灌系統(tǒng)、地灌系統(tǒng)和沼液系統(tǒng)，均由就地控制中心控制并通過電磁閥的調(diào)節(jié)實現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換；噴灌系統(tǒng)包括順次連接的灌溉泵、一級過濾裝置、二級過濾裝置、增壓泵、噴灌管路，噴灌管路與秧苗盤連通；地灌系統(tǒng)包括順次連接的二級過濾裝置、地灌管路，地灌管路與秧苗盤連通；沼液系統(tǒng)包括沼液泵和地灌管路；就地控制中心與工業(yè)路由連接，工業(yè)路由連接云控制中心，云控制中心與移動客戶端連接；秧苗盤內(nèi)設(shè)置攝像頭組和土壤水分傳感器，獲取到數(shù)據(jù)參數(shù)，然后傳輸給無線傳輸模塊網(wǎng)關(guān)和云控制中心。

灌溉渠隔離出灌溉池和沼液池，分別安裝灌溉泵和沼液泵。

噴灌管路上設(shè)置噴灌手動閥，噴灌管路與地灌管路之間設(shè)置地灌清洗手動閥，配合關(guān)閉噴灌手動閥和地灌電磁閥，通過增壓泵對地灌回路進行沖洗。

秧苗的生長管理決策為苗高優(yōu)先、莖粗優(yōu)先、維持基礎(chǔ)生長三個類別，苗高優(yōu)先是指為秧苗提供足夠的營養(yǎng)和水分，在合適灌溉的時間區(qū)域，保持基質(zhì)的濕度在25%～30%；莖粗優(yōu)先指滿足秧苗的基礎(chǔ)需水需求，在保障苗不出現(xiàn)枯葉、死葉的情況下，減少基質(zhì)盤水分的供應(yīng)，水分供應(yīng)主要采用盤下滲漏方式；維持基礎(chǔ)生長是指在保障苗不出現(xiàn)枯葉、死葉的情況下，減少基質(zhì)盤以及盤下水分的供應(yīng)，維持苗的生長狀況，相對延長苗的成苗時間，配合農(nóng)事作業(yè)。由于基質(zhì)盤的水分受外界環(huán)境影響很大，因此秧苗的基礎(chǔ)生長水分主要由盤下基質(zhì)供應(yīng)。

圖2 灌施模塊示意圖

3 硬地育秧智慧控制系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果分析

圖3 系統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)場圖

根據(jù)試驗得到，對比考察試驗效果，各取對照組，試驗組10 株樣本秧苗對比秧苗的生長素質(zhì)。一般中小苗是最適宜的機插標準秧苗規(guī)格，中苗苗高150mm～200mmz 左右，小苗苗高100mm～150mm 左右，通常莖基粗，機插后根系越牢固，更利于生長。同時秧苗生長整齊，葉挺色綠也是秧苗素質(zhì)的重要指標。

由表3 可知，試驗組的各項指標參數(shù)優(yōu)于對照組，通過育秧模糊定量灌溉技術(shù)及智慧控制系統(tǒng)的應(yīng)用，機插秧苗素質(zhì)的提高，更有利于秧苗后期的生長，促進高產(chǎn)。由圖4 可以看出，試驗組的秧苗顏色比對照組秧苗顏色更綠，葉更挺。因此結(jié)果表明，通過試驗對比分析，模糊定量灌溉的智慧控制系統(tǒng)下的秧苗素質(zhì)比對照組基礎(chǔ)生長得更好，并且施肥資源利用更加充分。

圖4 試驗組與對照組秧苗生長對比

表3 試驗秧苗素質(zhì)對比

硬地育秧智慧控制系統(tǒng)提供了一種綜合天氣預(yù)測、實時溫度光照濕度監(jiān)測、水稻秧苗圖像辨識等技術(shù)手段的水稻秧苗精確灌溉定量計算方法，為水稻秧苗的精準生長控制，秧苗的節(jié)水灌溉打下堅實基礎(chǔ)，圖4為系統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)場圖。同時又對于枯葉、燒葉等水稻秧苗育秧過程中常見的控水不當事故進行預(yù)警，有效降低水稻秧苗控水事故發(fā)生，提高水稻秧苗的成苗質(zhì)量。表4 是對系統(tǒng)使用前后的對比分析，可以看出，系統(tǒng)的使用對農(nóng)業(yè)現(xiàn)代信息化。

表4 系統(tǒng)使用前和系統(tǒng)使用后對比

4 結(jié)語

本文主要介紹了硬地育秧智慧控制系統(tǒng)的應(yīng)用，通過智慧制定秧苗的需水與需肥，保障秧苗的安全生產(chǎn)和標準化生產(chǎn)，實現(xiàn)了秧苗的全自動化生產(chǎn)，降低了秧苗生產(chǎn)對勞動者的專業(yè)知識的需求，提升了秧苗質(zhì)量，為高效穩(wěn)產(chǎn)的機插稻種植打下了堅實的基礎(chǔ)，給出了一種智能灌施、預(yù)警的水稻育秧灌溉系統(tǒng)。介紹了傳感網(wǎng)絡(luò)模塊、灌施模塊等功能模塊，最后對系統(tǒng)應(yīng)用研究進行比較分析，得出結(jié)論，智慧控制系統(tǒng)的應(yīng)用從勞動力，時間和經(jīng)濟成本，以及水資源的利用方面比較，管理效益要更好，具有實際的研究和推廣借鑒意義。