張 威,唐 友,2*

(1.吉林化工學(xué)院,吉林 吉林 132022;2.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院,吉林 吉林 132101)

1 相關(guān)概念

1.1 智慧農(nóng)業(yè)

智慧農(nóng)業(yè)的本質(zhì)是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理,以傳感器和軟件為基礎(chǔ),利用移動平臺或電腦進行精準(zhǔn)控制。通過運用現(xiàn)代信息技術(shù),包括更靈敏的感知技術(shù)、更廣泛的互聯(lián)互通技術(shù)和更深入的智能化技術(shù),農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的運行更為高效和智慧化,從而提高農(nóng)產(chǎn)品的競爭力,支持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和推動鄉(xiāng)村振興,讓傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)具備“智慧”特性[1],更具智能化[2]。

1.2 生長模型

智慧農(nóng)業(yè)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器和軟件以及移動平臺或電腦進行精準(zhǔn)控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理[3]。作物生長模型是一種高效的工具,可以通過仿真模擬和預(yù)測分析不同階段及不同抗壓強度的作物栽種管理和自然環(huán)境控制方法對作物生長發(fā)育產(chǎn)生的影響。這種模型可以改進作物管理方法和自然環(huán)境調(diào)控方法,是實現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要手段。作物生長模型也是現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)必不可少的組成部分,這種在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的現(xiàn)代高科技系統(tǒng)可以大大提高農(nóng)業(yè)的效率和生產(chǎn)力。

2 決策控制系統(tǒng)的工作原理

研究番茄生長模型決策控制系統(tǒng)的目的是通過對番茄生長過程的了解,應(yīng)用人工智能和先進的控制技術(shù),為種植者提供精準(zhǔn)的決策支持和生產(chǎn)控制,從而實現(xiàn)高效、穩(wěn)定、可持續(xù)的番茄生產(chǎn)。

這種決策控制系統(tǒng)可以通過感知環(huán)境信息,運用模型預(yù)測、優(yōu)化調(diào)控、反饋調(diào)整等方式,幫助種植者實現(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)測、作物疾病預(yù)防、光合有效利用等目標(biāo)。同時,與傳統(tǒng)的種植方法相比,這種系統(tǒng)還可以節(jié)約成本,提高產(chǎn)量和質(zhì)量,實現(xiàn)智能生產(chǎn)、精準(zhǔn)管理的目標(biāo)[4]。

為解決現(xiàn)有溫室番茄生長模型預(yù)測準(zhǔn)確率低的問題,基于番茄生理學(xué),建立了非線性模型,以溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)作為變量進行建模[5]。該模型描述了溫室內(nèi)溫度、濕度、土壤溫度、土壤濕度等環(huán)境因子在作物生長中的影響。模型解釋性強,且精度較高,能夠較好地描述環(huán)境因素對番茄發(fā)育速度的影響。

3 決策控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在溫室大棚中,番茄生長不容易受到外界的自然環(huán)境條件的變化而影響,進行相關(guān)實驗比較方便,使用傳感器來監(jiān)測和控制番茄生長環(huán)境因子是一種比較容易的方式,可以提供較為精確的數(shù)據(jù),幫助種植者更好地了解和掌握番茄生長的情況,從而實現(xiàn)更加精準(zhǔn)的生產(chǎn)管理。

本文實驗選擇大棚番茄作為研究對象,并通過分析作物生長狀況以及溫室種植環(huán)境,進行大量的溫室試驗和數(shù)據(jù)統(tǒng)計?；谶@些科學(xué)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計結(jié)果,使用科學(xué)方法構(gòu)建了一個基于生理生態(tài)過程的作物生長模型,從而更加深入地研究番茄生長的規(guī)律和特點。

對建立完成的生長模型進行硬件實驗,由各個傳感器傳給中端處理器的數(shù)據(jù)進行大棚環(huán)境的控制,及時進行灌溉、通風(fēng)、補光等操作,完成自動化控制。

4 控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)計

4.1 總體方案設(shè)計

首先對大棚番茄與大棚內(nèi)溫度、濕度、二氧化碳濃度的數(shù)據(jù)進行傳感器采集,通過對各傳感器采集到的數(shù)據(jù)分別進行識別與處理,保留有效數(shù)據(jù)并對異常數(shù)據(jù)進行處理,利用算法進行數(shù)據(jù)特征提取,建立番茄生長模型,最后完成對大棚番茄的自動化控制[6-7]。

4.2 番茄生長模型的構(gòu)建

皮爾遜相關(guān)系數(shù)是一個用于衡量兩個隨機變量之間線性相關(guān)度的指標(biāo),取值為-1～1。設(shè)有兩個變量X和Y,他們之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)可以反映他們之間的相關(guān)程度。具體來說,當(dāng)系數(shù)為1時表示兩者完全正相關(guān),為-1時表示兩者完全負(fù)相關(guān),當(dāng)系數(shù)為0時表示兩者不相關(guān)。

(1)

上述公式中,cov(X,Y)表示變量X與變量Y的協(xié)方差,σX表示變量X的標(biāo)準(zhǔn)差,σY表示變量Y的標(biāo)準(zhǔn)差。正態(tài)性檢驗是一種判斷總體是否正態(tài)分布的方法,利用觀測數(shù)據(jù)進行實現(xiàn)。使用Shapiro-Wilk檢驗法對番茄生長數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗,基于兩個假設(shè)——樣本來自的總體分布服從正態(tài)分布(H0)或不服從正態(tài)分布(H1)。結(jié)果如表1所示。

表1 番茄生長數(shù)據(jù)正態(tài)性檢驗結(jié)果

根據(jù)以上數(shù)據(jù)(其中,果實直徑為Y,光照強度為X1,白天土壤溫度為X2,白天土壤濕度為X3,夜晚土壤溫度為X4,夜晚土壤濕度為X5),變量w的值接近于1,而且p≥0.05,這表示整個樣本數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布要求,因此可以使用皮爾遜相關(guān)系數(shù)進行分析。番茄生長數(shù)據(jù)中各變量之間的相關(guān)性如表2所示。

表2 番茄果實數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)(其中,果實直徑為Y,光照強度為X1,白天土壤溫度為X2,白天土壤濕度為X3,夜晚土壤溫度為X4,夜晚土壤濕度為X5),可以得出大棚番茄的果實直徑與各個環(huán)境因子之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.957、0.951、0.942、0.933、0.923。表示在番茄生長的過程中,果實直徑和各個環(huán)境因子之間存在著較強的相關(guān)關(guān)系。

輸入?yún)?shù)包括果實橫向直徑、縱向直徑、濕度、溫度。生長環(huán)境與作物生長之間的關(guān)系相關(guān)系數(shù)如圖1所示。

圖1 相關(guān)系數(shù)

根據(jù)圖1的觀察結(jié)果(其中,nightT為夜間土壤溫度,nightS為夜間土壤濕度,dayT為白天土壤溫度,dayS為白天土壤濕度,furitW為果實重量,furitL為果實直徑,furitDW為果實干重,Outcome為輸出健康生長),可以發(fā)現(xiàn)一些顯著的特征。例如,番茄健康成長的標(biāo)簽Outcome與白天土壤濕度dayS之間的正相關(guān)系數(shù)相對較高,說明在一定濕度范圍內(nèi),番茄的生長與土壤濕度呈正相關(guān)。同樣,土壤濕度dayS和果實直徑furitL之間的相關(guān)性也比較強。

5 溫室環(huán)境的控制措施

5.1 溫度控制

在討論苗期番茄生長模型時,通過調(diào)研和實驗發(fā)現(xiàn),番茄在苗期生長發(fā)育的最適溫度范圍為白天20～25 ℃,晚上14～16 ℃,并且要避免溫度低于7 ℃或高于35 ℃,這些極端氣溫都會損害番茄幼苗的生長。這些結(jié)論通過實地驗證和文獻資料得到了證實。當(dāng)溫室內(nèi)氣溫過高時,對大棚進行通風(fēng)處理;當(dāng)溫室內(nèi)氣溫過低時,打開暖風(fēng)機,進行加熱。

5.2 濕度控制

濕度對番茄的健康成長有直接影響。通過查閱文獻得知,相對濕度在60%～80%的環(huán)境最適宜番茄生長,這種濕度不會導(dǎo)致植株之間空氣流通不暢,從而減輕了病菌滋生的風(fēng)險,同時也可以幫助番茄保持正常的生長速度和高產(chǎn)量。相反,如果濕度過高,空氣無法流通,會引起番茄發(fā)霉和腐爛。如果濕度過低,葉子和根部會失去水分,導(dǎo)致番茄生長緩慢或死亡。當(dāng)濕度過高時,對大棚進行通風(fēng)處理;當(dāng)濕度過低時,進行灑水處理。因此,在溫室大棚中種植番茄時,需要控制濕度在適宜范圍內(nèi),同時保證大棚良好的通風(fēng),以維持合適的溫濕度環(huán)境,從而促進番茄生長和增加產(chǎn)量。

5.3 光照控制

光照對番茄生長非常重要。番茄是一種喜光作物,能夠利用光合作用產(chǎn)生能量,促進生長。溫室大棚中光照充足,番茄植株的生長速度會加快。而過強或過弱的光照則會對番茄生長產(chǎn)生不良影響。過強的光線會使番茄植株的溫度升高,引起葉片灼傷、枯萎甚至死亡;過弱的光照則會導(dǎo)致植株生長緩慢、花芽發(fā)育不良等問題。因此,在溫室大棚中根據(jù)番茄生長特點和生長階段,合理調(diào)整光照條件,可以最大化地發(fā)揮光照的作用,提高番茄的產(chǎn)量和品質(zhì)。當(dāng)光照強度過高時,對大棚進行遮光處理;當(dāng)光照強度過低時,對大棚內(nèi)進行補光操作。

6 結(jié)語

隨著科技的不斷發(fā)展和人們對食品安全和品質(zhì)的需求不斷提高,現(xiàn)代化的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)逐漸受到農(nóng)民和農(nóng)業(yè)企業(yè)的青睞。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,決策控制系統(tǒng)的引入可以幫助農(nóng)民更加高效地管理和控制溫室大棚中的環(huán)境條件,實現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。決策控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對溫室大棚內(nèi)溫度、濕度、光照等因素的實時監(jiān)測和控制,根據(jù)植物生長階段和環(huán)境條件變化自動調(diào)整溫室大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù);同時,還可以通過數(shù)據(jù)分析和預(yù)測模型為農(nóng)民提供科學(xué)、合理的種植方案和管理建議,幫助農(nóng)民在生產(chǎn)中做出智能化、精準(zhǔn)化的決策,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。