趙景波 張迪 劉慧敏等

摘要：設(shè)計(jì)了一個(gè)基于專家知識(shí)的草莓（Fragaria ananassa Duch.）種植園區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)ΨN植園區(qū)內(nèi)的溫度、濕度、CO2濃度、光照度及病害進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)并指導(dǎo)果農(nóng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，通過(guò)專家知識(shí)庫(kù)的建立與調(diào)用來(lái)完成病害診斷和調(diào)節(jié)溫室最佳環(huán)境。利用SQL技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，利用Visual Studio 2008作為開(kāi)發(fā)工具，采用C#.NET為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，構(gòu)建了上位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)種植園區(qū)內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)管理與統(tǒng)計(jì)分析和草莓病害診斷的功能。該系統(tǒng)基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有成本低、體積小、容易安裝、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：草莓（Fragaria ananassa Duch.）；ZigBee；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；專家知識(shí)；病害診斷

中圖分類號(hào)：TP274+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）14-3526-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.14.050

Design of Monitoring System of the Strawberry Planting Area

Based on Experts Knowledge

ZHAO Jing-bo，ZHANG Di，LIU Hui-min，WANG Su-zhen

（Qingdao Technological University， Qingdao 266520， Shandong，China）

Abstract： A monitoring system of a fragaria ananassa duch planting area based on experts knowledge was designed. The system can make accurate forecast to the temperature， humidity， potency of carbon dioxide， light intensity and some diseases of the plantation ， and it can also guides the growers take a real-time control for the plantation. We can realize the disease diagnosis and regulate the best environment of the greenhouse by establishing the experts knowledge base. Using SQL technology manages the database， using Visual Studio 2008 as a development tool， using C#. NET as development platform， we build and implement a real-time dynamic monitoring system， realize the real-time monitor ， data management and statistical analysis of environment data in the plantation ， and realize function of fragaria ananassa duch disease diagnosis. The system is based on ZigBee wireless sensor networks for data transmission， so the system has low cost， small size， easy to install and reliable operation features.

Key words：Fragaria ananassa Duch.； ZigBee； wireless sensor network； experts knowledge； disease diagnosis

草莓（Fragaria ananassa Duch.）是薔薇科植物的果實(shí)，它不僅是一種常見(jiàn)的水果品種，還具有一定的藥用價(jià)值，同時(shí)也具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。草莓原產(chǎn)于南美，具有繁殖容易、收益快等優(yōu)點(diǎn)，廣泛栽培于我國(guó)南北大地，尤其是在四川、山東、河北、安徽等地大規(guī)模種植。

溫室種植草莓經(jīng)濟(jì)效益比較可觀，但是種植園區(qū)建設(shè)成本較高，如何在較短時(shí)間內(nèi)獲得最大經(jīng)濟(jì)利益，如何讓草莓的質(zhì)量和產(chǎn)量有保證，這是最關(guān)鍵的問(wèn)題。而解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵是對(duì)種植園區(qū)內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度、光照度及病害進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。本研究設(shè)計(jì)了草莓種植園區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)采集草莓種植園區(qū)內(nèi)的溫度、濕度、光照度、CO2濃度等數(shù)據(jù)，將各個(gè)數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，對(duì)園區(qū)內(nèi)各數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以創(chuàng)造適合草莓生長(zhǎng)的最佳條件，并且系統(tǒng)地突出了草莓種植中最常用的病害識(shí)別與防治子系統(tǒng)，它以全面的知識(shí)庫(kù)為基礎(chǔ)，通過(guò)專家系統(tǒng)的推理機(jī)制，幫助果農(nóng)診斷病害并給出防治策略。該系統(tǒng)將草莓栽培專家的技術(shù)和知識(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)呈現(xiàn)出來(lái)，從而快速簡(jiǎn)便地推廣和傳播草莓無(wú)病害種植技術(shù)，大力發(fā)展無(wú)病害水果的種植。引入專家知識(shí)的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于提高農(nóng)業(yè)科技水平，減少勞動(dòng)力的投入具有至關(guān)重要的作用。農(nóng)業(yè)智能化本身就富含先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，引入智能監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)科技水平的提高，對(duì)建立和完善我國(guó)農(nóng)業(yè)信息服務(wù)體系，全方位實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)信息化及現(xiàn)代化都有非常重要的作用，同時(shí)對(duì)解決三農(nóng)問(wèn)題也具有戰(zhàn)略意義[1-4]。

1 草莓種植園區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

草莓種植園區(qū)是一個(gè)復(fù)雜的環(huán)境系統(tǒng)，系統(tǒng)中單個(gè)環(huán)境因子的改變可能會(huì)影響到其他環(huán)境因子的改變，具有相互耦合性。在各種因素同時(shí)對(duì)草莓的生長(zhǎng)發(fā)生影響時(shí)，草莓生長(zhǎng)速度將受不適宜因子的制約。在改變草莓園區(qū)環(huán)境因子狀態(tài)時(shí)，都需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，具有延時(shí)性。在草莓的生長(zhǎng)過(guò)程中，其對(duì)溫度、濕度、光照度和CO2濃度環(huán)境參數(shù)的需求量是不一樣的，為給草莓創(chuàng)造更好的生長(zhǎng)環(huán)境，因此要對(duì)環(huán)境進(jìn)行不斷地調(diào)整。 這就需要參考專家知識(shí)庫(kù)來(lái)充分考慮各因素之間的關(guān)系，使草莓種植園區(qū)各因素控制在相對(duì)最佳需求的水平上。

草莓種植園區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)是對(duì)草莓種植園區(qū)環(huán)境的溫度、濕度、CO2濃度、光照度進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)采集草莓種植園區(qū)各要素的數(shù)據(jù)與專家知識(shí)庫(kù)的對(duì)比，根據(jù)作物不同時(shí)期對(duì)生長(zhǎng)要素的不同需求，來(lái)調(diào)節(jié)草莓園區(qū)內(nèi)的溫度、濕度、CO2濃度、光照度，為草莓提供一個(gè)最佳的生長(zhǎng)環(huán)境。草莓種植園區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)還有著對(duì)草莓病害的診斷功能，通過(guò)草莓種植園區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中多點(diǎn)溫度、濕度、CO2濃度、光照度等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)病害進(jìn)行及時(shí)診斷。此監(jiān)控系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、快速提供給用戶信息，不僅可以在病害易發(fā)時(shí)段采取有效的措施預(yù)防病害的發(fā)生，并且能讓草莓較好生長(zhǎng)、獲得更可觀的收益。系統(tǒng)組成及功能實(shí)現(xiàn)如圖1所示。

草莓種植園區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)園區(qū)內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度和光照度等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，采集節(jié)點(diǎn)通常采用高精度的傳感器。通過(guò)ZigBee節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)采集點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)傳輸，ZigBee節(jié)點(diǎn)安裝分布在草莓種植園區(qū)的各處，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)草莓園區(qū)的覆蓋，它可以完成數(shù)據(jù)匯集、協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)草莓種植園區(qū)數(shù)據(jù)的有效匯聚、傳輸。ZigBee節(jié)點(diǎn)也可以將信息直接通過(guò)RS485進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，上傳到上位機(jī)后在進(jìn)行RS232轉(zhuǎn)換傳到本地監(jiān)控中心。草莓種植園區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)采集到的不同數(shù)據(jù)來(lái)確定節(jié)點(diǎn)狀態(tài)（正常、預(yù)警、火警、節(jié)點(diǎn)能量低下），通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置采集節(jié)點(diǎn)的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)時(shí)期病害的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，使節(jié)點(diǎn)能達(dá)到最大利用率，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)使用時(shí)間；可以通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，以便及時(shí)對(duì)能量低的節(jié)點(diǎn)電池進(jìn)行更換，保證草莓種植園區(qū)的覆蓋范圍；可以通過(guò)草莓種植園區(qū)節(jié)點(diǎn)信息收集轉(zhuǎn)發(fā)器在運(yùn)行中采集的中心數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信正常狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使網(wǎng)絡(luò)維護(hù)與控制更加人性化；通過(guò)與專家知識(shí)庫(kù)的對(duì)比，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)不在規(guī)定范圍時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)在狀態(tài)顯示欄中顯示異常狀態(tài)[5-7]。

2 ZigBee監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

在硬件電路設(shè)計(jì)中，考慮電路的集成性與維護(hù)性，其協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)由一個(gè)ZigBee無(wú)線接收發(fā)射板和一個(gè)RS485串口模塊構(gòu)成；而路由器節(jié)點(diǎn)，則是由一個(gè)ZigBee無(wú)線接收發(fā)射板和一個(gè)傳感器功能板結(jié)合而成。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路如圖2所示，路由器節(jié)點(diǎn)電路如圖3所示，傳感器功能模塊如圖4所示。

3 草莓種植園區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)兩大部分。ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)又分為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)、路由器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)兩部分，綜合考慮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、易操作而沒(méi)有采用終端節(jié)點(diǎn)，這樣路由器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)再傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器程序主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立、與路由器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的收發(fā)及與上位機(jī)的串口通信。上位機(jī)軟件程序用于將環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和保存，并對(duì)草莓常見(jiàn)病害進(jìn)行診斷，給出防治方法[8，9]。

3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電啟動(dòng)后，應(yīng)用層將請(qǐng)求原語(yǔ)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)層，啟動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)過(guò)程。網(wǎng)絡(luò)層將發(fā)送相應(yīng)原語(yǔ)給MAC層，MAC層發(fā)送相應(yīng)原語(yǔ)給PHY層，最后PHY層對(duì)信道進(jìn)行能量檢測(cè)掃描，用以檢測(cè)可能的干擾。在2.4 GHz波段只能使用11～26信道，所以，在Z-Stack協(xié)議棧的f8wConfig.cfg文件中，設(shè)置信道數(shù)為16，其中心頻率為2.476 GHz。PHY層掃描結(jié)束后，將掃描結(jié)果傳送給MAC層，MAC層則進(jìn)一步處理能量允許的信道，然后協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體將進(jìn)行PAN標(biāo)識(shí)符檢查，同時(shí)查找最小編號(hào)的信道。如果找到合適的信道，則會(huì)為新建網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)PAN標(biāo)識(shí)符，一旦選定了PAN ID，就說(shuō)明已經(jīng)建立了網(wǎng)絡(luò)；否則將終止建網(wǎng)過(guò)程，建網(wǎng)失敗。

此后，如果另一個(gè)協(xié)調(diào)器進(jìn)行信道的掃描，已建立網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器就會(huì)響應(yīng)并聲明它的存在，從而可以保證每個(gè)網(wǎng)絡(luò)PAN ID的惟一性。PAN ID是一個(gè)16位標(biāo)識(shí)符，范圍從0x0000～0xffff，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只能有一個(gè)PAN ID來(lái)標(biāo)識(shí)自己的存在，同時(shí)在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行信息傳遞的信道也是惟一的，即一個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)一個(gè)PAN ID，也對(duì)應(yīng)一個(gè)信道。Z-Stack協(xié)議棧允許在f8wConfig.cfg文件中，通過(guò)設(shè)置DZDAPP_CONFIG_PANID的值來(lái)配置網(wǎng)絡(luò)的PAN ID。如果DZDAPP_CONFIG_PANID設(shè)置為0xffff，則協(xié)調(diào)器在建立網(wǎng)絡(luò)時(shí)會(huì)使用隨機(jī)生成的PAN ID；如果DZDAPP_CONFIG_PANID不設(shè)置為0xffff，那么協(xié)調(diào)器在建立網(wǎng)絡(luò)時(shí)會(huì)使用由ZDAPP_CONFIG_PANID指定的PAN ID。

本研究中協(xié)調(diào)器使用指定的PAN ID來(lái)建立網(wǎng)絡(luò)，PAN ID指定為0x00ff。同時(shí)協(xié)調(diào)器默認(rèn)的16位網(wǎng)絡(luò)地址為0x0000，以標(biāo)識(shí)其在網(wǎng)絡(luò)中的角色和便于數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信交流。因此，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電后的整體工作過(guò)程為首先進(jìn)行信道能量監(jiān)測(cè)、信道掃描、選擇信道、PAN ID和網(wǎng)絡(luò)地址。當(dāng)新的網(wǎng)絡(luò)建立好后等待路由器節(jié)點(diǎn)的加入。協(xié)調(diào)器會(huì)自動(dòng)給節(jié)點(diǎn)分配ID號(hào)，與此同時(shí)進(jìn)入輪詢狀態(tài)。當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，將會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)解析來(lái)提取有用信息，協(xié)調(diào)器中的各層會(huì)按照自己的幀格式對(duì)有用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，各層將接收到的數(shù)據(jù)去除同步頭指針和協(xié)議頭指針后向上傳遞給上一層，最后將接收到的有效數(shù)據(jù)傳遞到APL層。APL層將針對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的事件處理[10-12]。協(xié)調(diào)器工作流程如圖5所示。

軟件設(shè)計(jì)通過(guò)Z-Stack協(xié)議棧來(lái)實(shí)現(xiàn)，該協(xié)議棧為各種節(jié)點(diǎn)都提供了相應(yīng)的函數(shù)及對(duì)應(yīng)的流程。協(xié)調(diào)器、路由器和終端的預(yù)編譯選項(xiàng)分別為Coordinator EB-Pro、Router EB-Pro和End Device EB-Pro。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)應(yīng)該選用的預(yù)編譯選項(xiàng)為CoordinatorEB-Pro，其配置文件f8wCoord.cfg中的主要內(nèi)容為：

-DZDO_COORDINATOR// Coordinator Functions

-DRTR_NWK // Router Functions

獲取PAN ID的方法在配置文件f8wConfig.cfg中表示為：

-DZDAPP_CONFIG_PAN_ID=0xFFFF

協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)主要是操作系統(tǒng)OSAL自動(dòng)通過(guò)調(diào)用函數(shù)extern ZStatus_t NLME_NetworkFormationRequest（uint16 PanId，uint8* ExtendedPANID， uint32 ScanChannels，byte ScanDuration，byte BeaconOrder，byte SuperframeOrder，byte BatteryLifeExtension）來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，PanId為要建立網(wǎng)絡(luò)的PAN ID，Extended PANID為要建立網(wǎng)絡(luò)的64位擴(kuò)展地址，ScanChannels為要掃描的信道，ScanDuration為信道掃描持續(xù)時(shí)間，BeaconOrder為信標(biāo)順序，SuperframeOrder為超幀數(shù)據(jù)，BatteryLifeExtension為供電模式的選擇。

執(zhí)行完主程序，系統(tǒng)完成初始化，協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)建立網(wǎng)絡(luò)后，路由器便可實(shí)現(xiàn)加入網(wǎng)絡(luò)。Z-Stack協(xié)議棧中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)相應(yīng)的函數(shù)為：

MT_UartInit （）；//串口初始化

Af Status_t AF_DataRequest（ afAddrType_t *dstAddr，endPointDesc_t *srcEP，uint16 cID，uint16 len，uint8 *buf，uint8 *transID，uint8 options， uint8 radius ）；//無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)

void Sample App_Message MSGCB（ afIncomingMSGPacket_t *pkt ）；//接收數(shù)據(jù)處理函數(shù)

協(xié)調(diào)器接收傳感器數(shù)據(jù)處理函數(shù)是類似的，這里以接收土壤溫度為例：

void SampleApp_MessageMSGCB（ afIncomingMSGPacket_t *pkt ）

{

uint16 flashTime；

switch （ pkt->clusterId ）

{

case SAMPLEAPP_POINT_TO_POINT_CLUSTERID：

/**********打印設(shè)備號(hào)************

*/

HalUARTWrite（0，"she bei："，8）； //提示接收到數(shù)據(jù)

HalUARTWrite（0，&pkt->cmd.Data[0]，1）；

HalUARTWrite（0，"＼n"，1）；

/******土壤溫度傳感器*******/

HalUARTWrite（0，"土壤溫度："，5）；

HalUARTWrite（0，&pkt->cmd.Data[17]，2）；

HalUARTWrite（0，"."，1）；

HalUARTWrite（0，&pkt->cmd.Data[19]，4）；

HalUARTWrite（0，"℃"，2）；

HalUARTWrite（0，"＼n"，1）；

break；

}

}

3.2 路由器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

路由器節(jié)點(diǎn)用來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，實(shí)現(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)，上電后首先進(jìn)行相應(yīng)的初始化操作，然后節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，加入網(wǎng)絡(luò)后將獲得一個(gè)短地址，然后就能進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。路由器和終端節(jié)點(diǎn)工作流程如圖6所示。

4 草莓種植園區(qū)專家知識(shí)系統(tǒng)推理調(diào)用

4.1 草莓最適生長(zhǎng)環(huán)境專家知識(shí)的獲取

專家知識(shí)的獲取是建立專家知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)與核心，可通過(guò)以下方式獲?。孩偻ㄟ^(guò)向農(nóng)業(yè)專家請(qǐng)教，針對(duì)草莓種植生長(zhǎng)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題詳細(xì)說(shuō)明并提出解決措施；②搜集各農(nóng)業(yè)部門(mén)以及農(nóng)業(yè)科研機(jī)構(gòu)最近幾年對(duì)草莓的品種、易發(fā)病害、管理栽培技術(shù)等各類問(wèn)題的總結(jié)報(bào)告；③通過(guò)查閱相關(guān)農(nóng)業(yè)文獻(xiàn)和著作來(lái)獲取知識(shí)[13-15]。

4.1.1 影響草莓生長(zhǎng)的因素

1）對(duì)空氣溫度、濕度的要求。在保護(hù)地栽培條件下，生長(zhǎng)期間空氣濕度過(guò)大，易于感染病害；開(kāi)花結(jié)果期濕度過(guò)大，會(huì)造成授粉受精不良，易產(chǎn)生畸形果子；果實(shí)成熟期水分太多，易造成爛果?？諝庀鄬?duì)濕度在80%以下為較好，空氣溫度則如表1所示。

2）對(duì)土壤溫度、濕度的要求。草莓是淺根性植物，在土壤表層的根系占到根系總數(shù)的80%以上，土壤表層的土質(zhì)及結(jié)構(gòu)對(duì)草莓的生長(zhǎng)有決定性作用。通常情況下肥沃、通氣良好土壤適合草莓生長(zhǎng)，可以通過(guò)增施有機(jī)肥對(duì)過(guò)于黏重或沙性過(guò)大的土壤進(jìn)行改良再栽培草莓。草莓因?yàn)橹仓晷〉侨~片多，并且老葉死亡新葉發(fā)生的過(guò)程快，所以水分對(duì)草莓生長(zhǎng)過(guò)程起著至關(guān)重要的作用。對(duì)于草莓正常生長(zhǎng)期而言土壤相對(duì)含水量在70%最適宜，土壤溫度20 ℃左右草莓生長(zhǎng)最快。

3）對(duì)光照度的要求。草莓具有喜光但是又有耐陰的優(yōu)點(diǎn)，相比其他果菜類，光飽和點(diǎn)要低很多，通常為2萬(wàn)～3萬(wàn)lx。草莓在光照充足的條件下，植株生長(zhǎng)健壯，花芽分化好，果實(shí)產(chǎn)量高、品質(zhì)好。如果草莓長(zhǎng)期光照不足，容易引起植株生長(zhǎng)不良、葉莖花徑細(xì)小，花芽分化不良，個(gè)小味淡。

4）CO2濃度的要求。溫室內(nèi)草莓進(jìn)行大量光合作用，溫室內(nèi)的CO2濃度會(huì)快速下降，當(dāng)CO2濃度過(guò)低時(shí)，草莓幾乎不能進(jìn)行正常的光合作用，影響了草莓的生長(zhǎng)發(fā)育，造成病害和減產(chǎn)，因此要嚴(yán)格控制園區(qū)內(nèi)CO2濃度，一般濃度以550～750 mg/L為宜。

4.1.2 草莓病害種類 草莓病害的數(shù)據(jù)包含多方面的信息，例如草莓病害的名稱、發(fā)病部位以及病害特征和防治方法等方面。

1）草莓蛇眼病又稱草莓白斑病。多發(fā)生在葉片，有時(shí)也會(huì)影響到葉莖、果莖及嫩果，開(kāi)始出現(xiàn)深紫紅色的小圓斑，病斑慢慢擴(kuò)大為直徑2～5 mm圓形或長(zhǎng)圓形斑點(diǎn)，病斑中心為灰色，四周為茶色，呈蛇眼狀。嚴(yán)重時(shí)，數(shù)個(gè)病斑融合成大病斑，葉片枯死。多發(fā)生在重茬地及排水不及時(shí)的濕度較大的田地。第一時(shí)間摘除病葉和病苗，保持草莓植株間通風(fēng)，可噴灑200倍波爾多稀釋液。

2）草莓灰霉病。多影響草莓的花、葉以及果實(shí)。首先危害草莓嫩果，逐步發(fā)展到花序，最后花序缺水而死，果實(shí)也變成褐色，呈水漬狀，最后腐爛。低溫高濕的環(huán)境容易發(fā)生灰霉病，例如草莓密集栽培、缺少光照、園區(qū)內(nèi)排水不良等。選取抗病品種，及時(shí)摘除病果。

3）草莓白粉病。經(jīng)常發(fā)生在草莓花蕾、果實(shí)及葉片等部位。開(kāi)始在草莓葉背面出現(xiàn)白絲，逐步成為白粉狀，嚴(yán)重的時(shí)候葉子向上卷起、變枯，草莓果實(shí)變成白色粉狀。低溫高濕時(shí)特別容易發(fā)生，過(guò)分干旱時(shí)也發(fā)生。一旦發(fā)現(xiàn)有病葉出現(xiàn)，及時(shí)噴施1%莓保水劑或2%農(nóng)抗120達(dá)到預(yù)防作用，病害發(fā)生時(shí)用4%朵麥可水劑治療。

4）草莓V型褐斑病。主要危害葉片，初生茶褐色的小斑，慢慢變成大斑，四周暗綠色至黃綠色，晚期病部密生黑褐色小粒點(diǎn)，嚴(yán)重時(shí)全葉枯死。露地栽培、春季濕潤(rùn)多雨區(qū)域易引發(fā)該病流行，尤其是大水漫灌，可促進(jìn)該病發(fā)生和流行。適度灌水嚴(yán)防濕氣滯留，出芽階段到花期前用等量的200倍波爾多稀釋液噴灑葉面，每隔15～20 d噴灑1次。

5）草莓芽枯病。亦稱草莓立枯病，主要影響幼芽和花蕾。染病后慢慢萎謝，呈青枯狀或猝倒，最后變黑栗色枯死，莖基部和根受害皮層腐爛。果實(shí)染病，表面產(chǎn)生暗褐色不規(guī)則斑塊、僵硬，最終全果干腐。多發(fā)生在高溫高濕環(huán)境，適時(shí)通風(fēng)換氣，噴灑10%多抗霉素可濕性粉劑500～1 000倍稀釋液。

6）草莓根腐病。主要危害根系，由小根和側(cè)根開(kāi)始，形成長(zhǎng)、紅褐色斑，最后變成黑褐色，病害部位與健康部位交界處明顯，嚴(yán)重時(shí)根部壞死，地上葉片變黃萎蔫。重茬地發(fā)病嚴(yán)重?？茖W(xué)輪作，在植株成活時(shí)和吐蕾期分別噴施75%百菌清可濕性粉劑500～800倍稀釋液。

7）草莓病毒病。主要危害葉片，通常表現(xiàn)為草莓植株矮小，發(fā)黃，葉片輕度扭曲，葉邊緣不規(guī)則向上卷起，葉脈則向下彎曲，最后整個(gè)葉片扭曲變形，葉面皺縮，葉莖上出現(xiàn)黃斑或者紫斑。該病主要由蚜蟲(chóng)、線蟲(chóng)傳播，也可通過(guò)嫁接或其他農(nóng)事操作傳染。使用脫毒植株，成長(zhǎng)期都要做好蚜蟲(chóng)、線蟲(chóng)的防治，減少傳播媒介，在發(fā)病初期噴灑2%寧南霉素水劑200倍稀釋液。

4.1.3 草莓生長(zhǎng)適宜數(shù)據(jù)條理化 該系統(tǒng)中主要分為根據(jù)大氣溫濕度、土壤溫濕度、光照度、CO2濃度來(lái)確定的決策模塊和草莓病害綜合防治決策模塊。決策模塊主要針對(duì)草莓不同生長(zhǎng)階段提供合適的環(huán)境數(shù)據(jù)參數(shù)。而草莓病害綜合防治決策模塊的主攻目標(biāo)是根據(jù)用戶給出的癥狀能推理出病癥名稱、發(fā)病原因及防治措施。最后知識(shí)規(guī)則條理化，將決策項(xiàng)目所對(duì)應(yīng)的條件組合，將每個(gè)條件進(jìn)行分級(jí)。主要對(duì)草莓病害信息（知識(shí)庫(kù)）進(jìn)行歸納處理，根據(jù)病害種類、病害特征、易發(fā)情況和防治措施建立事實(shí)表。草莓的生長(zhǎng)環(huán)境因素如表2所示。

由表2可以看出，草莓在不同時(shí)期對(duì)溫濕度要求較高，對(duì)光照度和CO2需求變化不明顯，因此專家系統(tǒng)針對(duì)的主要目標(biāo)是對(duì)溫濕度的控制。該系統(tǒng)對(duì)溫濕度采用模糊控制，將模糊控制規(guī)則寫(xiě)入專家知識(shí)庫(kù)后經(jīng)過(guò)傳感器采集到當(dāng)前環(huán)境的數(shù)據(jù)后，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后根據(jù)輸出量所對(duì)應(yīng)的控制方法進(jìn)行控制。

4.2 草莓治理決策系統(tǒng)專家知識(shí)的調(diào)用

4.2.1 草莓治理決策系統(tǒng)構(gòu)成 基于專家知識(shí)的草莓種植園區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)使用戶的種植更具目的性，并且能提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境，使得草莓的生長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)降低，取得更為客觀的經(jīng)濟(jì)效益。隨計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，溫室監(jiān)控系統(tǒng)也取得一定程度的發(fā)展，但溫室監(jiān)控系統(tǒng)可控參數(shù)較多，控制實(shí)現(xiàn)上比較復(fù)雜，監(jiān)控可大致分為3個(gè)模塊：①用于園區(qū)內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊；②指導(dǎo)用戶對(duì)草莓病害診斷生產(chǎn)模塊；③用于信息發(fā)布模塊。就溫室監(jiān)測(cè)而言，研究主要集中在對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)如溫度、濕度、光照度、CO2濃度的監(jiān)測(cè)方面。草莓病害診斷模塊的研究主要集中在草莓可能發(fā)生的病害及發(fā)病原因、發(fā)病癥狀和應(yīng)對(duì)措施，能否及時(shí)準(zhǔn)確了解園區(qū)內(nèi)的環(huán)境狀況以及能否對(duì)可能發(fā)生的病害及時(shí)準(zhǔn)確防治。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)就是幫助用戶、指導(dǎo)用戶，并且具有通用性，還可以用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植的其他領(lǐng)域。決策系統(tǒng)如圖8所示。

草莓治理決策系統(tǒng)功能：

1）環(huán)境數(shù)據(jù)采集。環(huán)境數(shù)據(jù)采集采用溫室環(huán)境數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)，并將采集到的數(shù)據(jù)在上位機(jī)界面顯示，保存到SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，還可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、修改、刪除、添加等操作。

2）病害診斷。根據(jù)輸入的病癥信息來(lái)診斷得到具體病害信息，提供了溫室常見(jiàn)病害的詳細(xì)信息，包括中文名、英文名、拉丁名、危害部位、發(fā)生條件、傳播途徑以及物理防治、化學(xué)防治與生物防治方法。

4.2.2 草莓病害治理決策系統(tǒng)專家知識(shí)的調(diào)用 草莓病害治理決策系統(tǒng)要對(duì)專家知識(shí)進(jìn)行調(diào)用，首先建立病害信息表，根據(jù)系統(tǒng)功能要求，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表。

創(chuàng)建專家知識(shí)癥狀表的SQL代碼：

Create table

Zhengzhuang（

Zhengzhuang id varchar（20）primary key，

Buwei id varchar（20），

Zhengzhuang name varchar（20），

zhengzhuangdiscrvarchar（100）

）

創(chuàng)建專家知識(shí)癥狀權(quán)重表的SQL代碼：

createtable

zhengzhuang（

zhengzhuangidvarchar（20）primarykey，

binghaiidvarchar（20），

buweiidvarchar（20），

ratedecimal（2，1）

）

當(dāng)用戶登陸系統(tǒng)進(jìn)入病害診斷主界面，可以對(duì)草莓的基源和生物學(xué)特征進(jìn)行顯示，具體如圖9所示。

用戶根據(jù)發(fā)病時(shí)間、發(fā)病部位，再根據(jù)癥狀描述選擇相應(yīng)的病癥，系統(tǒng)就會(huì)給出診斷結(jié)果，并給出防治方法，指出發(fā)病規(guī)律。其病害診斷如圖10所示。

5 小結(jié)

通過(guò)對(duì)草莓種植基地的實(shí)地考察，分析現(xiàn)階段溫室種植用戶的需求后，設(shè)計(jì)了一種對(duì)園區(qū)內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)量預(yù)報(bào)并指導(dǎo)用戶診斷病害的系統(tǒng)。首先利用CC2530和多種高精度傳感器搭建了一個(gè)對(duì)園區(qū)內(nèi)空氣溫度和濕度、土壤溫度和濕度、光照度和CO2濃度多點(diǎn)檢測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于對(duì)園區(qū)內(nèi)各種參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和無(wú)線傳輸，滿足了用戶鋪設(shè)線路不變的要求。引入專家知識(shí)庫(kù)，對(duì)日光溫室的溫度、濕度誤差和病害進(jìn)行模糊化設(shè)計(jì)，通過(guò)模糊化程序，將模糊化處理后的輸入、輸出數(shù)據(jù)融入專家系統(tǒng)，使專家系統(tǒng)通過(guò)對(duì)模糊知識(shí)的推理判斷，得到科學(xué)的溫室草莓控制的決策結(jié)論。這就解決了嚴(yán)重依靠管理人員的經(jīng)驗(yàn)而造成溫室管理一定程度上的不規(guī)范的問(wèn)題，達(dá)到日光溫室的規(guī)范化管理；并解決因此導(dǎo)致溫室草莓產(chǎn)量不穩(wěn)定的問(wèn)題，同時(shí)避免過(guò)度噴灑農(nóng)藥對(duì)環(huán)境造成的污染，減少了農(nóng)藥用量、降低了投入成本。

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