韓東辰

（臨汾職業(yè)技術(shù)學(xué)院生命科學(xué)系，山西 臨汾 041000）

傳統(tǒng)的無土栽培包括冰菜生產(chǎn)面臨管理挑戰(zhàn)，主要對(duì)環(huán)境因素監(jiān)測不足和管理手段的有限性，而智能化管理系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測生長環(huán)境中的關(guān)鍵參數(shù)[1]，能夠使農(nóng)戶精準(zhǔn)掌握冰菜生長中所需的溫濕度、光照等信息，幫助農(nóng)戶在不同生長階段對(duì)栽培環(huán)境進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，進(jìn)而提高生產(chǎn)效益。本文基于物聯(lián)網(wǎng)和傳感技術(shù)，致力于設(shè)計(jì)并實(shí)施一套冰菜無土栽培智能化管理系統(tǒng)，以全面提升冰菜生產(chǎn)的智能水平和管理效率。

1 物聯(lián)網(wǎng)與傳感技術(shù)在冰菜栽培中的應(yīng)用

1.1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

在冰菜栽培中，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的架構(gòu)是基于ZigBee技術(shù)的大棚內(nèi)組網(wǎng)體系，如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括控制器、傳感器、終端和協(xié)調(diào)器等關(guān)鍵元件，這些元件通過ZigBee 協(xié)議實(shí)現(xiàn)內(nèi)部通信，確保各設(shè)備之間的協(xié)同工作。其中，控制器負(fù)責(zé)調(diào)控環(huán)境參數(shù)，傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照等關(guān)鍵指標(biāo)，終端作為用戶界面提供數(shù)據(jù)展示和遠(yuǎn)程控制的入口，而協(xié)調(diào)器則協(xié)調(diào)各設(shè)備之間的通信。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)冰菜栽培系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of Internet of Things Mesembryanthemum crystallinum cultivation system

通信方面，系統(tǒng)采用了串口通信方式，通過STM32單片機(jī)和GPRS模塊將采集到的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，具有穩(wěn)定性和高效性的特點(diǎn)，確保了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。上傳至服務(wù)器的數(shù)據(jù)可以通過手機(jī)端實(shí)時(shí)呈現(xiàn)和遠(yuǎn)程控制，為農(nóng)戶提供了方便的操作和監(jiān)控手段[2]。

整體而言，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的架構(gòu)不僅具備高效的內(nèi)部通信機(jī)制，還通過采用先進(jìn)的通信方式和數(shù)據(jù)傳輸方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)冰菜栽培環(huán)境的全面監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制。

1.2 傳感器的選擇與布局

在冰菜栽培中，物聯(lián)網(wǎng)與傳感技術(shù)的成功應(yīng)用關(guān)鍵在于合理選擇和布局傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)的準(zhǔn)確監(jiān)測。傳感器的選擇，需要考慮冰菜生長所需的關(guān)鍵指標(biāo)，如溫度、濕度、光照等。為了確保準(zhǔn)確度和可靠性，常采用LM35 溫度傳感器、DHT22 濕度傳感器和光敏電阻等專業(yè)傳感器。LM35 可提供高精度的溫度數(shù)據(jù)，DHT22 能穩(wěn)定測量濕度，而光敏電阻則能感知光照強(qiáng)度，從而全面了解大棚內(nèi)的生長環(huán)境。

在傳感器布局方面，需考慮大棚內(nèi)的結(jié)構(gòu)和作物分布。合理的傳感器布局能夠確保覆蓋到整個(gè)生長區(qū)域，避免盲區(qū)和冗余測量。傳感器的位置通常包括大棚的四角和中央位置，以及植物栽培區(qū)域的不同高度，這樣的布局能夠有效地捕捉到環(huán)境的空間變化，提供更全面、立體的數(shù)據(jù)[3]。

通過選擇合適的傳感器和優(yōu)化布局，物聯(lián)網(wǎng)與傳感技術(shù)在冰菜栽培中實(shí)現(xiàn)了對(duì)多維度環(huán)境參數(shù)的高效監(jiān)測，為智能化管理提供了精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。

1.3 數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)監(jiān)測

1.3.1 數(shù)據(jù)采集頻率與精度

在冰菜栽培中，數(shù)據(jù)采集的頻率和精度是確保系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測準(zhǔn)確性和響應(yīng)性的重要考量因素。采用高頻率的數(shù)據(jù)采集能夠捕捉到生長環(huán)境中的瞬時(shí)變化，提供更為細(xì)致和全面的信息。對(duì)于溫度、濕度等較為動(dòng)態(tài)的參數(shù)，通常選擇較高的數(shù)據(jù)采集頻率，以確保系統(tǒng)對(duì)環(huán)境波動(dòng)的敏感性。

同時(shí)，數(shù)據(jù)采集的精度直接影響監(jiān)測結(jié)果的可信度。為保證準(zhǔn)確性，傳感器需要具備高精度的測量能力。例如，溫度傳感器需具備小范圍內(nèi)的高分辨率，以確保對(duì)微小溫度變化的敏感性。濕度傳感器同樣需要高精度以滿足對(duì)濕度變化的準(zhǔn)確監(jiān)測。通過選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅骱驼{(diào)整數(shù)據(jù)采集頻率，系統(tǒng)可以在保障監(jiān)測準(zhǔn)確性的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)生長環(huán)境的實(shí)時(shí)感知，為后續(xù)的智能化管理提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.3.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，建立了高效的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。通過ZigBee 大棚內(nèi)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)和協(xié)同工作。通信采用了串口通信，其中STM32單片機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。這一物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建了一個(gè)穩(wěn)定、可靠的通信框架，為實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)提供了可靠的數(shù)據(jù)源。

在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)引入了遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)化技術(shù)。通過服務(wù)器與STM32 單片機(jī)的雙向通信，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控和控制，種植戶可以通過手機(jī)端或其他終端實(shí)時(shí)了解種植環(huán)境的狀態(tài)，并遠(yuǎn)程控制，例如調(diào)整灌溉系統(tǒng)或改變溫室氣候條件等，提高冰菜栽培的管理效率。

2 智能化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 決策支持系統(tǒng)

2.1.1 數(shù)據(jù)分析與處理

在決策支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)分析與處理起到了關(guān)鍵的作用，具體的數(shù)據(jù)分析與處理流程如圖2 所示。首先，通過傳感器獲取的大量數(shù)據(jù)，進(jìn)行預(yù)處理工作，包括數(shù)據(jù)清洗、去噪和異常值處理等，以確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。隨后，采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，如統(tǒng)計(jì)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，深入挖掘清理后的數(shù)據(jù)。

圖2 數(shù)據(jù)分析與處理流程Fig.2 Data analysis and processing process

在數(shù)據(jù)分析的過程中，系統(tǒng)著重關(guān)注冰菜栽培環(huán)境的各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，如溫度、濕度、光照等。通過建立數(shù)學(xué)模型和算法，系統(tǒng)能預(yù)測和分析這些指標(biāo)的變化趨勢，為決策支持提供可靠的依據(jù)。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別與異常數(shù)據(jù)相關(guān)的特征，以及其對(duì)植物生長的潛在影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)潛在問題的早期預(yù)警[4]。

數(shù)據(jù)分析的結(jié)果將被整合到?jīng)Q策支持系統(tǒng)中，為管理者提供直觀、清晰的信息，通過可視化界面，用戶可以實(shí)時(shí)了解冰菜栽培環(huán)境的狀態(tài)，并獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化趨勢。

2.1.2 決策模型與算法

本文采用了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的決策算法，其中決策模型為：

式中：Y為目標(biāo)變量，表示對(duì)冰菜栽培環(huán)境的決策；X為特征變量集合，包括溫度、濕度、光照等環(huán)境指標(biāo)；f(X)為決策函數(shù)，用于建模環(huán)境特征與目標(biāo)變量之間的關(guān)系；ε為模型的誤差。

在算法層面，采用了集成學(xué)習(xí)中隨機(jī)森林算法，通過構(gòu)建多個(gè)決策樹綜合決策，具有高度的魯棒性和泛化能力。隨機(jī)森林通過對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的隨機(jī)抽樣和特征的隨機(jī)選擇，構(gòu)建多個(gè)決策樹，并通過投票機(jī)制綜合各個(gè)樹的決策結(jié)果，提高了整體模型的準(zhǔn)確性和魯棒性。

此設(shè)計(jì)旨在充分利用環(huán)境數(shù)據(jù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法挖掘數(shù)據(jù)中的潛在規(guī)律，為冰菜栽培提供個(gè)性化、智能化的決策支持，優(yōu)化生長環(huán)境、提高產(chǎn)量和質(zhì)量。

2.2 遠(yuǎn)程控制與自動(dòng)化

在智能化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，遠(yuǎn)程控制與自動(dòng)化是決策支持系統(tǒng)的重要組成部分，通過遠(yuǎn)程控制，管理者可以實(shí)時(shí)監(jiān)測冰菜栽培環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)。具體而言，系統(tǒng)支持對(duì)溫度、濕度、燈光等關(guān)鍵環(huán)境指標(biāo)的遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，以滿足不同生長階段對(duì)環(huán)境條件的需求，提高了生產(chǎn)管理的靈活性，降低了人力成本。

系統(tǒng)通過設(shè)定預(yù)定的決策模型和算法，使系統(tǒng)能根據(jù)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化管理。例如，在溫度過高時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)降溫設(shè)備，或在低光照條件下自動(dòng)調(diào)整燈光強(qiáng)度，提高了環(huán)境適應(yīng)性，精準(zhǔn)地滿足植物的生長需求，提升作物產(chǎn)量和質(zhì)量[5-6]。

2.3 用戶界面與移動(dòng)應(yīng)用

用戶界面與移動(dòng)應(yīng)用的開發(fā)是為了提供直觀、便捷的管理體驗(yàn)。管理者可以以圖表、圖形等形式直觀地了解冰菜栽培環(huán)境的狀態(tài)和關(guān)鍵指標(biāo)的實(shí)時(shí)變化趨勢，簡化了信息的理解和消化過程。用戶界面還通過友好的交互設(shè)計(jì)，使得管理者可以輕松地遠(yuǎn)程控制和設(shè)定環(huán)境參數(shù)。例如，通過簡單觸摸或點(diǎn)擊，就能實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)、濕度設(shè)置等功能。這種直觀的用戶交互方式提高了管理者對(duì)冰菜栽培環(huán)境的實(shí)時(shí)操作效率，降低了使用門檻[7-8]。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 種植環(huán)境設(shè)置

在無土栽培試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，種植環(huán)境的設(shè)置是關(guān)鍵的步驟，旨在模擬最適宜冰菜生長的條件。一是溫度。通過精確的溫控系統(tǒng)，確保在整個(gè)試驗(yàn)期間維持穩(wěn)定的溫度范圍，為冰菜生長創(chuàng)造適宜的生長環(huán)境。二是濕度。通過濕度控制系統(tǒng)，調(diào)整空氣濕度，維持冰菜生長所需的合適水分條件。三是光照條件。通過科學(xué)布局光源，確保光照充足、均勻，模擬自然陽光的照射，促進(jìn)植物正常生長。這一系列的種植環(huán)境設(shè)置旨在為無土栽培試驗(yàn)提供良好的模擬生長條件，以獲得可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.2 試驗(yàn)組與對(duì)照組的比較

試驗(yàn)組采用了基于物聯(lián)網(wǎng)和傳感技術(shù)的智能化管理系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動(dòng)化控制技術(shù)，優(yōu)化了栽培環(huán)境參數(shù)。對(duì)照組采用傳統(tǒng)的栽培方法。試驗(yàn)組與對(duì)照組在冰菜生長方面的主要區(qū)別在于試驗(yàn)組引入了先進(jìn)的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)種植環(huán)境的精準(zhǔn)監(jiān)控和調(diào)節(jié)，主要包括對(duì)溫度、濕度和光照等關(guān)鍵因素的即時(shí)響應(yīng)和優(yōu)化。通過比較試驗(yàn)組和對(duì)照組的冰菜生長情況，旨在全面了解智能化管理系統(tǒng)對(duì)植物生長的實(shí)質(zhì)性影響。

3.3 結(jié)果呈現(xiàn)與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上述試驗(yàn)，對(duì)兩組冰菜的生長數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Test data statistics

由表1 可知，試驗(yàn)組相較對(duì)照組在生長速度、植株高度和產(chǎn)量等方面均表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，分別增加了0.3 cm/d、5.3 cm 和1.5 kg/m2。表明智能化管理系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)冰菜無土栽培有積極作用，可提高植株的生長速度和產(chǎn)量。

4 結(jié)語

在冰菜的無土栽培中，基于物聯(lián)網(wǎng)和傳感技術(shù)的智能化管理系統(tǒng)展現(xiàn)了顯著的應(yīng)用潛力，通過建立完善的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，合理選擇和布局傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)冰菜栽培環(huán)境的全面感知和實(shí)時(shí)監(jiān)測。智能化管理系統(tǒng)通過強(qiáng)大的決策支持系統(tǒng)，遠(yuǎn)程控制與自動(dòng)化功能，以及友好的用戶界面與移動(dòng)應(yīng)用，為農(nóng)戶提供了先進(jìn)且高效的栽培管理手段，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和高效管理提供了新的方向。未來的研究和實(shí)踐中，可以進(jìn)一步完善系統(tǒng)功能，推廣應(yīng)用于更廣泛的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，以推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。