基于物聯(lián)網(wǎng)硬地育秧模糊灌溉智慧控制系統(tǒng)的應(yīng)用

陳美琦，劉浩

（湖南人文科技學(xué)院，信息學(xué)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(bào)信息擬合溫度、濕度曲線，并得到對(duì)應(yīng)的溫度、濕度模糊區(qū)間，結(jié)合秧苗的生長(zhǎng)期，計(jì)算待測(cè)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(duì)秧苗的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警，包括燒葉、枯葉、干尖預(yù)警?？梢詫?shí)現(xiàn)秧苗需水狀況的監(jiān)測(cè)與評(píng)估，綜合秧苗的生產(chǎn)需求，對(duì)秧苗進(jìn)行智能灌施，從而確保秧苗的生長(zhǎng)質(zhì)量和生長(zhǎng)周期。

1 機(jī)插秧苗的需水量模糊定量算法描述

1.1 機(jī)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(jì)算的基本過(guò)程是：在圖像采集器采集過(guò)程中，圖像采集控制器通過(guò)圖像減法，去除基質(zhì)和基質(zhì)盤的背景，通過(guò)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(zhǎng)等信息，通過(guò)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(zhǎng)和葉莖，并判別葉片的生長(zhǎng)期。根據(jù)天氣預(yù)報(bào)，形成上午8 點(diǎn)到晚上6 點(diǎn)的溫度曲線圖，與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)曲線圖T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7 進(jìn)行曲線圖相似度比較，將其進(jìn)行模糊分（見(jiàn)表1）。通過(guò)土壤溫濕度傳感器的濕度檢測(cè)信息進(jìn)行H0、H1、H2、H3 四種濕度曲線圖的模糊濕度分類（見(jiàn)表2）。同時(shí)根據(jù)光照傳感器對(duì)秧苗進(jìn)行燒葉、枯葉、干尖等情況進(jìn)行及時(shí)預(yù)警。根據(jù)天氣預(yù)報(bào)信息擬合溫度模糊區(qū)間、濕度模糊區(qū)間和判斷待測(cè)秧苗的生長(zhǎng)期，計(jì)算待測(cè)秧苗的需水量。

表1 溫度模糊區(qū)間等級(jí)劃分

表2 濕度模糊區(qū)間等級(jí)劃分

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

Ah表示相同測(cè)量時(shí)間內(nèi)濕度曲線圖面積，A1～A7分別表示4 個(gè)濕度模糊等級(jí)的濕度曲線圖區(qū)間的濕度度曲線圖面積。

1.2 機(jī)插秧苗的需水量模糊定量計(jì)算

機(jī)插秧苗的待測(cè)秧苗的需水量模糊定量計(jì)算公式如下：

其中，Q（Pi，Tj，Hk）為待測(cè)秧苗需水量預(yù)測(cè)值；Pi為待測(cè)秧苗所處的生長(zhǎng)期，i為生長(zhǎng)期序號(hào)；Tj為待測(cè)秧苗所處的溫度模糊區(qū)間，j為溫度模糊區(qū)間序號(hào)；Hk為待測(cè)秧苗所處的濕度模糊區(qū)間，k為濕度模糊區(qū)間序號(hào)；QB（Pi，Tj，Hk）為全生長(zhǎng)期平均需水量；SbTj為Tj對(duì)應(yīng)的溫度標(biāo)準(zhǔn)線圖面積；SbHk為Hk對(duì)應(yīng)的濕度標(biāo)準(zhǔn)曲線圖面積；STj為Tj的實(shí)際溫度曲線圖面積；SHk為Hk的實(shí)際濕度曲線圖面積。

秧苗需水定量計(jì)算模塊，包括溫度模糊模塊，用于根據(jù)天氣預(yù)報(bào)信息擬合出待測(cè)秧苗所處環(huán)境的溫度曲線圖，對(duì)其進(jìn)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(bào)信息擬合出待測(cè)秧苗所處環(huán)境的濕度曲線圖，對(duì)其進(jìn)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(cè)秧苗所處的生長(zhǎng)期；計(jì)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(zhǎng)期，計(jì)算待測(cè)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(guò)天氣預(yù)報(bào)第三方服務(wù)的開(kāi)放接口，獲取當(dāng)天24h 天氣預(yù)報(bào)信息，24h 的氣溫、濕度、光照預(yù)測(cè)信息，光照根據(jù)陰晴、季節(jié)以及氣溫等經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行模糊化，模糊化規(guī)則庫(kù)為氣象經(jīng)驗(yàn)，模糊等級(jí)為弱、較弱、正常、較強(qiáng)、強(qiáng)五個(gè)等級(jí)。24h 氣溫、濕度、光照等級(jí)和時(shí)間四個(gè)變量，以2000ms 的間隔通過(guò)Modbus RTU 格式，經(jīng)過(guò)工業(yè)網(wǎng)關(guān)、無(wú)線傳輸網(wǎng)關(guān)、無(wú)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(jī)App 終端通過(guò)4G/5G 網(wǎng)絡(luò)與云處理中心信息交互。

圖1 云平臺(tái)控制中心示意圖

無(wú)線傳輸模塊組通過(guò)串口與就地控制中心進(jìn)行信息交互，將數(shù)據(jù)信息匯集編碼后再通過(guò)串口經(jīng)過(guò)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(guò)Modbus RTU 傳送至就地控制中心，就地控制中心再通過(guò)Modbus RTU 寫入圖像采集控制器。

同理24h 天氣預(yù)報(bào)信息也是就地控制中心通過(guò)無(wú)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(guò)云端下載到就地控制中心。

從安裝的角度來(lái)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(zhǔn)是一個(gè)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(duì)。圖像配準(zhǔn)上有2個(gè)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(gè)USB 存儲(chǔ)卡，存放歷史圖片，另一個(gè)串口配置一個(gè)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?jìng)鞴δ?，可以透?jìng)鱉odBus RTU、ModBus ASCII、ModBus TCP/IP 三種協(xié)議。

圖像信息是用戶通過(guò)手機(jī)App 終端發(fā)送圖像刷新請(qǐng)求信息，再通過(guò)云處理中心經(jīng)過(guò)工業(yè)網(wǎng)關(guān)，無(wú)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(guò)串口經(jīng)過(guò)Wi-Fi 轉(zhuǎn)換模塊，工業(yè)網(wǎng)關(guān)，經(jīng)過(guò)云處理中心將現(xiàn)場(chǎng)圖像轉(zhuǎn)發(fā)給用戶手機(jī)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(jì)的基本過(guò)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(jì)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(guò)電磁閥的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換；噴灌系統(tǒng)包括順次連接的灌溉泵、一級(jí)過(guò)濾裝置、二級(jí)過(guò)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(jí)過(guò)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(dòng)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(wú)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(dòng)閥，噴灌管路與地灌管路之間設(shè)置地灌清洗手動(dòng)閥，配合關(guān)閉噴灌手動(dòng)閥和地灌電磁閥，通過(guò)增壓泵對(duì)地灌回路進(jìn)行沖洗。

秧苗的生長(zhǎng)管理決策為苗高優(yōu)先、莖粗優(yōu)先、維持基礎(chǔ)生長(zhǎng)三個(gè)類別，苗高優(yōu)先是指為秧苗提供足夠的營(yíng)養(yǎng)和水分，在合適灌溉的時(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)狀況，相對(duì)延長(zhǎng)苗的成苗時(shí)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(zhǎng)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(chǎng)圖

根據(jù)試驗(yàn)得到，對(duì)比考察試驗(yàn)效果，各取對(duì)照組，試驗(yàn)組10 株樣本秧苗對(duì)比秧苗的生長(zhǎng)素質(zhì)。一般中小苗是最適宜的機(jī)插標(biāo)準(zhǔn)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(jī)插后根系越牢固，更利于生長(zhǎng)。同時(shí)秧苗生長(zhǎng)整齊，葉挺色綠也是秧苗素質(zhì)的重要指標(biāo)。

由表3 可知，試驗(yàn)組的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)優(yōu)于對(duì)照組，通過(guò)育秧模糊定量灌溉技術(shù)及智慧控制系統(tǒng)的應(yīng)用，機(jī)插秧苗素質(zhì)的提高，更有利于秧苗后期的生長(zhǎng)，促進(jìn)高產(chǎn)。由圖4 可以看出，試驗(yàn)組的秧苗顏色比對(duì)照組秧苗顏色更綠，葉更挺。因此結(jié)果表明，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)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(duì)照組基礎(chǔ)生長(zhǎng)得更好，并且施肥資源利用更加充分。

圖4 試驗(yàn)組與對(duì)照組秧苗生長(zhǎng)對(duì)比

表3 試驗(yàn)秧苗素質(zhì)對(duì)比

硬地育秧智慧控制系統(tǒng)提供了一種綜合天氣預(yù)測(cè)、實(shí)時(shí)溫度光照濕度監(jiān)測(cè)、水稻秧苗圖像辨識(shí)等技術(shù)手段的水稻秧苗精確灌溉定量計(jì)算方法，為水稻秧苗的精準(zhǔn)生長(zhǎng)控制，秧苗的節(jié)水灌溉打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，圖4為系統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)圖。同時(shí)又對(duì)于枯葉、燒葉等水稻秧苗育秧過(guò)程中常見(jiàn)的控水不當(dāng)事故進(jìn)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(duì)系統(tǒng)使用前后的對(duì)比分析，可以看出，系統(tǒng)的使用對(duì)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(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了硬地育秧智慧控制系統(tǒng)的應(yīng)用，通過(guò)智慧制定秧苗的需水與需肥，保障秧苗的安全生產(chǎn)和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了秧苗的全自動(dòng)化生產(chǎn)，降低了秧苗生產(chǎn)對(duì)勞動(dòng)者的專業(yè)知識(shí)的需求，提升了秧苗質(zhì)量，為高效穩(wěn)產(chǎn)的機(jī)插稻種植打下了堅(jiān)實(shí)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(duì)系統(tǒng)應(yīng)用研究進(jìn)行比較分析，得出結(jié)論，智慧控制系統(tǒng)的應(yīng)用從勞動(dòng)力，時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，以及水資源的利用方面比較，管理效益要更好，具有實(shí)際的研究和推廣借鑒意義。