LED藍莓補光燈數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設計與研究.pdf

1 引言 作 為 一 種 集 約 化 的 農(nóng) 業(yè) 種 植 模 式 數(shù) 字 化 光 感 植 物 工 廠 主 要 分 布 在 一 些 發(fā) 達 國 家 其 中 日 本 荷 蘭 最 具 代 表 性 日 本 和 荷 蘭 由 于 地 理 位 置 的 限 制 數(shù) 字 化 光 感 植 物 工 廠 發(fā) 展 都 比 較 早 具 有 成 熟 成 套 的 植 物 栽 培 技 術 比 較 齊 全 的 設 施 裝 備 規(guī) 范 的 生 產(chǎn) 作 業(yè) 流 程 穩(wěn) 定 的 產(chǎn) 量 和 高 品 質(zhì) 的 質(zhì) 量 日 本 大 阪 府 立 大 學 數(shù) 字 化 光 感 植 物 工 廠 為 世 界 首 例 應 用 組 合 作 業(yè) 機 器 人 實 現(xiàn) 自 動 選 育 優(yōu) 良 種 苗 日 本 京 都 Spread 公 司 建 成 世 界 上 首 例 完 全 自 動 化 的 數(shù) 字 化 光 感 植 物 工 廠 1 荷 蘭 以 玻 璃 溫 室 為 主 的 數(shù) 字 化 光 感 植 物 工 廠 經(jīng) 過 上 百 年 的 發(fā) 展 雖 然 其 結(jié) 構(gòu) 形 式 比 較 單 一 但 其 技 術 已 經(jīng) 非 常 成 熟 90 以 上 是 Venlot 文 洛 式 智 能 玻 璃 溫 室 這 種 以 智 能 玻 璃 溫 室 為 主 的 數(shù) 字 化 光 感 植 物 工 廠 目 前 已 成 為 世 界 上 地 域 應 用 最 廣 利 用 率 最 高 的 數(shù) 字 化 光 感 植 物 工 廠 2 本 研 究 專 注 于 設 計 一 個 針 對 LED 藍 莓 補 光 燈 的 數(shù) 據(jù) 分 析 系 統(tǒng) 該 系 統(tǒng) 主 要 涵 蓋 軟 件 層 面 的 開 發(fā) 以 優(yōu) 化 藍 莓 的 生 長 光 照 管 理 系 統(tǒng) 設 計 包 括 數(shù) 據(jù) 收 集 處 理 分 析 及 用 戶 界 面 四 個 主 要 模 塊 首 先 系 統(tǒng) 通 過 接 口 與 現(xiàn) 有 的 農(nóng) 業(yè) 數(shù) 據(jù) 庫 集 成 自 動 導 入 關 于 LED 補 光 燈 的 運 行 數(shù) 據(jù) 如 照 明 時 長 和 光 照 強 度 數(shù) 據(jù) 處 理 模 塊 采 用 先 進 的 數(shù) 據(jù) 清 洗 和 預 處 理 技 術 確 保 輸 入 數(shù) 據(jù) 的 準 確 性 和 一 致 性 在 數(shù) 據(jù) 分 析 模 塊 系 統(tǒng) 應 用 統(tǒng) 計 和 機 器 學 習 算 法 分 析 光 照 參 數(shù) 與 藍 莓 生 長 指 標 之 間 的 關系 從而預測最優(yōu)的光照策略 2 數(shù)據(jù)分析技術發(fā)展 隨 著 我 國 現(xiàn) 代 化 的 不 斷 推 進 數(shù) 據(jù) 分 析 作 為 大 數(shù) 據(jù) 技 術 與 我 國 國 情 深 度 融 合 的 產(chǎn) 物 為 企 業(yè) 生 產(chǎn) 效 率 和 資 源 利 用 效 益 的 提 升 發(fā) 揮 了 顯 著 的 作 用 3 對 此 國 內(nèi) 外 有 許 多 專 家 和 學 者 嘗 試 解 決 這 些 問 題 劉 海 燕 4 等 人 建 立 中 國 典 型 棉 田 生 態(tài) 系 統(tǒng) 的 微 生 物 組 數(shù) 據(jù) 庫 及 大 數(shù) 據(jù) 可 視 化 分 析 流 程 通 過 各 種 手 段 實 現(xiàn) 了 多 元 異 構(gòu) 農(nóng) 業(yè) 資 源 數(shù) 據(jù) 有 效 整 合 樊 會 麗 5 構(gòu) 建 一 套 適 合 田 間 數(shù) 據(jù) 即 時 收 集 災 難 防 范 現(xiàn) 代 管 理 的 互 聯(lián) 網(wǎng) 信 息 化 網(wǎng) 絡 平 臺 有 效 地 加 強 政 府 部 門 對 當 地 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 的 監(jiān) 管 和 信 息 技 術 的 引 導 能 力 陳 忠 超 6 等 人 則 根 據(jù) 目 前 中 國 農(nóng) 大 數(shù) 據(jù) 分 析 網(wǎng) 絡 平 臺 的 空 間 數(shù) 據(jù) 分 析 程 度 不 夠 結(jié) 果 呈 現(xiàn) 不 夠 專 業(yè) 數(shù) 據(jù) 的 尺 度 和 專 題 呈 現(xiàn) 也 不 夠 充 分 等 實 際 情 況 充 分 發(fā) 揮 了 GIS 在 農(nóng) 業(yè) 空 間 層 面 上 的 數(shù) 據(jù) 挖 掘 優(yōu) 勢 開 發(fā) 和 完 成 了 中 國 農(nóng) 業(yè) 產(chǎn) 業(yè) 空 間 沿 革 數(shù) 據(jù) 分 析 體 系 黃 紅 星 7 等 人 根 據(jù) 現(xiàn) 代 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 經(jīng) 營 管 理 對 農(nóng) 產(chǎn) 品 資 源 有 效 配 置 的 要 求 通 過 構(gòu) 建 現(xiàn) 代 農(nóng) 產(chǎn) 品 資 源 多 源 信 息 收 集 技 術 并 基 于 統(tǒng) 一 編 碼 的 標 準 系 統(tǒng) 構(gòu) 建 了 一 個 集 天 氣 土 地 農(nóng) 情 農(nóng) 技 服 務 農(nóng) 資 收稿時間 2024 04 17 第一作者 王吉平 1980 女 河南平頂山人 碩士 講師 研究方向 機電液一體化設計 基金項目 2023 年江蘇省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目 202313654054 P LED 藍莓補光燈數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設計與研究 王 吉 平 王 宇 洋 陳 思 琪 王 鎮(zhèn) 文 董 宇 捷 張 琪 瑞 張 瑛 南京理工大學紫金學院 江蘇 南京 210000 摘 要 本 研 究 開 發(fā) 一 個 LED 藍 莓 補 光 燈 數(shù) 據(jù) 分 析 系 統(tǒng) 旨 在 通 過 精 準 控 制 光 照 模 式 優(yōu) 化 藍 莓 生 長 環(huán) 境 系 統(tǒng) 整 合 數(shù) 據(jù) 收 集 實 時 數(shù) 據(jù) 處 理 以 及 用 戶 界 面 設 計 以 實 現(xiàn) 對 藍 莓 生 長 條 件 的 動 態(tài) 管 理 通 過 部 署 環(huán) 境 和 植 物 生 長 傳 感 器 系 統(tǒng) 能 夠 實 時 收 集 光 照 等 關 鍵 數(shù) 據(jù) 并 通 過 無 線 網(wǎng) 絡 發(fā) 送 至 中 心 處 理 單 元 利 用 先 進 的 數(shù) 據(jù) 分 析 技 術 和 相 關 算 法 系 統(tǒng) 分 析 LED 補 光 對 植 物 生 長 的 具 體 影 響 自 動 調(diào) 節(jié) 光 照 強 度 和 周 期 此 外 系 統(tǒng) 的 用 戶 界 面 提 供 了 直 觀 的 數(shù) 據(jù) 可 視 化 功 能 支 持 用 戶 進 行 有 效 地 監(jiān) 控 與 操 作 測 試 結(jié) 果 表 明 該 系 統(tǒng) 能 顯 著 提 升 藍 莓 的 生 長 效 率和果實質(zhì)量 證明了數(shù)據(jù)驅(qū)動方法在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術中的應用價值 關鍵詞 數(shù)據(jù)分析 數(shù)字化光感植物工廠 藍莓 中圖分類號 TP 273 文獻識別碼 A 文章編號 2095 3518 2024 06 115 03 2024 年第 40 卷第 6 期 輕工科技 LIGHT INDUSTRY SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol 40 No 6 2024 115服 務 信 息 于 一 身 的 農(nóng) 產(chǎn) 品 資 源 信 息 庫 并 通 過 數(shù) 據(jù) 可 視 化 技 術 在 互 聯(lián) 網(wǎng) 環(huán) 境 上 向 廣 大 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 者 當 地 政 府 管 理 機 關 等 提 供 方 便 快 捷 的 現(xiàn) 代 農(nóng) 產(chǎn) 品 資 源 經(jīng) 營 管 理信息咨詢服務 3 需求分析 LED 藍 莓 補 光 燈 數(shù) 據(jù) 分 析 系 統(tǒng) 設 計 與 研 究 旨 在 開 發(fā) 一 個 多 功 能 的 綜 合 系 統(tǒng) 該 系 統(tǒng) 通 過 整 合 高 級 數(shù) 據(jù) 處 理 技 術 和 智 能 分 析 方 法 提 高 光 感 數(shù) 字 化 光 感 植 物 工 廠 的 運 營 效 率 和 決 策 質(zhì) 量 如 圖 1 所 示 系 統(tǒng) 的 核 心 組 成 部 分 包 括 用 戶 管 理 角 色 管 理 物 品 分 類 圖像庫管理以及光譜智能分析與決策模塊 圖 1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析流程圖 1 用 戶 管 理 提 供 用 戶 注 冊 登 錄 信 息 修 改 等 基 礎 功 能 確 保 用 戶 信 息 的 安 全 和 隱 私 保 護 同 時 支 持 多 用戶環(huán)境下的個性化設置和權(quán)限分配 2 角 色 管 理 定 義 不 同 的 用 戶 角 色 并 根 據(jù) 角 色 分 配 相 應 的 權(quán) 限 以 實 現(xiàn) 精 細 化 的 訪 問 控 制 和 操 作 權(quán) 限管理 3 物 品 分 類 針 對 光 感 數(shù) 字 化 光 感 植 物 工 廠 中 的 不 同 植 物 進 行 分 類 管 理 支 持 增 加 刪 除 修 改 和 查 詢 等功能 提高物品管理的效率和準確性 4 圖 像 庫 管 理 建 立 一 個 中 央 圖 像 庫 存 儲 植 物 生 長 過 程 中 的 圖 像 數(shù) 據(jù) 支 持 圖 像 的 上 傳 標 注 檢 索 和分析 為植物生長光照監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支持 5 光 譜 智 能 分 析 如 圖 2 利 用 相 關 算 法 和 圖 像 處 理 技 術 對 光 譜 數(shù) 據(jù) 和 圖 像 庫 中 的 圖 像 進 行 智 能 分 析 識 別 植 物 生 長 狀 態(tài) 和 健 康 狀 況 基 于 分 析 結(jié) 果 自 動 提出管理和調(diào)整建議 支持決策制定 系 統(tǒng) 采 用 模 塊 化 設 計 思 想 各 功 能 模 塊 獨 立 互 相 協(xié) 作 保 證 了 系 統(tǒng) 的 靈 活 性 和 擴 展 性 集 成 先 進 的 數(shù) 據(jù) 處 理 算 法 和 智 能 分 析 技 術 特 別 是 在 光 譜 數(shù) 據(jù) 處 理 和 圖 像 分 析 方 面 提 供 準 確 的 決 策 支 持 同 時 提 供 直 觀 易 用 的 圖 形 用 戶 界 面 確 保 各 級 用 戶 能 夠 輕 松 地 管 理信息 進行數(shù)據(jù)分析和接收決策建議 圖 2 數(shù)據(jù)分析用例圖 4 貪心算法的應用 在 數(shù) 字 化 光 感 植 物 工 廠 的 應 用 背 景 下 貪 心 算 法 可 以 用 于 多 個 領 域 例 如 它 可 以 用 于 優(yōu) 化 水 肥 利 用 通 過 計 算 各 個 生 長 階 段 作 物 對 水 分 和 營 養(yǎng) 的 需 求 貪 心 算 法 能 夠 提 出 最 節(jié) 水 節(jié) 肥 的 灌 溉 和 施 肥 方 案 同 樣 在 光 照 管 理 方 面 算 法 可 以 根 據(jù) 作 物 對 光 照 強 度 和 光 照 時 間 的 需 求 以 及 光 照 資 源 的 可 用 性 提 出 最 優(yōu) 的 光照調(diào)配策略 以促進作物生長的同時 降低能耗 然 而 貪 心 算 法 的 應 用 也 面 臨 局 限 性 由 于 算 法 總 是 尋 求 當 前 最 優(yōu) 解 這 種 策 略 可 能 忽 略 了 全 局 最 優(yōu) 解 需 要 的 長 期 規(guī) 劃 和 犧 牲 特 別 是 在 那 些 局 部 最 優(yōu) 選 擇 可 能 導 致 未 來 選 擇 受 限 的 問 題 上 因 此 當 應 用 貪 心 算 法 于 復 雜 的 生 產(chǎn) 決 策 系 統(tǒng) 時 需 綜 合 考 量 其 適 用 性 改 進 其 基 本 框 架 并 可 能 需 要 與 其 他 決 策 方 法 如 動 態(tài) 規(guī) 劃 或 回 溯 算 法 相 結(jié) 合 以 尋 求 更 加 全 面 和 有 效 的 解決方案 要 在 具 體 的 計 算 過 程 和 公 式 中 應 用 貪 心 算 法 以 優(yōu) 化 光 感 植 物 工 廠 的 光 譜 分 配 我 們 可 以 設 定 一 個 簡 化 的 問 題 場 景 工 廠 中 有 一 個 固 定 數(shù) 量 的 LED 光 源 每 個 光 源 可 調(diào) 節(jié) 以 發(fā) 出 不 同 比 例 的 紅 光 和 藍 光 目 標 是 在 給定的資源下最大化特定植物的生長效率 目標函數(shù) 最大化植物的總生長效益 即 M a x i 1 N E 紅光 R i E 藍 光 B i 函數(shù)單位含義 總光源數(shù)量 N 每 個 光 源 可 提 供 的 紅 光 比 例 范 圍 0 至 100 每 個 光 源 可 提 供 的 藍 光 比 例 范 圍 0 至 100 備 注 紅 藍 光比例之和為 100 紅 光 對 植 物 生 長 的 效 益 值 E 紅光 藍 光 對 植 物 生 長 的效益值 E 藍光 116其 中 R i 和 B i 分 別 代 表 第 i 個 光 源 發(fā) 出 的 紅 光 和 藍 光的比例 且 R i B i 10 0 貪心算法策略目標 1 效 益 比 例 比 較 單 個 光 源 的 紅 光 和 藍 光 對 植 物 生長的邊際效益 即比較 E 紅光 與 E 藍光 的值 2 光 譜 分 配 根 據(jù) 效 益 值 的 比 較 結(jié) 果 優(yōu) 先 分 配 效 益 更 高 的 光 譜 例 如 如 果 E 藍光 E 紅光 則 優(yōu) 先 分 配 藍光至 100 直至所有光源分配完成 案例過程實例 N 10 共有 10 個光源 E 紅光 2 紅光每單位對植物生長的貢獻為 2 E 藍光 3 藍光每單位對植物生長的貢獻為 3 E 藍光 E 紅光 根 據(jù) 貪 心 策 略 優(yōu) 先 為 每 個 光 源 分 配 100 的藍光 總生長效益為 i 1 10 0 2 1 3 30 綜 上 所 述 貪 心 算 法 在 數(shù) 字 化 光 感 植 物 工 廠 設 計 與 研 究 數(shù) 據(jù) 分 析 與 決 策 系 統(tǒng) 設 計 課 題 中 扮 演 著 重 要 角 色 通 過 提 供 快 速 有 效 的 解 決 方 案 支 持 光 感 植 物 工 廠 的 資 源 優(yōu) 化 和 生 產(chǎn) 決 策 然 而 為 了 克 服 其 局 限 性 確 保 決 策 的 全 局 最 優(yōu) 化 需 要 對 算 法 進 行 細 致 的 設 計 和 適 時 的 調(diào) 整 甚 至 與 其 他 算 法 策 略 相 結(jié) 合 從 而 提高系統(tǒng)的決策質(zhì)量和生產(chǎn)效率 5 圖像智能識別及數(shù)據(jù)分析 圖 像 智 能 識 別 及 數(shù) 據(jù) 分 析 功 能 核 心 研 究 聚 焦 于 深 入 探 索 植 物 光 合 作 用 與 光 譜 特 性 間 的 復 雜 互 動 目 的 是 通 過 科 學 的 光 譜 分 析 實 現(xiàn) 光 照 環(huán) 境 的 最 優(yōu) 化 配 置 以 促 進 植 物 的 健 康 成 長 及 產(chǎn) 量 提 升 本 功 能 采 用 貪 心 算 法 對 植 物 的 光 譜 數(shù) 據(jù) 進 行 高 效 分 析 以 確 定 最 佳 的 光 譜 配 比 該 算 法 的 應 用 旨 在 實 時 調(diào) 整 光 照 策 略 確 保 植 物 能 夠 在 其 生 長 周 期 的 各 個 階 段 接 收 到 最 適 宜 的 光照條件 本 功 能 首 先 通 過 精 確 的 光 譜 測 量 技 術 收 集 植 物 在 不 同 波 長 光 照 下 的 生 長 數(shù) 據(jù) 包 括 但 不 限 于 光 合 作 用 速 率 葉 綠 素 含 量 生 長 速 度 及 生 物 量 等 指 標 這 些 數(shù) 據(jù) 為 光 譜 配 比 的 科 學 決 策 提 供 了 基 礎 隨 后 應 用 貪 心 算 法 對 收 集 到 的 數(shù) 據(jù) 進 行 分 析 該 算 法 通 過 比 較 不 同 光 譜 條 件 下 植 物 生 長 的 效 果 迅 速 識 別 出 對 植 物 生 長 最 為 有 利 的 光 照 配 比 貪 心 算 法 的 優(yōu) 勢 在 于 其 能 夠 在 考 慮 當 前 情 況 下 做 出 局 部 最 優(yōu) 決 策 從 而 在 全 局 范 圍 內(nèi) 尋 找 到 近 似 最 優(yōu) 的 解 決 方 案 這 一 點 在 處 理 光 譜 優(yōu) 化 問 題 時 尤 為 重 要 因 為 它 允 許 研 究 人 員 在 有 限 的 計 算 資 源 下 快 速 調(diào) 整 光 譜 配 比 以 適 應 植 物 生 長 的 實時需求 6 結(jié)論 本 研 究 成 功 設 計 并 實 現(xiàn) 了 一 個 LED 藍 莓 補 光 燈 數(shù) 據(jù) 分 析 系 統(tǒng) 其 主 要 貢 獻 在 于 提 供 了 一 個 軟 件 框 架 通 過 數(shù) 據(jù) 驅(qū) 動 的 方 法 優(yōu) 化 藍 莓 種 植 中 的 補 光 策 略 系 統(tǒng) 集 成 了 數(shù) 據(jù) 導 入 分 析 和 可 視 化 功 能 使 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 者 能 夠 根 據(jù) 科 學 數(shù) 據(jù) 調(diào) 整 LED 燈 光 的 照 射 模 式 分 析 模 塊 采 用 統(tǒng) 計 學 和 貪 心 算 法 對 光 照 參 數(shù) 與 藍 莓 生 長 數(shù) 據(jù) 之 間 的 相 關 性 進 行 深 入 分 析 結(jié) 果 顯 示 合 理 的 光 照 調(diào) 整可以顯著提高藍莓的生長質(zhì)量和產(chǎn)量 系 統(tǒng) 的 實 現(xiàn) 不 僅 提 升 了 光 照 管 理 的 智 能 化 水 平 還 為 藍 莓 種 植 業(yè) 者 提 供 了 一 個 強 有 力 的 工 具 以 科 學 的 方 式 優(yōu) 化 生 產(chǎn) 過 程 此 外 用 戶 界 面 的 設 計 考 慮 了 易 用 性 和 功 能 性 確 保 了 各 級 用 戶 都 能 夠 輕 松 地 進 行 操 作 和 獲 取 需 要 的 信 息 通 過 本 系 統(tǒng) 的 應 用 可 以 進 一 步 驗 證 數(shù) 據(jù) 分 析 在 農(nóng) 業(yè) 領 域 的 實 用 性 和 有 效 性 為 未 來 農(nóng) 業(yè) 技 術 的 發(fā) 展 提 供 了 寶 貴 的 參 考 和 經(jīng) 驗 總 體 而 言 該 研 究 展 示 了 計 算 機 技 術 在 傳 統(tǒng) 農(nóng) 業(yè) 領 域 應 用 的巨大潛力 特別是在精確調(diào)控作物生長條件方面 參考文獻 1 周 增 產(chǎn) 董 微 李 秀 剛 等 植 物 工 廠 產(chǎn) 業(yè) 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 與 展 望 J 農(nóng)業(yè)工程技術 2022 42 1 18 23 2 王 偉 麗 淺 析 國 內(nèi) 外 植 物 工 廠 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 J 木 工 機 床 2018 4 31 34 3 高 軒 農(nóng) 業(yè) 大 數(shù) 據(jù) 應 用 現(xiàn) 狀 及 發(fā) 展 策 略 J 現(xiàn) 代 農(nóng) 業(yè) 科技 2024 1 189 192 4 劉 海 燕 楊 榕 侯 彤 瑜 等 新 疆 棉 田 土 壤 微 生 物 資 源 大 數(shù) 據(jù) 平 臺 建 設 與 可 視 化 分 析 J 農(nóng) 業(yè) 大 數(shù) 據(jù) 學 報 2021 3 1 45 55 5 樊 會 麗 鄭 州 市 農(nóng) 田 智 能 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 實 施 現(xiàn) 狀 與 分 析 J 河南農(nóng)業(yè) 2020 31 8 6 陳 忠 超 劉 吉 孫 俊 英 等 農(nóng) 業(yè) 產(chǎn) 業(yè) 時 空 沿 革 分 析 系 統(tǒng) 方 法 探 究 與 實 現(xiàn) J 測 繪 與 空 間 地 理 信 息 2020 43 6 129 131 7 黃 紅 星 劉 曉 珂 陳 鵬 飛 等 基 于 可 視 化 技 術 的 農(nóng) 業(yè) 資 源數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)開發(fā) J 農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡信息 2016 8 65 68 117