基于ZigBee和機(jī)器學(xué)習(xí)的作物生長狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計_陳洪生.pdf

第 nullnull 卷 第 null 期 湖北科技學(xué)院學(xué)報 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull 年 nullnull 月 nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull 引文格式 陳洪生 余佳德 田鳳霞 等 null 基于 nullnullnullnullnullnull 和機(jī)器學(xué)習(xí)的作物生長狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 null null 湖北科技學(xué)院學(xué)報 nullnullnullnull nullnull null nullnullnull nullnullnullnullnull 基于 nullnullnullnullnullnull 和機(jī)器學(xué)習(xí)的作物生長狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 null 陳洪生 余佳德 null 田鳳霞 吳春輝 李鈺明 李俊騰 湖北科技學(xué)院 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 湖北 咸寧 nullnullnullnullnullnull 摘 要 本文設(shè)計了一種基于 nullnullnullnullnullnull 和龍芯處理器的作物生長狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng) 通過物聯(lián)網(wǎng) nullnullnull 和 機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù) 旨在提高智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的效率和可靠性 系統(tǒng)主要包括四個部分 數(shù)據(jù)采集端 計 算和上傳端 云端及移動端 數(shù)據(jù)采集端通過 nullnullnullnullnullnull 技術(shù)組建傳感網(wǎng)絡(luò) 實(shí)時收集大棚內(nèi)的環(huán)境數(shù) 據(jù) 計算和上傳端利用龍芯處理器對環(huán)境數(shù)據(jù)和作物圖像進(jìn)行分析 并通過 nullnullnullnull 協(xié)議將數(shù)據(jù)上 傳至阿里云平臺 云端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲和管理 支持遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動化控制 移動端應(yīng)用則為用戶 提供了直觀便捷的界面 實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)和作物生長狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 系統(tǒng)在 實(shí)時性 低功耗和長傳輸距離方面具有明顯優(yōu)勢 對于未來智能農(nóng)業(yè)大棚的設(shè)計具有參考價值 關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng) 機(jī)器學(xué)習(xí) 作物模型 nullnullnullnullnullnull 龍芯 中圖分類號 nullnullnullnullnull 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 null 文章編號 nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull 開放科學(xué) 資源服務(wù) 標(biāo)識碼 nullnullnullnull 隨著全球人口的增長和對食品需求的不斷增 加 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)面臨著前所未有的挑戰(zhàn) 為了解決這 些問題 智慧農(nóng)業(yè) nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 作為一種新興 的農(nóng)業(yè)管理方式 正在逐漸被廣泛接受和應(yīng)用 智 慧農(nóng)業(yè)通過集成物聯(lián)網(wǎng) nullnullnull 和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù) 實(shí)現(xiàn) 了對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精細(xì)化管理 提高了農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效 率和資源利用率 null 在智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中 傳感器網(wǎng)絡(luò)是關(guān)鍵組成部 分 它們能夠?qū)崟r監(jiān)測農(nóng)田的環(huán)境參數(shù) 如溫度 濕 度 土壤濕度和光照強(qiáng)度等 基于這些數(shù)據(jù) 對作物 生長做出更加科學(xué)和及時的決策 而 nullnullnullnullnullnull 作為一 種低功耗 低成本且具備網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)能力的無線通信 技術(shù) 適合應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)中的傳感器網(wǎng)絡(luò) null 機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用 為農(nóng)田管 理提供了強(qiáng)有力的支持 通過對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分 析和建模 機(jī)器學(xué)習(xí)算法能夠預(yù)測作物生長情況 病 蟲害發(fā)生情況等 null 這些預(yù)測和識別結(jié)果可以幫助 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者優(yōu)化管理措施 減少資源浪費(fèi) 提高產(chǎn)量 和質(zhì)量 null 此外 龍芯 nullnullnullnullnullnullnullnull 處理器作為中國自主研 發(fā)的高性能計算芯片 也在智慧農(nóng)業(yè)等國家關(guān)鍵發(fā) 展領(lǐng)域中展現(xiàn)出重要作用 龍芯處理器具備強(qiáng)大的 計算能力和高效的能耗管理 能夠?yàn)榇笠?guī)模數(shù)據(jù)處 理和復(fù)雜機(jī)器學(xué)習(xí)算法提供堅實(shí)的硬件支持 將龍 芯集成到智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中 不僅提升了系統(tǒng)的整體 性能 還增強(qiáng)了系統(tǒng)的自主可控性 null 本論文旨在探討基于 nullnullnullnullnullnull 和機(jī)器學(xué)習(xí)的物聯(lián) 網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 特別是在龍芯處理 null 收稿日期 nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull 基金項(xiàng)目 國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目 基于龍芯和機(jī)器學(xué)習(xí)的物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng) nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 湖北 科技學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)重點(diǎn)孵化培育項(xiàng)目 基于龍芯的智慧農(nóng)業(yè) 大棚衛(wèi)士 通信作者 余佳德 郵箱 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull DOI 10 16751 ki hbkj 2025 06 011 器支持下的系統(tǒng)性能優(yōu)化 本文將詳細(xì)介紹 nullnullnullnullnullnull 技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用場景 以及機(jī)器學(xué)習(xí)算法 如何處理和分析傳感器數(shù)據(jù) 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能決策和 管理 此系統(tǒng)將為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供一種較為高效 可 持續(xù)的解決方案 為推動農(nóng)業(yè)向智能化 現(xiàn)代化方向 發(fā)展提供參考 一 作物生長狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計 本文設(shè)計了一種基于 nullnullnullnullnullnull 的作物生長狀態(tài) 監(jiān)測系統(tǒng) 通過 nullnullnullnullnullnull 技術(shù)組建分布傳感網(wǎng)絡(luò)終端 來采集數(shù)據(jù) 再由協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)至龍芯派 龍芯派利用 預(yù)訓(xùn)練的農(nóng)業(yè)生長狀態(tài)檢測模型和病蟲害識別模型 對采集的環(huán)境數(shù)據(jù)和作物圖像進(jìn)行分析 通過 nullnullnullnull 協(xié)議連接阿里云進(jìn)行數(shù)據(jù)上報 云平臺接收 流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù) 用戶端的軟件端連接云平臺實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān) 控和控制 圖 null 系統(tǒng)架構(gòu)圖 基于龍芯和機(jī)器學(xué)習(xí)的 nullnullnullnullnullnull 作物生長狀態(tài) 監(jiān)測系統(tǒng)主要分四個部分構(gòu)成 第一部分為采集端 通過 nullnullnullnullnullnull 技術(shù)組建分布傳感網(wǎng)絡(luò)終端負(fù)責(zé)采集 作物生長環(huán)境內(nèi)的數(shù)據(jù) 再由協(xié)調(diào)器匯總信息 第 二部分為計算端和上傳端 龍芯派利用預(yù)訓(xùn)練的農(nóng) 業(yè)生長狀態(tài)檢測模型和病蟲害識別模型對協(xié)調(diào)器上 報的環(huán)境數(shù)據(jù)和作物圖像進(jìn)行分析 通過 nullnullnullnull 協(xié) 議連接阿里云進(jìn)行數(shù)據(jù)上報 充當(dāng)中心設(shè)備的角 色 主要負(fù)責(zé)機(jī)器學(xué)習(xí)和生長數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)的上 報 第三部分為云端 主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和下發(fā) 第四部分為移動端 移動端通過網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)與云 平臺連接 遠(yuǎn)程查看作物生長狀態(tài)與種植環(huán)境信 息 null 一 采集端 在農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測中需要大量節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù) 采集 而 nullnullnullnullnullnull 具有低成本 低功耗 高安全性的特 點(diǎn) 因此采集端主要由 nullnullnullnullnullnull 采集終端傳感器節(jié)點(diǎn) 和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 采集的主要數(shù)據(jù)是大棚內(nèi)的溫度 濕度 光照值 土壤濕度 nullnull 值和二氧化碳濃度等影 響植物生長的絕大多數(shù)環(huán)境因素 二 計算端和上傳端 系統(tǒng)采用龍芯派作為系統(tǒng)的計算端和上傳端 龍芯派二代的核心就是龍芯 nullnullnullnullnullnull 處理器 這種處 理器采用 nullnullnullnull 工藝 片內(nèi)集成 null 個 nullnullnullnullnull 處理器 核 主頻 nullnullnullnull 并采用 nullnull 位 nullnullnullnull 控制器 采集端 的 nullnullnullnullnullnull 協(xié)調(diào)器連接至龍芯派的 nullnullnullnull 將環(huán)境數(shù) 據(jù)傳輸至龍芯派內(nèi) 通過龍芯傳感器數(shù)據(jù)以及圖像 信息進(jìn)行模型推理得出結(jié)果 并將推理結(jié)果通過 nullnullnullnull 協(xié)議上傳至阿里云平臺 三 云端 在本系統(tǒng)中云端部分主要使用了阿里云的物聯(lián) 網(wǎng)平臺 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull 和對象存儲服務(wù) nullnullnull 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull 提供了強(qiáng)大的 設(shè)備管理功能 實(shí)現(xiàn)對 nullnullnullnullnullnull 傳感器和龍芯派終端 設(shè)備的遠(yuǎn)程配置 監(jiān)控和管理 通過平臺 管理員用 戶可以查看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài) 進(jìn)行固件升級和配置 nullnullnull nullnullnullnull 年第 null 期 陳洪生 余佳德 田鳳霞 吳春輝 李鈺明 李俊騰 基于 nullnullnullnullnullnull 和機(jī)器學(xué)習(xí)的作物生長狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 調(diào)整 物聯(lián)網(wǎng)平臺支持?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)時處理和規(guī)則引擎 設(shè)置 傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過龍芯派處理后 上 報到物聯(lián)網(wǎng)平臺 平臺可以根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則進(jìn)行數(shù) 據(jù)分析和處理 如異常情況報警 自動化操作指令下 發(fā)等 物聯(lián)網(wǎng)平臺支持 nullnullnullnull 等協(xié)議 確保設(shè)備與 云端之間的數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定可靠 龍芯派通過 nullnullnullnull 協(xié)議將處理后的數(shù)據(jù)上傳到平臺 同時接收云端下 發(fā)的控制指令 阿里云對象存儲服務(wù) nullnullnull 用于存儲從龍芯派 終端上傳的環(huán)境數(shù)據(jù) 作物生長狀態(tài)數(shù)據(jù)和作物圖 像等 nullnullnull 提供高可用性和高可靠性的存儲解決方 案 確保數(shù)據(jù)的安全和持久性 nullnullnull 能夠高效管理和 存儲大規(guī)模的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù) 支持各種數(shù)據(jù)類型的存儲 和訪問 nullnullnull 還具備自動備份和快速恢復(fù)功能 確 保數(shù)據(jù)的完整性和安全性 在發(fā)生意外情況時 可以 快速恢復(fù)數(shù)據(jù) 保障系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行 四 移動端 本系統(tǒng)移動端小程序通過 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 開發(fā) 為 用戶提供了一個直觀 便捷的界面 使得農(nóng)業(yè)管理變 得更為高效和智能 以下是從用戶角度出發(fā) nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 在系統(tǒng)中的具體應(yīng)用 用戶可以通過移動端小程序?qū)崟r查看農(nóng)田的環(huán) 境數(shù)據(jù) 包括溫度 濕度 土壤濕度和光照強(qiáng)度等 數(shù)據(jù)通過圖表和儀表盤的形式直觀展示 幫助用戶 快速了解當(dāng)前狀況 小程序提供實(shí)時的作物生長狀態(tài)和病蟲害監(jiān)測 信息 用戶可以通過圖像和文字描述了解作物的健 康狀況和生長情況 并遠(yuǎn)程控制和管理農(nóng)田中的傳 感器和其他設(shè)備 如調(diào)節(jié)灌溉系統(tǒng) 控制溫室的通風(fēng) 設(shè)備等 用戶可以查看一段時間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù) 了解環(huán) 境參數(shù)的變化趨勢 小程序還提供了多種圖表和數(shù) 據(jù)分析工具 幫助用戶做出科學(xué)的農(nóng)業(yè)決策 同時 還可以自動生成農(nóng)田管理的報告 包含關(guān)鍵數(shù)據(jù)和 分析結(jié)果 用戶可以下載或分享這些報告 用于記 錄和參考 二 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 本系統(tǒng)硬件主要分為 nullnullnullnullnullnull 通信模塊 傳感器 采集模塊 龍芯派和其他模塊四部分 一 nullnullnullnullnullnull 通信模塊 系統(tǒng) nullnullnullnullnullnull 部分采用 nullnullnullnullnullnullnullnull 芯片實(shí)現(xiàn) 該 芯片內(nèi)置了先進(jìn)的 nullnull 位 nullnullnullnullnullnull nullnullnull 集成了 nullnullnull 和浮點(diǎn)運(yùn)算擴(kuò)展指令 nullnullnullnullnullnull nullnull null 統(tǒng)一了之前的多 個 nullnullnullnullnullnull 規(guī)范 確保了不同設(shè)備之間的兼容性和互 操作性 支持不同傳感器 控制器和網(wǎng)關(guān)之間的無 縫協(xié)同工作 也大大簡化了系統(tǒng)集成和維護(hù) 同時還可以支持更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò) 可以連接更 多的設(shè)備 通過網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)更廣泛的覆 蓋范圍 在農(nóng)業(yè)種植環(huán)境中尤為重要 能夠確保遠(yuǎn) 程和分散的傳感器設(shè)備都能穩(wěn)定連接和通信 同一 作物區(qū)域內(nèi) nullnullnullnullnullnull 通信模塊包括 null 個協(xié)調(diào)器 多個 傳感器終端節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn) 負(fù)責(zé)將傳感器采集模 塊采集的數(shù)據(jù)傳輸至龍芯派 二 傳感器采集模塊 本系統(tǒng)主要采用以下幾類傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采 集 nullnull 溫濕度傳感器 檢測大棚內(nèi)空氣的溫度以及 濕度 nullnull 二氧化碳濃度傳感器 檢測大棚內(nèi)空氣二氧 化碳的濃度 nullnull 土壤 nullnull 值采集傳感器 檢測大棚內(nèi)土壤的 nullnull 值 nullnull 土壤濕度采集傳感器 檢測大棚內(nèi)土壤的濕 度 nullnull 光照傳感器 檢測大棚內(nèi)光照強(qiáng)度 nullnull 北斗定位模塊 定位節(jié)點(diǎn)所在的地理位置 nullnull 攝像頭模塊 實(shí)現(xiàn)對大棚內(nèi)作物長勢的實(shí)時 監(jiān)控 三 龍芯派 龍芯 nullnullnullnullnullnull 是面向工業(yè)控制與終端等領(lǐng)域的 低功耗通用處理器 并且龍芯派具有以下優(yōu)點(diǎn) nullnull 高性能計算 龍芯處理器具備強(qiáng)大的計算能 力 能夠高效處理大規(guī)模傳感器數(shù)據(jù)和復(fù)雜機(jī)器學(xué) 習(xí)算法 nullnull 自主可控 龍芯是中國自主研發(fā)的高性能芯 片 具備完全自主知識產(chǎn)權(quán) 增強(qiáng)系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定 性 nullnull 低功耗 龍芯采用先進(jìn)的低功耗設(shè)計 適合長 時間運(yùn)行且能耗敏感的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng) nullnull 機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化 對機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行優(yōu)化 提 升數(shù)據(jù)分析和預(yù)測的效率 龍芯派接收 nullnullnullnullnullnull 協(xié)調(diào)器所上傳的數(shù)據(jù)后 實(shí) 時上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺 同步更新環(huán)境數(shù)據(jù) 龍芯派 接入攝像頭模塊 實(shí)時上傳攝像頭采集的視頻信息 nullnullnull 湖北科技學(xué)院學(xué)報 總第 nullnull 卷 至物聯(lián)網(wǎng)平臺對象儲存 nullnullnull 內(nèi) 用戶端下發(fā)例如澆 水 增氧等指令時 龍芯派首先響應(yīng)并同步發(fā)送指令 信息到 nullnullnullnullnullnull 協(xié)調(diào)器 最后向?qū)?yīng) nullnullnullnullnullnull 節(jié)點(diǎn)模塊 發(fā)送控制操作指令 實(shí)現(xiàn)控制操作 龍芯派可根據(jù) 上傳的環(huán)境數(shù)據(jù)自動分析 根據(jù)提前設(shè)置的閾值 當(dāng) 某時刻的數(shù)據(jù)值超出或低于此閾值時 龍芯派可自 動下發(fā)控制指令操作 完成自動控制 nullnullnullnullnullnull 協(xié)調(diào)器連接至龍芯派的串口 將環(huán)境數(shù) 據(jù)傳輸?shù)烬埿九蓛?nèi) 通過機(jī)器學(xué)習(xí)來計算出植物生 長模型的植物生長平均狀態(tài) null 龍芯派將計算出的 植物生長平均狀態(tài)和環(huán)境因素通過 nullnullnullnull 協(xié)議上傳 至阿里云平臺 四 太陽能充電模塊 nullnullnullnullnullnull 節(jié)點(diǎn)具有自動休眠功能 續(xù)航時間長 能 源消耗少 每個節(jié)點(diǎn) nullnullnullnullnullnull 由太陽能充電模塊利 用日光轉(zhuǎn)換電能為 nullnullnullnullnullnull 節(jié)點(diǎn)提供電源 五 監(jiān)控模塊 將農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控接入龍芯派 利用圖像信息進(jìn) 行后續(xù)病蟲害識別以及用戶端的遠(yuǎn)程監(jiān)控 三 機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用 一 病蟲害識別模型 利用公開玉米葉片蟲害數(shù)據(jù)集進(jìn)行模型訓(xùn)練 圖 null 病蟲害識別模型 如圖 null 所示 此次機(jī)器學(xué)習(xí)的目標(biāo)是分類出病 害的玉米葉子 可看作二分類問題 訓(xùn)練模型的過 程 先進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 使用公開的玉米葉子蟲害數(shù)據(jù) 集 總量為 nullnullnull 對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理 包括清洗 和初始整理 對數(shù)據(jù)集劃分與標(biāo)記 將數(shù)據(jù)按 nullnullnull 比例劃分 為訓(xùn)練集和驗(yàn)證集 對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記 分為兩類 健 康 null 和感染 null 數(shù)據(jù)增強(qiáng)與加載 定義數(shù)據(jù)增強(qiáng) 策略 通過 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 函數(shù)進(jìn)行處理 使用 nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 將數(shù)據(jù)高效加載到內(nèi)存中 準(zhǔn)備進(jìn)行訓(xùn)練 圖像處理與歸一化 將圖像調(diào)整為 nullnullnull nullnullnullnull 像素 并進(jìn)行中心裁剪至 nullnullnull nullnullnullnull 將處理后的圖像轉(zhuǎn)化 為張量 形 式 對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化 均 值 為 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull 標(biāo)準(zhǔn)差為 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull 模型初始化與準(zhǔn)備 使用 nullnullnullnullnullnullnullnull 預(yù)訓(xùn)練模型 進(jìn)行遷移學(xué)習(xí) 并新增一個適應(yīng)任務(wù)的全連接層 定 義 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 函數(shù)以設(shè)置和初始化模型 選擇 nullnullnull nullnullnullnull 年第 null 期 陳洪生 余佳德 田鳳霞 吳春輝 李鈺明 李俊騰 基于 nullnullnullnullnullnull 和機(jī)器學(xué)習(xí)的作物生長狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 性地訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 先訓(xùn)練全連接層 再訓(xùn)練其他 層 定義優(yōu)化器和損失函數(shù) 使用 nullnullnullnull 優(yōu)化器 以 適應(yīng)動態(tài)學(xué)習(xí)率調(diào)整 定義負(fù)對數(shù)似然損失函數(shù) nullnullnullnullnullnullnull 來計算訓(xùn)練損失 訓(xùn)練模型 使用 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 函數(shù) 在多個 nullnullnullnullnull 上進(jìn)行訓(xùn)練 在每個 nullnullnullnullnull 后記錄損失和準(zhǔn)確率 并 保存驗(yàn)證集上準(zhǔn)確率最高的模型 預(yù)測與評估 在訓(xùn) 練結(jié)束后 利用模型進(jìn)行批次預(yù)測 可視化預(yù)測結(jié) 果 正確預(yù)測的圖像標(biāo)注為綠色 錯誤預(yù)測的標(biāo)注為 紅色 最后 記錄和總結(jié)訓(xùn)練結(jié)果和模型性能 準(zhǔn)備部 署或進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化 nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù) 圖 null nullnullnullnullnullnullnullnull 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù) nullnullnullnullnullnull 在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用 成為許多 深度學(xué)習(xí)模型的基礎(chǔ)架構(gòu)之一 nullnullnullnullnullnull 被應(yīng)用于圖 像處理領(lǐng)域 對各類圖像有著非常不錯的分類效 果 null 第一 nullnullnullnullnullnull 引入了殘差連接 nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 使得網(wǎng)絡(luò)可以更深地訓(xùn)練 避免了傳統(tǒng)深 層網(wǎng)絡(luò)中梯度消失或梯度爆炸的問題 第二 根據(jù) 殘差連接的特性 可以減少整體網(wǎng)絡(luò)中需要優(yōu)化的 參數(shù)數(shù)量 同時在訓(xùn)練和推斷時減少計算量 大幅減 少訓(xùn)練時間 第三 nullnullnullnullnullnull 的殘差塊設(shè)計使得網(wǎng)絡(luò) 更容易優(yōu)化 有利于網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中快速收斂 同時 也有助于提升模型的泛化能力 避免過擬合問題 對 nullnullnullnullnull 多張的玉米圖片進(jìn)行蟲害分類 采用 nullnullnullnull nullnullnullnullnull 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是較為有效的 如圖 null 的 nullnullnullnullnullnullnullnull 模型包括 卷積層 nullnullnullnullnull 一個 null nullnull 的卷積層 輸出尺寸 為 nullnullnull null nullnullnull 后接批標(biāo)準(zhǔn)化 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 激活和 null nullnull 的最大池化層 nullnullnullnullnullnull null 殘差塊 nullnullnullnullnull 包含 null 個殘差塊 每個殘差塊 由兩個 null nullnull 卷積層組成 輸出尺寸為 nullnull nullnullnull 殘差塊 nullnullnullnullnull 包含 null 個殘差塊 每個殘差塊 由兩個 null nullnull 卷積層組成 輸出尺寸為 nullnull nullnullnull 殘差塊 nullnullnullnullnull 包含 null 個殘差塊 每個殘差塊 nullnullnull 湖北科技學(xué)院學(xué)報 總第 nullnull 卷 由兩個 null nullnull 卷積層組成 輸出尺寸為 nullnull nullnullnull 殘差塊 nullnullnullnullnull 包含 null 個殘差塊 每個殘差塊 由兩個 null nullnull 卷積層組成 輸出尺寸為 null nullnull 全局平均池化和全連接層 全局平均池化 將特 征圖降維為 null null null 經(jīng)過 nullnullnullnull 個節(jié)點(diǎn)的全連接層 nullnullnullnullnullnullnull 層得到最終的分類結(jié)果 引入 nullnullnullnullnullnullnullnull 模型后 即使不進(jìn)行梯度更新也 先凍結(jié)前面的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 只更新新增的全連接網(wǎng)絡(luò) 的參數(shù) nullnullnullnullnull null 對其訓(xùn)練多個 nullnullnullnullnull 輪次 之 后 再解凍前面的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行參數(shù)更 新 再逐步下調(diào)學(xué)習(xí)率可以加速收斂 避免過擬合 nullnull 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 對數(shù)據(jù)集進(jìn)行 null null 的隨機(jī)分類劃分為訓(xùn)練集和 驗(yàn)證集 每個圖片進(jìn)行標(biāo)注標(biāo)簽 nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 為 null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 為 null 并且創(chuàng)建 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 保證高效取 一個批次 null 每次訓(xùn)練的 nullnullnullnullnull 都會一個個批次的 去取數(shù)據(jù)直至取完訓(xùn)練集的所有圖片用于訓(xùn)練 并 且每完成一次 nullnullnullnullnull 則對驗(yàn)證集進(jìn)行預(yù)測 計算正 確率來評估模型 完成多個 nullnullnullnullnull 后只保留在驗(yàn)證 集上表現(xiàn)好的模型 圖 null 病蟲害識別模型訓(xùn)練損失及驗(yàn)證損失 圖 null 病蟲害識別模型訓(xùn)練集及驗(yàn)證集正確率 如圖 null 在第一次訓(xùn)練和驗(yàn)證中 損失就降到了 null 以下 這表明模型從預(yù)訓(xùn)練的 nullnullnullnullnullnullnullnull 中得到了 良好的初始化 能夠快速收斂到較低的損失值 在之 后的幾個 nullnullnullnullnull 中 驗(yàn)證損失始終低于訓(xùn)練損失 模 型在驗(yàn)證數(shù)據(jù)上表現(xiàn)良好 并沒有過擬合到訓(xùn)練數(shù) 據(jù) 由于凍結(jié)了模型的大部分參數(shù) 使得模型在新 數(shù)據(jù)上的泛化能力增強(qiáng) 降低了調(diào)參時需要優(yōu)化參 數(shù)的難度 并且提高了實(shí)際應(yīng)用的穩(wěn)定性 null 如圖 null 最好的一次模型在驗(yàn)證集上的正確率 已經(jīng)達(dá)到了 nullnullnullnullnull 由此可見此模型可以對玉米葉 子蟲害進(jìn)行分類 如圖 null 所示識別結(jié)果 能對玉米 生長過程中的病蟲害感染情況進(jìn)行識別 并將患病 情況反饋至用戶端 實(shí)現(xiàn)作物生長自動監(jiān)管識別 圖 null 玉米患病識別結(jié)果 二 作物生長模型訓(xùn)練 作物以玉米為主要實(shí)驗(yàn)作物 利用公開玉米生 長數(shù)據(jù)集 作物生長環(huán)境量與產(chǎn)量數(shù)據(jù)集 進(jìn)行作 物生長模型訓(xùn)練 如圖 null 所示 本次機(jī)器學(xué)習(xí)的目標(biāo)是預(yù)測出植 物的生長狀況 可以看作回歸問題 訓(xùn)練模型的過 程 首先 利用傳感器收集數(shù)據(jù) 包括溫度 空氣濕度 和土壤水分 數(shù)據(jù)預(yù)處理 對數(shù)據(jù)進(jìn)行 nullnullnull 劃分 分 別用于訓(xùn)練集和驗(yàn)證集 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理 以便于模 型訓(xùn)練 構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 定義網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 包括層級和 節(jié)點(diǎn)數(shù)量 null nullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnull 定義損失函數(shù)與 優(yōu)化器 選擇均方誤差 nullnullnull 作為損失函數(shù) nullnullnullnull 作為優(yōu)化器 訓(xùn)練模型 nullnullnullnull nullnullnullnullnull 模型訓(xùn)練和更 新 計算模型的損失值以評估性能 根據(jù)評估結(jié)果調(diào) nullnullnull nullnullnullnull 年第 null 期 陳洪生 余佳德 田鳳霞 吳春輝 李鈺明 李俊騰 基于 nullnullnullnullnullnull 和機(jī)器學(xué)習(xí)的作物生長狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 整模型參數(shù)以優(yōu)化性能 最 后 實(shí) 際 預(yù) 測 生 長 nullnullnullnullnullnull 使用訓(xùn)練好的模型進(jìn)行實(shí)際預(yù)測 圖 null 作物生長模型訓(xùn)練流程 nullnull 數(shù)據(jù)預(yù)處理 通過 nullnullnullnullnullnull 中 nullnullnullnullnullnull 將溫度 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 空 氣濕度 nullnullnullnullnullnullnullnull 土壤水分 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 三類物 理量作為特征值提取 再將 nullnullnullnullnullnull 作為標(biāo)簽值提 取 定義 nullnullnullnullnull 函數(shù) 對特征值和標(biāo)簽值進(jìn)行 nullnullnull 劃分 訓(xùn)練集和驗(yàn)證集 nullnull 定義神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 全連接層函數(shù)實(shí)際為線性變換 null 為張量 null 為 偏置 公式原理 null null nullnull null null null null nullnullnullnull 函數(shù)主要提高計算效率 公式原理 null null nullnullnull null null null 輸入特征為三個值 而標(biāo)簽值是個連續(xù)值 所以 使用回歸模型 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為 nullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnull null 定 義前向傳播函數(shù)采用 nullnullnullnull 函數(shù)來激活隱藏層 nullnull 定 義 優(yōu) 化 器 和 損 失 函 數(shù) 使 用 nullnullnullnull 和 nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 原理 給定學(xué)習(xí)率 null null 階動量超參數(shù) null null null 階動量超參數(shù) null null 以及很小的常數(shù) null 用于防止除 零 nullnullnullnull 參數(shù)更新步驟如下 null 初始化 nullnull nullnull nullnull nullnull null 對每個時間步 null 計算梯度 null null 更新一階矩 null null null null null nullnullnull null nullnull null null null null 更新二階矩 null null null null null nullnullnull null nullnull null null null null null 偏差校正 null null null null null null nullnull null null null null null null null null null nullnull null null null 更新參數(shù) null null nullnullnull null null null null null null null null null null nullnullnullnull 可以為每個參數(shù)計算適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)率 而不 像傳統(tǒng)的 nullnullnull 那樣使用全局學(xué)習(xí)率 它使用了一 階矩估計和二階矩估計的移動均值來自適應(yīng)地調(diào)整 學(xué)習(xí)率 nullnullnullnull 類似含動量的 nullnullnull 因此它可以加速收 斂 在處理高曲率的損失函數(shù)或非凸優(yōu)化問題時效 果顯著 nullnullnullnullnullnullnull 原理 根據(jù)預(yù)測值 null null null 和 null null 真實(shí)目標(biāo)值 進(jìn)行計算 均方誤差的計算公式為 nullnullnull null null null null null null nullnull null null null nullnull null null null 對于回歸問題 nullnullnullnullnullnullnull 根據(jù)公式 nullnullnull 通常能夠 收斂到全局最優(yōu)解 并且 nullnullnullnullnullnullnull 的導(dǎo)數(shù)在大多數(shù) 情況下都是連續(xù)且平滑的 這有助于優(yōu)化過程的穩(wěn) 定性和收斂速度 使波動趨于平穩(wěn) null nullnull 訓(xùn)練模型 對 nullnullnullnull 個數(shù)據(jù)進(jìn)行的訓(xùn)練 設(shè)計訓(xùn)練步數(shù)為 nullnullnull 湖北科技學(xué)院學(xué)報 總第 nullnull 卷 nullnullnullnull 步可收斂 將模型設(shè)置為訓(xùn)練模式 由于 nullnullnull nullnullnullnullnull 框架會累計梯度 所以需要定義 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 函 數(shù) 每次計算之后將梯度清零避免梯度爆炸和為保 證優(yōu)化器能正常更新參數(shù) 完成訓(xùn)練之后 再定義 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 函數(shù)對模型進(jìn)行評估 通過計算平均絕對 誤差高低來判斷模型的好壞 并繪制損失和步數(shù)的 圖來對模型性能做可視化 如圖 null 圖 null 作物生長模型訓(xùn)練損失及驗(yàn)證損失 將上述相關(guān)模型部署于龍芯派 對協(xié)調(diào)器實(shí)時 上傳的作物生長環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時預(yù)測并反饋給用 戶 并根據(jù)模型訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行自動干預(yù)以達(dá)到更高 產(chǎn)量 四 系統(tǒng)試驗(yàn)調(diào)試 一 傳感器節(jié)點(diǎn)調(diào)試 測試每個傳感器的讀數(shù) 確保其在各種環(huán)境條 件下的準(zhǔn)確性 對傳感器進(jìn)行了必要的校準(zhǔn) 例如 溫度傳感器在不同溫度下的校準(zhǔn) 濕度傳感器在不 同濕度條件下的校準(zhǔn) 保證每個傳感器節(jié)點(diǎn)能夠通 過 nullnullnullnullnullnull 模塊與協(xié)調(diào)器穩(wěn)定通信 測試傳感器節(jié) 點(diǎn)在不同距離和障礙物條件下的通信質(zhì)量和信號強(qiáng) 度 二 協(xié)調(diào)器調(diào)試 協(xié)調(diào)器能夠正確接收并匯總來自各個傳感器節(jié) 點(diǎn)的數(shù)據(jù) 測試協(xié)調(diào)器在高頻率數(shù)據(jù)傳輸條件下的穩(wěn)定性 和處理能力 通過串口與龍芯派進(jìn)行數(shù)據(jù)通信 測 試數(shù)據(jù)在傳輸過程中丟包率與時延 三 計算端 龍芯派 調(diào)試 確認(rèn)龍芯派能夠正確接收來自協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù) 并對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理 龍芯派上的機(jī)器學(xué)習(xí)模型能 夠準(zhǔn)確識別作物生長狀態(tài)和病蟲害 并通過 nullnullnullnullnull 與阿里云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)通信 測試了數(shù)據(jù)上傳的穩(wěn) 定性和實(shí)時性 確保數(shù)據(jù)能夠及時上傳至云端 四 云端和移動端軟件調(diào)試 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺確認(rèn)能夠正確接收并存儲來 自龍芯派的數(shù)據(jù) 測試數(shù)據(jù)處理和規(guī)則引擎的配 置 確保能夠?qū)崟r處理和響應(yīng)上傳的數(shù)據(jù) 移動端應(yīng)用能夠正確顯示和分析云端的數(shù)據(jù) 測試用戶界面的交互性和響應(yīng)速度 確保用戶 能夠方便地查看和管理數(shù)據(jù) 五 系統(tǒng)集成測試 進(jìn)行全系統(tǒng)的端到端測試 確認(rèn)傳感器數(shù)據(jù)能 夠通過傳感器節(jié)點(diǎn) 協(xié)調(diào)器 龍芯派上傳至云端 并 最終在移動端應(yīng)用中顯示 測試系統(tǒng)在不同負(fù)載 環(huán)境條件下運(yùn)行時的穩(wěn)定性和各項(xiàng)性能 nullnull 五 結(jié)語 智慧農(nóng)業(yè)作為農(nóng)業(yè)發(fā)展的新方向 通過深度融 合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法 為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了 前所未有的變革 能夠顯著提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和 精準(zhǔn)度 本文詳細(xì)探討并實(shí)現(xiàn)了一種基于龍芯處理 器和機(jī)器學(xué)習(xí)的作物生長狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng) 該系統(tǒng)不 僅實(shí)現(xiàn)了對作物生長環(huán)境的實(shí)時監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析 還通過引入先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法 如 nullnullnullnullnullnullnullnull 病蟲 害識別模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作物生長模型 顯著提高了 病蟲害識別的準(zhǔn)確率和作物生長預(yù)測的精度 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 本系統(tǒng)在實(shí)時性 低功耗和長傳 輸距離方面展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢 這些特點(diǎn)對于構(gòu)建高 效 可靠的智能農(nóng)業(yè)大棚具有較高的參考價值 通 過 nullnullnullnullnullnull 構(gòu)建高效的傳感器網(wǎng)絡(luò) nullnull 實(shí)現(xiàn)了對大棚 內(nèi)環(huán)境參數(shù)的精準(zhǔn)采集 而龍芯處理器則提供了強(qiáng) 大的計算能力和高效的能耗管理 確保了系統(tǒng)能夠 長時間穩(wěn)定運(yùn)行 同時 系統(tǒng)引入阿里云平臺 進(jìn)一 步提升了數(shù)據(jù)的存儲 處理和分析能力 使得農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)者能夠隨時隨地通過移動端應(yīng)用查看農(nóng)田環(huán)境數(shù) 據(jù)和作物生長狀態(tài) 以便及時作出科學(xué)決策 此系統(tǒng)的設(shè)計使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者能夠?qū)崿F(xiàn)更精細(xì) 化的管理 資源得到更合理的利用 減少了環(huán)境影 響 最終提高了作物產(chǎn)量和質(zhì)量 因此 將來智慧農(nóng) 業(yè)將成為推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和可持續(xù)發(fā)展的重要力 量 本文的研究成果能為智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)一步探 nullnullnull nullnullnullnull 年第 null 期 陳洪生 余佳德 田鳳霞 吳春輝 李鈺明 李俊騰 基于 nullnullnullnullnullnull 和機(jī)器學(xué)習(xí)的作物生長狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 索和實(shí)踐提供一定的參考 為我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā) 展貢獻(xiàn)力量 參考文獻(xiàn) null 劉飛飛 徐隆姬 馬禮然 null 基于 nullnullnullnullnullnull 的分布式農(nóng)業(yè)環(huán) 境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 null null 傳感器與微系統(tǒng) nullnullnullnull nullnull null nullnull nullnullnullnull null 楊忠華 何向鋒 null 基于 nullnullnullnullnullnull 技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān) 測控制系統(tǒng)設(shè)計 null null 鄉(xiāng)村科技 nullnullnullnull nullnull null nullnullnull null nullnullnullnull null 張曉茜 徐勇軍 null 面向零功耗物聯(lián)網(wǎng)的反向散射通信綜 述 null null 通信學(xué)報 nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull null 王莎莎 null 計算機(jī)視覺技術(shù)在智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用 研究 null null 南方農(nóng)機(jī) nullnullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnullnull null