物聯網在規模化辣椒種植生長分析中的應用

劉 嬌,徐國華

(石家莊信息工程職業學院,石家莊 050000)

0 引言

辣椒以其獨特口味,受到大眾喜愛,特別是在湘菜和川菜中具有舉足輕重的地位,作為經濟作物,在我國廣泛種植[1]。其對生長環境要求較為嚴格,水肥供應不當,極易造成減產,影響農戶收入[2]。目前,對于辣椒長勢的評價多為用經驗農戶進行人工觀察,憑借經驗進行澆水施肥,可能造成土壤進一步酸化,使辣椒產量進一步惡化[3],因此科學地評價辣椒健康狀況迫在眉睫。傳統的檢測手段對辣椒取樣,人工檢驗樣本,采集溫度、土壤含水量、土壤pH,然后測量植株高度判定其健康狀態。該方法受到樣本容量,即取樣手段的限制,無法很好匹配實際情況,且處理檢測數據時間長、實時性差。為此,基于物聯網系統,將溫度傳感器,土壤含水量傳感器,及土壤pH傳感器組成局域網,實現檢測數據互聯;通過Zigbee[4]和GPRS技術,將檢測數據及時上傳控制中心服務器,實現對于辣椒生長環境的實時監測;通過數據分析,分析不同環境因子對于辣椒生長的影響,建立分級標準;利用物聯網系統檢測辣椒樣本,采用模糊數學方法計算其健康等級,提醒農戶澆水施肥。

1 系統組成

系統結構如圖1所示。物聯網辣椒健康監測系統分為3層,即感知層、網絡層和應用層。

圖1 系統結構框圖

感知層主要完成溫室辣椒生長環境數據采集,采用FM-KWS型溫度傳感器,采集溫室溫度樣本;采用SHT11土壤含水量傳感器檢測土壤含水量;采用托普云農公式的TP-SPH-1土壤pH傳感器檢測土壤酸堿度;采用MB2168B攝像頭拍攝辣椒植株,與標準物比對,計算得到植株高和莖粗。網絡層將感知層采集到的數據傳輸到應用層,網絡層主要分為兩部分:①傳感器局部組網,采用ZigBee標準;②傳感器局域網數據上傳,采用網絡提供商的GPRS標準[5]。應用層中數據接收存儲系統,將傳感器采集數據進行接收儲存;數據分析系統根據采集數據,分析3種因素對于辣椒生長的影響;辣椒健康評價系統根據3種因素對于辣椒影響情況,建立評價等級標準;同時,采用模糊數學算法,對辣椒監測樣本進行分析,判定辣椒生長健康狀態。

2 網絡結構

物聯網監測系統由溫度傳感器、濕度傳感器、pH傳感器和植株高度與莖粗攝像機等感知元件組成,所有監測數據需要傳輸到控制中心的服務器上,采用傳感器局部組網,將不同傳感器檢測數據匯總,通過遠程無線傳輸,上傳互聯網,最后數據傳輸到控制中心服務器上,在服務器上進行數據分析處理。為了實現對溫室內辣椒的有效監控,要完成兩大任務:①完成數據傳輸拓撲結構,實現檢測數據到控制中心服務的傳輸;②傳感器在溫室內的合理布置,確保溫室內所有種植辣椒土地均在監測范圍內。

2.1 網絡拓撲結構

整個網絡結構(見圖2)分為3部分:①溫室內傳感器局域網;②局域網向互聯網傳輸;③數據從互聯網到控制中心服務器傳輸。由于溫室局域空間固定,且相對封閉,傳感器數據量有限;同時,由于野外供電不方便、溫室內潮濕等特點,組網技術應具有能耗低,可靠性高的特點。因此,采用ZigBee技術,該技術基于IEEE802.15.4協議,是一種近距離無線局域網絡構架,具有低成本、低功耗的特點[6]。

圖2 網絡拓撲結構

傳感器局域網采用網狀結構,實現傳感器不同節點之間的互通,具有良好的擴展性,且新加入的傳感器節點可以通過接力的形式,通過臨近節點將數據傳輸到中心協調器上。該結構可靠性高,當某節點失效時,數據可以通過附件其他節點傳向中心協調器;局域網向互聯網傳輸數據采用GPRS協議,依托通訊運營商發達的基站可信號塔等基礎建設,數據可靠性高,實現24h不間斷數據上傳,同時可提供114kbp/s上傳速度,滿足溫室傳感器數據傳輸需求[7];數據從互聯網到控制中心服務器傳輸采用成熟的TCP/IP協議[8],傳輸速度快、可靠性高,不需要額外添加設備,經濟性好。

2.2 傳感器節點分布設計

由于ZigBee終端有覆蓋范圍,設覆蓋范圍半徑為R。傳感器局域網采用網狀拓撲結構,使每一個節點傳感器檢測數據通過接力的形式傳向協調器節點,兩終端之間的距離必須小于2R。但當終端間距分布過于密集時,就會造成大量冗余數據,影響輸出速度,同時過多的節點終端會使系統成本升高。因此,需要對終端節點分布進行優化設計,在保證數據傳輸的前提下,增大終端間距,減少ZigBee終端數量。

設ZigBee終端節點位置為P(x,y),平面任意點P1(x1,y1),則P1點屬于P點終端監測的概率為

(1)

圖3 傳感器節點設計

3 物聯網監測環境因子對辣椒生長的影響

利用建立的物聯網系統對大棚辣椒長勢進行監測,主要包括溫室中環境因子和辣椒生長狀態兩部分。植物生長需要有特定的溫度,在其適當的溫度中發生蒸騰作用,根系以水為載體,將土壤中的氮磷等元素運輸到葉面,完成光合作用,實現生長,而土壤的酸堿性直接影響著植物根系發育。因此,物聯網系統重點檢測土壤水含量、土壤pH值和溫室內溫度;辣椒生長狀態選用植株高度與莖粗兩指標。

3.1 土壤含水量對辣椒生長影響

水分是辣椒生長的必須要素,主要來源為土壤中水分。水分直接參與辣椒光合作用,與CO2作用,生成O2和辣椒生長必須的有機物;同時,水分作為載體,通過蒸騰作用[9],將土壤中的氮磷等元素輸送到葉片,合成葉綠素;保持細胞膨脹壓,為細胞增殖提供動力。當土壤缺水時,分生組織細胞分裂,伸長速率降低,蒸騰作用降低,養分元素運輸量減小,葉綠素合成量降低,造成植株矮小,直接影響產量;土壤水分過高,會造成植物生長過快,葉莖柔嫩,結節過長,植物抵御病蟲害的能力降低;當水分嚴重過多時,根系呼吸作用變差,會出現根部疾病,嚴重影響辣椒生長。現討論土壤含水量對于辣椒莖粗和植株高度的影響,在溫室內不同區域,控制土壤含水量,在60天生長周期中,不同土壤含水量的辣椒植株高度和莖粗增長如圖4所示。

圖4 土壤含水量對于辣椒生長的影響

當含水量為40%～60%時,植株高度增長緩慢;60%～70%時增長速度顯著提高,含水量為70%時達到最大值;70%～80%區間植株高度開始下降,當含水量高于80%時,植株高度明顯降低,此時根系由于水分過量出現病變;當含水量為40%～50%時,植株莖粗增長緩慢;50%～65%時增長速度顯著提高,含水量為65%時達到最大值,此后緩慢下降。由上述數據可知,在65%～75%區間,最適合辣椒生長,其次為75%～80%區間,最差為40%～65%區間。

3.2 溫度對辣椒生長影響

辣椒生長對溫度有一定的要求,其生理、生化活動必須在一定的溫度范圍內進行。總體上溫度升高,酶活性增強,生理、生化反應增強,植物生長速度加快;溫度降低,酶活性降低,光合作用降低,植物生長速度降低。本實驗采用晝夜平均溫度,辣椒生長45天內,觀測其植株高和莖粗,結果如圖5所示。由圖5可知:溫度從7℃增長到13℃,植株高度成準線性增長,超過13℃,高度開始下降,但下降速度低于前期生長速度;植株莖從8～12℃成準線性增長,12～13℃出現負增長,最大莖粗出現在15℃,此后開始緩慢下降。綜上所述,12～15℃最適宜辣椒生長,其次為15～18℃,最差為8～12℃。這是由于植物白天進行光作用,溫度越高,光合作用越強,到黑夜植物只進行呼吸作用,消耗光合作用生成的有機物;當溫度較低時,呼吸作用受到抑制有機物消耗降低,因此晝夜溫差較大有利于植株生長。由于采用晝夜平均溫度,因此12～15℃比15～18℃更適宜辣椒生長;7～12℃晝夜溫度均低,光合作用差,因此辣椒生長最慢。

圖5 溫度對辣椒生長的影響

3.3 土壤pH辣椒生長影響

土壤酸堿性對于植物生長的影響最主要表現為:①影響細胞分裂復制,酸性土壤中鋁離子和氫離子含量增多,會抑制DNA復制,減緩細胞分裂;②影響元素吸收,堿性土壤中,鐵和錳不能溶出,表現出缺鐵錳癥狀;酸性土壤中,鐵和錳溶出,溶解度隨著酸性增強而增強,當pH過低時,植物出現鐵錳中毒線性[10]。

土壤pH對辣椒生長影響如圖6所示。由圖6可知:土壤pH6～6.6過程中,植株高度呈現先減小后增高趨勢,且增長較為緩慢;土壤pH6.6～6.9過程中呈現緩慢下降,當pH超過6.9時,植株高度快速下降;土壤pH6～6.8過程中,植株莖呈現先減小后增大趨勢,且pH6.2～6.8呈現出線性增長趨勢,當pH超過6.9時,植株莖粗快速下降。因此,最適宜辣椒生長的區間為pH6.6～6.9,其次為pH6～6.6,最不是于辣椒生長pH區間為6.9～7.5。由此可知,偏酸性土壤適合辣椒生長。

圖6 土壤pH對辣椒生長的影響

4 辣椒生長水平評價

本物聯網系統采用攝像頭監控辣椒植株高度和莖粗度作為衡量辣椒生長健康程度的標準,通過傳感器監測其種植環境中土壤含水量、溫度和土壤pH值作為影響辣椒生長的環境因素,良好的環境因素對于辣椒健康至關重要。現綜合考量3種環境因子,對辣椒健康狀況進行等級劃分,量化處理有利于指導農戶把握辣椒生長狀態,及時作出調整。辣椒健康狀況分級如表1所示。不同等級對應環境因子均為一個連續的區間,而辣椒生長樣本的3個環境因素為定值,因此采用模糊數學的方法,建立模型。模型建立主要分為兩步:①計算模糊判定集S;②采用加權平均法計算樣品健康等級。

表1 辣椒健康分級

4.1 建立糊判定集S

模糊判定集S的計算公式如式(2)所示。其中,R為不同環境因子的隸屬度矩陣,W為權重向量,則有

(2)

采用M(∧,∨)模糊算子,計算規則如式(3)所示。現討論隸屬度矩陣R和權重向量W的計算方法,有

(3)

隸屬度矩陣R的計算方法為:①選定隸屬度函數,根據表1依次計算3個健康等級的隸屬度函數;②將樣品環境因子依次帶入3個健康等級的隸屬度函數,計算3個不同等級的隸屬度,由于環境因子有3個,等級有3個,因此隸屬度矩陣R為3×3矩陣。

三因素對于辣椒健康狀態的影響,在各等級區間內沒有發生震蕩,總體上呈增加或減小趨勢,區間中心值最能代表其等級區間,因此采用三角形隸屬度函數,如式(4)所示。其中,b為區間下限;c為區間上限;a為區間中點,即a=(b+c)/2。

(4)

權重向量w計算過程為:①計算土壤含水量、土壤pH和溫度3種指標各自單項權重;②計算3種指標中的一種占3種指標整體的權重,即

(5)

其中,Di為傳感器實測值,Ri為該傳感器在三組區間中值平均數,計算式如式(6)所示。其中,ri(x),i=1,2,3為3個健康等級對應的區間中值。

(6)

單一種指標占整體的權重計算如式(7)所示,得到權重向量W=(w1w2w3)。

(7)

4.2 樣品生長等級模型建立與應用

根據表1建立樣品健康等級向量u(u1u2u3),和其對應的模糊判定向量S(s1s2s3) 相乘,并取加權平均值,計算得到樣品辣椒健康等級,則有

(8)

現采用物聯網系統在溫室中監測到某區域辣椒溫度為12.5℃,土壤含水量為78%,土壤pH為6.5。分析該組數據可知:溫度處于第1健康等級,土壤含水量和土壤pH均處于第2健康等級,因此直觀無法確定該區域辣椒的健康等級,現采用本系統健康評價模型進行分析。步驟如下:

1)采用式(4),計算其隸屬度矩陣,即

3)利用式(2)、式(3),計算模糊判定集,即

4)計算健康等級有

(9)

計算結果表明:該樣品健康等級低于第一健康等級,處于第1等級向第2等級過渡位置,且更趨向第2健康等級,因此需要及時調整生長環境因素,確保辣椒健康生長。

5 結論

基于物聯網技術建立了辣椒生長健康監測系統,針對辣椒生長習性,選取土壤含水量、土壤pH和溫室溫度作為物聯網系統監控量。物聯網系統采用ZigBee協議,建立溫室傳感器局域網;采用GPRS協議,將溫室傳感器局域網檢測數據上傳互聯網,進而傳輸到物聯網服務器。服務器對3種傳感器檢測數據進行分析,確定不同環境因素對于辣椒生長的影響,并將每種因素對辣椒生長的影響分為3種,最優為1級,中等為2級,很差為3級,并采用模糊數學方法,建立隸屬度函數。利用物聯網系統采集辣椒生長環境因子樣本,計算樣本隸屬度矩陣和權重向量,最終得到樣本模糊判定集,采用加權平均的方法計算樣本的健康等級。本系統可對復雜辣椒生長健康進行量化分級,直觀表明該辣椒生長情況,能及時提醒農戶改進環境因素,確保辣椒豐收。