大數據統籌在優化番茄種植中的應用

唐 磊,劉 揚

(1.石家莊信息工程職業學院,石家莊 050000;2.河北商貿學校,石家莊 050000)

0 引言

番茄酸甜可口,深受廣大群眾喜愛[1],市場需求量巨大,在我國種植分布廣泛[2]。北方地區常以反季節蔬菜的形式在溫室中種植[3],因此探究溫度、濕度和光照強度等環境因素對于番茄品質至關重要[4]。由于番茄生長分為苗期、開花坐果期和結果期等不同時期[5],光合作用和蒸騰作用各不相同,因此對于環境因素的要求也不相同。目前,對于番茄品質的研究主要存在以下問題:①樣本容量小,采用盆栽模式[6];②將植株高度和莖粗作為衡量番茄生長健康標準[7-8],評價標準較單一;③控制單一環境因素,沒有考慮多因素間的耦合作用[9]。本系統在溫室中建立傳感器網絡,以溫室面積為依據,樣本容量巨大;采用番茄干物質累積量[10]作用番茄生長狀態衡量因素,較為全面地表征番茄生長狀態;采用大數據分析的方法,建立多因素耦合模型,全面考慮因素間交叉項影響,采用計算累積貢獻率,確定3種環境因素在番茄不同生長時期所起作用大小;采用單因素分析法,分析單種環境因素水平對于干物質累積的影響。本系統綜合考慮多種環境因素,分析結果可靠,可為番茄的穩產增產提供可靠支撐。

1 系統組成

番茄生長主要與光合作用和蒸騰作用相關:光合作用生成番茄生長和結果所需有機物,蒸騰作用可以提供生長所需的氮磷鉀等元素,而溫室溫度、相對濕度和光照強度直接影響光合作用和蒸騰作用強度。番茄生長分為苗期、開花坐果期和結果期等3個主要時期:苗期主要以植株和葉片發育為主,開花坐果期植株和果實發育二者同時進行,結果期以番茄果實生長為主。3個時期生長重點各不相同。采用大數據分析的方法分析不同時期溫室溫度、相對濕度和光照強度對于番茄產量的影響,系統分為3層,即感知層、網絡層和應用層,如圖1所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 Structure of system

感知層為傳感器網絡組建,將溫度、濕度和光照強度傳感器組網;網絡層完成傳感器系統采集數據的傳輸,采用WSN實現傳感器網絡數據匯集[11-12],采用GPRS[13-14]計算實現傳感器數據上傳互聯網;最終數據進入應用層的數據采集系統,大數據分析系統將溫室環境數據采用多元擬合與F檢驗[15]和單因素分析等方法,判定在不同生長時期3種環境因素所起作用方式與變化趨勢,為番茄的增長提高可靠保障。

2 系統網絡拓撲設計

大數據監控系統主要包括溫室傳感器網絡及其數據匯聚節點、無線傳輸、互聯網數據傳輸和數據控制中心4大部分,如圖2所示。溫室傳感器網絡主要由數據采集發送節點構成,數據發送模塊、溫度、濕度和光照傳感器相連接,構成數據采集發送節點。由于溫室面積較大,多組數據采集發送節點分布在其中,構成溫室監控傳感器網絡;不同傳感器網絡節點采集數據匯聚到數據采集節點,通過無線傳輸技術,發送到互聯網;最后,通過互聯網TCP/IP協議和傳輸的數據網絡中心進行分析處理。

圖2 網絡拓撲結構

系統關鍵為數據采集與傳輸,主要分為溫室傳感器網絡與遠程無線傳輸兩部分。由于溫室內布置有線聯網,會影響作物修剪和灌溉,因此傳感器網絡與數據匯聚節點采用WSN技術進行無線組網,并采用網絡型拓撲結構。WSN技術采用IEEE802.15.4通訊協議,主要使用頻率為433、780、2400MHz。采用網絡型拓撲結構,遠端數據節點可通過臨近節點向數據匯聚節點傳輸數據,便于接入新數據采集點;當有采集點出現損壞時,不影響其他數據流向數據匯聚節點,便于擴展網絡,又提高網絡可靠性。數據匯聚節點向互聯網傳輸采用GPRS協議,利用運營商發達的基站網絡,實現24h高可靠性傳輸數據。溫室傳感器網絡可靠性與數據節點數量密切相關,當節點數量較多時,信號傳輸穩定,成本顯著提升。因此,在保證可靠性的基礎上,減少數據節點數量,可以有效降低成本。RSSI值和數據丟包率可以有效表征數據傳輸可靠性。

2.1 節點距離對不同頻率RSSI影響

RSSI為單位時間內接受到的所有信號的功率平均值,單位dBm,可來表示接收信號強度。由于進行極化處理,在理想狀態下,當發射端所有信號功率全部傳輸給接收端時,RSSI值為0;當發射端部分信號傳輸到接收端時,RSSI值為負值。RSSI值越接近0,表明信號強度越好。WSN技術常用頻率為433、780、2 400MHz。溫室中節點距離對于不同頻率RSSI值影響如圖3所示。

圖3 節點距離對于信號RSSI值的影響

隨著節點距離的增加,3種頻率信號RSSI強度開始衰減,在30m以內3者的衰減趨勢基本相同;節點距離40m以上時,3者的衰減速度開始不同,最快的是2400MHz,衰減最慢的是780MHz。Windows XP系統認為RSSI在-90以上時信號可以穩定傳輸,因此選用780MHz、節點間距為80m即可滿足要求。

2.2 節點距離對不同頻率丟包率影響

節點距離對于信號丟包率的影響如圖4所示。丟包率是指在接收端丟失數據包和發射數據包總量之比。丟包率越高,表明信號可靠性越差。隨著距離的增加,780MHz頻率信號丟包率上升幅度最小,2 400MHz頻率信號時,丟包率上升幅度最大。2 400MHz時,隨著節點距離的增大,丟包率隨之變大:當距離為70m時,丟包率達到2%;當距離達到100m時,丟包率為37%,此時數據傳輸功能嚴重不穩定;當距離達到140m時,丟包率達到100%。433MHz頻率信號時,在90m內丟包率為0,100m時為2%,當達到140m時為11;780MHz頻率信號時,在120m距離之內信號丟包率保持為0,當距離達到140m時丟包率為6%。基于以上分析,溫室中WSN無線網絡信號頻率選擇780MHz,在保證信號強度和0丟包率的情況下選擇節點間距為80m。

圖4 節點距離對于信號丟包率的影響

3 環境因素對于番茄生長大數據分析

番茄生長主要分為苗期、開花坐果期和結果期3個生長時期。在苗期,主要進行植株葉片和植株生長;在開花結果期,既要進行植株本身生長,又開始開花進行生殖生長,番茄果實開始形成;在結果期,植株葉片生長基本停滯,植株主要進行果實的生殖生長。由于不同時期的生長重心不同,造成環境因子對于番茄生長的影響不同。本系統主要監測溫室中溫度、濕度和光照強度3個環境因子,采用大數據分析的方法對3個因素在番茄不同周期中的影響。試驗參數如表1所示。采用三因素五水平正交試驗,根據正交試驗表格,得到23組試驗樣本。

表1 試驗參數設計

干物質質量是指番茄地上植株、果實與地下根系所有物質烘干后的質量,干物質累積質量可以有效反應植株葉片、株高與根系發育情況。現將干物質作為番茄生長指標,考慮3種環境因素對于番茄干物質累積量的影響。

3.1 番茄生長模型

番茄生長分為苗期、開花坐果期和結果期,由于3個時期番茄生長重點不同,因此環境三因素在不同生長時期的影響不同。現針對三因素五水平正交實驗的23組樣本,采用多元擬合的方法,建立不同時期干重累積量和3種環境因素之間的關系,結果如式(1)所示。其中,Y1為苗期干物質累積量,Y2為開花坐果期的干物質累積量,Y3為結果期干物質累積量,x1為空氣溫度水平編碼,x2為相對濕度水平編碼,x3為有效輻射量水平編碼。

0.001x2x3

(1)

對上述模型進行F檢驗,以判斷該模型是否可以用來估計總體樣本,結果如圖5所示。由于模型中含有9個變量,共23個樣本,因此自由度為(9,13)。查F檢驗表,得F(9,13)=4.19。苗期F檢測計算結果為4.83,開花坐果期計算結果為9.672,結果期計算結果為21.531。3模型中苗期F檢驗結果最低,但高于F(9,13)=4.19,表明3個模型具有顯著性特征。

圖5 模型F檢驗

3.2 主導因素分析

由于番茄生長分為苗期、開花坐果期和結果期等3個時期,環境因素包括溫度、相對濕度和光合有效輻射率等3個因素,因此分析不同生長時期的主導因素,對于指導番茄在不同生長時期管理至關重要。由于模型中含有9個因子,計算該9個因子均方比及累計貢獻率,進而確定3個因素的累計貢獻率。因子貢獻率計算公式為

(2)

三因素的累積貢獻率為

(3)

計算不同生長時期各因素累積貢獻率,如圖6所示。苗期起主要作用的因素為溫度,其次為光合有效輻射率,影響最小為相對濕度;開花坐果期起主要作用的因素為相對濕度,其次為光合有效輻射率,影響最小為溫度;結果期起主要作用的因素為溫度,其次為光合有效輻射率,影響最小為相對濕度。總體來說,溫度對于番茄生長的累積貢獻率呈先減小后增加趨勢,相對濕度為先增加后減小趨勢,而光合有效輻射率保持增加趨勢。這表明,隨著植株的生長,光合作用的能力越來越強。

圖6 主導因素分析

3.3 單因素分析

番茄生長分為苗期、開花坐果期和結果期3個生長時期,環境影響因素為3個。由于開花坐果期和結果期對于番茄果實成長與品質至關重要,因此需考慮單個因素在不同水平編碼條件下對于干物質累積的影響。由于采用正交試驗模型,模型中各列向量相互獨立,因此可以只保留1項影響因素,將其他因素與交互項歸零,得到開花坐果期和結果期單因素影響干物質累積量曲線,即

(4)

(5)

單因素影響變化規律如圖7所示。在開花坐果期,干物質累積量隨著溫度的升高而升高,且升高速率會逐步增加,干物質累積量隨著相對濕度的增加呈先增加后降低趨勢;隨著光合有效輻射量的增加,干物質累積成增長趨勢,但增長速率有所降低。由此表明:在開花坐果期,溫度對于干物質累積影響巨大,溫度升高利于提高光合作用水平;相對濕度出現飽和點,因此在此生長周期中相對濕度保持在水平編碼0狀態下,最有利于番茄發育;光合有效輻射量收到溫度的制約,因此在開花坐果期相對濕度保持在水平編碼0狀態、溫度充足的情況下,提高光合輻射量,可以提高番茄干物質累積量。在結果期,溫度對于干物質累積的影響是先減小后增加趨勢;干物質累積量隨相對濕度,呈先緩慢增加趨勢;而隨著光合有效輻射的提高,干物質累積量成較快上升趨勢。由于結果期果實養分消耗量大、光合作用強烈,因此溫度、濕度和光合有效輻射量保持在較高水平有利于番茄干物質的累積。

圖7 單因素影響分析

4 結論

番茄生長主要依靠光合作用和蒸騰作用,而溫度、相對濕度和光照強度等環境因素直接影響光合作用和蒸騰作用。本系統采用采用溫度、相對濕度和光照強度傳感器建立溫室環境采集系統,采用WSN計算和GPRS計算實現溫室環境數據上傳大數據分析系統,確定環境因素影響干物質累積方式。采用WSN技術實現傳感器網絡數據傳輸,通過對于信號RSSI強度和丟包率的分析,確定采用780MHz信道、間距80m對節點進行組網。采用大數據分析的方法,建立不同生長時期三因素與干物質累積模型,F檢驗表明該模型性能可靠。計算三因素在不同時期累積貢獻率,分析三因素對于干物質累積的重要程度。由于樣本采集正交試驗分布,對開花坐果期和結果期三因素進行單因素分析,結果表明:開花坐果期相對濕度保持在水平編碼0狀態,在溫度充足的情況下,提高光合輻射量,可以提高番茄干物質累積量;在結果期,溫度、濕度和光合有效輻射量保持在較高水平有利于番茄干物質累積。