基于农业物联网的农作物生长分析平台的制作方法

1.本发明涉及数据处理技术领域，具体涉及一种基于农业物联网的农作物生长分析平台。


背景技术：

2.无土栽培是近几十年来发展起来的一种作物栽培新技术，即作物不在土壤中栽培，而是种植在溶有矿物质的水溶液(营养液)里，或在某种栽培基质中，用营养液进行作物栽培。在合适的栽培设备和管理措施下，作物就能正常生长，并获得高产，而在温室中进行无土栽培技术的局限性较大、运行成本比较高、生产环境的管理难度大，且当生产环境出现异常时很容易导致作物死掉或者无法正常生产，造成大量作物品质不合格，带来很大的经济损失。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于农业物联网的农作物生长分析平台，所采用的技术方案具体如下：
4.数据采集单元，用于基于设定的采样时刻，分别获取当前温室中农作物对营养液的吸收程度、农作物的叶片含水量、光照强度和空气含量，结合所述吸收程度和所述叶片含水量计算农作物的生长状态指标，将所述吸收程度、所述叶片含水量、所述光照强度、所述空气含量和所述生长状态指标作为当前温室下对农作物进行一次采样的特征向量，进而获取当前温室中农作物在设定时间段内由多个所述特征向量构成的数据集合；
5.数据处理单元，用于分别获取多个温室下同一所述农作物对应的所述数据集合；根据不同温室下所述农作物的生长相似度将多个所述数据集合分为多个集合类别，基于每个集合类别中对应所有农作物的所述生长状态指标获取生长状态最好所对应的目标集合类别；
6.补光操作单元，用于根据所述目标集合类别中每个温室在设定时间段内的多个所述光照强度计算设定时间段内每个采样时刻对应的最优光照强度，对比所述农作物的实时光照强度和所述最优光照强度以对每个采样时刻下的所述农作物进行相对应补光操作。
7.进一步地，所述数据采集单元中所述吸收程度的获取方法，包括：
8.采集营养液中的ec含量指标和水含量指标以计算两者之间的比值，根据所述比值得到所述吸收程度，其中所述比值与所述吸收程度呈正相关关系。
9.进一步地，所述生长状态指标与所述吸收程度呈正相关关系、所述生长状态指标与所述叶片含水量呈正相关关系。
10.进一步地，所述数据处理单元中根据不同温室下所述农作物的生长相似度将多个所述数据集合分为多个集合类别的方法，包括：
11.根据所述数据集合中的所述生长状态指标和所述空气含量计算任意两个温室下所述农作物的生长状态相似度；将每个生长状态相似度转化成对应的样本距离，基于多个
所述样本距离利用dbscan聚类方法将多个所述聚类集合分为多个所述集合类别。
12.进一步地，所述数据处理单元中基于每个集合类别中对应所有农作物的所述生长状态指标获取生长状态最好所对应的目标集合类别的方法，包括：
13.计算每个所述数据集合对应的平均生长状态指标，根据所述集合类别中每个所述数据集合的所述平均生长状态指标计算其均值；对比每个所述集合类别对应的所述均值，将最大均值对应的所述集合类别作为所述目标集合类别。
14.进一步地，所述补光操作单元中根据所述目标集合类别中每个温室在设定时间段内的多个所述光照强度计算设定时间段内每个采样时刻对应的最优光照强度的方法，包括：
15.将所述目标集合类别中当前采样时刻对应的多个所述光照强度进行平均光照强度的计算，其中，一个温室在当前采样时刻对应一个所述光照强度，将所述平均光照强度作为当前采样时刻的所述最优光照强度，进而得到设定时间段内每个采样时刻对应的所述最优光照强度。
16.进一步地，所述补光操作单元中对比所述农作物的实时光照强度和所述最优光照强度以对每个采样时刻下的所述农作物进行相对应补光操作的方法，包括：
17.计算每个采样时刻下所述农作物的所述实时光照强度和所述最优光照强度之间的光照强度差异，基于所述光照差异进行相对应采样时刻下所述农作物的补光操作。
18.本发明实施例至少具有如下有益效果：以生长状态最好的多个温室下的农作物为目标，根据其在相同时刻下所需的光照强度，获取对应时刻下农作物所需的最优光照强度，进而将最优光照强度作为标准对农作物进行补光操作，避免光照强度过高或过低，影响农作物的生长状态，同时提高了农作物的生长品质，降低大量的经济损失。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
20.图1为本发明一个实施例提供的一种基于农业物联网的农作物生长分析平台的结构框图。
具体实施方式
21.为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种基于农业物联网的农作物生长分析平台，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
22.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
23.下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种基于农业物联网的农作物生长分
析平台的具体方案。
24.请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的一种基于农业物联网的农作物生长分析平台的结构框图，该平台包括：
25.数据采集单元10，用于基于设定的采样时刻，分别获取当前温室中农作物对营养液的吸收程度、农作物的叶片含水量、光照强度和空气含量，结合吸收程度和叶片含水量计算农作物的生长状态指标，将吸收程度、叶片含水量、光照强度、空气含量和生长状态指标作为当前温室下对农作物进行一次采样的特征向量，进而获取当前温室中农作物在设定时间段内由多个特征向量构成的数据集合。
26.具体的，ec含量指标是指营养液中可溶性盐浓度或者液体肥料或种植介质中的可溶性离子浓度，ec含量指标的单位用ms/cm表示，正常的ec含量指标范围在1-4ms/cm之间。由于基质中可溶性盐含量(ec含量指标)过高，可能会形成反渗透压，将根系中的水分置换出来，使根尖变褐或者干枯，因此将调试好的营养液放置在农作物的根茎部，并利用ec检测仪对农作物的营养液进行ec含量指标的采集；由于营养液大部分是由水组成的，因此同时对营养液中的水含量指标进行采集。
27.基于设定固定的采样时刻，每个采样时刻对农作物的营养液中进行ec含量指标和水含量指标的采集，进而根据ec含量指标和水含量指标计算每个采样时刻农作物对营养液的吸收程度，则吸收程度的获取方法为：采集营养液中的ec含量指标和水含量指标以计算两者之间的比值，根据比值得到所述吸收程度，其中比值与吸收程度呈正相关关系。
28.作为一个示例，吸收程度的计算公式为：
[0029][0030]
其中，mi为第i个采样时刻农作物对营养液的吸收程度；wi为第i个采样时刻营养液中的水含量指标；ei为第i个采样时刻营养液中的ec含量指标。
[0031]
进一步的，通过农作物的叶片含水量可以了解农作物的生长发育情况，同时农作物的叶片含水量是农作物的一种生理特性，其含量的高低也通常对叶片感染病菌有重要的影响，由此可见，通过叶面湿度传感器的测定，可以让生态学家清楚的知道农作物当前所处的状态，并判断其是否由缺水导致生长不好的风险，故采集每个采样时刻农作物的叶片含水量h。
[0032]
进一步的，对于农作物来说，农作物生长需要进行光合作用，而太阳光可以让农作物进行光合作用，所以对于农作物来说，其生长和生存都离不开太阳光，太阳光照对农作物起到决定性作用，但什么都要适量，当光照强度过大时，会引起农作物表面强烈的蒸腾作用，农作物会关闭气孔防止水分流，无法进行光合作用，反而会引起农作物内部缺水，影响农作物生长，因此利用光电照度计对农作物所处的温室环境进行光照强度的采集，且每个采样时刻采集一次温室的光照强度s。
[0033]
进一步的，对温室中农作物的生长所需的空气含量进行检测，例如氮气、二氧化碳和氧气等空气含量，本发明实施例中任选一种空气进行采集，在温室中放置空气检测器对其室内的空气含量进行检测，同样也是每个采样时刻采集一次温室内的空气含量q。
[0034]
农作物对营养液的吸收程度越好，说明农作物的生长状态越好，反之，吸收程度不
好，说明农作物的生长状态也就不好；当农作物的叶片含水量越大时，此时农作物的生长状态越好，反之，叶片含水量越小，说明其生长状态越不好，因此结合吸收程度和叶片含水量计算每个采样时刻农作物的生长状态指标，其中生长状态指标与吸收程度呈正相关关系、生长状态指标与叶片含水量呈正相关关系。
[0035]
作为一个示例，生长状态指标的计算公式为：
[0036][0037]
其中，ui为第i个采样时刻农作物的生长状态指标；hi为第i个采样时刻农作物的叶片含水量。
[0038]
由于本发明实施例以一天24小时为设定时间段，且每个整点时刻为采样时刻，也即是1点为一个采样时刻、2点为一个采样时刻
…
24点为一个采样时刻，总共有24个采样时刻，因此当前温室下对农作物进行一天24小时的采集，也即是每个采样时刻采集了农作物对营养液的吸收程度m、农作物的叶片含水量h、温室内的光照强度s、温室内的空气含量q和农作物的生长状态指标u，并将这些数据作为当前温室下对农作物进行了一个采样时刻下的所采样的特征向量，进而每个采样时刻都对应一个特征向量，将设定时间段内(一天)每个采样时刻的特征向量构成当前温室下农作物的数据集合。
[0039]
数据处理单元20，用于分别获取多个温室下同一农作物对应的数据集合；根据不同温室下农作物的生长相似度将多个数据集合分为多个集合类别，基于每个集合类别中对应所有农作物的生长状态指标获取生长状态最好所对应的目标集合类别。
[0040]
具体的，利用数据采集单元10的方法，分别获取多个温室下同一农作物对应的数据集合，根据不同温室下该农作物的生长相似度将多个数据集合划分为多个集合类别，具体方法为：根据数据集合中的生长状态指标和空气含量计算任意两个温室下农作物的生长状态相似度；将每个生长状态相似度转化成对应的样本距离，基于多个样本距离利用dbscan聚类方法将多个聚类集合分为多个集合类别。
[0041]
作为一个示例，对于任意两个温室下农作物的生产状态相似程度的计算公式为：
[0042][0043]
其中，r(a,b)为温室a和温室b中农作物的生长状态相似程度；std(ua)为温室a中农作物的生长状态指标的标准差；std(ub)为温室b中农作物的生长状态指标的标准差；dtw(q
a-qb)为温室a和温室b对应空气含量的相似度。
[0044]
根据生长状态相似程度的计算公式能够计算任意两个温室下农作物的生长状态相似程度，将每个生长状态相似程度转化为对应的样本距离，即d(a,b)＝1-r(a,b)，基于经验进行自定义的dbscan聚类方法中的聚类半径，利用聚类半径对样本距离进行聚类，以将多个数据集合分为多个集合类别，且每一个集合类别表示农作物的生长状态最相似。
[0045]
进一步的，基于聚类的多个集合类别，获取农作物的生长状态最好的集合类别，且将其称为目标集合类别，具体获取方法为：计算每个数据集合对应的平均生长状态指标，根据集合类别中每个数据集合的平均生长状态指标计算其均值；对比每个集合类别对应的均值，将最大均值对应的集合类别作为目标集合类别。
[0046]
补光操作单元30，用于根据目标集合类别中每个温室在设定时间段内的多个光照
强度计算设定时间段内每个采样时刻对应的最优光照强度，对比农作物的实时光照强度和最优光照强度以对每个采样时刻下的农作物进行相对应补光操作。
[0047]
具体的，由于每天天气状态的不同，导致每天的光照强度不同，且光照强度又影响农作物的生长状态，因此基于生长状态最好的农作物，根据其生长所对应的光照强度进行每个采样时刻下最优光照强度的获取，进而能够得到该农作物每天所需的最优光照强度，则最优光照强度的获取方法为：将目标集合类别中当前采样时刻对应的多个光照强度进行平均光照强度的计算，其中，一个温室在当前采样时刻对应一个光照强度，将平均光照强度作为当前采样时刻的最优光照强度，进而得到设定时间段(一天)内每个采样时刻对应的最优光照强度。
[0048]
作为一个示例，当采样时刻为8点整时，根据目标集合类别中每个数据集合在8点的光照强度，也即是每个温室下农作物在8点所对应的光照强度，计算8点这个采样时刻下所有光照强度(目标集合类别中在8点对应的所有关照强度)的平均光照强度，将平均光照强度作为8点这个采样时刻所对应的最优光照强度，也即是在一天之内中该农作物在8点的最优光照强度下其生长状态最好。
[0049]
为了保证任意温室下的农作物在阴天和雨天等光照弱或光照过强的环境下，能够拥有最好生长状态的最优光照强度，基于一天时间段内每个采样时刻的最优光照强度对实时光照强度进行补光操作，以使得农作物在最优的环境下生长，则补光操作的方法为：对任意温室下的农作物进行任意采样时刻的实时光照强度的采集，计算当前采样时刻下农作物的实时光照强度和该采样时刻下的最优光照强度之间的光照强度差异，基于光照差异进行相对应采样时刻下农作物的补光操作。
[0050]
作为一个示例，光照强度差异的计算公式为：δs＝|s
0-s
′
|，其中δs为光照强度差异，s0为最优光照强度，s
′
为实时光照强度。
[0051]
综上所述，本发明实施例提供了一种基于农业物联网的农作物生长分析平台，该平台可实现设备之间的协同作业，能够用于农业智能物联网应用服务等其他互联网服务、信息系统设计服务服务等信息系统集成服务、信息化技术管理等信息技术咨询服务。以生长状态最好的多个温室下的农作物为目标，根据其在相同时刻下所需的光照强度，获取对应时刻下农作物所需的最优光照强度，进而将最优光照强度作为标准对农作物进行补光操作，避免光照强度过高或过低，影响农作物的生长状态，同时提高了农作物的生长品质，降低大量的经济损失。
[0052]
需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
[0053]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
[0054]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。