一种基于时序预测的柑橘新梢预警平台及方法

1.本发明属于数字农业技术领域，具体涉及一种基于时序预测的柑橘新梢预警平台及方法。


背景技术：

2.智慧农业、数字农业是当今农业发展的一大趋势，目前美国、日本、欧洲等农业强国的农业生产都在逐步实现无人农场与智能化管理。其优势在于减少劳动力的同时提高农产品的质量与产量，使用科学技术带动生产。近年来随着国内人工智能领域的发展以及国内农业面临的问题，国家也在积极建设数字农业、无人农场，据估计未来世界到2025年，全球智慧农业市值将达到683.89亿美元，发展最快的是亚太地区(中国)，年复合增长率(cagr)达到14.12％，其中强调大田精准农业、传感器系统以及农业大数据等部分为主要。
3.柑橘作为南方的主要经济作物，在江西、广东、广西等地区种植广泛，柑橘在开花大到果实成熟的一个周期内需要投入较多的人力物力，其中柑橘新梢的管控尤为突出。柑橘新梢一年分季节可生多次，其中春梢、夏梢争夺花或果实的营养，降低坐果率和影响柑橘生长。常见的新梢管控方法主要为喷施杀梢剂，但是常见的杀梢剂中含有除草剂成分，需要精准控制剂量，施药过量将会造成柑橘正常叶、果的损伤出现叶肉失绿、黑皮果、花皮果的现象，严重影响收益，因此如何快速获取新梢长势以及生成施药作业处方图极为重要。柑橘作为果树类的经济作物与小麦、水稻、棉花等有本质上的差距，在后者上的智慧农业管理方案与技术在柑橘管理上难以直接套用。
4.目前针对柑橘新梢管控主要存在以下问题：1、柑橘新梢生长次数繁多，周期长，一年内需要进行多次新梢管控，传统人力管控的方式工作量大、不精确；2、柑橘果树新梢生长往往受到果树自身的根系、土壤肥力的影响，造成同一时期的不同区域生长情况不同；3、柑橘新梢在四个季度中作用不同，需要针对不同情况单独管理，为此我们提出一种基于时序预测的柑橘新梢预警平台及方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于时序预测的柑橘新梢预警平台及方法，所主要解决的问题是提供一种基于时序预测的柑橘新梢预警平台及方法。使用摄像头、土壤肥力传感器等农情监测设备获取柑橘果园实时农情信息，结合深度学习和边缘计算设备对信息进行分析与处理，通过识别统计不同生长阶段的新梢数量，获取果园中新梢生长农情信息，并传输至新梢管控与平台进行汇总展示，同时云平台集合土壤肥力传感器、天气预测等信息对柑橘新梢预警并自动生成处理建议，用户可根据建议和监测数据进行决策。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种基于时序预测的柑橘新梢预警平台，包括农情感知系统、平台服务器；
7.农情感知系统将采集的农情信息通过网络的方式传入平台服务器，根据平台服务器的新梢预警处理模块对采集的信息与预设的阈值进行比较，超过预设阈值时进行预警。
8.进一步地，所述农情感知系统包括若干个农情感知子节点，农情感知子节点包括至少一个可旋转、变焦的球型摄像机、至少一个土壤肥力传感器、至少一个边缘计算设备、数据传输系统，农情信息和新梢生长信息通过球型摄像机采集并通过数据传输系统传输至边缘计算设备，区域内的土壤水肥信息被土壤肥力传感器采集，并通过数据传输系统传输至边缘计算设备；
9.进一步地，所述平台服务器主要包括球型摄像机控制模块、数据汇总模块、数据库、新梢预警处理模块；
10.球型摄像机控制模块实现远程控制球型摄像机的定时任务、焦距、上下俯仰角度，监测人员登录平台后可获取实时数据；所述数据汇总模块包括对农情感知子节点上传的数据进行编号汇总与展示，数据库用于存储各农情感知子节点的感知数据，包括新梢识别结果、土壤肥力感知数据、预警信息；新梢预警处理模块使用预训练的预测模型得出下一阶段新梢生长比例，使用该比例预先设置的新梢预警阈值对比，达到预警条件后结合土壤肥力信息、天气数据对柑橘进行自动预警。
11.进一步地，所述数据传输系统包括无线通讯、局域网络通讯两种通信方式。
12.进一步地，所述农情感知子节点内部以边缘计算设备为中心设置局域网系统，在该局域网内部与球型摄像机、土壤肥力传感器进行通信。
13.进一步地，所述边缘计算设备与球型摄像机一起安装在监控杆中，使用网线的形式与球型摄像机进行连接。
14.进一步地，所述农情感知子节点还包括电源系统，电源系统通过太阳能电池板将太阳能转换为电能存储至蓄电池中，蓄电池的对球型摄像机、边缘计算平台进行供电或通过外接电源的方式对球型摄像机、边缘计算平台进行供电。
15.进一步地，所述若干个农情感知子节点分布在农田的不同区域。
16.进一步地，监测人员需要预先设置不同季节的新梢预警阈值至新梢预警处理模块，平台根据季节不同进行匹配不同的预警阈值。
17.进一步地，一种基于时序预测的柑橘新梢预警平台的方法，包括如下步骤：
18.a.若干个农情感知子节点被分布在农田的不同区域；
19.b.农情感知子节点的球型摄像机获取远距离的新梢生长信息，农情感知子节点的土壤肥力传感器获得区域内的土壤水肥信息；
20.c.边缘计算设备获取新梢生长信息和土壤水肥信息，
21.d.边缘计算设备根据新梢生长特点将新梢分为三个阶段：萌芽期、生长期、成熟期，模型对不同时期的新梢进行检测分类，并统计每个类别的目标个数，当新梢数量以及成熟期新梢数量达到预警需求时，平台将会自动提醒监测人员进行下一步控梢杀梢；
22.e.边缘计算设备结合土壤肥力传感器感知的土壤肥力信息，提供精准的转绿施肥建议。
23.相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
24.本发明将摄像头视觉数据、肥力传感器数据、时序预测结果等结合在一起，实现柑橘新梢的智能自动预警，该系统对于实现柑橘果园无人化管理、精准施药、增效减施具有重大意义。
附图说明
25.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
26.图1为本发明的原理图；
27.图2为本发明五点抽样法农情感知子节点在农田内的布置图；
28.图3为本发明数据库设计图；
29.图4为本发明新梢预警流程图。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
31.实施例一
32.如图1-4所示一种基于时序预测的柑橘新梢预警平台及方法，包括边缘信息感知系统、通信网络、平台服务器；其中，边缘信息感知系统包括若干摄像头、边缘计算设备、土壤肥力传感器；通信网络包括无线通讯、局域网络通讯，边缘信息感知系统通过通信网络将数据传输至平台服务器，平台服务器包括边缘信息感知系统控制平台、数据汇总处理模块、新梢预警处理模块、数据库，平台服务器实现最后的数据汇总、新梢预测及预警。
33.农情信息感知系统根据五点抽样法或农田区域划分进行部署。农情感知系统包含若干个农情感知子节点如图1所示，每个农情感知子节点为单独一个整体，仅对其部署区域内的农情负责。每个农情感知子节点布置一个可控旋转、变焦的球型摄像机。球型摄像机可通过手动调控或自动旋转的形式获取安装周围360
°
无死角的农情信息，并可通过改变焦距获取远距离的新梢生长信息；
34.农情感知子节点包括一套土壤肥力传感器，可获得区域内的土壤水肥信息，数据使用以太网或者无线网络与农情感知子节点进行通讯；
35.农情感知子节点包括一台边缘计算设备，该边缘计算设备与球型摄像机一起安装在监控杆中，使用网线的形式与球型摄像机进行连接，同时边缘计算设备还具有新梢识别与统计；
36.农情信息感知子节点包括一套部署轻量化的目标检测方法，调用边缘计算设备中的算力对摄像机数据进行实时处理。检测模型根据新梢生长特点将新梢分为三个阶段：萌芽期、生长期、成熟期，模型对不同时期的新梢进行检测分类，并统计每个类别的目标个数。农情信息感知子节点包括一套电源系统，主要包括太阳能充电板、蓄电池以及外接电源系统，太阳能电池板将太阳能转换为电能存储至蓄电池中，蓄电池的电力对球型摄像机、边缘计算平台进行供电。外接电源系统主要作为补充供电适用于南方长期阴雨天气等太阳能不足的情况；
37.农情感知子节点包括一套数据传输系统，子节点内部以边缘计算设备为中心设置局域网系统，在该局域网内部与球型摄像机、土壤肥力传感器进行通信；
38.通信网络包括无线通讯、局域网络通讯。农情感知子节点通过4g或者5g通信系统将数据传输至平台部署服务器的路由以及网关。服务器开放特定端口用于接收数据，服务器通过农情感知子节点的编码将数据保存到相应的位置。
39.平台服务器主要包括球型摄像机控制模块、数据汇总模块、数据库、新梢预警处理模块；
40.球型摄像机控制模块实现远程控制摄像机的定时任务、焦距、上下俯仰角度，监测人员登录平台后可获取实时数据；数据汇总模块包括对农情感知子节点上传的数据进行编号汇总与展示，平台前端界面中显示边缘计算识别结果与土壤肥力传感器的感知数据，监测人员可直观的看到感知信息结果；
41.数据库模块主要用于存储各感知子节点的感知数据，包括新梢识别结果、土壤肥力感知数据、预警信息等；
42.新梢预测及预警模块包括一种基于时序预测的柑橘新梢预测方法，该方法使用一个时间周期内的多个监测任务结果作为输入数据，使用预训练的预测模型得出下一阶段新梢生长比例，使用该比例预先设置的新梢预警阈值对比，达到预警条件后结合土壤肥力信息、天气数据对柑橘进行自动预警；新梢预测及预警模块监测人员需要预先设置不同季节的新梢预警阈值，平台根据季节不同进行匹配不同的预警阈值，例如：在夏梢阶段，当新梢数量以及成熟期新梢数量达到预警需求时，平台将会自动提醒监测人员进行下一步控梢杀梢；当冬梢新梢达到一定数量并且当前的新梢中成熟期新梢较少，萌芽期生长期较多则触发新梢预警促进转绿预警，并结合土壤肥力传感器感知的土壤肥力信息，提供精准的转绿施肥建议。
43.农情感知子节点可以根据监测人员设置进行自动感知，在没有感知任务时期进入低功耗休眠模式仅保持通讯功能，以降低对电力的需求。同时当监测人员在平台服务器端操控时，农情感知子节点进入激活状态，根据监测人员的操作实时反馈。
44.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将摄像头视觉数据、肥力传感器数据、时序预测结果等结合在一起，实现柑橘新梢的智能自动预警，该系统对于实现柑橘果园无人化管理、精准施药、增效减施具有重大意义。
45.实施例二
46.如图1-4所示，本发明提供一种基于时序预测的柑橘新梢预警方法及平台，技术方案包括：由农情感知子节点组成的前端信息感知系统采集柑橘果园的视频或者图像信号，其内部的边缘计算设备对信息进行解码识别，获取柑橘新梢的识别结果，并将农情感知子节点编号、视频或者图像信息、识别结果、土壤肥力信息进行封装传送到远程平台服务器。
47.平台服务器在端口接受农情感知子节点传入的数据并根据数据源和数据类型进行拆解，存入数据库，并将新梢占比信息与预先设置的预警阈值进行对比，当达到预警条件时结合获取的土壤肥力数据、时节等信息进行柑橘新梢预警。
48.监测人员登录到平台时，服务器读取数据库中存储的数据信息进行前端展示，主要包括最新的图像数据、一段时间内的柑橘新梢占比信息、历史预警信息、土壤肥力信息等。监测人员可进入实时监控主界面激活农情感知子节点实时控制球型摄像机的角度和焦距等。平台服务器控制信号经过编码传输至农情感知子节点中的边缘计算设备，边缘计算设备对控制信号进行解码并控制球型摄像机。
49.农情感知子节点根据田间区域划分或者五点抽样法进行部署。其部署距离主要与果园大小、摄像头的监控范围决定，五点抽样法为一个区域内的抽样方法，在果园实际部署中首先将果园划分为若干个区域，并在该区域内使用五点抽样法部署。该方式解决了后期
的果园区域扩展带来的问题。
50.农情感知子节点的边缘计算设备作为整个子节点的控制中心，具有网络传输功能，通过网关设备将农情感知子节点获取的数据封装通过无线或有线的方式将数据传输至平台服务器的开放端口，平台服务器同样经过无线或者有线的方式将控制指令传输至边缘计算设备，边缘计算设备对指令进行解码，控制感知设备。
51.农情感知子节点主要由蓄电池供电，蓄电池电源主要来自于太阳能电板，太阳能电板将太阳能转化为电能存储在蓄电池冲，同时考虑到柑橘种植区域主要位于华南地区，仍使用外部电源作为紧急供电。当农情感知节点设置为定时感知模式时，蓄电池提供电力用于摄像机的转动与土壤肥力传感器感知土壤数据，非工作时间进入休眠模式，仅保留边缘计算设备用于模型接收平台的指令。当连续阴雨天气，太阳能供电不足，蓄电池内电压较低时使用外部电源供电。
52.平台服务器包括农情感知节点控制模块、数据汇总模块、数据库模块、新梢预测及预警模块。其中农情感知节点控制模块是监测人员对农情感知节点的控制中心，该控制中心拥有调节摄像头角度、焦距的功能，并且可以设置农情感知系统定时启动时间或者切换农情感知节点。数据汇总模块通过对农情感知节点传入的设备进行解封汇总，存储到相应的数据库中，同时监测人员进入页面时，从数据库中获取最近时间的农情信息进行展示。数据库主要用于存储农情信息与预警信息。新梢预测及预警模块中监测人员首先设置新梢预警阈值，例如，萌芽期:生长期:展叶期为2:5:3等。平台从数据库中读取近期新梢比例信息，将该数据送入新梢时序预测模型，该模型得出下一阶段的新梢生长信息，例如检测后的萌芽期:生长期:展叶期为1:2:7即成熟期超过50％，表示当前新梢中成熟期较多，萌芽期较少，对于需要杀梢的时节则进行杀梢预警，对于壮梢的时节则表示当前的新梢生长良好，无需预警。针对壮梢的时节，若新梢中生长期的新梢长期处于多数，结合土壤肥力传感器获取的土壤中的元素含量信息，根据农业知识进行新梢促转绿预警，提示果园土壤中缺少元素进行施肥施药，并将结果保存至数据库。预警信息提醒使用站内提醒和手机短信提醒的方式，监测人员可在收到预警短信后进入网站查看预警详情。
53.实施例三
54.本示例以柑橘夏梢的预警监测为例，如图2所示农情感知子节点根据农田区域划分以五点抽样法的形式部署在农田内，如图1所示由摄像头采集的视频图像数据信号经过网线传输至边缘计算平台，边缘计算设备调用自身算力对视频信号进行解码，并调用深度学习模型进行目标检测与分类，获得萌芽期、生长期、成熟期的新梢数量，分类数据封装成json格式，该区域的土壤肥力传感器通过网线与边缘计算设备进行通信，边缘计算设备将数据封装成json数据格式。边缘计算设备通过无线网络或局域网络将数据传输至平台服务器。平台服务器对数据进行汇总展示，并从数据库中读取近期的新梢监测数据，分析其生长趋势，使用时序预测模型预测期下一时期的新梢长势，并自动匹配夏梢预警阈值，达到预警条件后平台进行站内和短信通知，完成一次完整的预警流程，进行控梢杀梢预警，具体流程如图4所示。监测人员登录系统时，进入数据展示和实时监控界面，此时农情感知节点若处于低功耗的休眠状态则进入激活状态。监测人员使用平台端的操控按钮对摄像头进行调节，改变其焦距、上下俯仰角度等，查看其他区域的新梢生长情况，结合系统预警进行专业的农情判断以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任
何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。