一种基于单片机控制的种子发芽试验辅助决策系统的制作方法

技术特征：

1.一种基于单片机控制的种子发芽试验辅助决策系统,其特征在于，包括发芽过程监控模块、发芽研究辅助决策模块、发芽试验智能控制器、发芽室和数据库模块，所述发芽过程监控模块，发芽研究辅助决策模块和数据库模块均运行于PC上位机平台上；发芽试验智能控制器是本系统的下位机，发芽室是被监控对象；

所述发芽过程监控模块：用于获取来自研究者的发芽试验种子基本信息；获取研究者设置的种子发芽试验的温度，湿度，光照强度，水分，控制误差参数数据，将这些数据传到发芽试验智能控制器中以供执行；用于获得发芽试验智能控制器和发芽室传来的种子发芽过程的实时温度，湿度，光照强度和水分数据，以表格和图形曲线界面展示，并生成按年、月、日记录的EXCEL格式数据报表，供研究者分析使用；用于获取研究者设置的优选方案的样本试验的样本数，温度，湿度，光照强度，水分数据，控制误差参数数据，将这些数据传到发芽试验智能控制器中,以供执行；用于获取来自发芽试验智能控制器和发芽室的优选方案的样本试验的实时温度，湿度，光照强度和水分数据，以表格和图形曲线界面展示，形成按年、月、日记录的EXCEL格式数据报表，供以后试验数据分析使用，并提供查询；用于获取来自发芽试验智能控制器传来的发芽室火警信息，及时发出火警图像警告和火警报声，同时自动传出切断发芽室内除摄像头外的电源的命令至发芽试验智能控制器；用于获得发芽试验智能控制器传来的发芽室的水分数据，当水分数据达到水分干旱临界值时，及时发出干旱警告图像文字和警报声，以供研究者及时处理；以上各功能涉及的所有数据均存储于数据库模块；

所述发芽研究辅助决策模块：用于获取来自发芽试验智能控制器和发芽室反馈的发芽过程试验数据，并且用于获取研究者在发芽室调查后输入的发芽信息，这些信息包括：SN，LN和ZN；其中，SN表示在发芽势调查日所调查的发芽的种子数，所述发芽势调查日为播种后第3-14天，LN表示在发芽率调查日所调查的正常幼苗数，所述发芽率调查日为播种后第5-35天，ZN表示试验播种的种子数，并进行统计分析，以供研究者进行发芽试验方案的优选；用于为研究者提供探究种子发芽的最佳发芽条件及其条件差异检验的辅助决策；用于获取来自发芽试验智能控制器和发芽室反馈的优选方案的样本试验数据，以及获取研究者输入的优选方案的样本试验的SN、LN和ZN数据，并进行统计检验和分析，辅助研究者对这些样本试验进行样本数的显著性差异分析及决策；用于获取研究者输入的发芽试验研究成功或者失败的经验总结，并且存储供查询，以上各功能涉及的所有数据均存储于数据库模块；其中，发芽势是在发芽势调查日调查的发芽的种子数占试验播种的种子数的百分率，发芽率是在发芽率调查日调查的正常幼苗数占试验播种的种子数的百分率；

所述发芽试验智能控制器：采用的单片机型号为STM32F407ZGT6，与上位机相连，接受来自于发芽室的湿度、温度、水分、光照强度实时数据,同时将这些数据传到PC上位机；接受PC上位机的发芽过程监控模块中所设置的温度，湿度，光照强度，水分，控制误差参数数据，利用内部的协调智能算法进行运算,并且通过智能接口、驱动模块和智能开关，及时地调节发芽室中的加热器，加湿器，照明灯的运行，实现发芽室的发芽过程环境条件的闭环智能控制；

所述发芽室，包括的设备有：两层以上架子的培养架、发芽盒、发芽床、加热器、加湿器、紫外灯、照明灯、温度传感器、湿度传感器、光照传感器、土壤水分传感器、烟雾传感器、报警器、摄像头；依靠发芽过程监控模块的试验参数设置功能和发芽试验智能控制器的智能控制功能，及时地调节发芽室内加热器、加湿器、照明灯的运行，实现发芽室内种子发芽环境条件的自动化控制；发芽室内的温度传感器，湿度传感器，光照传感器，土壤水分传感器，烟雾传感器和摄像头，分别将温度、湿度、光照强度、水分、火警信息以及影像实时信息，通过传感器接口，不断地反馈到发芽试验智能控制器中；

所述数据库模块:由数据库及其管理程序构成,接收并存储来自发芽室、发芽试验智能控制器发送来的发芽试验实时数据,送往上位机的发芽过程监控模块，以供研究者查询，并送往发芽研究辅助决策模块进行分析处理,提供辅助决策信息给研究者；接收并且存储来自研究者设置或者调整的试验控制参数，传送给发芽试验智能控制器,以供其通过智能控制方法的运算，对加热器、加湿器和照明灯的运行进行自动控制调整；存储有统计学的F分配表和正态分布Z值表，F分配表中每一个F显著度值都对应一个F临界值；以上两表用于进行统计检验及辅助决策分析。

2.根据权利要求1所述的基于单片机控制的种子发芽试验辅助决策系统,其特征在于,所述发芽过程监控模块，包括：

发芽试验种子基本信息单元，与数据库模块相连接，用于提供人机界面，获取研究者设置的试验种子的试验名称，种子名称，物种类型，试验起始日，试验终止日，发芽盒号，重复序号，发芽势调查日，发芽率调查日，发芽床，并且将这些数据存储入数据库模块中；

发芽过程参数及任务设置单元，与数据库模块相连接，用于提供人机界面，获取研究者设置的种子发芽过程的温度，湿度，光照强度，水分，控制误差参数，将以上各参数存入数据库模块中；并将这些信息传到发芽试验智能控制器中，以供其对发芽室的发芽环境条件进行自动控制；

优选方案样本试验参数及任务设置单元，与数据库模块相连接，用于提供人机界面，获取研究者设置的优选方案的样本试验的样本数，发芽过程的温度，湿度，光照强度，水分，控制误差参数数据，并且将这些数据存入数据库模块中；同时传到发芽试验智能控制器中，以供发芽试验智能控制器对发芽室的发芽样本试验的环境条件进行自动控制；

试验实时状况显示及查询单元，与数据库模块相连接，用于获取从发芽试验智能控制器中反馈来的种子发芽过程的实时温度，湿度，光照强度，水分及影像数据，以表格、曲线及图形界面展示，并能够形成分别按照年、月、日记录统计的EXCEL格式数据报表，供研究者使用；用于及时发出发芽床发生干旱的图像文字警告和警报声，以供研究者及时处理；用于从数据库中提取已存入的实时温度，湿度，光照强度，水分及影像数据，以供查询；

优选方案样本试验参数实时显示及查询单元，与数据库模块相连接，用于获取从发芽试验智能控制器中反馈来的优选方案的样本试验的实时温度，湿度，光照强度，水分数据，以表格和图形曲线界面展示，并能形成分别按照年、月、日记录统计的EXCEL格式数据报表，供研究者研究决策使用；然后将该样本试验的种子发芽过程的实时温度，湿度，光照强度，水分数据存入数据库模块中；同时能提取这些数据以供查询；能及时发出发芽床上发生干旱的图像文字警告和警报声，以供研究者及时处理；

试验实时报警及处理单元，与数据库模块相连接；用于获得发芽室内的烟雾传感器、土壤水分传感器监测传来的数据，当烟雾传感器反馈的数据达到规定范围表示火警时，该单元就发出图像文字火警和火警报声，并及时传出切断发芽室内除摄像头外的电源的命令至发芽试验智能控制器；当土壤水分传感器反馈的水分数据达到水分干旱临界值时，该单元及时发出干旱图像文字警告和警报声，以供研究者及时处理。

3.根据权利要求1所述的基于单片机控制的种子发芽试验辅助决策系统,其特征在于,所述发芽研究辅助决策模块，包括：

发芽条件研究统计及优选单元，与数据库模块相连接，用于从发芽试验智能控制器中获取在不同参数条件下的发芽试验过程及结果的数据；并且用于获取研究者经调查后输入的发芽信息SN，LN，ZN数据,并按照发芽计算模型计算出发芽势，发芽率，以人机界面形式，提供给研究者进行发芽条件试验方案的优选；然后将在不同参数条件下的发芽过程试验及结果的数据，存入数据库；所述发芽计算模型由发芽势(X)公式，发芽率(Y)公式构成,

发芽势(X)公式为：X＝SN/ZN×100％，

发芽率(Y)公式为：Y＝LN/ZN×100％，

式中，SN为前述的在发芽势调查日所调查的发芽的种子数，LN为前述的在发芽率调查日所调查的正常幼苗数，ZN为前述的试验播种的种子数；

发芽条件差异检验优选决策单元，与数据库模块相连接，用于根据完全随机设计试验法模型进行计算，以检验同批种子不同温度、湿度、光照强度或水分发芽环境条件对发芽势或者发芽率的差异是否有显著影响，为研究者优选发芽环境条件提供决策；下面描述某种子在m个不同温度下重复试验n次的完全随机设计试验法模型；所述完全随机设计试验法模型由矫正数C公式，总平方和SST公式，处理平方和SSTR公式，误差平方和SSE公式，处理均方MSTR公式，误差均方MSE公式，F比值公式构成，其中，

矫正数C公式为：

总平方和SST公式为：

处理平方和SSTR公式为：

误差平方和SSE公式为：SSE＝SST-SSTR；

处理均方MSTR公式为：

误差均方MSE公式为:

F比值:

式中，X_ij为重复第i次试验的第j个温度条件下种子的发芽率；其中i为1,2,…n次；j为1,2,…m个不同温度；n为试验重复总次数，m为温度控制处理总次数；r为处理自由度，r＝m；c为重复自由度，c＝n；F比值是指处理均方与误差均方的比值；

该发芽条件差异检验优选决策单元在运行时,首先从数据库模块中取出同批种子的X_ij,n,m,r,c数据，然后根据以上完全随机设计试验法模型进行计算，求出F比值；再从数据库模块的F分配表中取出F显著度＝0.05对应临界值F^*(0.05)；接着该单元以人机界面形式显示F比值与F^*(0.05)值，如果F比值＞F^*(0.05)，表示不同温度值对发芽率的差异有影响，否则对发芽率无影响；当研究者判断F比值＞F^*(0.05)时，就验证优选发芽方案的温度参数具有统计意义；以上完全随机设计试验法模型同样能用于湿度或光照强度的辅助决策；

优选方案样本试验统计决策单元，与数据库模块相连接，用于从发芽试验智能控制器中获取同一优选方案的样本数各不相同的发芽样本试验的过程数据及结果数据，并且用于获取研究者经调查后输入的发芽样本试验的发芽信息SN，LN，ZN数据,并按照发芽计算模型计算出发芽势，发芽率，并进行统计分析，以人机界面形式，提供给研究者研究决策；然后将这些不同样本数的样本试验过程数据及结果数据，存入数据库模块中；这里的发芽计算模型与上述发芽条件研究统计及优选单元中的发芽计算模型一样；

优选方案样本试验样本检验决策单元，用于优选方案样本试验中同批种子不同样本数的样本试验的发芽率或者发芽势的差异分析，为研究者扩大样本数试验提供辅助决策信息；采用种子双样本发芽情况检验公式进行计算，以检验优选方案样本试验中，不同样本数的试验的发芽率或者发芽势差异是否来自随机误差或者处理误差，从而能够为研究者提供辅助决策；所述种子双样本发芽情况检验公式为：

$Z=\frac{P1-P2}{S_{(P1-P2)}};$

式中，P1表示第一个样本试验的发芽率，P2表示第二个样本试验的发芽率，Z值是统计过程控制的常用统计量之一，Z值是某一特征值与均值或百分率之间标准偏差的数量，它是一个相对量；

S_(P1-P2)表示双样本百分率标准误差，其计算公式如下：

$S_{(P1-P2)}=\sqrt{W1+W2};$

式中，n1表示第一个样本试验的样本数，n2表示第二个样本试验的样本数；

该单元在运行时,首先从数据库模块中取出同一批次种子在相同温度，湿度和光照强度下在两个样本试验的样本数n1和n2，以及发芽率P1和P2，然后根据以上种子双样本发芽情况检验公式进行计算，求出Z值，再从数据库模块的Z正态分布表中取出显著性水平精度α＝0.05对应的Z临界值Z^*(0.05)；接着该单元以人机界面形式显示Z值与Z^*(0.05)值，如果Z值＞Z^*(0.05)，表示不同样本数对发芽率的差异有影响，否则对发芽率无影响；当研究者判断Z值<Z^*(0.05)时，就说明其误差不是样本数所致；以上公式同样能用于发芽势的样本检验；

样本试验总结及查询单元，用于提供人机界面，以供研究者输入样本试验成功或者失败的技术经验，并将输入的技术经验存入数据库模块；还能够按照查询要求从数据库模块中取出这些技术经验，以人机界面显示或打印。

4.根据权利要求1所述的基于单片机控制的种子发芽试验辅助决策系统,其特征在于,所述发芽试验智能控制器：包括：多种外设输入输出接口，多种智能开关，多种传感器接口，数据通信接口元件；配置一个触控面板、报警装置和可插拔存储设备；

触控面板，一方面用于发芽室内种子发芽试验的环境条件实时数据的显示功能；另一方面用于手动选取其内部存储的发芽过程参数和控制任务配置文件，自动完成发芽过程中的环境参数调节过程；

多种外设输入输出接口，包括光电隔离输出接口、A/D转换器、各种驱动模块、TF卡接口、时钟电源插座、指示灯部件；用于输出控制信号驱动发芽室的加热器，加湿器，照明灯的运行，用于将外来的模拟信息转换为数字信息；

多种传感器接口，包括RS485接口、I²C接口、GPIO接口、SDIO接口，用于接受传感器反馈的实时信息；

多种智能开关，用于实现对发芽室内加热器、加湿器，照明灯的启动和较高精度的调节，以及用于实现对发芽室内电源的切断；

数据通信接口元件，包括UBS接口，定时器，中断控制器,外部中断控制器和实时时钟，用于实现发芽试验智能控制器与PC上位机之间的信息传输；

报警装置，具备报警参数设置及报警功能，用于根据发芽室报警数据进行报警。

5.根据权利要求4所述的基于单片机控制的种子发芽试验辅助决策系统,其特征在于,所述发芽试验智能控制器，其内部具备温度、湿度和光照强度的协同智能控制算法；发芽试验智能控制器自动根据研究者在发芽过程监控模块中设置的种子发芽试验的温度，湿度，光照强度，控制误差参数数据和所获取的发芽试验实时温度，湿度，光照强度数据，采用协同智能控制算法进行运算，不断调节发芽室的温度，湿度，光照强度发芽试验环境，消除温度、湿度和光照强度之间相互影响和干扰作用，实现发芽室的温度，湿度，光照强度发芽环境参数的智能控制。

6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的基于单片机控制的种子发芽试验辅助决策系统,其特征在于,所述发芽试验智能控制器，采用USB HID协议，通过数据通信接口元件，定时接收和存储PC上位机下发的控制指令或Python脚本配置文件，同时定时将来自发芽室种子发芽过程的实时温度，湿度，光照强度，水分数据上传至PC上位机数据库中以供分析查询，实现发芽试验智能控制器与上位机之间的指令、图像、传感器值、开关状态的传输。