一种基于物联网的甜瓜生长管理专家系统的制作方法
本发明涉及农业技术领域，具体涉及一种基于物联网的甜瓜生长管理专家系统。
背景技术：
我国是世界上种植甜瓜的大国，但是单位面积产量与发达国家的差距很大，其产量和品质潜力都远未达到最优水平,其中水肥的精准管理与施用在影响甜瓜产量与品质的许多要素中起着核心作用。农业种植者缺乏经验,导致甜瓜的水肥管理和温度缺乏科学化定量决策,在生产活动过程中也没有专业人士的咨询支持，导致遇到各种种植问题难以得到解决，产量下降，急需简易可视化的专家管理系统或者平台提供对他们各种种植协助。
目前我国研究出的农业专家管理系统存在以下问题：
(1)系统拥有的数据知识不能更新，很多专家管理系统用的只是以往的气候信息和栽培品种的差异来推理决策，甚至大多数系统是单机版的，不能积累数据和更新数据。
(2)系统缺少人工智能ai部分,目前ai技术发展到依赖深层结构人工神经网络模型和深度学习阶段，可以到被运用到生活中的各个方面，但是在农业上运用的较少，比如可以通过人工智能实现病虫害的智能识别和治理，人工智能识别作物生长状况，针对作物目前的表型指标进行水肥管理和温度的决策。
(3)没有运用农业物联网技术，目前物联网发展迅速，但是相关的农业应用非常少，可以通过传感器传输数据到物联网，将实时数据信息传输到系统，对系统的决策进行实时更正与相关预警。
(4)功能零散，并没有全程化管理，目前有的只是一些零散的比如温度监测，病虫害决策等功能的软件，并不能全程帮助用户决策，比如在选种开始到生长的各个阶段都能帮助用户做出正确的决策，解决用户的问题。
因此,结合现有的各种开发平台，比如中国移动物联网开发平台，阿里云开发平台，海康威视网络摄像头等各种前沿技术，基于javaweb技术和实验室的甜瓜水肥模型，构建一个实用性强，技术新颖，安全可靠，扩展性强的甜瓜水肥管理专家系统平台，预知作物的生长环境变化性，进行实时监控管理，在生长期内的定量化和精准化管理和提高温室利用效益,最大限度地避免种植和管理上的盲目性。
技术实现要素：
本发明针对现有技术的上述不足和缺陷，提供一种基于物联网的甜瓜生长管理专家系统,突破传统农业专家系统的范畴，将数据采集和数据存储放到系统平台，依据环境和作物实时变化做决策，实现了智慧农业的信息采集、数据存储、分析决策三个功能，为用户提供了种植全程保姆式服务。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种基于物联网的甜瓜生长管理专家系统，包括主界面模块、专家知识库模块、实时监测模块、生长模拟预测模块、决策推理模块、专家咨询模块、个人信息模块以及后台维护模块；其中：
所述主界面模块：显示当日天气情况、自然灾害预警、系统通知和/或农业营销广告；
所述专家知识库模块：近年气象资料查询、甜瓜品种信息浏览、栽培方式查询以及种植注意事项查询；
所述实时监测模块：环境监测和作物生长监测；
所述生长模拟预测模块：甜瓜的生长模拟、产量预测和品质预测；
所述决策推理模块：提供针对施肥、水量、温度和/或病虫害的决策；
所述专家咨询模块：平台在线留言答疑和/或专家一对一咨询；
所述个人信息模块：用户更改用户名和密码、添加联系方式以便与专家对接。
所述后台维护模块：整体处理和维护系统的内容，保证系统安全性，同时持续更新系统内模型和信息；包括：
答疑管理单元，：审核在线留言问题以及一对一咨询问题；
专家知识管理单元，：实时更新近年气象资料、甜瓜品种信息、栽培方式信息以及种植注意事项信息；
权限管理单元，：设置管理员权限和用户权限；
账号管理单元，：实时更新和存储用户名和密码以及添加的联系方式；
发布信息单元，：发布系统通知；
管理广告位单元，：发布农业营销广告；
施肥决策管理单元，：实时更新针对施肥、水量、温度和/或病虫害的决策模型。
优选地，专家知识库模块中：
近年气象资料包括近五年的间隔一小时记录的气象数据，气象数据中涉及到的气象因子包括温度、湿度、太阳总辐射和/或有效辐射；
所述气象数据以曲线图形式显示，并具有局部放大/缩小和保存图片功能；
甜瓜品种信息包括甜瓜的品种生理特性信息；
种植注意事项包括如下任意一项或任意多项信息：甜瓜的品种选择、各品种特性和栽培技术、病虫害防治信息。
优选地，实时监测模块中：
环境监测的结果结合物联网开发平台，整合环境监测传感器监测到的环境数据，以图标和图的方式直观展现；
作物生长监测通过摄像头远程监控捕捉生长画面结合人工判断辅以电脑智能识别实现。
优选地，生长模拟预测模块内置温室甜瓜试验的相关数据或通过自行添加相关指标，对甜瓜进行生长模拟、产量预测以及品质预测；
所述品质预测包含以下任意一项或任意多项指标：株高、单株叶面积、叶面积指数、干物重积累、单果重、总糖、蔗糖、果糖、vc、可溶性固体物；
对甜瓜的生长模拟过程，以表格或图像的模式输出，并且能够下载保存；
对甜瓜的产量预测以计算器的形式进行，即，通过输入单果重、种植面积以及每亩果实数目，并将三者相乘达到产量预测目的；
对甜瓜的品质预测，首先用户输入必要信息，生长模拟预测模块以表格和/或图像的形式显示甜瓜品质形成过程预测。其中必要信息包括：日期、甜瓜发育过程中的单位总糖含量、单位蔗糖含量、单位果糖含量、单位vc含量以及可溶性固形物含量中的任意一项或多项。
优选地，对甜瓜的生长模拟、产量和品质预测的结果通过实际监测数据进行修正，提高预测的适应性和准确性。
优选地，决策推理模块包括甜瓜水肥决策模型、综合决策模型和实时决策模型；其中：
所述甜瓜水肥决策模型内置于模块中，包括施肥决策、水量决策、最适温度决策和/或病虫害决策；
所述综合决策模型通过用户在模块中自行设置生成，包括施肥决策、水量决策、最适温度决策和/或病虫害决策；
所述实时决策模型通过采用环境监测传感器采集数据和/或图像识别技术得到甜瓜表型指标和生理指标，其中表型指标包括各个时期可见光下甜瓜植株形态及颜色特征以及果实的大小、颜色及纹理特征中的任意一项或多项，生理指标包括各个时期甜瓜植株各部位干物质分配量、叶面积指数、功能叶叶绿素含量及光合效率、果实重量、含水量、果肉硬度、果皮叶绿素含量、内部维生素c含量、总糖、蔗糖、果糖、葡萄糖、tss、硝酸盐含量中的任意一项或多项，综合分析后对种植过程中需肥需水以及水肥使用具体量和病虫害情况进行实时预警。
优选地，所述甜瓜水肥决策模型、综合决策模型和实时决策模型均包括5个时期，分别为：苗期、伸蔓期、开花坐果期、果实膨大期以及果实成熟期。
优选地，环境监测传感器包括光照强度传感器、光合有效辐射传感器、空气湿度传感器、空气温度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤盐分传感器、二氧化碳浓度传感器以及作物离子传感器；其中：所述作物离子传感器：提示施肥量，所述土壤湿度传感器：提供水量预警，土壤温度传感器：提供温度预警。
优选地，基于图像识别技术得到的病虫害情况判断通过勾选相关指标实现；所述相关指标包括：所处生育期、环境温湿度、土壤营养状况、发病部位、病斑大小颜色形状、是否有皱缩、是否有霉层霉层颜色及性状中的任意一项或多项。
优选地，专家咨询模块包括平台在线留言答疑子模块和专家一对一咨询子模块；其中：
所述平台在线留言答疑子模块中，用户通过平台在线留言答疑子模块的在线咨询单元进入平台在线留言答疑子模块的提问显示单元，其中，所提问题和专家解答均经过审核通过后在专家咨询模块的主界面显示单元显示，方便更多的用户直接查看；
专家一对一咨询子模块包括专家在线答疑单元和专家邮箱答疑单元，其中，专家在线答疑单元通过专家一对一咨询子模块的在线咨询单元进入专家一对一咨询子模块的提问显示单元，；所述专家一对一咨询子模块的提问显示单元设有邮件过滤器，所述邮件过滤器根据预设关键字筛选出复杂或者涉及商业机密的问题直接发送至专家邮箱并通过专家邮箱答疑单元进行解决。
优选地，后台维护模块对于系统内信息的实时更新，根据国内相关重要研究成果同步进行，缩短了科技成果转化的周期让农户更快受益。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)将甜瓜的相关专家知识经验构建成专家知识库，像农业专家一样指导用户进行品种选择，栽培方式选择，提供病虫害防治资源库和种植注意事项库。
(2)把物联网技术用在本系统上(例如可以通过中国移动物联网开发平台onenet和海康威视网络摄像头)，通过在各个目标区域放置的无线传感器和网络摄像头，传感器把各区域的甜瓜生长的环境信息进行实时采集，利用短距离通讯技术把数据交给计算机处理并将得到的数据可视化，网络摄像头24小时不间断监控甜瓜生长状况，通过人工或智能软件判断它的健康情况等。
(3)通过数据库中的甜瓜生长实验数据，让用户选择品种和栽培方式后模拟甜瓜的生长指标和品质以表格或者图像的形式展现，还提供了产量预测计算器，另外用户还可以记录每天甜瓜的生长指标对预测结果进行修正。
(4)利用系统模型库内的甜瓜水肥模型，对甜瓜种植全过程进行一个整体水肥管理方案决策，同时，结合实时监测到的环境数据和甜瓜植株生长数据，基于机器学习方法的判别分析，对甜瓜的肥量和水量与温度进行实时预警，与生育期模型、甜瓜生长模型结合分析，给出甜瓜实时水肥管理决策方案。
(5)实现天气灾害预警，重要通知发布，专家在线支持等一系列功能。
(6)利用后台维护页面，管理维护人员可以及时的更新平台模型和知识库。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明系统的开发流程图
图2为本发明系统的总体结构示意图；
图3为本发明系统的各模块功能设计图；
图4为主界面模块示意图；
图5为生长环境监测示意图；
图6为相关传感器和数据集中器以及数据采集器示意图；
图7为作物生长监测总界面示意图；
图8为生长模拟预测数据表；
图9为甜瓜综合决策方案界面示意图；
图10为甜瓜实时决策界面示意图；
图11为专家咨询总界面示意图；
图12为在线答疑问题提交界面示意图；
图13为个人设置界面示意图；
图14为系统维护功能广告位管理界面图示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。以下说明例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例
本实施例提供了一种基于物联网的甜瓜生长管理专家系统，包括主界面模块、专家知识库模块、实时监测模块、生长模拟预测模块、决策推理模块、专家咨询模块、个人信息模块、后台维护模块；该系统能够管理甜瓜实时生长环境监测、生长状况监测、适宜水肥量和环境温度预警，以及结合图像识别技术的病虫害智能判断，同时可实现甜瓜生长发育模拟和产量品质高精度预测，并且配备种植知识库和专家在线答疑功能；
主界面模块显示当日天气情况、自然灾害预警，以及系统重要通知和农业营销广告；
专家知识库模块主要分为4个功能模块：近年气象资料查询、甜瓜品种信息浏览、栽培方式查询以及种植注意事项等4个功能模块；
实时监测模块分为环境监测和作物生长监测；
生长模拟预测模块分为甜瓜生长模拟、产量预测、品质预测；
决策推理模块包括内置的甜瓜水肥决策、综合决策和实时决策；
专家咨询模块通过平台在线留言答疑和专家一对一咨询两种途径实现；
个人信息模块方便用户更改用户名和密码，添加联系方式以便与专家对接。
系统维护模块是整体处理和维护系统的内容，保证系统安全性；主要包括答疑管理、专家知识管理、权限管理、账号管理、发布重要信息、管理广告位以及施肥决策管理等单元，同时不断更新系统内模型即信息，且仅管理员账户方式可见。
优选地，专家知识库模块包括近五年、间隔一小时记录的气象数据，，并以曲线图的形式显示，可以“局部放大缩小”和“保存图片”，涉及到的气象因子有温度、湿度、太阳总辐射、有效辐射等；
甜瓜品种信息浏览包括品种生理特性；
种植注意事项模块是甜瓜的品种选择、各品种特性和栽培技术、病虫害如何防治等专家知识汇总。
进一步地，实时监测模块中生长环境监测结果结合物联网开发平台(例如中国移动物联网开发平台)，整合环境传感器监测到的数据，以图标和图的方式直观展现；
作物生长监测是通过摄像头远程监控捕捉生长画面结合人工判断辅以电脑智能识别来实现。
进一步地，甜瓜生长模拟模块内置温室甜瓜试验的相关数据(例如可以采用上海交通大学农业与生物学院对温室甜瓜实验的相关数据)对甜瓜进行生长模拟和产量预测，品质预测；包含以下指标：株高，单株叶面积，叶面积指数，干物重积累，单果重，总糖，蔗糖，果糖，vc，可溶性固体物等。用户也可以通过自行添加相关指标进行模拟。模拟过程将以表格或图像的模式输出，并且可以下载保存；
甜瓜产量预测以计算器的形式进行；
甜瓜品质预测用户输入必要信息，系统以表格和图像的形式显示甜瓜品质形成过程预测。
进一步地，模拟预测结果科通过实际监测数据可对预测结果进行修正，提高了预测的适应性和准确性；
进一步地，用户可利用模型库内的甜瓜水肥决策模型也可自行在系统内生成综合决策模型进行决策，模型涉及施肥决策、水量决策、最适温度决策和病虫害决策；
实时决策模型结合环境监测传感器的数据和/或图像识别技术得到甜瓜的表型指标和生理指标，综合分析后对种植过程中需肥需水以及使用量具体量和病虫害情况进行实时预警。
进一步地，环境监测传感器包括光照强度传感器、光合有效辐射传感器、空气湿度传感器、空气温度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤盐分传感器、二氧化碳浓度传感器、作物离子传感器：其中作物离子传感器提示施肥量，土壤湿度传感器提供水量预警，土壤温度传感器提供温度预警。
进一步地，每项决策模型都分为5个时期：苗期、伸蔓期、开花坐果期、果实膨大期、果实成熟期。
进一步地，基于图像识别技术的病虫害情况判断通过勾选相关指标来实现。
进一步地，平台在线留言答疑用户通过点击“在线咨询”按钮进入模块的提问界面，所提问题和专家解答经过网站管理员审核通过后会在专家咨询模块主界面显示，方便更多的用户直接查看。
专家一对一咨询分为专家在线答疑和专家邮箱答疑，专家在线答疑模式同平台在线留言答疑用户；对于比较复杂或者涉及商业机密的问题可通过直接给专家发送邮箱来解决。
进一步地，后台维护模块对于系统内的模型和信息，根据国内重要研究成果同步更新，缩短了科技成果转化的周期让农户更快受益。
下面结合附图以及具体应用对本实施例进一步描述。
本实施例的具体应用中，可以综合利用中国移动物联网开发平台,海康威视网络摄像头等各种前沿技术，基于javaweb技术和实验室积累的甜瓜水肥模型，配备各类传感器、数据采集器和数据集中器，构建甜瓜水肥管理专家系统平台，来预知作物的生长环境变化性，进行实时监控管理，在生长期内的定量化管理和提高温室利用效益,最大限度地避免种植和管理上的盲目性，本系统的开发过程如图1所示，总体结构图实现如图2所示，以下分别详细说明：
人机界面，通过本系统的主界面模块实现：指的是普通用户，管理员，农业专家通过浏览器访问本系统的界面，通过人机界面向用户输出甜瓜专业知识，作物监测，决策信息等相关信息，普通用户向人机界面输入甜瓜种植的生理指标，专家向人机界面输入答疑信息，维护人员通过系统维护页面来更新数据库和知识库模型库。
知识库：
模型库：基于表型监测的温室网纹甜瓜基质水分状况分类预测模型，进行水分状况的预警提示。
数据库：本系统的数据库中有气象资料数据，品种数据，栽培方式，种植资料，病虫害知识，甜瓜生长预测数据，甜瓜产量和品质的预测数据等一系列实现各种功能的数据。决策和推理的输出需要大量数据的输入才能使决策和推理更加准确，因此对数据库的更新和整理维护是十分重要的。
其中该专家系统的人机界面分为以下几个模块首页/主界面、专家知识库模块、监测信息模块、生长模拟预测模块、决策推理模块、专家咨询模块、个人信息模块、后台维护模块，具体实现方式和功能介绍(图3)如下；
采用了心知天气网(https://www.seniverse.com)提供基于web的天气插件，方便用户了解最近天气和自动定位用户城市，对极端气候实时预警；并用jsp页面开发技术制作动态广告位为需要的农作物广告商提供广告展示。重要通知也可在系统内查看，如涉及农业产业的重要新闻，系统平台更新维护信息，系统的预警信息处理，甜瓜病虫害新闻等。
由于农业的生产管理需要的种植经验和相关数据进行参考决策，专家知识库的水平决定了本系统的专业性，传统专家管理系统把全部与农业相关的资料都放进去，造成用户体验时十差劲和用网络搜索引擎的效果不分上下。本系统考虑到用户体验，专注于甜瓜的种植资料。甜瓜专家知识库模块主要是通过查阅甜瓜相关的论文提取重要数据资料模型进行整合，把图书，互联网资源，实验室的生产实践经验和研究结果等文字和图片放到知识库，用户通过点击图片或文字来查询获取相关知识。
(1)生长环境监测(图5)：通过各种传感器监测作物生长环境指标，再将这些数据通过中国移动物联网专网或者wifi传到中国移动物联网开发平台，在本系统内嵌(api)入监测界面进行可视化实时监测。主要用到的传感器有(图6)：a.光照强度传感器b.光合有效辐射传感器c.空气湿度传感器d.空气温度传感器e.土壤温度传感器f.土壤湿度传感器g.土壤盐分传感器h.二氧化碳浓度传感器i.作物离子传感器等传感器。数据采集仪通过应用通讯，遥测和计算机技术将采集到的农业生产信息数据进行实时的采集和处理，传输到数据集中器后，数据集中器将数据采集仪收集到的环境和作物参数处理后经物联网通过多种通讯方法与信息中心计算机进行通讯，将数据传输到服务器数据库中，物联网开发平台将得到的数据送入计算机处理，预报和打印等。
(2)作物生长监测(图5)：本功能通过海康威视网络摄像头实现作物生长实时监测，界面是10路摄像头同时监测的画面，点击任意摄像头能进入该摄像头的放大界面，将来使用goolelens强大的计算机视觉算法实现对拍摄作物生理指标的识别，结合ai人工智能进行甜瓜病虫害的定性检测。
本模块内置上海交通大学农业与生物学院温室甜瓜试验的相关数据对甜瓜进行生长模拟和产量预测，品质预测。包含以下指标：株高，单株叶面积，叶面积指数，干物重积累，单果重，总糖，蔗糖，果糖，vc，可溶性固体物等。用户也可以通过自行添加相关指标进行模拟。模拟过程将以表格或图像的模式输出(图6)，并且可以下载保存。
决策推理模块分为整体决策(图7)和实时决策，整体决策模块是用户在种植前或者任何生长发育时期可以参考的一个整体的决策方案，只要选择好种植地点，品种，栽培方式就可以生成管理方案，整体决策方案包括施肥决策，灌溉决策，温度决策，病虫害防治决策等，每个决策都分为5个时期，苗期，伸蔓期，开花坐果期，果实膨大期，果实成熟期。
水肥管理使用了上海交大农业生物学院，设施园艺工程与技术团队研究生崔冲“基质含水量对温室网纹甜瓜过时品质的影响模拟”和魏亦榕“有机氮比例对温室网纹甜瓜果实品质形成的模拟”以及相关文献中的结论作为知识库。
实时决策和整体决策不同，由于农业生产管理是针对随时间和环境的变化而变化，本系统通过监测模块监测到的生长环境数据和作物生长情况指标结合甜瓜的水量预警模型等相关模型进行数据综合分析，实时决策的功能，实现对施肥量，灌溉量，温度的预警，病虫害的分析功能。
专家咨询模块实现用户问题的在线咨询(图8)和专家1对1解答(图9)，在线咨询实现用户提交问题后专家进行解答，解答经过网站管理员审核以后展现在专家咨询界面。专家1对1咨询实现专家自己定价，用户选择自己需要的专家，进行付款后可以向该专家专用邮箱发送邮件进行1对1解答。
使用者可以查看自己的id，自行修改用户密码，联系方式，联系地址等(图10)。
管理员用户特有界面(图11)，只有通过管理员账户方式可见，保证了系统安全性，提供整体的处理和维护系统，方便的进行全过程、全方位的管理，主要包括答疑管理、专家知识管理、权限管理、账号管理、发布重要信息、管理广告位以及施肥决策管理等(图12)。
本实施例提供的一种基于物联网的甜瓜生长管理专家系统，系统包括主界面模块、专家知识库模块、监测信息模块、生长模拟预测模块、决策推理模块、专家咨询模块、个人信息模块、后台维护模块；其中生长管理包括：甜瓜实时生长环境监测、生长状况监测、适宜水肥量和环境温度预警，以及结合图像识别技术的病虫害智能判断，同时可实现甜瓜生长发育模拟和产量品质高精度预测，并且配备种植知识库和专家在线答疑功能。本实施例搭载物联网技术，实现环境和植株生长信息实时监测，有助于种植决策；实时的水肥及环境温度预警，提醒用户改善管理条件；可实现植株生长指标、果实品质以及产量的高精度模拟；依据实时环境和作物生长监测、基于机器学习方法的数据处理、作物生长模型预测等综合分析，提供实时水肥精准决策方案。
以上对本发明的具体实施进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
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