果園灌溉軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u19300果園灌溉軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)案例 1250181.1軟件平臺(tái)整體結(jié)構(gòu) 1258931.1.1開發(fā)語(yǔ)言和開發(fā)工具 255791.1.2數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì) 4267741.2軟件平臺(tái)功能設(shè)計(jì) 6168171.2.1數(shù)據(jù)顯示模塊 77331.2.2預(yù)測(cè)模塊 9222871.2.3控制模塊 11234911.3系統(tǒng)應(yīng)用 14主要設(shè)計(jì)了果園灌溉軟件平臺(tái)，將第3章、第4章建立的預(yù)測(cè)模型與控制模型進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，通過(guò)軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)果園的遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)時(shí)查看環(huán)境數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程控制電磁閥的開和閉，從而實(shí)現(xiàn)智能灌溉控制。本章最后，將本文設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)應(yīng)用到蘋果園中，將智能灌溉與傳統(tǒng)灌溉進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析，驗(yàn)證智能灌溉的優(yōu)越性。1.1軟件平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)果園灌溉軟件平臺(tái)的目的在于實(shí)現(xiàn)果園的智能化灌溉。將果園中傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共享，并由Web端調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化。通過(guò)軟件平臺(tái)的智能決策功能，精準(zhǔn)計(jì)算出灌溉時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)而遠(yuǎn)程控制電磁閥的開啟關(guān)閉，不僅可以節(jié)約大量的水資源，還可以根據(jù)果樹的需水規(guī)律進(jìn)行灌溉，從而提高產(chǎn)量。如圖5-1所示為果園灌溉軟件平臺(tái)結(jié)構(gòu)。圖5-1果園灌溉軟件平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.5-1Orchardirrigationsoftwareplatformstructure果園灌溉軟件平臺(tái)主要包括三部分，分別是后臺(tái)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)和Web頁(yè)面。后臺(tái)服務(wù)器有兩部分，一個(gè)是由Java語(yǔ)言編寫的控制后臺(tái)，主要提供數(shù)據(jù)解析、遠(yuǎn)程通信和指令下發(fā)等功能；另一個(gè)是由Python語(yǔ)言編寫的預(yù)測(cè)后臺(tái)，其主要功能是進(jìn)行蒸騰量預(yù)測(cè)、灌溉時(shí)長(zhǎng)的計(jì)算和控制策略的制定，兩者都對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入和讀取操作。數(shù)據(jù)庫(kù)作為整個(gè)軟件的數(shù)據(jù)中心，里面存儲(chǔ)著各種數(shù)據(jù)，后臺(tái)服務(wù)器和Web頁(yè)面可以調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的各種數(shù)據(jù)。Web頁(yè)面的主要功能是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作，方便用戶的訪問(wèn)和查看。1.1.1開發(fā)語(yǔ)言和開發(fā)工具本文果園控制后臺(tái)使用Java語(yǔ)言進(jìn)行代碼的編寫，使用的開發(fā)工具為IntelliJIDEA（簡(jiǎn)稱IDEA）。運(yùn)用SpringBoot框架，進(jìn)行基礎(chǔ)邏輯的處理、HTTP鏈接的控制、總體切面的管理及程序運(yùn)行錯(cuò)誤時(shí)異常的拋出。Web端使用了Vue技術(shù)進(jìn)行頁(yè)面的編寫，運(yùn)用ElementUI框架進(jìn)行界面的展示。如圖5-2所示為IDEA開發(fā)環(huán)境。圖5-2IDEA開發(fā)環(huán)境Fig.5-2IDEAdevelopmentenvironment本文所用到的預(yù)測(cè)算法和控制算法是由Python編寫的，Python中具有豐富的類庫(kù)，使用者不需要了解底層復(fù)雜的處理邏輯，只需要調(diào)用封裝好的庫(kù)，就可以進(jìn)行程序的編寫，使用方便。Python作為一種成熟、穩(wěn)定、完善的通用性語(yǔ)言深受廣大編程者喜愛(ài)。本文預(yù)測(cè)算法主要包含以下四個(gè)部分：數(shù)據(jù)預(yù)處理部分、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)部分、網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練部分和數(shù)據(jù)可視化部分。其中數(shù)據(jù)預(yù)處理部分主要使用了pandas、numpy和sklearn包將序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為監(jiān)督數(shù)據(jù)；為了快速高效的搭建網(wǎng)絡(luò)，本文基于Keras框架實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)部分和網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練部分；最后通過(guò)內(nèi)置于Python且功能強(qiáng)大的matplotlib繪圖庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的繪制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化部分。對(duì)于控制算法，首先利用pipinstallscikit-fuzzy語(yǔ)句在Python環(huán)境中裝入模糊控制庫(kù)，然后就可以在Python環(huán)境中進(jìn)行模糊邏輯編寫，建立模糊控制模型，通過(guò)模糊控制模型計(jì)算精準(zhǔn)的灌溉時(shí)長(zhǎng)。如圖5-3所示為Python開發(fā)環(huán)境。圖5-3Python開發(fā)環(huán)境Fig.5-3Pythondevelopmentenvironment1.1.2數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)管理的工具，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，有效的避免了數(shù)據(jù)冗余的現(xiàn)象。數(shù)據(jù)庫(kù)不僅存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，操作方便，而且存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)清晰明了，數(shù)據(jù)庫(kù)的合理性能大大提高數(shù)據(jù)讀取的效率。本文使用了MySQL進(jìn)行數(shù)據(jù)的存放，使用Navicat數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具進(jìn)行數(shù)據(jù)的查看及修改。使用MyBatis框架對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行增、刪、改、查等操作。為滿足平臺(tái)的需求，數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)了氣象站數(shù)據(jù)表、土壤墑情數(shù)據(jù)表、蒸騰量預(yù)測(cè)信息表、灌溉設(shè)備控制表、定時(shí)灌溉任務(wù)表等。氣象站數(shù)據(jù)表主要存儲(chǔ)果園氣象信息，包含氣象站id、氣象站名稱、空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、大氣壓強(qiáng)、降雨量等數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)表如表5-1所示。表5-1氣象站數(shù)據(jù)表Table5-1Weatherstationdatatable列名數(shù)據(jù)類型是否為空約束說(shuō)明weather_idintNO主鍵氣象站idweather_namevarchar(100)NO無(wú)氣象站名稱temperaturedouble(10,2)NO無(wú)空氣溫度humiditydouble(10,2)NO無(wú)空氣濕度illuminancedouble(10,2)NO無(wú)光照強(qiáng)度pressuredouble(10,2)NO無(wú)大氣壓強(qiáng)rainfalldouble(10,2)NO無(wú)降雨量Sun_durationdouble(10,2)NO無(wú)日照時(shí)數(shù)wind_speeddouble(10,2)NO無(wú)風(fēng)速土壤墑情數(shù)據(jù)表主要存儲(chǔ)傳感器監(jiān)測(cè)到的土壤數(shù)據(jù)信息，主要包括土壤id、土壤名稱、土壤溫度、土壤濕度、PH值等數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)表如表5-2所示。表5-2土壤墑情數(shù)據(jù)表Table5-2Soilmoisturedatatable列名數(shù)據(jù)類型是否為空約束說(shuō)明soil_idintNO主鍵土壤idsoil_namevarchar(100)NO無(wú)土壤名稱soil_temperaturedouble(10,2)NO無(wú)土壤溫度soil_humiditydouble(10,2)NO無(wú)土壤濕度phdouble(10,2)NO無(wú)PH值蒸騰量預(yù)測(cè)信息表中主要存放預(yù)測(cè)算法預(yù)測(cè)的蒸騰量，選擇時(shí)間可以查看某一天具體的蒸騰量數(shù)值，數(shù)據(jù)表如表5-3所示。表5-3蒸騰量預(yù)測(cè)信息表Table5-3Transpirationpredictioninformationtable列名數(shù)據(jù)類型是否為空約束說(shuō)明data_datevarchar(10)NO無(wú)數(shù)據(jù)所屬日期data_from_idintNO主鍵數(shù)據(jù)idtranspirationdouble(10,2)NO無(wú)蒸騰量灌溉設(shè)備控制表中主要存儲(chǔ)果園灌溉信息，包括設(shè)備id、設(shè)備名稱、灌溉時(shí)間和灌溉時(shí)長(zhǎng)等，遠(yuǎn)程控制灌溉設(shè)備的開啟和關(guān)閉，設(shè)備控制表如表5-4所示。表5-4灌溉設(shè)備控制表Table5-4Irrigationequipmentcontroltable列名數(shù)據(jù)類型是否為空約束說(shuō)明equipment_idintNO主鍵設(shè)備idequipment_namevarchar(100)NO無(wú)設(shè)備名稱equipment_stsvarchar(1)NO無(wú)設(shè)備狀態(tài)start_timedatetimeNO無(wú)灌溉時(shí)間durationintNO無(wú)灌溉時(shí)長(zhǎng)定時(shí)灌溉任務(wù)表中主要存放定時(shí)任務(wù)信息，主要包括任務(wù)的創(chuàng)建時(shí)間、節(jié)點(diǎn)編號(hào)、任務(wù)狀態(tài)、任務(wù)的類型等信息，定時(shí)任務(wù)表如表5-5所示。表5-5定時(shí)灌溉任務(wù)表Table5-5Scheduleofirrigationtasks列名數(shù)據(jù)類型是否為空約束說(shuō)明create_timevarchar(10)NO無(wú)創(chuàng)建時(shí)間instructionvarchar(200)NO無(wú)指令nodeintNO主鍵節(jié)點(diǎn)編號(hào)statusvarchar(1)NO無(wú)任務(wù)狀態(tài)task_namevarchar(100)NO無(wú)任務(wù)名稱task_timevarchar(10)NO無(wú)任務(wù)時(shí)間task_typevarchar(1)NO無(wú)任務(wù)類型如圖5-4所示為數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境，里面存儲(chǔ)著各種數(shù)據(jù)，以表格的形式進(jìn)行展示，方便管理員進(jìn)行增、刪、改、查等操作，而且數(shù)據(jù)維護(hù)簡(jiǎn)單、安全。圖5-4數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境Fig.5-4Databaseenvironment1.2軟件平臺(tái)功能設(shè)計(jì)如圖5-5所示為軟件平臺(tái)功能示意圖，本文中的果園灌溉平臺(tái)主要包括三個(gè)模塊，分別是：數(shù)據(jù)顯示模塊、預(yù)測(cè)模塊和控制模塊。圖5-5軟件平臺(tái)功能示意圖Fig.5-5Functiondiagramofsoftwareplatform數(shù)據(jù)顯示模塊主要顯示傳感器采集的氣象數(shù)據(jù)與土壤墑情數(shù)據(jù)信息；預(yù)測(cè)模塊中主要顯示蒸騰量預(yù)測(cè)值并進(jìn)行圖形化顯示，可以實(shí)時(shí)查看預(yù)測(cè)蒸騰量的數(shù)值，為科學(xué)灌溉提供依據(jù)；控制模塊的功能是對(duì)電磁閥等設(shè)備進(jìn)行開關(guān)控制，可以在定時(shí)任務(wù)頁(yè)面制定定時(shí)任務(wù)。本文的軟件平臺(tái)針對(duì)以往果園灌溉監(jiān)控平臺(tái)的單一性、實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、實(shí)用。1.2.1數(shù)據(jù)顯示模塊數(shù)據(jù)顯示模塊主要用于顯示從傳感器發(fā)送來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，首先將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后由Web端通過(guò)Axios技術(shù)從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示在頁(yè)面上，方便管理員查看果園信息和管理果園。數(shù)據(jù)調(diào)用過(guò)程如下：首先發(fā)送網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，連接數(shù)據(jù)庫(kù)獲取數(shù)據(jù)；然后判斷數(shù)據(jù)是否獲取成功，如果獲取成功，則將數(shù)據(jù)在Web端進(jìn)行顯示；如果沒(méi)有獲取成功，則重新從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取數(shù)據(jù)；然后刷新頁(yè)面，判斷有沒(méi)有新的數(shù)據(jù)上傳，如果有新數(shù)據(jù)，則接收新數(shù)據(jù)。如圖5-6所示為果園環(huán)境數(shù)據(jù)獲取流程圖。圖5-6果園環(huán)境數(shù)據(jù)獲取流程圖Fig.5-6Orchardenvironmentaldataacquisitionflowchart如圖5-7所示為果園氣象站測(cè)得的數(shù)據(jù)的圖形化展示界面，主要有溫度、濕度、光照強(qiáng)度、大氣壓強(qiáng)等數(shù)據(jù)，用表格的形式顯示數(shù)據(jù)，可以方便的查看歷史數(shù)據(jù)，同時(shí)用折線圖進(jìn)行數(shù)據(jù)趨勢(shì)的圖形化顯示，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可讀性，方便用戶直觀的查看數(shù)據(jù)的變化情況。如圖5-8所示為傳感器測(cè)得的土壤數(shù)據(jù)指標(biāo)，主要包括土壤溫度、土壤濕度、PH值等數(shù)據(jù)，用表格顯示具體數(shù)據(jù)值，用折線圖展示數(shù)據(jù)的變化情況。圖5-7氣象站數(shù)據(jù)顯示頁(yè)面Fig.5-7FunctionDiagramofSoftwarePlatform圖5-8土壤墑情數(shù)據(jù)顯示頁(yè)面Fig.5-8Displaypageofsoilmoisturedata1.2.2預(yù)測(cè)模塊蒸騰量的預(yù)測(cè)由預(yù)測(cè)模塊完成，由于在Python環(huán)境中已經(jīng)裝好了pymysql驅(qū)動(dòng)，所以Python可以直接訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的氣象數(shù)據(jù)和土壤墑情數(shù)據(jù)等信息。首先創(chuàng)建連接，保證Python可以連接到數(shù)據(jù)庫(kù)；其次執(zhí)行查詢操作，獲取需要的數(shù)據(jù)；然后將獲取的數(shù)據(jù)輸入Attention-LSTM預(yù)測(cè)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，輸出預(yù)測(cè)值；最后將預(yù)測(cè)值存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，Web端調(diào)取預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。如圖5-9所示為預(yù)測(cè)模型實(shí)現(xiàn)流程圖。圖5-9預(yù)測(cè)算法實(shí)現(xiàn)流程圖Fig.5-9Flowchartofpredictionalgorithmimplementation如圖5-10所示為果樹蒸騰量預(yù)測(cè)頁(yè)面，數(shù)據(jù)用柱形圖來(lái)表示，可以直觀的看到數(shù)據(jù)的變化情況，也可以選擇日期查看某一天的具體蒸騰量的數(shù)據(jù)，有利于實(shí)現(xiàn)灌溉的精準(zhǔn)化，同時(shí)為更多的研究者提供了大量的數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)科學(xué)種植。圖5-10果樹蒸騰量預(yù)測(cè)頁(yè)面Fig.5-10Forecastdataoftranspirationoffruittrees1.2.3控制模塊控制模塊的灌溉方式有兩種方式：一種是智能灌溉，一種是手動(dòng)灌溉。手動(dòng)灌溉需要管理員手動(dòng)的開啟或關(guān)閉電磁閥；智能灌溉方式運(yùn)用模糊控制，基于人類的經(jīng)驗(yàn)并模仿人類的思維模式來(lái)控制復(fù)雜的系統(tǒng)，不需要用精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型描述。首先判斷是否是智能灌溉方式，如果是智能灌溉方式，判斷傳感器測(cè)得的土壤濕度是否小于最佳土壤濕度，如果是大于最佳土壤濕度，則不進(jìn)行灌溉；如果小于最佳土壤濕度，則將土壤濕度偏差與蒸騰量輸入控制模型中，利用模糊控制技術(shù)計(jì)算出最終的灌溉時(shí)長(zhǎng)，然后遠(yuǎn)程開啟電磁閥進(jìn)行灌溉，如果灌溉時(shí)間沒(méi)有到達(dá)，則繼續(xù)灌溉；如果灌溉時(shí)間到達(dá)，則結(jié)束灌溉，從而達(dá)到節(jié)約水資源，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉的目的。如圖5-11所示為灌溉控制結(jié)構(gòu)流程圖?？刂颇K中有兩個(gè)頁(yè)面：一個(gè)是設(shè)備控制頁(yè)面，另一個(gè)是任務(wù)中心頁(yè)面。如圖5-12所示為設(shè)備控制頁(yè)面，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)果園內(nèi)電磁閥的遠(yuǎn)程控制、電磁閥開關(guān)狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)、灌溉時(shí)長(zhǎng)的記錄以及控制任務(wù)的處理等功能。如圖5-13所示為任務(wù)中心頁(yè)面，主要實(shí)現(xiàn)定時(shí)任務(wù)的生成，輸入電磁閥的編號(hào)，選擇開啟關(guān)閉的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)在具體時(shí)間段內(nèi)軟件平臺(tái)可以自動(dòng)發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)電磁閥的自動(dòng)開啟或關(guān)閉。圖5-11灌溉控制結(jié)構(gòu)流程圖Fig.5-11Flowchartofirrigationcontrolstructure圖5-12設(shè)備控制頁(yè)面Fig.5-12Devicecontrolpage圖5-13任務(wù)中心頁(yè)面Fig.5-13Taskcenterpage控制模塊硬件部分主要包括電磁閥門控制器、LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、電磁閥門和電源。其中電磁閥門控制器主要對(duì)電磁閥門執(zhí)行開啟關(guān)閉等控制操作；LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)通信，并接收和解析網(wǎng)關(guān)下發(fā)的控制命令來(lái)完成控制等相關(guān)任務(wù)；電源主要為電磁閥門控制器、LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和電磁閥門進(jìn)行供電。本文的電磁閥門選擇的型號(hào)為2W-025-08，支持AC220V、DC24V、DC12V三種供電方式，而且是全銅制造、抗壓能力強(qiáng)、性價(jià)比高、價(jià)格便宜。如圖5-14所示為控制模塊工作流程，首先對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)初始化；其次連接LoRa無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)指令的上傳下達(dá)；接著監(jiān)聽網(wǎng)關(guān)發(fā)送的指令信息，當(dāng)監(jiān)聽到控制指令時(shí)，對(duì)電磁閥執(zhí)行開啟關(guān)閉等動(dòng)作，如果是打開電磁閥門指令則打開電磁閥進(jìn)行灌溉，當(dāng)灌溉時(shí)長(zhǎng)到達(dá)后則關(guān)閉電磁閥；若為關(guān)閉電磁閥門指令，則直接關(guān)閉電磁閥即可。若電路檢測(cè)到閥門狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，則將電磁閥門的狀態(tài)進(jìn)行上傳，當(dāng)收到網(wǎng)關(guān)的反饋信息后，則再次進(jìn)入進(jìn)行控制指令的監(jiān)聽。圖5-14控制模塊工作流程Fig.5-14Workflowofcontrolmodule1.3系統(tǒng)應(yīng)用為了檢驗(yàn)本文提出的灌溉方法的優(yōu)越性，在2020年4月份到2020年12月份進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，如圖5-15所示為果園所用傳感器的安裝，本文的實(shí)驗(yàn)對(duì)象為山西運(yùn)城的蘋果種植園實(shí)驗(yàn)基地，種植年限為8年，實(shí)驗(yàn)田面積為10畝，株行距為3m左右。在果園中，電磁閥門控制器有一個(gè)，用來(lái)對(duì)電磁閥門執(zhí)行開啟關(guān)閉等操作，共有3個(gè)電磁閥來(lái)接收指令并進(jìn)行相應(yīng)的灌溉操作。本文的實(shí)驗(yàn)將果樹分為兩組：一組為智能灌溉田，一組為傳統(tǒng)灌溉田。為了強(qiáng)調(diào)兩組實(shí)驗(yàn)的對(duì)比性，在果樹生長(zhǎng)階段要保證兩組果樹在同一時(shí)間內(nèi)使用相同種類，并且等量的肥料與農(nóng)藥，實(shí)驗(yàn)田使用智能灌溉控制系統(tǒng)，對(duì)照田使用傳統(tǒng)的灌溉方式。最后從灌溉量、平均果實(shí)重量、總產(chǎn)量、果實(shí)的橫縱徑來(lái)驗(yàn)證灌溉方式的優(yōu)劣。a)太陽(yáng)能板b)溫濕度傳感器a)Solarpanelsb)Temperatureandhumiditysensor圖5-15現(xiàn)場(chǎng)傳感器安裝Fig.5-15Fieldsensorinstallation如表5-6所示為智能灌溉和傳統(tǒng)灌溉的灌溉量、果實(shí)平均重量、總產(chǎn)量之間的對(duì)