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张舒婷

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基于MPIS架构的便携式智能干物质增长预测系统

  项目背景:
  随着科学技术的发展,“科学种田”理念逐渐深入人心。利用先进的科学技术,合理有效的播种、施肥、灌溉已成为降低成本增加产量的有效途径。传统的科学种田主要采取技术员下乡普及相关知识等手段,这种方法效率低下,覆盖面窄。针对这种情况,科研人员研发了农业专家系统,通过计算机软件以及知识推理来指导种植户科学种田。这种方法虽然解决了效率低下等问题,但随之而来又出现了许多新的问题,如:软件过于复杂用户不会使用;手工导入的数据往往具有偏差等等。
  国内外现状:
  从20世纪90年代开始,我国科研人员开始研发农业专家系统。
  1992年,中国农科院作物所赵双宁等研制开发的“冬小麦新品种选育专家系统”;
  1998年,南京农业大学研发的小麦管理智能决策系统;
  2003年,郑向群、高怀友等完成了等利用数据挖掘技术对农业环境信息数据分析。
  在国外,美国20世纪80年代初提出了精准农业的概念和设想;
  目前在美国等发达国家,精准农业已经形成一种高新技术与农业生产相结合的产业,并且已被广泛承认是可持续发展农业的重要途径。
  美国推广利用精准农业技术,获得了显著的经济及社会效益。精准农业是要根据农田内作物生产条件的时空差异性,基于农田内小区土壤、作物、环境等的时空差异性信息,实施精细化定位农作管理。
  例如,施肥应根据农田内部各处的土壤肥力状况不同而不同,土壤养分较差的地方应该多施肥,而土壤养分充分的地方应该少施肥等等。
  除美国外,日本也是较早研发农业专家系统的国家之一。由于政府部门的重视,日本在农业专家系统的开发上取得了不少成绩,开发了若干农业专家系统。
  例如,东京大学开发的番茄栽培管理专家咨询系统、培养液管理专家系统以及千叶大学利用原MICCS工具开发的茄子等多种作物的病害诊断专家系统、花卉栽培管理支持系统、庭院景观评价专家系统等。
  以上这些专家系统已投入实际应用。然而,精准农业技术除美国和加拿大进入商业用途外,其他地区甚至在欧洲还没有真正进入推广阶段。主要原因是,其关键技术开发还没有在实用意义上产生突破,信息采集技术的费用还很昂贵等。
  设计目标:
  本研究拟实现一个基于MPIS架构的便携式智能干物质增长预测系统,整个系统包含手持终端、无线传感器两个部分。无线传感部分由温度传感器DS18b20获取数据,再借用51单片机,通过nRF24l01将数据无线传输给PIC32板,即手持终端。当手持终端启动后,传感器网络自动发送数据,在接收到所需数据后,手持终端根据其内置的推理系统,采用模糊推理的方式进行分析,然后在界面上给出推理结果。整个过程操作简单、易用,该系统功能强大、可以不断完善且便于携带。
  系统框图:


  如图所示:无线传感部分由51单片机、温度传感器、无线模块三部分构成,其中DS18B20负责接收环境中的温度情况,并将采集到的数据通过51单片机,利用NRF24L01的无线传输功能发射到手持终端PIC32上,交由其负责处理,进而完成用户需要的功能。


  如图所示:手持终端部分由PIC32单片机、显示屏、无线模块三部分构成,其中NRF24L01负责接收无线传感器部分发来的数据,并将采集到的信息送入PIC32单片机的内核PIC32MX460中,通过与我们之前录入的库进行模糊匹配,然后把植物的生长情况制成清晰明了的图显示在LCD屏上,并将相应长势下的可执行操作显示在屏上供用户选择使用。
  流程图:


  整个系统采用PIC32MX460作为主处理器,靠无线传感器和手持终端逐步实现整个功能。
  51单片机上的温度传感器(DS18B20)和可能的其他外围设备获取即时温度等外界的环境信息;
  把采集到的数据通过无线模块(NRF24L01)传输给PIC32板;
  结合之前收集的数据,制成并显示出清晰明了的相应时间段内的数据变化图像;
  向用户显示出植株的理想生长曲线;
  应用模糊匹配,把我们获取到的数据和事先录入库中的数据对应,根据植株当前的生长阶段,结合库中的数据,推断出植物可能的生长趋势,通过屏显示给用户看;
  根据植株的生长状况,对比理想中植株的长势,给用户以适当的建议供用户选择采纳。如果出现紧急情况,本系统还可设计短信报警功能。使用户及时了解到农作物生长的趋势,给出应对策略。
  由于模糊推理的数据量需要不断调整,所以本系统还具有自动更新功能,它可以通过USB接口,或网络接口及时的更新内部数据与固件。

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