CN107589729A - 一种基于物联网和专家系统的智慧农业管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网和专家系统的智慧农业管理系统，包括：信息采集模块，用于采集植物生长环境信息、植物图像信息并存储；专家信息模块，用于存储预设生长环境信息、预设植物图像信息；决策调整模块，用于分别将采集植物生长环境信息、植物图像信息与预设信息进行比较并根据比较结果调整植物生长环境状态；人机交互模块用于获取信息采集模块采集的信息，以及决策调整模块的比较结果并将其发送至用户终端。本发明通过对农作物生长环境以及生长状态进行实时监测和调整，提高了检测和调整的针对性和有效性，在保证对农作物生长环境和生长状态调整的精度的基础上提高了农作物的生长效果，全面实现对农作物生长状态的宏观调控。

Description

一种基于物联网和专家系统的智慧农业管理系统及方法

技术领域

本发明涉及智慧农业管理系统技术领域，尤其涉及一种基于物联网和专家系统的智慧农业管理系统及方法。

背景技术

作为农业大国，我国传统的农作物管理方式极易受环境的影响，这很大程度上限制了农作物的产量和质量，农业经营者的利润受天气影响较大。传统农业运作方式一直是我们国家长期以来沿袭下来的，但它的代价是要耗费大量的人力物力，而且运作效率低下，这对于农业长期的发展是不利的。随着物联网、移动通信及云计算技术的发展，本发明提出一种新型基于专家系统、Zigbee组网技术和WiFi技术的智慧农业管理系统，使得现代农业顺应物联网技术的发展前景，利用无线传输和远程控制技术可以大大解放农民的双手，减少农业经营者的生产成本。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于物联网和专家系统的智慧农业管理系统及方法。

本发明提出的基于物联网和专家系统的智慧农业管理系统，包括：

信息采集模块，用于采集植物生长环境信息、植物图像信息；

专家信息模块，用于存储预设生长环境信息、预设植物图像信息；

决策调整模块，用于分别将采集植物生长环境信息、植物图像信息与预设生长环境信息、预设植物图像信息进行比较，并根据比较结果调整植物生长环境状态；

人机交互模块，用于获取信息采集模块采集的信息，以及决策调整模块的比较结果并将其发送至用户终端。

优选地，信息采集模块中，采集的植物生长环境信息包括：土壤养分、土壤温度、土壤PH值、CO₂浓度、空气温度、空气湿度、光照强度、植物养分。

优选地，专家信息模块中，存储有预设土壤养分区间、预设土壤温度区间、预设土壤PH值区间、预设CO₂浓度区间、预设空气温度区间、预设空气湿度区间、预设光照强度区间、预设植物养分区间。

优选地，决策调整模块具体用于：

当土壤养分低于预设土壤养分区间最小值时，对土壤进行施肥；

当土壤温度低于预设土壤温度区间最小值时，对土壤进行升温调节，当土壤温度高于预设土壤温度区间最大值时，对土壤进行降温调节；

当土壤PH值偏离预设土壤PH值区间时，对土壤酸碱性进行调节；

当CO₂浓度低于预设CO₂浓度区间最小值时，增加植物生长环境的CO₂浓度，当CO₂浓度高于预设CO₂浓度区间最大值时，降低植物生长环境的CO₂浓度；

当空气温度低于预设空气温度区间最小值时，对植物生长环境进行升温调节，当空气温度高于预设空气温度区间最大值时，对植物生长环境进行降温调节；

当空气湿度低于预设空气湿度区间最小值时，对植物生长环境进行加湿调节，当空气湿度高于预设空气湿度区间最大值时，对植物生长环境进行除湿调节；

当光照强度低于预设光照强度区间最小值时，增加植物生长环境的亮度，当光照强度高于预设光照强度区间最大值时，降低植物生长环境的亮度；

当植物养分低于预设植物养分区间最小值时，对植物进行施肥；

将植物图像信息与预设植物图像信息进行比较，当植物图像信息与预设植物图像信息相同时，输出植物病害分析结果，当植物图像信息与预设植物图像信息不同时，对植物图像信息进行存储。

优选地，信息采集模块包括传感器子模块和摄像头子模块，传感器子模块用于采集植物生长环境信息，摄像头子模块用于采集植物图像信息。

优选地，信息采集模块、专家信息模块、决策调整模块之间采用Zigbee通信协议。

优选地，信息采集模块、决策调整模块、人机交互模块之间采用Wifi通信协议。

本发明提出的基于物联网和专家系统的智慧农业管理方法，包括以下步骤：

S1、采集植物生长环境信息、植物图像信息；

S2、分别将采集植物生长环境信息、植物图像信息与预设生长环境信息、预设植物图像信息进行比较，并根据比较结果调整植物生长环境状态；

S3、获取植物生长环境信息、植物图像信息以及比较结果发送至用户终端。

优选地，步骤S1具体包括:采集的植物生长环境信息包括：土壤养分、土壤温度、土壤PH值、CO₂浓度、空气温度、空气湿度、光照强度、植物养分。

优选地，步骤S2具体包括:

预设生长环境信息具体包括：预设土壤养分区间、预设土壤温度区间、预设土壤PH值区间、预设CO₂浓度区间、预设空气温度区间、预设空气湿度区间、预设光照强度区间、预设植物养分区间；

当土壤养分低于预设土壤养分区间最小值时，对土壤进行施肥；

当土壤温度低于预设土壤温度区间最小值时，对土壤进行升温调节，当土壤温度高于预设土壤温度区间最大值时，对土壤进行降温调节；

当土壤PH值偏离预设土壤PH值区间时，对土壤酸碱性进行调节；

当CO₂浓度低于预设CO₂浓度区间最小值时，增加植物生长环境的CO₂浓度，当CO₂浓度高于预设CO₂浓度区间最大值时，降低植物生长环境的CO₂浓度；

当空气温度低于预设空气温度区间最小值时，对植物生长环境进行升温调节，当空气温度高于预设空气温度区间最大值时，对植物生长环境进行降温调节；

当空气湿度低于预设空气湿度区间最小值时，对植物生长环境进行加湿调节，当空气湿度高于预设空气湿度区间最大值时，对植物生长环境进行除湿调节；

当光照强度低于预设光照强度区间最小值时，增加植物生长环境的亮度，当光照强度高于预设光照强度区间最大值时，降低植物生长环境的亮度；

当植物养分低于预设植物养分区间最小值时，对植物进行施肥；

将植物图像信息与预设植物图像信息进行比较，当植物图像信息与预设植物图像信息相同时，输出植物病害分析结果，当植物图像信息与预设植物图像信息不同时，对植物图像信息进行存储。

本发明利用Zigbee组网实现了对农作物生产环境参数的多点检测，Wifi通信实现了采集的信息在各模块之间以及各模块用户终端之间的信息传递和交互，使用户能够对农作物的生长状态和生长环境状态进行智能化监控，且在农作物生长状态偏离正常范围时及时调整农作物的生长环境状态，有效地减少了经济损失，有利于提高养殖者的经济收益，同时也大大地减少了劳动力成本。本发明通过对农作物生长环境以及生长状态进行实时监测和调整，提高了检测和调整的针对性和有效性，在保证对农作物生长环境和生长状态调整的精度的基础上提高了农作物的生长效果，全面实现对农作物生长状态的宏观调控。

附图说明

图1为一种基于物联网和专家系统的智慧农业管理系统的结构示意图；

图2为一种基于物联网和专家系统的智慧农业管理方法的步骤示意图；

图3为本实施方式中信息采集模块的结构示意图；

图4为本实施方式中网关节点的结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，图1、图2为本发明提出的一种基于物联网和专家系统的智慧农业管理系统及方法。

参照图1，本发明提出的基于物联网和专家系统的智慧农业管理系统，包括：

信息采集模块，用于采集植物生长环境信息、植物图像信息，并将上述信息进行存储；

本实施方式中，采集的植物生长环境信息包括：土壤养分、土壤温度、土壤PH值、CO₂浓度、空气温度、空气湿度、光照强度、植物养分；通过对上述信息的采集，有利于全面对植物的生长环境和生长状态进行监测，为分析植物的生长环境和生长状态提供准确的分析依据；且信息采集模块与专家信息模块、决策调整模块之间采用Zigbee通信协议，保证了数据传输的有效性和精确性，全面为专家信息模块、决策调整模块分析数据提供全面有效的数据信息。

进一步地，信息采集模块包括传感器子模块和摄像头子模块，传感器子模块用于采集植物生长环境信息，利用传感器有利于保证植物生长环境信息采集的全面性和准确性，摄像头子模块用于采集植物图像信息，利用摄像头采集植物生长状态图片有利于保证采集的有效性。

专家信息模块，用于存储预设生长环境信息、预设植物图像信息；

本实施方式中，专家信息模块中，存储有预设土壤养分区间、预设土壤温度区间、预设土壤PH值区间、预设CO₂浓度区间、预设空气温度区间、预设空气湿度区间、预设光照强度区间、预设植物养分区间；通过设定上述不同区间数值，可为决策调整模块分析植物生长环境信息、植物图像信息提供对比参照基础，从而提高对比结果的有效性和准确性。

决策调整模块，用于分别将采集植物生长环境信息、植物图像信息与预设生长环境信息、预设植物图像信息进行比较，并根据比较结果调整植物生长环境状态；

本实施方式中，决策调整模块具体用于：

将土壤养分与预设土壤养分区间进行比较得出第一比较结果，并根据第一结果对土壤进行施肥；当土壤养分低于预设土壤养分区间最小值时，对土壤进行施肥；使土壤养分始终保持在利于植物生长的区间范围内，从而保证植物的优良长势；

将土壤温度与预设土壤温度区间进行比较得出第二比较结果，并根据第二结果对土壤进行温度调节；当土壤温度低于预设土壤温度区间最小值时，对土壤进行升温调节，当土壤温度高于预设土壤温度区间最大值时，对土壤进行降温调节；将土壤的温度调节至利于植物生长的区间范围内，促进植物生长；

将土壤PH值与预设土壤PH值区间进行比较得出第三比较结果，并根据第三结果对土壤进行PH值调节；当土壤PH值偏离预设土壤PH值区间时，对土壤酸碱性进行调节；使土壤PH值调节至利于植物生长的区间范围内，以使植物保持优良长势；

将CO₂浓度与预设CO₂浓度区间进行比较得出第四比较结果，并根据第四结果对植物生长环境进行CO₂浓度调节；当CO₂浓度低于预设CO₂浓度区间最小值时，增加植物生长环境的CO₂浓度，当CO₂浓度高于预设CO₂浓度区间最大值时，降低植物生长环境的CO₂浓度；通过将CO₂浓度调节至利于植物生长的区间范围来保证植物的优良生长状态；

将空气温度与预设空气温度区间进行比较得出第五比较结果，并根据第五结果对植物生长环境进行温度调节；当空气温度低于预设空气温度区间最小值时，对植物生长环境进行升温调节，当空气温度高于预设空气温度区间最大值时，对植物生长环境进行降温调节；使空气温度保持在利于植物生长的区间范围内来促进植物的生长；

将空气湿度与预设空气湿度区间进行比较得出第六比较结果，并根据第六结果对植物生长环境进行湿度调节；当空气湿度低于预设空气湿度区间最小值时，对植物生长环境进行加湿调节，当空气湿度高于预设空气湿度区间最大值时，对植物生长环境进行除湿调节；通过将空气湿度调节至利于植物生长的区间范围内来保证植物的优良生长状态；

将光照强度与预设光照强度区间进行比较得出第七比较结果，并根据第七结果对植物生长环境进行亮度调节；当光照强度低于预设光照强度区间最小值时，增加植物生长环境的亮度，当光照强度高于预设光照强度区间最大值时，降低植物生长环境的亮度；将光照强度调节至利于植物生长的区间范围来保持植物的生长状态；

将植物养分与预设植物养分区间进行比较得出第八比较结果，并根据第八结果对植物进行施肥；当植物养分低于预设植物养分区间最小值时，对植物进行施肥；通过实时监测植物养分并及时调节，以在植物生长过程中始终具有利于生长的养分，全面保证植物生长的效率和效果；

将植物图像信息与预设植物图像信息进行比较，当植物图像信息与预设植物图像信息相同时，输出植物病害分析结果，及时反馈植物存在的病害情况，有利于提醒用户及时采取针对性的调整策略和应对方案，保证植物的优良生长过程，从而提高植物的生长效果；当植物图像信息与预设植物图像信息不同时，对植物图像信息进行存储，方便之后对植物不同生长时期的生长状态进行查看和分析，实现对植物生长状态的全面监测和调整。

人机交互模块，用于获取信息采集模块采集的信息，以及决策调整模块的比较结果并将其发送至用户终端；用户可通过用户终端及时查看植物的生长环境信息以及植物的生长状态，方便其根据自身想法对植物的生长环境和生长环境进行调整；且用户可根据用户终端查看植物的生长环境与预设生长环境之间的差异，方便其采取针对性的调整方案，有利于保证植物的优良长势。当植物在生长过程中出现突发情况时，用户能够及时发现并进行适应性调节，有利于减少经济损失，保证用户的经济收益。

本实施方式中，信息采集模块、决策调整模块、人机交互模块之间采用Wifi通信协议，使得上述三个模块之间的信息能够全面准确的进行传递和共享。

参照图2，图2为本发明提出的基于物联网和专家系统的智慧农业管理方法，包括以下步骤：

S1、采集植物生长环境信息、植物图像信息；

S2、分别将采集植物生长环境信息、植物图像信息与预设生长环境信息、预设植物图像信息进行比较，并根据比较结果调整植物生长环境状态；

S3、获取植物生长环境信息、植物图像信息以及比较结果发送至用户终端。

本实施方式中，步骤S1具体包括:采集的植物生长环境信息包括：土壤养分、土壤温度、土壤PH值、CO₂浓度、空气温度、空气湿度、光照强度、植物养分。

步骤S2具体包括:

预设生长环境信息具体包括：预设土壤养分区间、预设土壤温度区间、预设土壤PH值区间、预设CO₂浓度区间、预设空气温度区间、预设空气湿度区间、预设光照强度区间、预设植物养分区间；

当土壤养分低于预设土壤养分区间最小值时，对土壤进行施肥；使土壤养分始终保持在利于植物生长的区间范围内，从而保证植物的优良长势；

当土壤温度低于预设土壤温度区间最小值时，对土壤进行升温调节，当土壤温度高于预设土壤温度区间最大值时，对土壤进行降温调节；将土壤的温度调节至利于植物生长的区间范围内，促进植物生长；

当土壤PH值偏离预设土壤PH值区间时，对土壤酸碱性进行调节；使土壤PH值调节至利于植物生长的区间范围内，以使植物保持优良长势；

当CO₂浓度低于预设CO₂浓度区间最小值时，增加植物生长环境的CO₂浓度，当CO₂浓度高于预设CO₂浓度区间最大值时，降低植物生长环境的CO₂浓度；通过将CO₂浓度调节至利于植物生长的区间范围来保证植物的优良生长状态；

当空气温度低于预设空气温度区间最小值时，对植物生长环境进行升温调节，当空气温度高于预设空气温度区间最大值时，对植物生长环境进行降温调节；使空气温度保持在利于植物生长的区间范围内来促进植物的生长；

当空气湿度低于预设空气湿度区间最小值时，对植物生长环境进行加湿调节，当空气湿度高于预设空气湿度区间最大值时，对植物生长环境进行除湿调节；通过将空气湿度调节至利于植物生长的区间范围内来保证植物的优良生长状态；

当光照强度低于预设光照强度区间最小值时，增加植物生长环境的亮度，当光照强度高于预设光照强度区间最大值时，降低植物生长环境的亮度；将光照强度调节至利于植物生长的区间范围来保持植物的生长状态；

当植物养分低于预设植物养分区间最小值时，对植物进行施肥；通过实时监测植物养分并及时调节，以在植物生长过程中始终具有利于生长的养分，全面保证植物生长的效率和效果；

将植物图像信息与预设植物图像信息进行比较，当植物图像信息与预设植物图像信息相同时，输出植物病害分析结果，当植物图像信息与预设植物图像信息不同时，对植物图像信息进行存储。

本实施方式中，信息采集模块主要包括多种传感器以及微控制器，如图3所示，如此实现植物生长环境信息的精确检测、存储和传输；微控制器采用STM32F103C8T6型号，其基于ARM Cortex-M3的32位微控制器，具有IIC、SPI、USART、ADC、DAC等丰富的外围接口。参照图4，图4为网关节点的结构示意图，微控制器通过Zigbee协调器和Wifi模块实现与其他模块之间的数据通信和传输，保证数据传输的精确性和稳定性，从而保证对植物生长环境调节的正确性和有效性。

本实施方式利用Zigbee组网实现了对农作物生产环境参数的多点检测，Wifi通信实现了采集的信息在各模块之间以及各模块用户终端之间的信息传递和交互，使用户能够对农作物的生长状态和生长环境状态进行智能化监控，且在农作物生长状态偏离正常范围时及时调整农作物的生长环境状态，有效地减少了经济损失，有利于提高养殖者的经济收益，同时也大大地减少了劳动力成本。本实施方式通过对农作物生长环境以及生长状态进行实时监测和调整，提高了检测和调整的针对性和有效性，在保证对农作物生长环境和生长状态调整的精度的基础上提高了农作物的生长效果，全面实现对农作物生长状态的宏观调控。

以上所述，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。

Claims (9)

1.一种基于物联网和专家系统的智慧农业管理系统，其特征在于，包括：

信息采集模块，用于采集植物生长环境信息、植物图像信息；

专家信息模块，用于存储预设生长环境信息、预设植物图像信息；

决策调整模块，用于分别将采集植物生长环境信息、植物图像信息与预设生长环境信息、预设植物图像信息进行比较，并根据比较结果调整植物生长环境状态；

人机交互模块，用于获取信息采集模块采集的信息，以及决策调整模块的比较结果并将其发送至用户终端。

2.根据权利要求1所述的基于物联网和专家系统的智慧农业管理系统，其特征在于，信息采集模块中，采集的植物生长环境信息包括：土壤养分、土壤温度、土壤PH值、CO₂浓度、空气温度、空气湿度、光照强度、植物养分。

3.根据权利要求2所述的基于物联网和专家系统的智慧农业管理系统，其特征在于，专家信息模块中，存储有预设土壤养分区间、预设土壤温度区间、预设土壤PH值区间、预设CO₂浓度区间、预设空气温度区间、预设空气湿度区间、预设光照强度区间、预设植物养分区间。

4.根据权利要求3所述的基于物联网和专家系统的智慧农业管理系统，其特征在于，决策调整模块具体用于：

当土壤养分低于预设土壤养分区间最小值时，对土壤进行施肥；

当土壤温度低于预设土壤温度区间最小值时，对土壤进行升温调节，当土壤温度高于预设土壤温度区间最大值时，对土壤进行降温调节；

当土壤PH值偏离预设土壤PH值区间时，对土壤酸碱性进行调节；

当CO₂浓度低于预设CO₂浓度区间最小值时，增加植物生长环境的CO₂浓度，当CO₂浓度高于预设CO₂浓度区间最大值时，降低植物生长环境的CO₂浓度；

当空气温度低于预设空气温度区间最小值时，对植物生长环境进行升温调节，当空气温度高于预设空气温度区间最大值时，对植物生长环境进行降温调节；

当空气湿度低于预设空气湿度区间最小值时，对植物生长环境进行加湿调节，当空气湿度高于预设空气湿度区间最大值时，对植物生长环境进行除湿调节；

当光照强度低于预设光照强度区间最小值时，增加植物生长环境的亮度，当光照强度高于预设光照强度区间最大值时，降低植物生长环境的亮度；

当植物养分低于预设植物养分区间最小值时，对植物进行施肥；

将植物图像信息与预设植物图像信息进行比较，当植物图像信息与预设植物图像信息相同时，输出植物病害分析结果，当植物图像信息与预设植物图像信息不同时，对植物图像信息进行存储。

5.根据权利要求1所述的基于物联网和专家系统的智慧农业管理系统，其特征在于，信息采集模块包括传感器子模块和摄像头子模块，传感器子模块用于采集植物生长环境信息，摄像头子模块用于采集植物图像信息。

6.根据权利要求1所述的基于物联网和专家系统的智慧农业管理系统，其特征在于，信息采集模块、专家信息模块、决策调整模块之间采用Zigbee通信协议；

优选地，信息采集模块、决策调整模块、人机交互模块之间采用Wifi通信协议。

7.一种基于物联网和专家系统的智慧农业管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采集植物生长环境信息、植物图像信息；

S2、分别将采集植物生长环境信息、植物图像信息与预设生长环境信息、预设植物图像信息进行比较，并根据比较结果调整植物生长环境状态；

S3、获取植物生长环境信息、植物图像信息以及比较结果发送至用户终端。

8.根据权利要求7所述的基于物联网和专家系统的智慧农业管理方法，其特征在于，步骤S1具体包括:采集的植物生长环境信息包括：土壤养分、土壤温度、土壤PH值、CO₂浓度、空气温度、空气湿度、光照强度、植物养分。

9.根据权利要求8所述的基于物联网和专家系统的智慧农业管理方法，其特征在于，步骤S2具体包括:

预设生长环境信息具体包括：预设土壤养分区间、预设土壤温度区间、预设土壤PH值区间、预设CO₂浓度区间、预设空气温度区间、预设空气湿度区间、预设光照强度区间、预设植物养分区间；

当土壤养分低于预设土壤养分区间最小值时，对土壤进行施肥；

当土壤温度低于预设土壤温度区间最小值时，对土壤进行升温调节，当土壤温度高于预设土壤温度区间最大值时，对土壤进行降温调节；

当土壤PH值偏离预设土壤PH值区间时，对土壤酸碱性进行调节；

当CO₂浓度低于预设CO₂浓度区间最小值时，增加植物生长环境的CO₂浓度，当CO₂浓度高于预设CO₂浓度区间最大值时，降低植物生长环境的CO₂浓度；

当空气温度低于预设空气温度区间最小值时，对植物生长环境进行升温调节，当空气温度高于预设空气温度区间最大值时，对植物生长环境进行降温调节；

当空气湿度低于预设空气湿度区间最小值时，对植物生长环境进行加湿调节，当空气湿度高于预设空气湿度区间最大值时，对植物生长环境进行除湿调节；

当光照强度低于预设光照强度区间最小值时，增加植物生长环境的亮度，当光照强度高于预设光照强度区间最大值时，降低植物生长环境的亮度；

当植物养分低于预设植物养分区间最小值时，对植物进行施肥；

将植物图像信息与预设植物图像信息进行比较，当植物图像信息与预设植物图像信息相同时，输出植物病害分析结果，当植物图像信息与预设植物图像信息不同时，对植物图像信息进行存储。