CN113141940A - 一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统及方法 - Google Patents

一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统及方法，所述系统包括：信息采集模块，通过多种传感器进行信息采集，所采集的信息包括：土壤信息、地上环境信息、灌水设备使用过程信息、作物信息中的至少一项；需水量预测模块，将所采集的信息输入至深度神经网络进行计算，预测出当前日光温室栽培果菜的需水量；灌溉控制模块，根据预测出的所述蔬菜需水量形成控制指令，以进行定时定量的供水。通过上述方式，本发明能够根据蔬菜的生长情况和环境参量决策灌溉时间和灌溉量，全程无需人工操作，能够实现设施栽培智能灌溉，工作效率高，且精确度高，实现蔬菜节水提质增效生产。

Description

一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统及 方法
技术领域
本发明属于农作物灌溉技术领域，尤其涉及一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统及方法。
背景技术
我国园艺设施面积已达2840万亩，其中，日光温室约占31%，种植蔬菜种类主要包含辣椒、番茄、黄瓜、茄子等。设施反季节栽培已成为人们日常蔬菜供应重要的组成部分。但是，在实际生产过程中，生产者多凭借经验进行粗放灌溉，造成水资源浪费，降低肥料资源利用效率和果实品质。因此，实现基于蔬菜水分需求规律和的外界环境精准灌溉对于节水提质变得尤为重要。
中国专利文献CN 109845625 A公开了一种基于神经网络的多维参量农作物智能灌溉控制方法，通过采集当前灌溉农田的雨量信息、土壤墒情信息、风速信息、温湿度信息、光照强度信息及流量信息等参量，基于神经网络建立以农作物需水信号为响应信息的农作物需水量模型，通过该模型对农作物多维环境参量进行计算处理，最终预测出当前农田农作物的需水量，控制器通过对需水量、降雨量及土壤墒情做出综合判决结果并根据判决结果控制电磁阀，实现对农作物的灌溉。该技术方案虽然考虑影响灌溉需水量的因素较全面，所构建的模型十分简单，需水量预测结果精度不高。
为解决上述问题，申请人利用所提出的深度神经网络进行智能水分精准灌溉控制，极大提高了需水量的预测精度。
本申请的创造性贡献在于：
1.本申请利用一种用于蔬菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统及方法实现了对不同地域多种蔬菜的精准灌溉控制，即多种蔬菜可以采用同一套控制系统，提高了通用性。
2.本申请为了提升需水量的预测精度，采用了一种新的激励函数-余弦激励函数，用于对整个深度神经网络的训练，极大提升了训练精度。在灌溉控制领域，属于申请人首次提出，因此并非常规技术手段或公知常识。
发明内容
为更准确理解本发明，需先简要理解回顾下面的基本概念。
深度学习的概念由Hinton等人于2006年提出。基于深信度网(DBN)提出非监督贪心逐层训练算法，为解决深层结构相关的优化难题带来希望，随后提出多层自动编码器深层结构。此外Lecun等人提出的卷积神经网络是第一个真正多层结构学习算法，它利用空间相对关系减少参数数目以提高训练性能。
深度学习是机器学习研究中的一个新的领域，其动机在于建立、模拟人脑进行分析学习的神经网络，它模仿人脑的机制来解释数据，例如图像、声音和文本。
同机器学习方法一样，深度机器学习方法也有监督学习与无监督学习之分.不同的学习框架下建立的学习模型很是不同。例如，卷积神经网络(Convolutional neuralnetworks，简称CNNs)就是一种深度的监督学习下的机器学习模型，而深度置信网(DeepBelief Nets，简称DBNs)就是一种无监督学习下的机器学习模型。
卷积神经网络（Convolutional Neural Networks, CNN）是一类包含卷积计算且具有深度结构的前馈神经网络（Feedforward Neural Networks），是深度学习（deeplearning）的代表算法之一。
深度卷积神经网络DCNN,则是具有多个CNN层的网络结构。
深度神经网络中经常采用的激励函数如下： sigmoid函数，tanh函数，ReLU函数。
sigmoid函数，该函数是将取值为(−∞,+∞)的数映射到(0,1)之间。sigmoid函数的公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）当z值非常大或者非常小时，sigmoid函数的导数g′(z)将接近0。这会导致权重W的梯度将接近0，使得梯度更新十分缓慢，即梯度消失。  sigmoid函数作为非线性激活函数，但是其并不被经常使用，它具有以下几个缺点：
tanh函数，tanh函数相较于sigmoid函数要常见一些，该函数是将取值为(−∞,+∞)的数映射到(−1,1)之间，其公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。
tanh函数在0附近很短一段区域内可看做线性的。由于tanh函数均值为0，因此弥补了sigmoid函数均值为0.5的缺点。
ReLU函数，ReLU函数又称为修正线性单元（Rectified Linear Unit），是一种分段线性函数，其弥补了sigmoid函数以及tanh函数的梯度消失问题。ReLU函数的公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
ReLU函数的优点：
 （2）计算速度要快很多。ReLU函数只有线性关系，不管是前向传播还是反向传播，都比sigmod和tanh要快很多。    （1）在输入为正数的时候（对于大多数输入z空间来说），不存在梯度消失问题。
   ReLU函数的缺点：
（1）当输入为负时，梯度为0，会产生梯度消失问题。
在能够理解上述基本概念及常规操作方式的基础上，本申请提出了一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统，所述系统包括：
信息采集模块，通过多种传感器进行信息采集，所采集的信息包括：土壤信息、地上环境信息、灌水设备使用过程信息、作物信息中的至少一项；
需水量预测模块，将所采集的信息输入至经训练的深度神经网络进行计算，预测出当前日光温室栽培果菜的需水量；
灌溉控制模块，根据预测出的所述蔬菜需水量形成控制指令，以进行定时定量的供水。
作为一种具体的实施例，所述土壤信息包括：土壤质地、土壤田间持水量、土壤温度、土壤墒情信息中的至少一项。
作为一种具体的实施例，所述地上环境信息包括：当前日光温室内部空气的温湿度信息、当前蔬菜冠层光照强度和光照辐射累积信息中的至少一项。
作为一种具体的实施例，所述灌水设备使用过程信息包括：灌溉管道直径信息、流速信息、灌溉时长和灌水量中的至少一项。
作为一种具体的实施例，所述作物信息包括蔬菜作物种类、生长阶段信息、生长状态信息。
作为一种具体的实施例，本申请所采用的传感器包括：土壤墒情传感器、光照强度传感器、空气温湿度传感器和带模拟量输出水表。
此外，本申请还提出了一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制方法，所述方法包括：
利用信息采集模块通过多种传感器进行信息采集，所采集的信息包括：土壤信息、地上环境信息、灌水设备使用过程信息、作物信息中的至少一项；
利用需水量预测模块将所采集的信息输入至经训练的深度神经网络进行计算，预测出当前日光温室栽培果菜的需水量；
利用灌溉控制模块根据预测出的所述蔬菜需水量形成控制指令，以进行定时定量的供水。
作为一种具体的实施例，所述土壤信息包括：土壤质地、土壤田间持水量、土壤温度、土壤墒情信息中的至少一项。
作为一种具体的实施例，所述地上环境信息包括：当前日光温室内部空气的温湿度信息、当前蔬菜冠层光照强度和光照辐射累积信息中的至少一项。
作为一种具体的实施例，所述灌水设备使用过程信息包括：灌溉管道直径信息、流速信息、灌溉时长和灌水量中的至少一项。
作为一种具体的实施例，所述作物信息包括蔬菜作物种类、生长阶段信息、生长状态信息。
作为一种具体的实施例，本申请所采用的的传感器包括：土壤墒情传感器、光照强度传感器、空气温湿度传感器和带模拟量输出水表。
本申请还对应提出了一种计算机存储介质，所述存储介质上存储有程序代码，所述代码用于实现上述任一种所述的方法。
本申请还对应提出了一种计算机设备，所述设备包括处理器、存储器，所述存储器上存储有计算机指令，所述指令用于实现上述任一种所述的方法。
本申请的有益效果：
1.本申请利用一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统及方法实现了对不同地域多种蔬菜的精准灌溉控制，即多种蔬菜可以采用同一套控制系统，提高了通用性。
2.本申请为了提升需水量的预测精度，采用了一种新的激励函数-余弦激励函数，用于对整个深度神经网络的训练，极大提升了训练精度。
附图说明
图1表示本申请的基本实施例的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本申请提出了一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统，所述系统包括：
信息采集模块，通过多种传感器进行信息采集，所采集的信息包括：土壤信息、地上环境信息、灌水设备使用过程信息、作物信息中的至少一项；
需水量预测模块，将所采集的信息输入至经训练的深度神经网络进行计算，预测出当前日光温室栽培果菜的需水量；
灌溉控制模块，根据预测出的所述蔬菜需水量形成控制指令，以进行定时定量的供水。
作为一种具体的实施例，所述土壤信息包括：土壤质地、土壤田间持水量、土壤温度、土壤墒情信息中的至少一项。
作为一种具体的实施例，所述地上环境信息包括：当前日光温室内部空气的温湿度信息、当前蔬菜冠层光照强度和光照辐射累积信息中的至少一项。
作为一种具体的实施例，所述灌水设备使用过程信息包括：灌溉管道直径信息、流速信息、灌溉时长和灌水量中的至少一项。
作为一种具体的实施例，所述作物信息包括蔬菜作物种类、生长阶段信息、生长状态信息。
作为一种具体的实施例，本申请所采用的传感器包括：土壤墒情传感器、光照强度传感器、温湿度传感器、图像传感器。
图像传感器获取蔬菜的图像信息，将获取的图像信息输入至蔬菜识别模型，获得蔬菜种类及生长阶段信息。
作为一种具体的实施例，需水量预测模块利用需水量预测模型获得需水量，需水量预测模型为深度卷积神经网络DCNN，所述深度卷积神经网络DCNN包括：信息输入层、一个或多个卷积层、一个或多个池化层、一个或多个隐含层、全连接层；所述卷积层采用的卷积核大小为3*3;所述池化层为最大池化法进行计算；所述深度卷积神经网络DCNN采用的激励函数为余弦激励函数，记为f(),其中；
其中，表示为样本i与其对应标签yi的向量夹角；所述N表示训练样本个数；所述表示样本i在其标签yi处的权重；
所述信息输入层接收来自一个或多个传感器的信息；
所述信息输入模型接收来自蔬菜识别模型的输出结果，包括：蔬菜种类、蔬菜生长阶段、蔬菜生长状态中的至少一项信息。也即：蔬菜的需水量预测模型包含蔬菜识别模型，此种模型设计能够提高蔬菜需水量模型预测的通用性。蔬菜识别模型采用了VGG-16网络模型。利用训练集进行训练，训练集包含多种不同品种蔬菜，包括：黄瓜、番茄、辣椒、茄子等100多种果蔬图像，共25783张图像，其中75%作为训练集，25%作为测试集。为了加速训练过程，还使用了AdamOptimizer作为优化器，分别采用神经元为64× 32、32 × 16的卷积层，使用3 × 3卷积核，步长为2的最大池化层，64个神经元的全连接层和softmax回归层进行实现。
此外，本申请还提出了一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制方法，所述方法包括：
利用信息采集模块通过多种传感器进行信息采集，所采集的信息包括：土壤信息、地上环境信息、灌水设备使用过程信息、作物信息中的至少一项；
利用需水量预测模块将所采集的信息输入至经训练的深度神经网络进行计算，预测出当前日光温室栽培果菜的需水量；
利用灌溉控制模块根据预测出的所述蔬菜需水量形成控制指令，以进行定时定量的供水。
作为一种具体的实施例，所述土壤信息包括：土壤质地、土壤田间持水量、土壤温度、土壤墒情信息中的至少一项。
作为一种具体的实施例，所述地上环境信息包括：当前日光温室内部空气的温湿度信息、当前蔬菜冠层光照强度和光照辐射累积信息中的至少一项。
作为一种具体的实施例，所述灌水设备使用过程信息包括：灌溉管道直径信息、流速信息、灌溉时长和灌水量中的至少一项。
作为一种具体的实施例，所述作物信息包括蔬菜作物种类、生长阶段信息、生长状态信息。
作为一种具体的实施例，本申请所采用的传感器包括：土壤墒情传感器、光照强度传感器、温湿度传感器和带模拟量输出水表。
作为一种具体的实施例，需水量预测模块利用需水量预测模型获得需水量，需水量预测模型为深度卷积神经网络DCNN，所述深度卷积神经网络DCNN包括：信息输入层、一个或多个卷积层、一个或多个池化层、一个或多个隐含层、全连接层；所述卷积层采用的卷积核大小为3*3;所述池化层为最大池化法进行计算；所述深度卷积神经网络DCNN采用的激励函数为余弦激励函数，记为f(),其中；
其中，表示为样本i与其对应标签yi的向量夹角；所述N表示训练样本个数；所述表示样本i在其标签yi处的权重。
所述信息输入层接收来自一个或多个传感器的信息；
所述信息输入模型接收来自蔬菜识别模型的输出结果，包括：蔬菜种类、蔬菜生长阶段、蔬菜生长状态中的至少一项信息。也即：蔬菜的需水量预测模型包含蔬菜识别模型，此种模型设计能够提高蔬菜需水量模型预测的通用性。蔬菜识别模型采用了VGG-16网络模型。利用训练集进行训练，训练集包含多种不同品种蔬菜，包括：茄子、番茄、青瓜、白菜、土豆等100多种果蔬图像，共25783张图像，其中75%作为训练集，25%作为测试集。为了加速训练过程，还使用了优化器进行优化，分别采用神经元为64× 32、32 × 16的卷积层，使用3× 3卷积核，步长为2的最大池化层，64个神经元的全连接层和softmax回归层进行实现。所述优化器包括：GradientDescentOptimizer、AdagradOptimizer、AdagradDAOptimizer、MomentumOptimizer、RMSPropOptimizer中的至少一个。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例” 等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
本申请还提出一种计算机可读介质，上面包含可实现上述系统的程序代码，所包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制系统，所述系统包括：
信息采集模块，通过多种传感器进行信息采集，所采集的信息包括：土壤信息、地上环境信息、灌水设备使用过程信息、作物信息中的至少一项；
需水量预测模块，将所采集的信息输入至经训练的深度神经网络进行计算，预测出当前日光温室栽培果菜的需水量；
灌溉控制模块，根据预测出的所述果菜的需水量形成控制指令，以进行定时定量的供水。
2.根据权利要求1所述的控制系统，所述土壤信息包括：土壤质地、土壤田间持水量、土壤温度、土壤墒情信息中的至少一项。
3.根据权利要求1所述的控制系统，所述地上环境信息包括：当前日光温室内部空气的温湿度信息、当前果菜冠层光照强度和光照辐射累积信息中的至少一项。
4.根据权利要求1所述的控制系统，所述灌水设备使用过程信息包括：灌溉管道直径信息、流速信息、灌溉时长和灌水量中的至少一项。
5.根据权利要求1所述的控制系统，所述作物信息包括果菜作物种类、阶段信息、生长状态信息。
6.一种用于日光温室果菜栽培的智能水分精准灌溉控制方法，所述方法包括：
利用信息采集模块通过多种传感器进行信息采集，所采集的信息包括：土壤信息、地上环境信息、灌水设备使用过程信息、作物信息中的至少一项；
利用需水量预测模块将所采集的信息输入至经训练的深度神经网络进行计算，预测出当前日光温室栽培果菜的需水量；
利用灌溉控制模块根据预测出的所述果菜需水量形成控制指令，以进行定时定量的供水。
7.根据权利要求6所述的控制方法，所述土壤信息包括：土壤质地、土壤田间持水量、土壤温度、土壤墒情信息中的至少一项。
8.根据权利要求6所述的控制方法，所述地上环境信息包括：当前日光温室内部空气的温湿度信息、当前果菜冠层光照强度和光照辐射累积信息中的至少一项。
9.根据权利要求6所述的控制方法，所述灌水设备使用过程信息包括：灌溉管道直径信息、流速信息、灌溉时长和灌水量中的至少一项。
10.根据权利要求6所述的控制方法，所述作物信息包括果菜作物种类、生长阶段信息、生长状态信息。
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