基于MPIS架構(gòu)的便攜式智能干物質(zhì)增長預(yù)測系統(tǒng)

項(xiàng)目背景：

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，“科學(xué)種田”理念逐漸深入人心。利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，合理有效的播種、施肥、灌溉已成為降低成本增加產(chǎn)量的有效途徑。傳統(tǒng)的科學(xué)種田主要采取技術(shù)員下鄉(xiāng)普及相關(guān)知識(shí)等手段，這種方法效率低下，覆蓋面窄。針對(duì)這種情況，科研人員研發(fā)了農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)軟件以及知識(shí)推理來指導(dǎo)種植戶科學(xué)種田。這種方法雖然解決了效率低下等問題，但隨之而來又出現(xiàn)了許多新的問題，如：軟件過于復(fù)雜用戶不會(huì)使用；手工導(dǎo)入的數(shù)據(jù)往往具有偏差等等。

國內(nèi)外現(xiàn)狀：

從20世紀(jì)90年代開始，我國科研人員開始研發(fā)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)。

1992年，中國農(nóng)科院作物所趙雙寧等研制開發(fā)的“冬小麥新品種選育專家系統(tǒng)”；

1998年，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的小麥管理智能決策系統(tǒng)；

2003年，鄭向群、高懷友等完成了等利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境信息數(shù)據(jù)分析。

在國外，美國20世紀(jì)80年代初提出了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的概念和設(shè)想；

目前在美國等發(fā)達(dá)國家，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)已經(jīng)形成一種高新技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合的產(chǎn)業(yè)，并且已被廣泛承認(rèn)是可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的重要途徑。

美國推廣利用精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是要根據(jù)農(nóng)田內(nèi)作物生產(chǎn)條件的時(shí)空差異性,基于農(nóng)田內(nèi)小區(qū)土壤、作物、環(huán)境等的時(shí)空差異性信息,實(shí)施精細(xì)化定位農(nóng)作管理。

例如，施肥應(yīng)根據(jù)農(nóng)田內(nèi)部各處的土壤肥力狀況不同而不同，土壤養(yǎng)分較差的地方應(yīng)該多施肥，而土壤養(yǎng)分充分的地方應(yīng)該少施肥等等。

除美國外，日本也是較早研發(fā)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的國家之一。由于政府部門的重視，日本在農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的開發(fā)上取得了不少成績，開發(fā)了若干農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)。

例如，東京大學(xué)開發(fā)的番茄栽培管理專家咨詢系統(tǒng)、培養(yǎng)液管理專家系統(tǒng)以及千葉大學(xué)利用原MICCS工具開發(fā)的茄子等多種作物的病害診斷專家系統(tǒng)、花卉栽培管理支持系統(tǒng)、庭院景觀評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)等。

以上這些專家系統(tǒng)已投入實(shí)際應(yīng)用。然而，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)除美國和加拿大進(jìn)入商業(yè)用途外，其他地區(qū)甚至在歐洲還沒有真正進(jìn)入推廣階段。主要原因是，其關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)還沒有在實(shí)用意義上產(chǎn)生突破，信息采集技術(shù)的費(fèi)用還很昂貴等。

設(shè)計(jì)目標(biāo)：

本研究擬實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于MPIS架構(gòu)的便攜式智能干物質(zhì)增長預(yù)測系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)包含手持終端、無線傳感器兩個(gè)部分。無線傳感部分由溫度傳感器DS18B20獲取數(shù)據(jù)，再借用51單片機(jī)，通過nrf24l01將數(shù)據(jù)無線傳輸給PIC32板，即手持終端。當(dāng)手持終端啟動(dòng)后，傳感器網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，在接收到所需數(shù)據(jù)后，手持終端根據(jù)其內(nèi)置的推理系統(tǒng)，采用模糊推理的方式進(jìn)行分析，然后在界面上給出推理結(jié)果。整個(gè)過程操作簡單、易用，該系統(tǒng)功能強(qiáng)大、可以不斷完善且便于攜帶。

系統(tǒng)框圖：

無線傳感器部分

如圖所示：無線傳感部分由51單片機(jī)、溫度傳感器、無線模塊三部分構(gòu)成，其中DS18B20負(fù)責(zé)接收環(huán)境中的溫度情況，并將采集到的數(shù)據(jù)通過51單片機(jī)，利用NRF24L01的無線傳輸功能發(fā)射到手持終端PIC32上，交由其負(fù)責(zé)處理，進(jìn)而完成用戶需要的功能。

手持終端部分

如圖所示：手持終端部分由PIC32單片機(jī)、顯示屏、無線模塊三部分構(gòu)成，其中NRF24L01負(fù)責(zé)接收無線傳感器部分發(fā)來的數(shù)據(jù)，并將采集到的信息送入PIC32單片機(jī)的內(nèi)核PIC32MX460中，通過與我們之前錄入的庫進(jìn)行模糊匹配，然后把植物的生長情況制成清晰明了的圖顯示在LCD屏上，并將相應(yīng)長勢下的可執(zhí)行操作顯示在屏上供用戶選擇使用。

流程圖：

整個(gè)系統(tǒng)采用PIC32MX460作為主處理器，靠無線傳感器和手持終端逐步實(shí)現(xiàn)整個(gè)功能。

1. 51單片機(jī)上的溫度傳感器（DS18B20）和可能的其他外圍設(shè)備獲取即時(shí)溫度等外界的環(huán)境信息；
2. 把采集到的數(shù)據(jù)通過無線模塊（NRF24L01）傳輸給PIC32板；
3. 結(jié)合之前收集的數(shù)據(jù)，制成并顯示出清晰明了的相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)變化圖像；
4. 向用戶顯示出植株的理想生長曲線；
5. 應(yīng)用模糊匹配，把我們獲取到的數(shù)據(jù)和事先錄入庫中的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)，根據(jù)植株當(dāng)前的生長階段，結(jié)合庫中的數(shù)據(jù)，推斷出植物可能的生長趨勢，通過屏顯示給用戶看；
6. 根據(jù)植株的生長狀況，對(duì)比理想中植株的長勢，給用戶以適當(dāng)?shù)慕ㄗh供用戶選擇采納。如果出現(xiàn)緊急情況，本系統(tǒng)還可設(shè)計(jì)短信報(bào)警功能。使用戶及時(shí)了解到農(nóng)作物生長的趨勢，給出應(yīng)對(duì)策略。

由于模糊推理的數(shù)據(jù)量需要不斷調(diào)整，所以本系統(tǒng)還具有自動(dòng)更新功能，它可以通過USB接口，或網(wǎng)絡(luò)接口及時(shí)的更新內(nèi)部數(shù)據(jù)與固件。

實(shí)物圖片：

51單片機(jī)——無線傳感器部分

PIC32——手持終端部分

全圖