LED蓝莓补光灯数据分析系统设计与研究.pdf

1 引言 作 为 一 种 集 约 化 的 农 业 种 植 模 式 数 字 化 光 感 植 物 工 厂 主 要 分 布 在 一 些 发 达 国 家 其 中 日 本 荷 兰 最 具 代 表 性 日 本 和 荷 兰 由 于 地 理 位 置 的 限 制 数 字 化 光 感 植 物 工 厂 发 展 都 比 较 早 具 有 成 熟 成 套 的 植 物 栽 培 技 术 比 较 齐 全 的 设 施 装 备 规 范 的 生 产 作 业 流 程 稳 定 的 产 量 和 高 品 质 的 质 量 日 本 大 阪 府 立 大 学 数 字 化 光 感 植 物 工 厂 为 世 界 首 例 应 用 组 合 作 业 机 器 人 实 现 自 动 选 育 优 良 种 苗 日 本 京 都 Spread 公 司 建 成 世 界 上 首 例 完 全 自 动 化 的 数 字 化 光 感 植 物 工 厂 1 荷 兰 以 玻 璃 温 室 为 主 的 数 字 化 光 感 植 物 工 厂 经 过 上 百 年 的 发 展 虽 然 其 结 构 形 式 比 较 单 一 但 其 技 术 已 经 非 常 成 熟 90 以 上 是 Venlot 文 洛 式 智 能 玻 璃 温 室 这 种 以 智 能 玻 璃 温 室 为 主 的 数 字 化 光 感 植 物 工 厂 目 前 已 成 为 世 界 上 地 域 应 用 最 广 利 用 率 最 高 的 数 字 化 光 感 植 物 工 厂 2 本 研 究 专 注 于 设 计 一 个 针 对 LED 蓝 莓 补 光 灯 的 数 据 分 析 系 统 该 系 统 主 要 涵 盖 软 件 层 面 的 开 发 以 优 化 蓝 莓 的 生 长 光 照 管 理 系 统 设 计 包 括 数 据 收 集 处 理 分 析 及 用 户 界 面 四 个 主 要 模 块 首 先 系 统 通 过 接 口 与 现 有 的 农 业 数 据 库 集 成 自 动 导 入 关 于 LED 补 光 灯 的 运 行 数 据 如 照 明 时 长 和 光 照 强 度 数 据 处 理 模 块 采 用 先 进 的 数 据 清 洗 和 预 处 理 技 术 确 保 输 入 数 据 的 准 确 性 和 一 致 性 在 数 据 分 析 模 块 系 统 应 用 统 计 和 机 器 学 习 算 法 分 析 光 照 参 数 与 蓝 莓 生 长 指 标 之 间 的 关系 从而预测最优的光照策略 2 数据分析技术发展 随 着 我 国 现 代 化 的 不 断 推 进 数 据 分 析 作 为 大 数 据 技 术 与 我 国 国 情 深 度 融 合 的 产 物 为 企 业 生 产 效 率 和 资 源 利 用 效 益 的 提 升 发 挥 了 显 著 的 作 用 3 对 此 国 内 外 有 许 多 专 家 和 学 者 尝 试 解 决 这 些 问 题 刘 海 燕 4 等 人 建 立 中 国 典 型 棉 田 生 态 系 统 的 微 生 物 组 数 据 库 及 大 数 据 可 视 化 分 析 流 程 通 过 各 种 手 段 实 现 了 多 元 异 构 农 业 资 源 数 据 有 效 整 合 樊 会 丽 5 构 建 一 套 适 合 田 间 数 据 即 时 收 集 灾 难 防 范 现 代 管 理 的 互 联 网 信 息 化 网 络 平 台 有 效 地 加 强 政 府 部 门 对 当 地 农 业 生 产 的 监 管 和 信 息 技 术 的 引 导 能 力 陈 忠 超 6 等 人 则 根 据 目 前 中 国 农 大 数 据 分 析 网 络 平 台 的 空 间 数 据 分 析 程 度 不 够 结 果 呈 现 不 够 专 业 数 据 的 尺 度 和 专 题 呈 现 也 不 够 充 分 等 实 际 情 况 充 分 发 挥 了 GIS 在 农 业 空 间 层 面 上 的 数 据 挖 掘 优 势 开 发 和 完 成 了 中 国 农 业 产 业 空 间 沿 革 数 据 分 析 体 系 黄 红 星 7 等 人 根 据 现 代 农 业 生 产 经 营 管 理 对 农 产 品 资 源 有 效 配 置 的 要 求 通 过 构 建 现 代 农 产 品 资 源 多 源 信 息 收 集 技 术 并 基 于 统 一 编 码 的 标 准 系 统 构 建 了 一 个 集 天 气 土 地 农 情 农 技 服 务 农 资 收稿时间 2024 04 17 第一作者 王吉平 1980 女 河南平顶山人 硕士 讲师 研究方向 机电液一体化设计 基金项目 2023 年江苏省大学生创新创业训练计划项目 202313654054 P LED 蓝莓补光灯数据分析系统设计与研究 王 吉 平 王 宇 洋 陈 思 琪 王 镇 文 董 宇 捷 张 琪 瑞 张 瑛 南京理工大学紫金学院 江苏 南京 210000 摘 要 本 研 究 开 发 一 个 LED 蓝 莓 补 光 灯 数 据 分 析 系 统 旨 在 通 过 精 准 控 制 光 照 模 式 优 化 蓝 莓 生 长 环 境 系 统 整 合 数 据 收 集 实 时 数 据 处 理 以 及 用 户 界 面 设 计 以 实 现 对 蓝 莓 生 长 条 件 的 动 态 管 理 通 过 部 署 环 境 和 植 物 生 长 传 感 器 系 统 能 够 实 时 收 集 光 照 等 关 键 数 据 并 通 过 无 线 网 络 发 送 至 中 心 处 理 单 元 利 用 先 进 的 数 据 分 析 技 术 和 相 关 算 法 系 统 分 析 LED 补 光 对 植 物 生 长 的 具 体 影 响 自 动 调 节 光 照 强 度 和 周 期 此 外 系 统 的 用 户 界 面 提 供 了 直 观 的 数 据 可 视 化 功 能 支 持 用 户 进 行 有 效 地 监 控 与 操 作 测 试 结 果 表 明 该 系 统 能 显 著 提 升 蓝 莓 的 生 长 效 率和果实质量 证明了数据驱动方法在现代农业技术中的应用价值 关键词 数据分析 数字化光感植物工厂 蓝莓 中图分类号 TP 273 文献识别码 A 文章编号 2095 3518 2024 06 115 03 2024 年第 40 卷第 6 期 轻工科技 LIGHT INDUSTRY SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol 40 No 6 2024 115服 务 信 息 于 一 身 的 农 产 品 资 源 信 息 库 并 通 过 数 据 可 视 化 技 术 在 互 联 网 环 境 上 向 广 大 农 业 生 产 者 当 地 政 府 管 理 机 关 等 提 供 方 便 快 捷 的 现 代 农 产 品 资 源 经 营 管 理信息咨询服务 3 需求分析 LED 蓝 莓 补 光 灯 数 据 分 析 系 统 设 计 与 研 究 旨 在 开 发 一 个 多 功 能 的 综 合 系 统 该 系 统 通 过 整 合 高 级 数 据 处 理 技 术 和 智 能 分 析 方 法 提 高 光 感 数 字 化 光 感 植 物 工 厂 的 运 营 效 率 和 决 策 质 量 如 图 1 所 示 系 统 的 核 心 组 成 部 分 包 括 用 户 管 理 角 色 管 理 物 品 分 类 图像库管理以及光谱智能分析与决策模块 图 1 系统数据分析流程图 1 用 户 管 理 提 供 用 户 注 册 登 录 信 息 修 改 等 基 础 功 能 确 保 用 户 信 息 的 安 全 和 隐 私 保 护 同 时 支 持 多 用户环境下的个性化设置和权限分配 2 角 色 管 理 定 义 不 同 的 用 户 角 色 并 根 据 角 色 分 配 相 应 的 权 限 以 实 现 精 细 化 的 访 问 控 制 和 操 作 权 限管理 3 物 品 分 类 针 对 光 感 数 字 化 光 感 植 物 工 厂 中 的 不 同 植 物 进 行 分 类 管 理 支 持 增 加 删 除 修 改 和 查 询 等功能 提高物品管理的效率和准确性 4 图 像 库 管 理 建 立 一 个 中 央 图 像 库 存 储 植 物 生 长 过 程 中 的 图 像 数 据 支 持 图 像 的 上 传 标 注 检 索 和分析 为植物生长光照监测提供数据支持 5 光 谱 智 能 分 析 如 图 2 利 用 相 关 算 法 和 图 像 处 理 技 术 对 光 谱 数 据 和 图 像 库 中 的 图 像 进 行 智 能 分 析 识 别 植 物 生 长 状 态 和 健 康 状 况 基 于 分 析 结 果 自 动 提出管理和调整建议 支持决策制定 系 统 采 用 模 块 化 设 计 思 想 各 功 能 模 块 独 立 互 相 协 作 保 证 了 系 统 的 灵 活 性 和 扩 展 性 集 成 先 进 的 数 据 处 理 算 法 和 智 能 分 析 技 术 特 别 是 在 光 谱 数 据 处 理 和 图 像 分 析 方 面 提 供 准 确 的 决 策 支 持 同 时 提 供 直 观 易 用 的 图 形 用 户 界 面 确 保 各 级 用 户 能 够 轻 松 地 管 理信息 进行数据分析和接收决策建议 图 2 数据分析用例图 4 贪心算法的应用 在 数 字 化 光 感 植 物 工 厂 的 应 用 背 景 下 贪 心 算 法 可 以 用 于 多 个 领 域 例 如 它 可 以 用 于 优 化 水 肥 利 用 通 过 计 算 各 个 生 长 阶 段 作 物 对 水 分 和 营 养 的 需 求 贪 心 算 法 能 够 提 出 最 节 水 节 肥 的 灌 溉 和 施 肥 方 案 同 样 在 光 照 管 理 方 面 算 法 可 以 根 据 作 物 对 光 照 强 度 和 光 照 时 间 的 需 求 以 及 光 照 资 源 的 可 用 性 提 出 最 优 的 光照调配策略 以促进作物生长的同时 降低能耗 然 而 贪 心 算 法 的 应 用 也 面 临 局 限 性 由 于 算 法 总 是 寻 求 当 前 最 优 解 这 种 策 略 可 能 忽 略 了 全 局 最 优 解 需 要 的 长 期 规 划 和 牺 牲 特 别 是 在 那 些 局 部 最 优 选 择 可 能 导 致 未 来 选 择 受 限 的 问 题 上 因 此 当 应 用 贪 心 算 法 于 复 杂 的 生 产 决 策 系 统 时 需 综 合 考 量 其 适 用 性 改 进 其 基 本 框 架 并 可 能 需 要 与 其 他 决 策 方 法 如 动 态 规 划 或 回 溯 算 法 相 结 合 以 寻 求 更 加 全 面 和 有 效 的 解决方案 要 在 具 体 的 计 算 过 程 和 公 式 中 应 用 贪 心 算 法 以 优 化 光 感 植 物 工 厂 的 光 谱 分 配 我 们 可 以 设 定 一 个 简 化 的 问 题 场 景 工 厂 中 有 一 个 固 定 数 量 的 LED 光 源 每 个 光 源 可 调 节 以 发 出 不 同 比 例 的 红 光 和 蓝 光 目 标 是 在 给定的资源下最大化特定植物的生长效率 目标函数 最大化植物的总生长效益 即 M a x i 1 N E 红光 R i E 蓝 光 B i 函数单位含义 总光源数量 N 每 个 光 源 可 提 供 的 红 光 比 例 范 围 0 至 100 每 个 光 源 可 提 供 的 蓝 光 比 例 范 围 0 至 100 备 注 红 蓝 光比例之和为 100 红 光 对 植 物 生 长 的 效 益 值 E 红光 蓝 光 对 植 物 生 长 的效益值 E 蓝光 116其 中 R i 和 B i 分 别 代 表 第 i 个 光 源 发 出 的 红 光 和 蓝 光的比例 且 R i B i 10 0 贪心算法策略目标 1 效 益 比 例 比 较 单 个 光 源 的 红 光 和 蓝 光 对 植 物 生长的边际效益 即比较 E 红光 与 E 蓝光 的值 2 光 谱 分 配 根 据 效 益 值 的 比 较 结 果 优 先 分 配 效 益 更 高 的 光 谱 例 如 如 果 E 蓝光 E 红光 则 优 先 分 配 蓝光至 100 直至所有光源分配完成 案例过程实例 N 10 共有 10 个光源 E 红光 2 红光每单位对植物生长的贡献为 2 E 蓝光 3 蓝光每单位对植物生长的贡献为 3 E 蓝光 E 红光 根 据 贪 心 策 略 优 先 为 每 个 光 源 分 配 100 的蓝光 总生长效益为 i 1 10 0 2 1 3 30 综 上 所 述 贪 心 算 法 在 数 字 化 光 感 植 物 工 厂 设 计 与 研 究 数 据 分 析 与 决 策 系 统 设 计 课 题 中 扮 演 着 重 要 角 色 通 过 提 供 快 速 有 效 的 解 决 方 案 支 持 光 感 植 物 工 厂 的 资 源 优 化 和 生 产 决 策 然 而 为 了 克 服 其 局 限 性 确 保 决 策 的 全 局 最 优 化 需 要 对 算 法 进 行 细 致 的 设 计 和 适 时 的 调 整 甚 至 与 其 他 算 法 策 略 相 结 合 从 而 提高系统的决策质量和生产效率 5 图像智能识别及数据分析 图 像 智 能 识 别 及 数 据 分 析 功 能 核 心 研 究 聚 焦 于 深 入 探 索 植 物 光 合 作 用 与 光 谱 特 性 间 的 复 杂 互 动 目 的 是 通 过 科 学 的 光 谱 分 析 实 现 光 照 环 境 的 最 优 化 配 置 以 促 进 植 物 的 健 康 成 长 及 产 量 提 升 本 功 能 采 用 贪 心 算 法 对 植 物 的 光 谱 数 据 进 行 高 效 分 析 以 确 定 最 佳 的 光 谱 配 比 该 算 法 的 应 用 旨 在 实 时 调 整 光 照 策 略 确 保 植 物 能 够 在 其 生 长 周 期 的 各 个 阶 段 接 收 到 最 适 宜 的 光照条件 本 功 能 首 先 通 过 精 确 的 光 谱 测 量 技 术 收 集 植 物 在 不 同 波 长 光 照 下 的 生 长 数 据 包 括 但 不 限 于 光 合 作 用 速 率 叶 绿 素 含 量 生 长 速 度 及 生 物 量 等 指 标 这 些 数 据 为 光 谱 配 比 的 科 学 决 策 提 供 了 基 础 随 后 应 用 贪 心 算 法 对 收 集 到 的 数 据 进 行 分 析 该 算 法 通 过 比 较 不 同 光 谱 条 件 下 植 物 生 长 的 效 果 迅 速 识 别 出 对 植 物 生 长 最 为 有 利 的 光 照 配 比 贪 心 算 法 的 优 势 在 于 其 能 够 在 考 虑 当 前 情 况 下 做 出 局 部 最 优 决 策 从 而 在 全 局 范 围 内 寻 找 到 近 似 最 优 的 解 决 方 案 这 一 点 在 处 理 光 谱 优 化 问 题 时 尤 为 重 要 因 为 它 允 许 研 究 人 员 在 有 限 的 计 算 资 源 下 快 速 调 整 光 谱 配 比 以 适 应 植 物 生 长 的 实时需求 6 结论 本 研 究 成 功 设 计 并 实 现 了 一 个 LED 蓝 莓 补 光 灯 数 据 分 析 系 统 其 主 要 贡 献 在 于 提 供 了 一 个 软 件 框 架 通 过 数 据 驱 动 的 方 法 优 化 蓝 莓 种 植 中 的 补 光 策 略 系 统 集 成 了 数 据 导 入 分 析 和 可 视 化 功 能 使 农 业 生 产 者 能 够 根 据 科 学 数 据 调 整 LED 灯 光 的 照 射 模 式 分 析 模 块 采 用 统 计 学 和 贪 心 算 法 对 光 照 参 数 与 蓝 莓 生 长 数 据 之 间 的 相 关 性 进 行 深 入 分 析 结 果 显 示 合 理 的 光 照 调 整可以显著提高蓝莓的生长质量和产量 系 统 的 实 现 不 仅 提 升 了 光 照 管 理 的 智 能 化 水 平 还 为 蓝 莓 种 植 业 者 提 供 了 一 个 强 有 力 的 工 具 以 科 学 的 方 式 优 化 生 产 过 程 此 外 用 户 界 面 的 设 计 考 虑 了 易 用 性 和 功 能 性 确 保 了 各 级 用 户 都 能 够 轻 松 地 进 行 操 作 和 获 取 需 要 的 信 息 通 过 本 系 统 的 应 用 可 以 进 一 步 验 证 数 据 分 析 在 农 业 领 域 的 实 用 性 和 有 效 性 为 未 来 农 业 技 术 的 发 展 提 供 了 宝 贵 的 参 考 和 经 验 总 体 而 言 该 研 究 展 示 了 计 算 机 技 术 在 传 统 农 业 领 域 应 用 的巨大潜力 特别是在精确调控作物生长条件方面 参考文献 1 周 增 产 董 微 李 秀 刚 等 植 物 工 厂 产 业 发 展 现 状 与 展 望 J 农业工程技术 2022 42 1 18 23 2 王 伟 丽 浅 析 国 内 外 植 物 工 厂 发 展 现 状 J 木 工 机 床 2018 4 31 34 3 高 轩 农 业 大 数 据 应 用 现 状 及 发 展 策 略 J 现 代 农 业 科技 2024 1 189 192 4 刘 海 燕 杨 榕 侯 彤 瑜 等 新 疆 棉 田 土 壤 微 生 物 资 源 大 数 据 平 台 建 设 与 可 视 化 分 析 J 农 业 大 数 据 学 报 2021 3 1 45 55 5 樊 会 丽 郑 州 市 农 田 智 能 监 测 系 统 实 施 现 状 与 分 析 J 河南农业 2020 31 8 6 陈 忠 超 刘 吉 孙 俊 英 等 农 业 产 业 时 空 沿 革 分 析 系 统 方 法 探 究 与 实 现 J 测 绘 与 空 间 地 理 信 息 2020 43 6 129 131 7 黄 红 星 刘 晓 珂 陈 鹏 飞 等 基 于 可 视 化 技 术 的 农 业 资 源数据管理系统开发 J 农业网络信息 2016 8 65 68 117