柑橘育苗水分胁迫监测系统、方法、计算机设备及介质

本发明涉及一种柑橘育苗水分胁迫监测系统、方法、计算机设备及介质，属于幼苗培育及算法应用领域。

背景技术：

1、未来主流的柑橘育苗逐渐从让幼苗生长在土地上转变为用育苗袋及营养土培育幼苗。目前国内育苗环境大多数是育苗袋装上泥土并将育苗袋埋在土里，生长到一定阶段就连袋拔出进行迁移或售卖，同时并无大棚环境，整体环境跟以前直接栽培在土里并无区别，好处就是加入的育苗袋可以起到在迁移时保护根部，同时节省部分人力，比如与土地接触可以让水分维持的更久，缺点就是幼苗处于野外环境，可能会遭遇强降水等自然灾害，及土地里隐藏的病虫害等；国外的育苗整体更现代化，主要体现在育苗大棚，包括封闭型和开放型，育苗袋摆放在地面上或者是特定的架子上，育苗袋内装的是营养土，其特点是更加透气，养分充足，不足之处就是保水性较差，需要保持灌溉，也因此根部的水分及氧气更加充足。整体来说，大棚中的育苗环境生产的幼苗更少病害，根部的生长也更粗壮充分。

2、柑橘幼苗涝害和旱害的研究文献都比较有限，目前并无相关电子系统或者是现代化的设备介入提高幼苗质量这一重要的环节中。目前主要存在的相关问题及不足包括旱害，涝害的明确分界及具体数据；在不适合的环境中，难以及时，提前地观察到幼苗变化。柑橘幼苗本身存在对环境一定的抵抗力，对于环境短时间内的涝害和旱害并不会在让其的表征出现明显变化，从表面看着无异样的幼苗，可能已经处于抵抗环境的状态中，对此只有通过叶绿素仪及刨开泥土观察根部的方式才能看到其对环境敏感的变化，此时的变化是为了抵抗环境而做出的动作，而非已经失去抵抗力，对于育苗基地的幼苗数量来说这两个检查方式明显不可能实现，同时刨开泥土会对根部造成一定的损伤。另外灌溉决策仍是传统的观察叶片是否卷曲及蜷缩来判断是否缺水，对于水分过多只能等幼苗表面出现明显问题才进行处理，这两种情况的出现对于幼苗已经失去抵抗环境的能力，进入受损状态，以上两种情况都说明了传统的灌溉方式并不能一直为柑橘幼苗提供一个舒适的环境，对环境的处理只能在幼苗发出信号之后，此时幼苗已经不能维持正常健康的状态。

3、传统的育苗可能存在的问题包括不明显的旱害导致植株生长缓慢，影响后续成树的过程及果实质量，根部脆弱；不明显的涝害导致植物根部受刺激生长过长，导致根茎较细，整体脆弱，同时由于氧气不足，长时间后会导致根部整体发烂发臭，缓慢杀死植株；对于泥土，高温高湿也会容易产生潜叶蛾、立枯病、疫病等病害及虫害等。因此，实现对育苗过程中的监测及防害，对于未来更大的育苗基地，更高的幼苗质量，进一步实现“数字农业”“精准农业”显得尤为重要。

技术实现思路

1、本发明的第一个目的是为了克服上述现有技术的缺点与不足，提出一种柑橘育苗水分胁迫监测系统，该系统可以对幼苗根部所在环境进行监测，获取并记录数据，对大型的育苗基地，在无损监测的基础上，可实现无人化，无线化监测幼苗变化及状态，同时通过数据的查看，可以精准定位数据异常的区域，为实现预防土壤病害的出现，更高精度地灌溉，更科学地育苗，及对幼苗进行根部水分梯度实验提供帮助。

2、本发明的第二个目的在于提供一种柑橘育苗水分胁迫监测方法。

3、本发明的第三个目的在于提供一种计算机设备。

4、本发明的第四个目的在于提供一种计算机可读存储介质。

5、本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

6、一种柑橘育苗水分胁迫监测系统，包括上位机、第一无线数传终端、第二无线数传终端和土壤温湿度传感器，所述第一无线数传终端为usb转lora无线数传终端，所述第二无线数传终端为rs485转lora无线数传终端，所述上位机以串口通信的方式与第一无线数传终端相连，所述第一无线数传终端以广播的通信方式与第二无线数传终端建立通信，所述第二无线数传终端与土壤温湿度传感器相连；

7、所述土壤温湿度传感器，用于采集柑橘幼苗所在育苗袋的土壤环境信息；

8、所述上位机，用于定时获取土壤温湿度传感器的数据并记录；接收用户输入的选择指令；若选择指令为评估指令，则获取过去第一预设时间内的数据，并对数据进行处理，生成第一监测数据集，将第一监测数据集放入训练完成的多层感知器模型，得到过去第一预设时间内幼苗生长的评估结果；若选择指令为防害指令，则获取过去第二预设时间内的数据，并对数据进行处理，生成第二监测数据集，将第二监测数据集放入训练完成的多层感知器模型，得到以过去第二预设时间的环境保持第一预设时间后幼苗的预测生长状态；其中，所述第一预设时间大于第二预设时间。

9、进一步的，所述多层感知器模型包括一个输入层、两个隐藏层和一个输出层，所述第一预设时间为7天，所述第二预设时间为1天；

10、所述输入层为504个神经元，对应每7天的504个数据；所述隐藏层分别为168个和7个，分别对应小时数及天数；所述输出层为3个，对应3个类别；所述隐藏层中的激活函数选择了sigmoid函数，所述输出层选择softmax函数，各层之间设置batchnorm1d函数。

11、进一步的，所述土壤温湿度传感器竖直插入柑橘幼苗所在育苗袋的土壤环境，使探头完全没入泥土，同时所插位置在距离柑橘幼苗主干4cm处。

12、进一步的，还包括延长天线，所述第一无线数传终端和第二无线数传终端的sma接口与延长天线相连，实现100m范围内的数据收发。

13、本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

14、一种柑橘育苗水分胁迫监测方法，所述方法包括：

15、定时获取土壤温湿度传感器的数据并记录；

16、接收用户输入的选择指令；

17、若选择指令为评估指令，则获取过去第一预设时间内的数据，并对数据进行处理，生成第一监测数据集，将第一监测数据集放入训练完成的多层感知器模型，得到过去第一预设时间内幼苗生长的评估结果；

18、若选择指令为防害指令，则获取过去第二预设时间内的数据，并对数据进行处理，生成第二监测数据集，将第二监测数据集放入训练完成的多层感知器模型，得到以过去第二预设时间的环境保持第一预设时间后幼苗的预测生长状态；

19、其中，所述第一预设时间大于第二预设时间。

20、进一步的，所述方法还包括：

21、制作温湿度数据及幼苗状态的数据集，所述数据集表示在第一预设时间的时长内，根部处在的各个含水量环境，所述数据集包括训练集和测试集，所述训练集的数据及分类来源于原生的实验数据及对实验数据的模拟和搭配，所述测试集的数据及分类来自每天单独的数据；

22、对数据集中的数据进行处理，将处理后的数据集放入多层感知器模型中进行训练，经过各层函数调整优化，得到训练完成的多层感知器模型。

23、进一步的，所述对数据集中的数据进行处理，具体包括：

24、将每条数据中数值按大到小排列；

25、针对同类数据，在同类实验的单独一天数据中随机抽取并合成第一预设时间的数据，得到的该类实验新的数据，并将异类数据按比例混合；

26、将原生数据整体往上或往下平移几个小单位，为不同类的边界填充数据。

27、进一步的，所述获取土壤温湿度传感器的数据，具体包括：

28、按顺序设置每个土壤温湿度传感器的问询帧，初始化各个土壤温湿度传感器存放数据的dataframe，检测串口是否开启，逐个发送土壤温湿度传感器的问询帧，接受返回的信息，逐个转码，计算出温湿度，获取当前时间，将时间及温湿度写入各个土壤温湿度传感器对应的dataframe。

29、进一步的，所述将第一监测数据集放入训练完成的多层感知器模型，得到过去第一预设时间内幼苗生长的评估结果之后，还包括：

30、针对评估结果是非健康的状态，若评估结果是旱害，建议未来第一预设时间的灌溉在健康的范围内提高土壤含水量，让植物进行补充储存；若评估结果是涝害，建议未来第一预设时间的灌溉在健康的范围内降低土壤含水量，让植物的根部减缓继续延长生长的趋势，加大植物的根部径向的生长趋势，使植物的根部生长更加强壮。

31、本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：

32、一种计算机设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现上述的柑橘育苗水分胁迫监测方法。

33、本发明的第四个目的可以通过采取如下技术方案达到：

34、一种计算机可读存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现上述的柑橘育苗水分胁迫监测方法。

35、本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

36、本发明在无损监测的基础上，实现了育苗过程中幼苗监测的数字化，对幼苗根部所在环境进行监测，获取并记录数据，对大型的育苗基地，可实现无人化，无线化监测幼苗变化及状态。对于新品种植株，可以通过对叶片和根部的实验，通过收集的数据，得到该品种最适合的生长环境。同时通过数据的查看，可以为实现预防土壤病害的出现，更高精度地灌溉，更科学地育苗，及对幼苗进行根部水分梯度实验提供帮助；通过收集记录的数据，选择评估或防害模块，对数据进行处理，放入自行搭建及训练完成的mlp模型中，在完全不用接触幼苗的情况下，即可得出对应的幼苗生长状态(健康、旱害和涝害)；通过生长状态，结合当前对幼苗的已知信息，提前调整环境，可以预防旱害，涝害的出现；在旱害涝害出现后结合数据及系统所给结果，更合理地调整幼苗环境；在及时的调整及预防下，可以使幼苗的育苗过程中始终处于理想的生长环境中，让幼苗期的植株根部生长兼顾粗壮与长度，让主干生长更加粗壮，减少发生病害的可能，为后续移植入土，开花结果做好准备。