基于物联网的智能温室作物生长状态监控与管理系统的制作方法

本发明涉及智能农业，尤其涉及基于物联网的智能温室作物生长状态监控与管理系统。

背景技术：

1、随着智能农业和精准农业的发展，物联网技术在农业领域的应用日益广泛，尤其在温室种植中，环境调控对作物生长的重要性愈加显著；传统的温室环境调控多依赖人工经验或固定的控制参数，难以根据作物的实时生长状态进行精准调节，导致资源浪费和作物生长效率的低下；同时，作物的生长状态与光照、温湿度、水分等环境参数密切相关，如何根据这些因素的变化及时调整温室环境，是温室管理中的一个重要挑战；

2、然而，现有技术往往存在以下问题：首先，温室环境调控系统大多是基于单一传感器数据进行环境调节，未能充分考虑多维度生理数据（如光合有效辐射吸收率、蒸腾强度指数、根系活度等）对作物生长的综合影响；其次，现有的控制系统无法动态地根据作物的实时生长需求做出反应，导致环境控制的滞后性和不精确性。因此，如何基于作物的实时生长状态，动态优化调控参数，提升作物生长效率、减少能源浪费，并实现更智能的温室环境管理，是当前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、基于上述目的，本发明提供了基于物联网的智能温室作物生长状态监控与管理系统。

2、基于物联网的智能温室作物生长状态监控与管理系统，包括多源感知模块、时空校准模块、生理参数计算模块、生长耦合分析模块、调控决策模块以及闭环执行模块；其中：

3、多源感知模块：通过冠层多光谱相机、茎秆液压传感器和根区介电探头，同步采集冠层光谱数据、茎秆压力波动数据和根系电导率数据；

4、时空校准模块：以茎秆分叉点为基准点，对采集的冠层光谱数据与茎秆压力波动数据进行时空对齐，生成时间同步的冠层-茎秆联合数据集；

5、生理参数计算模块：用于从冠层-茎秆联合数据集中提取光合有效辐射吸收率和蒸腾强度指数，并结合根系电导率数据计算有效根活度；

6、生长耦合分析模块：用于根据光合有效辐射吸收率、蒸腾强度指数与有效根活度的耦合关系，动态计算生长协调指数值；

7、调控决策模块：基于生长协调指数值与预设阈值的偏离程度，生成补光强度、灌溉频率和通风时长的调控指令集；

8、闭环执行模块：用于将调控指令集输入执行设备进行调控后，根据下一采集周期的新生长协调指数值动态修正调控指令的参数。

9、可选的，所述多源感知模块包括冠层光谱采集单元、茎秆压力监测单元以及根系电导率检测单元；其中：

10、冠层光谱采集单元：通过设置在温室内的冠层多光谱相机，按照每隔10分钟的时间间隔同步采集作物冠层的光谱数据；

11、茎秆压力监测单元：通过安装在作物茎秆上的液压传感器，实时采集茎秆内部的压力波动数据；

12、根系电导率检测单元：通过埋设在根区的介电探头，实时监测根系电导率数据。

13、可选的，所述时空校准模块包括数据接收单元、基准点标定单元、时空对齐单元以及联合数据生成单元；其中：

14、数据接收单元：用于接收来自多源感知模块的冠层光谱数据与茎秆压力波动数据；

15、基准点标定单元：以茎秆分叉点作为基准点，通过分析冠层光谱数据与茎秆压力波动数据中的时间戳，确定茎秆分叉点在两个数据集中的对应位置；

16、时空对齐单元：根据基准点标定单元确定的基准位置，采用插值算法对冠层光谱数据与茎秆压力波动数据进行时空对齐，确保两组数据在时间上与空间上匹配；

17、联合数据生成单元：基于时空对齐后的冠层光谱数据与茎秆压力波动数据，生成时间同步的冠层-茎秆联合数据集。

18、可选的，所述时空对齐单元包括：

19、确定时空偏移量：根据基准点标定单元确定的冠层光谱数据与茎秆压力波动数据中的基准位置，计算两组数据的时间偏移量；

20、数据对齐：根据计算得到的时间偏移量，通过线性插值法对冠层光谱数据与茎秆压力波动数据进行时间对齐；具体地，对于冠层光谱数据中的第个数据点，其时间戳为，采用以下线性插值公式将其调整到与茎秆压力波动数据的时间戳对应的位置：，其中，为调整后的数据点，为时间偏移量，和为冠层光谱数据中相邻的两个数据点值，和分别是它们对应的时间戳；

21、空间对齐：通过空间插值方法对茎秆压力波动数据进行校准，设茎秆压力波动数据的采样点对应时间，其空间位置为，根据空间插值算法将其调整至与冠层光谱数据的位置对应，空间插值公式为：，其中，为调整后的茎秆压力波动数据，和 分别是茎秆压力波动数据和冠层光谱数据在空间上的位置，和分别是茎秆压力波动数据中相邻的两个数据值， 和分别是它们对应的空间位置。

22、可选的，所述生理参数计算模块包括光合有效辐射吸收率计算单元、蒸腾强度指数计算单元以及有效根活度计算单元；其中：

23、光合有效辐射吸收率计算单元：用于从冠层-茎秆联合数据集中提取冠层光谱数据，并采用以下公式计算光合有效辐射吸收率： ，其中， 为作物冠层反射率， 为波长为 的光谱辐射强度， 为入射光强度， 表示光合有效辐射的吸收率；

24、蒸腾强度指数计算单元：用于从元层－茎秆联合数据集中提取蒸腾相关的光谱数据，并结合温室内的环境数据，通过以下公式计算蒸腾强度指数： ，其中，为环境温度， 为空气湿度， 表示蒸腾强度指数；

25、有效根活度计算单元：接收根系电导率数据，并通过分析根系电导率与作物生长状态的关系，评估根系的健康程度与活跃性，从而计算有效根活度。

26、可选的，所述有效根活度计算单元包括：

27、根系电导率数据提取：从多源感知模块中获取根系电导率数据；

28、根系电导率与生长状态关联分析：基于作物的土壤湿度和养分供应的因素，分析根系电导率与作物生长状态之间的关系，根系电导率与作物根系活性之间的关系通过以下经验公式进行计算： ，其中， 为根系电导率， 为土壤中的养分浓度， 为土壤温度， 和 为拟合系数；

29、评估根系健康程度：根据根系电导率与生长状态的关联分析，判断根系是否处于健康状态，若根系电导率值高于 ，则说明根系健康；若根系电导率值低于，则表明根系活性差；

30、计算有效根活度：结合根系电导率数据与作物生长状态，通过以下公式计算有效根活度： ，其中， 为该作物在最佳生长条件下的最大根系电导率， 为有效根活度。

31、可选的，所述生长耦合分析模块包括数据标准化单元以及耦合计算单元；其中：

32、数据标准化单元：用于从生理参数计算模块接收光合有效辐射吸收率、蒸腾强度指数和有效根活度的数据，并对数据进行标准化处理，从而为后续的耦合计算提供统一的输入；

33、耦合计算单元：用于根据标准化后的光合有效辐射吸收率 ，蒸腾强度指数和有效根活度 的数据，采用以下耦合公式动态计算生长协调指数值：

34、，其中， 表示生长协调指数值，分别为光合有效辐射吸收率，蒸腾强度指数和有效根活度的加权系数，为对应参数的最大值。

35、可选的，所述调控决策模块包括生长协调指数偏离度计算单元、补光强度调控单元、灌溉频率调控单元、通风时长调控单元以及调控指令生成单元；其中：

36、生长协调指数偏离度计算单元：用于从生长耦合分析模块接收生长协调指数值，并与预设的生长协调指数阈值进行比较，计算其偏离程度；

37、补光强度调控单元：用于根据生长协调指数偏离度计算单元计算出的偏离量，生成补光强度调控指令；具体地，当偏离量为负值，说明作物光合作用不足，则增加补光强度；当偏离量为正值，说明作物光合作用过强，则减少补光强度；

38、灌溉频率调控单元：用于根据生长协调指数偏离度生成灌溉频率调控指令；具体地，当偏离量为负值，说明作物水分需求增加，则提高灌溉频率；当偏离量为正值，说明作物水分过多，则降低灌溉频率；

39、通风时长调控单元：用于根据生长协调指数偏离度生成通风时长调控指令；具体地，当偏离量为负值，说明作物生长环境过热，则增加通风时长；当偏离量为正值，说明作物生长环境适宜，则减少通风时长；

40、调控指令生成单元：用于将各个调控单元生成的补光强度、灌溉频率和通风时长的调控指令整合，生成完整的调控指令集，并将其输出至闭环执行模块进行实际调节。

41、可选的，所述偏离程度的计算公式为： ，其中， 表示生长协调指数与预设阈值的偏离量， 为作物在最佳生长条件下的阈值。

42、可选的，所述闭环执行模块包括调控指令输入单元、新生长协调指数采集单元、偏差计算单元、调控参数修正单元以及反馈调整单元；其中：

43、调控指令输入单元：用于将来自调控决策模块生成的补光强度、灌溉频率和通风时长的调控指令集输入至执行设备，指令集用于控制温室中的环境参数，以确保作物生长在适宜的环境条件下；

44、新生长协调指数采集单元：用于在每个采集周期结束时，从生长耦合分析模块获取新的生长协调指数值；

45、偏差计算单元：用于根据新生长协调指数值与当前生长协调指数阈值之间的偏差，计算出新的偏差值；

46、调控参数修正单元：用于根据计算得到的新偏差值对执行设备的调控指令进行动态修正；

47、反馈调整单元：用于根据调控参数修正单元计算得到的修正后的调控指令，实时调整执行设备的运行状态。

48、本发明的有益效果：

49、本发明，通过多源感知模块、动态计算和闭环反馈机制的综合应用，实现了对温室环境的精准调控。通过采集光合有效辐射吸收率、蒸腾强度指数和有效根活度等多维度生理数据，结合作物的实时生长状态，能够动态计算出生长协调指数，并根据这一指标调整补光强度、灌溉频率和通风时长等环境参数，从而精确优化温室环境，该系统能够根据作物的实时需求自动调节环境，避免了传统系统中人为调节和固定参数设置的局限性，提高了资源的利用效率，减少了能源消耗。

50、本发明，通过闭环执行模块对调控指令的实时修正和反馈，确保了环境条件与作物生长状态的持续匹配，这一智能化调控方式不仅优化了作物的生长环境，还能显著提升作物产量和质量。