文摘

果实成熟期间,果园里日夜温差对水果质量产生重大影响,它是不容易被控制的温室,本文设计的智能果园物联网(物联网),通过模糊PID (Proportion-Integration-Differentiation)算法来控制喷水调节温度的影响昼夜之间的果园,智能地影响果园的能量转换过程,促进了果实糖积累。实验表明,该最大值可以达到20°C,基于物联网智能能源监管有很好的效果,和一个计划干预在农田小气候(完全不同于温室环境)。

1。介绍

我们都知道,作物的生长是一个能量传递和转换的过程。通过光合作用,太阳能转化为化学能,储存在农作物和水果。随着智能农业的发展,人工能量转换条件的管理作物生长过程的促进作物更好的增长一直是研究的焦点。例如,促进果园的水果质量的提高是值得探索的。物联网(物联网)是第四次信息革命后,电脑、互联网和移动通信技术。自1999年以来,麻省理工学院的概念介绍给世界上主要国家如美国。智能星球,欧盟物联网行动计划在2009年,中国提出了感应,使物联网的战略性新兴产业之一1- - - - - -4]。

目前,物联网已经应用到各个领域,如交通、医疗、工业和军事。在农业、各种传感终端,如无线电频率识别(RFID),传感器,和视觉设备被用来全面收集设施,环境信息等生产过程的现场种植、育种、等逐步实现最优控制,和农业生产过程的智能管理5]。

其中,果园物联网主要是使用,检测和通信相关的数据,如土壤、温度、光线、天气、和害虫在果园里的环境,并且可以进行独立的灌溉,集成的水和肥料管理,和昆虫预报,提高果园信息水平,管理效率和水果产量(6- - - - - -10]。

如今,模糊PID控制技术已广泛应用于果园由于其响应速度快,没有超调,几乎没有冲击,和控制精度高11,12]。首先,针对在果园害虫控制,用于化学农药喷雾操作。结合精密技术和可变空气喷涂技术目标,它提高了果树的空气喷涂和达到的精度的影响精度的应用程序(13- - - - - -16]。第二,连同果园物联网实现智能灌溉、节水效果(17,18]。第三,它是用来控制智能照明在果园和提高水果的外观质量19,20.]。

然而,中国作为世界上最大的水果生产,中国水果也有问题,如糖含量低21]。至于水果的含糖量,根据文献[22- - - - - -25),果实生长期间,白天碳水化合物产生的光合作用。在同等条件下,水和肥料,高温能增强光合作用产生更多的碳水化合物;晚上这些碳水化合物转化成糖。温度是影响糖转化率的主要因素,即日夜温差。日夜温差越大,越有利的糖转换和水果的甜味较高。

在中国的北部平原,受欢迎的水果如苹果、草莓、桃子、和梨一般开始积累糖在夏季水果成熟时期,但北部平原的温差不是在新疆和其他地区一样大。

基于关键因素影响果实的糖含量在果实生长过程,本文提出一种物联网系统的功能调节的桃子果园在成熟时期,采用模糊PID控制喷雾器喷雾16°C水果园的夜间温度降低,增加了温差,并削弱果树的呼吸,这有利于促进糖转换和水果扩张和改善果实品质。预期的贡献如下:(1)晚上果园的环境温度可以有效地减少,减少和最大温度范围可以达到10°C的昼夜温差果园在那一天可以达到20°C。根据文献[21),它可以知道果园的可以更好地抑制呼吸作用,这有利于果园有机质积累和糖转化,增加糖含量和干物质含量(2)模糊操作增加了环境湿度在果园的果实成熟时期。根据文献[26- - - - - -30.),它有助于促进水果扩张,增加果园产量(3)系统可以满足实际需要的果园数据收集和控制信号的传输质量,网络稳定,数据收集的及时性和系统功耗。与文献[7),减少了开发成本,可以实现果园。远程实时监控(4)模糊PID算法有效地控制雾的强度,达到节约用水。这个系统是促进信息化的积极意义和发展果园在温带平原和改善果实品质和产量

2。材料和方法

材料与方法部分应该包含足够的细节,使所有程序可以重复。它可以分成部分如果几个方法。

2.1。果园的温差调节原理和过程

绿色植物的光合作用和呼吸作用同时发生在细胞等果树。白天,光合作用是主要的过程,因为光照强度和温度很高。在光合作用过程中,细胞中的叶绿体综合太阳能、有限公司₂H₂啊,和其他有机物质,储存能量,释放阿₂。

晚上,光线强度很小,和呼吸作用强于光合作用。细胞线粒体分解有机物产生的光合作用和释放能量和氧气。呼吸效应包括有氧和无氧呼吸。

研究表明,(21光合强度(也称为光合速率)是受光照强度的影响,温度、CO₂浓度等;在光照条件下,光合作用开始在酶催化下,温度直接影响酶活性。通常一般植物进行光合作用在10°C到35°C。10°C到35°C的范围逐渐增加而增加温度。光合作用的酶活性降低35°C以上,而光合作用开始下降。光合作用在40°C到50°C,效果几乎完全停止;呼吸作用的主要影响因素是温度。温度越高,呼吸越强。呼吸是最强的最佳温度(25°C ~ 35°C);以上的最佳温度,酶活性降低,甚至变性和失活,和呼吸抑制; below the optimal temperature, the enzyme activity decreases and the breathing is suppressed.

在中国,夏天是水果的主要时期的增长,白天温度高,光合作用强,和生产更多的有机物质;夜间低温、弱的呼吸和有机物分解。因此,更多的有机物质积累在植物的光合作用比有机物质被呼吸,体内积累,增加有机物导致特别甜的水果,所以“在昼夜温差特别香甜可口,“科学的解释是,光合作用将增加适当温度高时,呼吸会削弱和分解温度低的时候。更少的有机物对有机物积累有好处。可以看出,增加昼夜温差可以增加水果的含糖量。

温带平原,夏季白天温度很高,水果营养积累。晚上,环境温度下降,然而,一般来说,少下降,下降率是较慢的。因此,喷雾冷却方法可以用来加速环境温度的降低。在夏天,太阳进入日落点相对较晚。充分利用果树的光合作用在日落之后,在nonrainfall条件下,一般选择在果园喷雾水雾化8:00点每一天。根据风向风向传感器收集的数据中心发送命令给喷雾器节点通过罗拉,调整雾化喷嘴的方向,并喷洒水雾。喷雾距离从5到100米,高是2米以上的水果树。多雾分配器形成雾的水覆盖整个果园。模糊的时间一直持续到4:早上00。井里的水是由地面温度的影响较小,全年保持在约16°C。 The local summer temperature averages 30°C, so water mist can quickly reduce the ambient temperature of the orchard to below 20°C, which can reduce the night-time temperature of the orchard by 10°C in a short time.

2.2。果园温差的物联网监管

拟议的果园物联网方案如图1。基本功能包括果园环境信息的收集、土壤温度、土壤pH值、土壤湿度、二氧化碳、有限公司₂浓度、空气温度和湿度、光照强度、风速和风向,降雨,等;高光谱传感器监测果树害虫;和远程监控计算机或智能手机设备上实现6- - - - - -8]。

根据物联网的三层基本架构:感知层、传输层和应用层;传感层包含4类型的传感器节点和两种执行器节点。传感器节点主要实现了果园信息收集。执行器节点1完成自动果园灌溉。致动器2晚上减少果园的环境温度通过喷洒雾和增加在夏天昼夜温差。水雾有利于水果扩张后的水果进入扩张阶段(21]。

一个传感器节点的基本组成是一个传感器,一个ARM微控制器,和罗拉模块;一个执行器节点的基本组成是一个继电器,ARM微控制器,罗拉模块。

ARM微控制器是一种低功耗、高性能嵌入式系统为核心节点控制。这是一个基于STM32单片机F401系列手臂®皮层™m4。它有12位ADC和一个16位/ 32位定时器。FPU(浮动点单元)、通信外围接口(USART、SPI、I2C、i2)和音频PLL(锁相环路)。工作频率达到84 MHz、105 DMIPS / 285芯头,快闪记忆体容量是256 kB, SRAM容量是64 kB,芯片的工作电压范围从1.7到3.6 V。

为了降低成本,每个节点提供几个相关的传感器。控制果园的昼夜温差,传感器节点2收集四个果园气象参数,如空气温度、湿度、有限公司₂、光强度、致动器节点1执行相关命令发送的数据中心。传感器/传感器利用互联网的果园如图2(一个)- - - - - -2 (g)。

传感器节点2可以测量四个参数:空气温度、相对湿度、有限公司₂浓度和照明。四个参数的测量范围和准确度是空气温度 ;相对湿度, ;二氧化碳浓度 ;与光强度 。在华北平原地区,在正常情况下,在夏天强烈的阳光下的照度是100000 lx 300000 lx (3)。它是10000 lx,日出日落灯光的强度是300 - 400 lx。传感器节点4是用来收集风速、风向、雨量和温差控制提供了决策依据。

风传感器收集16个方向包括东、西、南、北、东南、西南、东北、西北。电压信号输出是0 ~ 2 V,和综合电压精度±2%。三大部分传感器测量。测量范围:0 ~ 30 m / s, 0 ~ 60 m / s,响应时间小于1 s,启动风是0.4 ~ 0.8 m / s,和电源电压是12 ~ 24伏直流电。

转储桶雨水传感器用于检测降雨量、降雨强度的范围是0.01毫米~ 4毫米/分钟(允许的最大降雨强度为8毫米/分钟),而且测量精度≤±3%。

传输层主要由无线传输模块和网关,并且每个传感器和执行器节点包含一个无线传输模块罗拉(长期)。无线传输可以避免有线通信的难度在果园里,防止线影响果园的操作。有很多无线传输方法。常用的无线个域网、蓝牙、无线等及其传输距离相对较短。果园数据中心通常位于城市地区,具有良好的环境条件。对于复杂的果园,传感器网络(无线传感器网络)高成本和复杂的网络。

在综合考虑,罗拉(16- - - - - -18)因为长途的性能优良,使用大容量、低功耗等特点。,这是一个低功率的广域网络LPWAN(低功率广域网)技术。在这里,罗拉模块SX1278 433 MHz和扩频技术。它的通信接口是RS232/485 9600波特(1200 ~ 115200波特),和5 w12v (10 ~ 28 V)。网关罗拉和罗拉形成一个明星拓扑中,每个节点的传输网络结构,传输距离是20公里,满足12公里的果园和数据中心之间的距离,减少了数据传输成本。

应用程序层是互联网的数据中心果园的事情。中央与MySQL数据库配置,可以存储数据,分析、可视化和做出决定。由传感器收集到的数据传输到网关通过罗拉无线传输模块和发送到数据中心。控制中心的命令传递给罗拉模块通过网关,实现自动灌溉和成雾操作。

等各种设备节点、传感器节点、灌溉节点,和喷涂致动器节点,所有使用罗拉是免费的网络技术,它也可以轻松实现单控制和集中管理系统的每个节点。同时,罗拉免费网络的便利性和实用性大大节省开发周期和降低系统的开发成本和难度。

3所示。系统软件

果园物联网的功能分析的基础上,该系统由7部分组成:参数收集、灌溉、喷涂、雾,昆虫分析,数据服务器和移动客户端。应用程序层使用百度云服务器作为开源的云服务器GNU / Linux Ubuntu操作系统和E-Chart可视化工具。显示可以保证设备的正常运转,果园的数据访问、数据存储、和视觉显示方案;互动平台使用B / S(浏览器/服务器)模式。

3.1。传感器收集的流程图

有许多类型的传感器系统。这里,只有温度传感器采集温度的基本过程,和温度数据主要用于判断进行喷水。传感器收集的流程图如图3。

3.2。喷雾操作程序

喷雾子程序主要是用来控制喷洒水雾,实现果园冷却。当果园的环境温度高于20度,将启动喷淋,喷嘴的方向可以根据风向调整达到最佳的喷雾效果。喷雾操作程序流图所示4。

3.3。模糊PID算法

根据夜间温度调整温差与效率高、节约用水、模糊PID算法的喷洒如图5。

的模糊PID控制器主要由模糊控制器和一个可调节PID控制器。模糊控制器的输入是测量温度的值之间的偏差传感器和设定目标温度的值和偏差变化速度。的输出是输入的三个校正参数PID控制器

在哪里是系统的输出时间吗 ; 是比例系数;积分系数;微分系数。模糊PID控制效果更好的设置 初始值为 ,和 。

4所示。结果与讨论

实验地点和条件:WH农业水果种植合作桃果园,面积1款hm2,互联网果园的事情。有一个自用的果园有30米的深度。2018-07-20测试时间是夏天,天气是阳光明媚,温度37°C ~ 28°C,南风3 - 4级。水的温度是16°C。喷雾机参数:电动高压远程喷雾器,额定流量:30 - 40 L /分钟;可调节工作压力:10-40 MPa;水平范围:100。喷雾装置,效果如图6(一)- - - - - -6 (c)。

井抽水设备将水温度16度,然后将其输入,这是加压,然后从喷嘴喷在果园的不同位置,和水雾可以覆盖整个果园和降温。

有五个喷雾器,在果园和中心的每一个角落。情节的温度数据显示如图7。

从图可以看出7在模糊操作期间的果园,果园里的环境温度降低最多10°C与果园外的温度相比,冷却效果是显而易见的。比白天最高温度37°C,日夜温差达到20°C。根据文献,果实的呼吸作用,树,叶子,和水果的果园将显著削弱相比,没有模糊操作,这有利于果实的糖转化和有机物质积累。有差异的三组数据测量传感器,主要是由于不同的安装位置。南风不利于冷却果园的南部。果园的北边是受到风的影响,水雾的浓度大,温度下降比南方。在完成模糊操作4:30在早上,果园的温度开始上升。

NLE-AI800发展局和500万像素摄像头作为图像采集设备构建水果大小测量仪。系统支持的Linux / ubuntu, Ros系统支持ROS-core。CPU:双核A73 +双核A53 +单核A53;储存:4 GB RAM, 32 GB存储空间;人工智能计算单位:双核心NNIE@840 MHz, 4.0 tflopts计算能力。人机界面显示设备触摸屏,相机:Python3.6.7环境和PyCharm2020.1.1版本的IDE,以及插件。

PAL-HIKARi 10水果无损糖计(桃)是用来测量桃子甜。仪器的测量范围是白利糖度的8.0 ~ 20.0%;测量精度 。白利糖度0.1%决议;可重复性的 。

为了验证水果甜味和扩张效应,一个桃子从每个5桃树的实验果园被选中,P1 ~ P5,人数分别为;同时,选择5同一品种的桃树在附近的果园,和编号C1 ~ C5。测量每三天3:00点。和连续五次。测量水果大小和甜蜜的数据如表所示1和2和表3是数据的比较结果。

从表可以看出3几乎没有区别的初始平均甜味和水果的大小。但在实验之后,之间有显著差异的大小和甜蜜的水果,这验证了设计方法的有效性。

5。结论

果园的互联网设计并实现综合利用多种类型的传感器和罗拉和温差控制实验进行了桃园。模糊PID是用于执行喷水常数16°C的桃子果园的成熟时期。主要结果如下:(1)晚上果园的环境温度可以有效地减少,减少和最大温度范围可以达到10°C的昼夜温差果园在那一天可以达到20°C,这有利于果园有机质积累和糖转化,增加糖含量和干物质含量(2)模糊操作有助于促进水果扩张,增加果园产量(3)降低系统的开发成本,可以实现果园。远程实时监控(4)模糊PID算法有效地控制雾正是实现节水的强度,此外,对于提高果实品质和产量

数据可用性

本文的主要数据是在图5。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由河南省科学技术厅(212102310553,222102210116)和河南科技学院:创新项目(2021 cx58);2018年主推Yingcai嘘的项目;教育部工业大学合作的合作教育项目(白客荣壮族(201602011006),唐代任命(201801082039),南京YunKai(201902183002),和武汉MaiSiWei (202101346001))。