nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 基于 技術的植物工廠中大豆的數據融合算法設計 與試驗 nullnullnullnull 李金光 null null 李 null 丹 null nullnullnull null 吉林化工學院 信息與控制工程學院 吉林 吉林 nullnullnullnullnullnull null 吉林農業科技學院 電氣與信息工程學院 吉林 吉林 nullnullnullnullnullnull null null null null null null null null null null nullnullnullnull null null null null null null null null null null null null null 摘要 自古以來農耕文化一直是中國人 民血液中不可分割的部分 隨著社會智 能化的推進 植物工廠孕育而生 它采用 nullnullnullnullnullnull無線傳感技術進行數據采集 nullnullnullnull nullnullnull是基于 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull協議發展起來 的一種短距離無線通信技術 功 耗 低 然而在植物工廠數據采集過程中容易因 數據缺失以及因環境影響造成的數據偏 差過大 數據錯誤 因此對植物工廠中 大豆的種植環境進行監測以及數據融合 算法設計與試驗 為了驗證該數據融合 算法的有效性 進行了環境數據采集以 及傳輸處理實驗 實驗結果表明 可以 在單源環境數據融合進行數據降噪 減 少冗余通信以及數據填補增加數據的魯 棒性 關鍵詞 智能 溫 室 nullnullnullnullnullnull 數 據 采 集 數據傳輸 數據融合 中圖分類號 nullnullnullnull 文獻標志碼 null 文章編號 nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 收稿日期 nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 基金項目 吉林省教育廳科學技術研究 項目 計算機視覺驅動的植物工廠有害 生物可視化關鍵技術研究 編 號 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 作者簡介 李金光 nullnullnullnullnull 研究生 在 讀 研究方向 先進控制技術與控制系 統集成 通訊作者 李丹 nullnullnullnullnull 博士生 在讀 副教授 研究方向 電氣工程 nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 引言 如今計算機 通信和大數據等技術隨著時間的推移呈爆發式發展 將前沿計算技術應 用到農業實時監控系統中也是未來發展的趨勢 它將采集得到的各種因素進行加工 傳 輸 以此為農業生產的不同階段的精細化管理以及生長預測提供幫助 實現最優化管理 消 耗最少的資源博取更多的產出 實現農業生產由不可控到可控的轉變 本文采用目前已經成熟的 nullnull nullnullnullnull 無線傳感技術 它具有低成本 高效率 低能耗和可靠 性強的特點 目前已在多種領域得到應用 與傳統的有線網絡相比 nullnull nullnullnullnull 技術無需布線 受外界的環境影響較小 將 nullnull nullnullnullnull 技術應用于智能大棚控制系統進行環境參數的采集和控 制 可以有效避免農田布線 減少對棚內作物的影響 因此 本文基于 nullnull nullnullnullnull 技術對溫室智 能大棚系統進行設計和試驗 null 材料與方法 null硬件設計 nullnullnullnullnullnull總體設計 植物工廠的主體框架分為數據采集層 網絡通信層 數據處理層以及系統應用層 nullnullnullnullnullnull數據采集層 數據采集模塊在溫室智能大棚中采用 nullnull nullnullnullnull 模塊進行大豆數據采集以及采集數據的 預處理 最終將預處理后的數據通過 nullnull nullnullnullnull 模塊完成無線傳輸 通過 nullnull nullnullnullnull 模塊 nullnullnullnullnullnull的無線節點進行光照強度 酸堿度 nullnull null 濃度以及溫濕度的數 據采集 然后將數據匯總到 nullnull nullnullnullnull 終端節點傳到 nullnullnull模塊 通過 nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull協議 傳 到觸摸屏進行數據存儲 最終傳到服務器到達手機終端以及 nullnull終端 null nullnull 長江信息通信 null null nullnull 溫室控制模塊主要包括供加熱設施 null光照設施 null通風設施和水 泵設施等 null用戶可以通過觸摸屏對設施進行操控 null nullnullnullnullnullnull網絡通信層 網絡通信層主要是 nullnullnullnull轉換器 null溫室智能大棚中通過 nullnull nullnull nullnullnull無線傳輸節點采集數據 null再通過 nullnullnull用 nullnullnullnull轉換器傳輸到觸 摸屏進行數據存儲 null此種方法不僅避免有線節點帶來的局限性 null 而且也保證了在數據傳輸過程中的穩定性 null最終將數據上傳至服 務器還可以實現數據與手機端與 nullnull端的交流 null實現實時監控的 功能 null nullnullnullnullnullnull數據處理層 數據處理層是本系統的 null大腦 nullnull它的主要功能包括數據存儲 null 數據分析和控制中心 null在此層將對 nullnull nullnullnullnull 無線傳輸節點傳回的數 據進行二次處理 null以減少冗余通信以及數據填補增加數據的魯 棒性 null nullnullnullnullnullnull系統應用層 系統應用層主要是利用 nullnullnull對 手 機 端 和 nullnull端 傳 達 信 息 null nullnull終端采用 nullnullnullnull作為軟件開發環境 null對系統傳輸信息進行實時 顯示 null同時 null在系統設置警戒值 null當監測環境信息超過警戒值時 null 手機端或 nullnull終端向客戶發出報警信息 null null傳感器數據預處理 在實際測量中必然會有誤差的存在 null智能溫室室內監測中 null 利用疏失誤差剔除算法進行預處理可以及時清除誤差過大 null錯誤 的測量結果 null以此來讓數據更加可靠 null本文擬采用格羅貝斯判據 準則進行數據一致性的檢測 nullnullnullnullnullnull null 假設某一采集節點 null對特定的環境數據測量是相互獨立的 null在 某一周期內采集的到的測量結果為 null nullnull null nullnullnull null nullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnull null且 測量結果服從正態分布 null其中 null為一段時間內傳感器測量的次數 null null null先將一個周期內測量數據按 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull 從小 到大的順序排列 null null null然后對測量數據 nullnullnull進行算數平均值和標準差計算 null計算過 程如下 null nullnullnull null null null null nullnullnull nullnullnull null null null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull null null null nullnullnullnull null null nullnullnull null null nullnull nullnullnullnull null null null nullnull 根據格羅貝斯準則統計 null可以得到格羅貝斯統計量的確切 分布 null nullnullnull null nullnullnullnullnullnull nullnullnull null null null nullnull 在顯著水 平 null 給 定 后 null通 常 取 值 為 nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull null nullnull nullnullnullnull null等 null通過查表法可以確定格羅貝斯的臨界值 nullnull null null null null nullnull因為 測量序列 null null 符合正態分布 null所以可得 null null null nullnullnull nullnullnull null null null null nullnull nullnull null null null nullnull 可知此事件發生的概率極小 null在當前事件中不合理 null需要進行 篩除 null也可以理解為當任意 nullnull null null null null nullnull若存在 nullnullnullnullnullnull null null null null null成立 null 利用格拉貝斯準則對單個節點傳感器某一時間段的測量數據進行 預處理 null篩除異常值 null利用此準則篩除疏失誤差 null有效解決了異常 數據對監測結果的干擾增加數據的魯棒性 null null數據填補 本文使用 nullnullnullnullnullnull中 nullnullnullnullnull 函數擬合一個線性回歸模型 null使 用溫度和氣壓作為自變量 null濕度作為目標變量 null然后 null獲取原始數 據中所有缺失值所在的行 null并選擇與回歸模型中使用的自變量對 應的列 null接下來 null使用 nullnullnullnullnullnullnull 函數對缺失值進行預測 null并將預測 值填充回原始數據中 null null多傳感器數據融合算法 數據預處理完成了對疏失誤差的篩除工作 null得到了一組較為 可靠的量測序列 null目前大多數的加權融合算法并未考慮在實際測 量中環境復雜多變的隨機因子所造成的影響 null所以為了降低環境 因素導致的方差偏大的情況 null提高測量數據的精準度 null還需要對單 個傳感器的某個時間段的所測量的 null個數據在分批估計理論基礎 上進行組內融合 null以此得到在某時間段內數據的最優估計值 null更加 可靠地反映數據段的情況 nullnullnullnullnullnullnull null本文進行了以下步驟 null 將某時間段內采集的經疏失誤差的篩除后的數據 null分為 null組 null 其中第 null組可表示為 null nullnull null nullnullnull null nullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnull null null null null null null null null nullnull null nullnull計算各組的平均值與方差 null如下 null nullnull null null null null nullnullnull nullnullnullnullnull null nullnullnull null null null null null null null null null null null null nullnullnull null null nullnullnull null nullnullnullnullnullnull null null nullnull null nullnullnull null null null null null null null null nullnull 通過上述公式可以得到各組數據的平均值與方差 null接著通過 分批估計理論 null求出單傳感器在此段時間內數據融合的最優估計 值為 null nullnull null null nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnull null nullnullnull null null nullnullnull null nullnullnull null null null null null nullnull 單個傳感器采集數據融合后總方差 null null 為 null null null null null null nullnull null nullnull null null null null nullnullnull null nullnullnull null null null null null nullnull 以上本文對單個采集傳感器采集節點數據測量的精準度和可 靠性提供了解決方案 null但是在溫室大棚中一個傳感器是無法覆蓋 的 null需要在局部布置多個同類型傳感器進行采集 null因為所布置的傳 感器在不同的方位 null所以所受到的環境因素造成的干擾不同 null因此 測量得到的結果也不同 null為了提高數據采集的精準度 null計算出單 個傳感器最優估計值后 null按照總均方差最小原則 null將各個傳感器權 值做合理分配 null計算各個節點同類傳感器的權值 null最后進行自適應 加權融合 null得到最佳的融合結果 null 假設棚中有 null個同類型傳感器 null通過上述公式算出單個傳感 器的最優估計值 null以及總方差 null null null設各個傳感器加權權值分別為 nullnull null nullnull null nullnull nullnullnull nullnull null融合結果為 null null null可得 null null null null null null nullnullnull nullnullnullnull null null nullnullnull nullnullnullnull null null null null null nullnullnull null null nullnull null null null null null null null null nullnull 上述式子中 null null 為總均方差 null函數形式為 null null null nullnull null nullnull null nullnull nullnullnull nullnull null nullnull null null null null nullnullnull null null nullnull null null null nullnull null nullnull 通過上述式子不難看出 null總均方差是一個多元二次函數 null若要 使總均方差 null null nullnullnull 最小 null則令 null 取極小值 null此時所得到的 nullnull 就是最優 權值 null權值分配公式為 null nullnull李金光等 基于 nullnullnullnullnullnull技術的植物工廠中大豆的數據融合算法設計與試驗 nullnullnullnull年第 null期 總第 nullnullnull期 nullnullnull null null null null null null nullnullnull null null null null nullnull nullnull 通過上述論證可以發現 在溫室大棚中采集傳感器的數據融 合是具有可行性的 可以在環境數據融合進行數據降噪 減少冗余 通信以及數據填補增加數據的魯棒性 null 結果與分析 為了驗證數據融合算法對該溫室智能大棚采集數據的有效 性 需要對其進行試驗驗證 對此本文將提取傳感器采集大豆的 數據 在 nullnull nullnullnullnull 傳感器終端進行預處理的數據以及在服務器進行 數據融合算法后的數據進行比對 來驗證其可行性 該試驗將傳感器所采集的大豆濕度來作為對比試驗的參數 溫室內有三個濕度采集裝置 nullnull小時進行數據采集 每隔 nullnull分鐘 記錄數據 通過數據融合算法將 nullnull內數據合并為一組數據上傳 結果如表 null所示 表 null null 傳感器采集大豆濕度數據 時刻 nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnull null nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull 經預處理后大豆濕度數據結果如表 null所示 表 null null 傳感器預處理后大豆濕度數據 時刻 nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnull null nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull 經過對表 null數據進行計算 可得均方差 nullnull null null null nullnullnull null null nullnull nullnullnullnull null null null nullnullnull null null nullnull nullnull nullnull nullnull 經驗證 通過查詢格羅貝斯臨界值表 可知 nullnull null nullnullnullnull null nullnullnullnullnull 因此 nullnull null nullnullnullnull 對于 nullnullnullnullnullnullnull中 nullnull nullnull nullnull時數據 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull 所以 null nullnullnullnullnullnullnull 為可疑值 判定為疏失誤差數據 予以剔除 通過提出該 數 據 nullnullnullnullnullnullnull中 剩 余 null個 數 據 經 驗 證 對 于 nullnullnull null nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull中數據均滿足 nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull中數據滿足 nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnull 成立 可證余下數據序列均符合要求 填補后數據最終通過多傳感器數據融合算法后數據結果如表 null所示 表 null null 多傳感器數據融合算法后大豆濕度數據 各方位傳感器 估計值 量測方差 權值 融合結果 null null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull 表 null中可以發現多傳感器數據融合算法的監測估計值為 null null null nullnullnullnullnull 而對估計值進行簡單進行算術平均的結果為 null null nullnullnullnullnullnull 兩 者對比可以發現通過加權融合算法所得出的數據更為貼近真實 值 null null nullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull 與平均分配算法不同的是 自適應加權融合算法采取權值最 優分配原則 使量測方差與所獲權值成反比 以此來實現每個傳感 器自行尋找最優權值 使總均誤差最小 最終獲得采集數據的最優 估計值 null 結語 植物工廠數據監測的準確性和可靠性是工廠內大豆茁壯生長 的重要保障 本文所探討的內容對智能植物工廠的數據融合可行 性做了初步分析與試驗 針對目前溫室智能大棚所采集數據的不 穩定性等問題 提出了通過格羅貝斯判據進行數據的預處理 以及 多傳感器數據融合算法 以此來進行數據修正 刪除不可靠數據 減少冗余通信以及數據填補增加數據的魯棒性 參考文獻 null null 李鵬欽 李金燦 陳錠霖 等 null基于 nullnullnull和嵌入式的智能農場 null null物聯網技術 nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null null 鄒彬 null基于物聯網的溫室大棚監控系統研究與設計 null null延安 大學 nullnullnullnullnull null null 蔡碧麗 蘇國棟 null改進型分批估計與自適應加權融合方法研 究 null null測控技術 nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull null null 聶靈風 null基于 nullnull nullnullnullnull 技術的溫室智能監控系統 null null陜西科 技大學 nullnullnullnullnull null null 周思益 張江梅 馮興華 陳浩 null基于改進的多傳感器自適應 加權融合算法研究 null null自動化儀表 nullnullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnullnull null null 路玉鳳 楊慧斌 茅健 閆娟 null基于多傳感器信息融合的果蔬 倉庫監測算法融合 null null計算機時代 nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnull