基于专家知识的草莓种植园区监控系统设计

赵景波 张迪 刘慧敏等

摘要：设计了一个基于专家知识的草莓（Fragaria ananassa Duch.）种植园区监控系统，该监控系统能够对种植园区内的温度、湿度、CO2浓度、光照度及病害进行准确预报并指导果农进行实时控制，通过专家知识库的建立与调用来完成病害诊断和调节温室最佳环境。利用SQL技术对数据库进行管理，利用Visual Studio 2008作为开发工具，采用C#.NET为开发平台，构建了上位实时动态监测系统，实现了对种植园区内环境数据的实时监测、数据管理与统计分析和草莓病害诊断的功能。该系统基于ZigBee无线传感器网络进行数据传输，具有成本低、体积小、容易安装、运行可靠等特点。

关键词：草莓（Fragaria ananassa Duch.）；ZigBee；无线传感器网络；专家知识；病害诊断

中图分类号：TP274+.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）14-3526-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.14.050

Design of Monitoring System of the Strawberry Planting Area

Based on Experts Knowledge

ZHAO Jing-bo，ZHANG Di，LIU Hui-min，WANG Su-zhen

（Qingdao Technological University， Qingdao 266520， Shandong，China）

Abstract： A monitoring system of a fragaria ananassa duch planting area based on experts knowledge was designed. The system can make accurate forecast to the temperature， humidity， potency of carbon dioxide， light intensity and some diseases of the plantation ， and it can also guides the growers take a real-time control for the plantation. We can realize the disease diagnosis and regulate the best environment of the greenhouse by establishing the experts knowledge base. Using SQL technology manages the database， using Visual Studio 2008 as a development tool， using C#. NET as development platform， we build and implement a real-time dynamic monitoring system， realize the real-time monitor ， data management and statistical analysis of environment data in the plantation ， and realize function of fragaria ananassa duch disease diagnosis. The system is based on ZigBee wireless sensor networks for data transmission， so the system has low cost， small size， easy to install and reliable operation features.

Key words：Fragaria ananassa Duch.； ZigBee； wireless sensor network； experts knowledge； disease diagnosis

草莓（Fragaria ananassa Duch.）是蔷薇科植物的果实，它不仅是一种常见的水果品种，还具有一定的药用价值，同时也具有良好的经济效益。草莓原产于南美，具有繁殖容易、收益快等优点，广泛栽培于我国南北大地，尤其是在四川、山东、河北、安徽等地大规模种植。

温室种植草莓经济效益比较可观，但是种植园区建设成本较高，如何在较短时间内获得最大经济利益，如何让草莓的质量和产量有保证，这是最关键的问题。而解决这个问题的关键是对种植园区内温度、湿度、CO2浓度、光照度及病害进行实时监控。本研究设计了草莓种植园区监控系统，通过采集草莓种植园区内的温度、湿度、光照度、CO2浓度等数据，将各个数据传送至上位机，对园区内各数据进行实时监控以创造适合草莓生长的最佳条件，并且系统地突出了草莓种植中最常用的病害识别与防治子系统，它以全面的知识库为基础，通过专家系统的推理机制，帮助果农诊断病害并给出防治策略。该系统将草莓栽培专家的技术和知识通过计算机呈现出来，从而快速简便地推广和传播草莓无病害种植技术，大力发展无病害水果的种植。引入专家知识的监控系统对于提高农业科技水平，减少劳动力的投入具有至关重要的作用。农业智能化本身就富含先进的科学技术，引入智能监控系统对我国农业科技水平的提高，对建立和完善我国农业信息服务体系，全方位实现我国农业信息化及现代化都有非常重要的作用，同时对解决三农问题也具有战略意义[1-4]。

1 草莓种植园区监控系统总体结构设计

草莓种植园区是一个复杂的环境系统，系统中单个环境因子的改变可能会影响到其他环境因子的改变，具有相互耦合性。在各种因素同时对草莓的生长发生影响时，草莓生长速度将受不适宜因子的制约。在改变草莓园区环境因子状态时，都需要经过一段时间才能达到预期目标，具有延时性。在草莓的生长过程中，其对温度、湿度、光照度和CO2浓度环境参数的需求量是不一样的，为给草莓创造更好的生长环境，因此要对环境进行不断地调整。 这就需要参考专家知识库来充分考虑各因素之间的关系，使草莓种植园区各因素控制在相对最佳需求的水平上。

草莓种植园区监控系统是对草莓种植园区环境的温度、湿度、CO2浓度、光照度进行测量，通过采集草莓种植园区各要素的数据与专家知识库的对比，根据作物不同时期对生长要素的不同需求，来调节草莓园区内的温度、湿度、CO2浓度、光照度，为草莓提供一个最佳的生长环境。草莓种植园区监控系统还有着对草莓病害的诊断功能，通过草莓种植园区监控系统中多点温度、湿度、CO2浓度、光照度等信息的实时监测对病害进行及时诊断。此监控系统可以准确、快速提供给用户信息，不仅可以在病害易发时段采取有效的措施预防病害的发生，并且能让草莓较好生长、获得更可观的收益。系统组成及功能实现如图1所示。

草莓种植园区监控系统对园区内温度、湿度、CO2浓度和光照度等信息进行数据采集时，采集节点通常采用高精度的传感器。通过ZigBee节点实现采集点数据之间的数据传输，ZigBee节点安装分布在草莓种植园区的各处，实现对整个草莓园区的覆盖，它可以完成数据汇集、协调控制，实现对整个草莓种植园区数据的有效汇聚、传输。ZigBee节点也可以将信息直接通过RS485进行远程传输，上传到上位机后在进行RS232转换传到本地监控中心。草莓种植园区监控系统可以根据采集到的不同数据来确定节点状态（正常、预警、火警、节点能量低下），通过监控系统设置采集节点的信息，实现对重点时期病害的重点监测，使节点能达到最大利用率，延长节点使用时间；可以通过监控系统监测各节点状态，以便及时对能量低的节点电池进行更换，保证草莓种植园区的覆盖范围；可以通过草莓种植园区节点信息收集转发器在运行中采集的中心数据对网络通信正常状态进行监测，使网络维护与控制更加人性化；通过与专家知识库的对比，当有节点采集的数据不在规定范围时，监控系统会在状态显示栏中显示异常状态[5-7]。

2 ZigBee监控节点硬件电路设计

在硬件电路设计中，考虑电路的集成性与维护性，其协调器节点设计由一个ZigBee无线接收发射板和一个RS485串口模块构成；而路由器节点，则是由一个ZigBee无线接收发射板和一个传感器功能板结合而成。协调器节点电路如图2所示，路由器节点电路如图3所示，传感器功能模块如图4所示。

3 草莓种植园区监控系统软件的设计

该系统软件设计包括ZigBee节点软件设计和上位机软件程序设计两大部分。ZigBee节点软件设计又分为协调器节点程序设计、路由器节点程序设计两部分，综合考虑系统实现简单、易操作而没有采用终端节点，这样路由器节点负责采集数据，并将采集到的数据再传送给协调器节点。协调器程序主要实现网络的建立、与路由器节点数据的收发及与上位机的串口通信。上位机软件程序用于将环境数据进行显示和保存，并对草莓常见病害进行诊断，给出防治方法[8，9]。

3.1 协调器节点软件设计

协调器节点上电启动后，应用层将请求原语发送至网络层，启动建立网络过程。网络层将发送相应原语给MAC层，MAC层发送相应原语给PHY层，最后PHY层对信道进行能量检测扫描，用以检测可能的干扰。在2.4 GHz波段只能使用11～26信道，所以，在Z-Stack协议栈的f8wConfig.cfg文件中，设置信道数为16，其中心频率为2.476 GHz。PHY层扫描结束后，将扫描结果传送给MAC层，MAC层则进一步处理能量允许的信道，然后协调器网络层管理实体将进行PAN标识符检查，同时查找最小编号的信道。如果找到合适的信道，则会为新建网络选择一个PAN标识符，一旦选定了PAN ID，就说明已经建立了网络；否则将终止建网过程，建网失败。

此后，如果另一个协调器进行信道的扫描，已建立网络的协调器就会响应并声明它的存在，从而可以保证每个网络PAN ID的惟一性。PAN ID是一个16位标识符，范围从0x0000～0xffff，一个网络只能有一个PAN ID来标识自己的存在，同时在同一个网络中进行信息传递的信道也是惟一的，即一个网络对应一个PAN ID，也对应一个信道。Z-Stack协议栈允许在f8wConfig.cfg文件中，通过设置DZDAPP_CONFIG_PANID的值来配置网络的PAN ID。如果DZDAPP_CONFIG_PANID设置为0xffff，则协调器在建立网络时会使用随机生成的PAN ID；如果DZDAPP_CONFIG_PANID不设置为0xffff，那么协调器在建立网络时会使用由ZDAPP_CONFIG_PANID指定的PAN ID。

本研究中协调器使用指定的PAN ID来建立网络，PAN ID指定为0x00ff。同时协调器默认的16位网络地址为0x0000，以标识其在网络中的角色和便于数据在网络中进行通信交流。因此，协调器节点上电后的整体工作过程为首先进行信道能量监测、信道扫描、选择信道、PAN ID和网络地址。当新的网络建立好后等待路由器节点的加入。协调器会自动给节点分配ID号，与此同时进入轮询状态。当协调器接收到子节点发送的数据后，将会对数据解析来提取有用信息，协调器中的各层会按照自己的帧格式对有用数据进行处理，各层将接收到的数据去除同步头指针和协议头指针后向上传递给上一层，最后将接收到的有效数据传递到APL层。APL层将针对接收到的数据进行相应的事件处理[10-12]。协调器工作流程如图5所示。

软件设计通过Z-Stack协议栈来实现，该协议栈为各种节点都提供了相应的函数及对应的流程。协调器、路由器和终端的预编译选项分别为Coordinator EB-Pro、Router EB-Pro和End Device EB-Pro。

协调器节点应该选用的预编译选项为CoordinatorEB-Pro，其配置文件f8wCoord.cfg中的主要内容为：

-DZDO_COORDINATOR// Coordinator Functions

-DRTR_NWK // Router Functions

获取PAN ID的方法在配置文件f8wConfig.cfg中表示为：

-DZDAPP_CONFIG_PAN_ID=0xFFFF

协调器建立网络主要是操作系统OSAL自动通过调用函数extern ZStatus_t NLME_NetworkFormationRequest（uint16 PanId，uint8* ExtendedPANID， uint32 ScanChannels，byte ScanDuration，byte BeaconOrder，byte SuperframeOrder，byte BatteryLifeExtension）来实现。其中，PanId为要建立网络的PAN ID，Extended PANID为要建立网络的64位扩展地址，ScanChannels为要扫描的信道，ScanDuration为信道扫描持续时间，BeaconOrder为信标顺序，SuperframeOrder为超帧数据，BatteryLifeExtension为供电模式的选择。

执行完主程序，系统完成初始化，协调器实现建立网络后，路由器便可实现加入网络。Z-Stack协议栈中实现数据收发相应的函数为：

MT_UartInit （）；//串口初始化

Af Status_t AF_DataRequest（ afAddrType_t *dstAddr，endPointDesc_t *srcEP，uint16 cID，uint16 len，uint8 *buf，uint8 *transID，uint8 options， uint8 radius ）；//无线数据发送函数

void Sample App_Message MSGCB（ afIncomingMSGPacket_t *pkt ）；//接收数据处理函数

协调器接收传感器数据处理函数是类似的，这里以接收土壤温度为例：

void SampleApp_MessageMSGCB（ afIncomingMSGPacket_t *pkt ）

{

uint16 flashTime；

switch （ pkt->clusterId ）

{

case SAMPLEAPP_POINT_TO_POINT_CLUSTERID：

/**********打印设备号************

*/

HalUARTWrite（0，"she bei："，8）； //提示接收到数据

HalUARTWrite（0，&pkt->cmd.Data[0]，1）；

HalUARTWrite（0，"＼n"，1）；

/******土壤温度传感器*******/

HalUARTWrite（0，"土壤温度："，5）；

HalUARTWrite（0，&pkt->cmd.Data[17]，2）；

HalUARTWrite（0，"."，1）；

HalUARTWrite（0，&pkt->cmd.Data[19]，4）；

HalUARTWrite（0，"℃"，2）；

HalUARTWrite（0，"＼n"，1）；

break；

}

}

3.2 路由器节点软件设计

路由器节点用来转发数据，扩大网络规模，实现多跳网络，上电后首先进行相应的初始化操作，然后节点请求加入网络，加入网络后将获得一个短地址，然后就能进行数据转发。终端节点负责数据的采集与发送。路由器和终端节点工作流程如图6所示。

4 草莓种植园区专家知识系统推理调用

4.1 草莓最适生长环境专家知识的获取

专家知识的获取是建立专家知识库的基础与核心，可通过以下方式获取：①通过向农业专家请教，针对草莓种植生长过程中可能出现的问题详细说明并提出解决措施；②搜集各农业部门以及农业科研机构最近几年对草莓的品种、易发病害、管理栽培技术等各类问题的总结报告；③通过查阅相关农业文献和著作来获取知识[13-15]。

4.1.1 影响草莓生长的因素

1）对空气温度、湿度的要求。在保护地栽培条件下，生长期间空气湿度过大，易于感染病害；开花结果期湿度过大，会造成授粉受精不良，易产生畸形果子；果实成熟期水分太多，易造成烂果。空气相对湿度在80%以下为较好，空气温度则如表1所示。

2）对土壤温度、湿度的要求。草莓是浅根性植物，在土壤表层的根系占到根系总数的80%以上，土壤表层的土质及结构对草莓的生长有决定性作用。通常情况下肥沃、通气良好土壤适合草莓生长，可以通过增施有机肥对过于黏重或沙性过大的土壤进行改良再栽培草莓。草莓因为植株小但是叶片多，并且老叶死亡新叶发生的过程快，所以水分对草莓生长过程起着至关重要的作用。对于草莓正常生长期而言土壤相对含水量在70%最适宜，土壤温度20 ℃左右草莓生长最快。

3）对光照度的要求。草莓具有喜光但是又有耐阴的优点，相比其他果菜类，光饱和点要低很多，通常为2万～3万lx。草莓在光照充足的条件下，植株生长健壮，花芽分化好，果实产量高、品质好。如果草莓长期光照不足，容易引起植株生长不良、叶茎花径细小，花芽分化不良，个小味淡。

4）CO2浓度的要求。温室内草莓进行大量光合作用，温室内的CO2浓度会快速下降，当CO2浓度过低时，草莓几乎不能进行正常的光合作用，影响了草莓的生长发育，造成病害和减产，因此要严格控制园区内CO2浓度，一般浓度以550～750 mg/L为宜。

4.1.2 草莓病害种类 草莓病害的数据包含多方面的信息，例如草莓病害的名称、发病部位以及病害特征和防治方法等方面。

1）草莓蛇眼病又称草莓白斑病。多发生在叶片，有时也会影响到叶茎、果茎及嫩果，开始出现深紫红色的小圆斑，病斑慢慢扩大为直径2～5 mm圆形或长圆形斑点，病斑中心为灰色，四周为茶色，呈蛇眼状。严重时，数个病斑融合成大病斑，叶片枯死。多发生在重茬地及排水不及时的湿度较大的田地。第一时间摘除病叶和病苗，保持草莓植株间通风，可喷洒200倍波尔多稀释液。

2）草莓灰霉病。多影响草莓的花、叶以及果实。首先危害草莓嫩果，逐步发展到花序，最后花序缺水而死，果实也变成褐色，呈水渍状，最后腐烂。低温高湿的环境容易发生灰霉病，例如草莓密集栽培、缺少光照、园区内排水不良等。选取抗病品种，及时摘除病果。

3）草莓白粉病。经常发生在草莓花蕾、果实及叶片等部位。开始在草莓叶背面出现白丝，逐步成为白粉状，严重的时候叶子向上卷起、变枯，草莓果实变成白色粉状。低温高湿时特别容易发生，过分干旱时也发生。一旦发现有病叶出现，及时喷施1%莓保水剂或2%农抗120达到预防作用，病害发生时用4%朵麦可水剂治疗。

4）草莓V型褐斑病。主要危害叶片，初生茶褐色的小斑，慢慢变成大斑，四周暗绿色至黄绿色，晚期病部密生黑褐色小粒点，严重时全叶枯死。露地栽培、春季湿润多雨区域易引发该病流行，尤其是大水漫灌，可促进该病发生和流行。适度灌水严防湿气滞留，出芽阶段到花期前用等量的200倍波尔多稀释液喷洒叶面，每隔15～20 d喷洒1次。

5）草莓芽枯病。亦称草莓立枯病，主要影响幼芽和花蕾。染病后慢慢萎谢，呈青枯状或猝倒，最后变黑栗色枯死，茎基部和根受害皮层腐烂。果实染病，表面产生暗褐色不规则斑块、僵硬，最终全果干腐。多发生在高温高湿环境，适时通风换气，喷洒10%多抗霉素可湿性粉剂500～1 000倍稀释液。

6）草莓根腐病。主要危害根系，由小根和侧根开始，形成长、红褐色斑，最后变成黑褐色，病害部位与健康部位交界处明显，严重时根部坏死，地上叶片变黄萎蔫。重茬地发病严重。科学轮作，在植株成活时和吐蕾期分别喷施75%百菌清可湿性粉剂500～800倍稀释液。

7）草莓病毒病。主要危害叶片，通常表现为草莓植株矮小，发黄，叶片轻度扭曲，叶边缘不规则向上卷起，叶脉则向下弯曲，最后整个叶片扭曲变形，叶面皱缩，叶茎上出现黄斑或者紫斑。该病主要由蚜虫、线虫传播，也可通过嫁接或其他农事操作传染。使用脱毒植株，成长期都要做好蚜虫、线虫的防治，减少传播媒介，在发病初期喷洒2%宁南霉素水剂200倍稀释液。

4.1.3 草莓生长适宜数据条理化 该系统中主要分为根据大气温湿度、土壤温湿度、光照度、CO2浓度来确定的决策模块和草莓病害综合防治决策模块。决策模块主要针对草莓不同生长阶段提供合适的环境数据参数。而草莓病害综合防治决策模块的主攻目标是根据用户给出的症状能推理出病症名称、发病原因及防治措施。最后知识规则条理化，将决策项目所对应的条件组合，将每个条件进行分级。主要对草莓病害信息（知识库）进行归纳处理，根据病害种类、病害特征、易发情况和防治措施建立事实表。草莓的生长环境因素如表2所示。

由表2可以看出，草莓在不同时期对温湿度要求较高，对光照度和CO2需求变化不明显，因此专家系统针对的主要目标是对温湿度的控制。该系统对温湿度采用模糊控制，将模糊控制规则写入专家知识库后经过传感器采集到当前环境的数据后，首先对数据进行处理，最后根据输出量所对应的控制方法进行控制。

4.2 草莓治理决策系统专家知识的调用

4.2.1 草莓治理决策系统构成 基于专家知识的草莓种植园区监控系统使用户的种植更具目的性，并且能提供良好的生长环境，使得草莓的生长风险降低，取得更为客观的经济效益。随计算机科学技术的快速发展，温室监控系统也取得一定程度的发展，但温室监控系统可控参数较多，控制实现上比较复杂，监控可大致分为3个模块：①用于园区内环境参数监测模块；②指导用户对草莓病害诊断生产模块；③用于信息发布模块。就温室监测而言，研究主要集中在对温室环境参数如温度、湿度、光照度、CO2浓度的监测方面。草莓病害诊断模块的研究主要集中在草莓可能发生的病害及发病原因、发病症状和应对措施，能否及时准确了解园区内的环境状况以及能否对可能发生的病害及时准确防治。因此，本系统设计的监控系统就是帮助用户、指导用户，并且具有通用性，还可以用于农业生产种植的其他领域。决策系统如图8所示。

草莓治理决策系统功能：

1）环境数据采集。环境数据采集采用温室环境数据自动采集系统，并将采集到的数据在上位机界面显示，保存到SQL数据库中，还可以对数据库的数据进行查询、修改、删除、添加等操作。

2）病害诊断。根据输入的病症信息来诊断得到具体病害信息，提供了温室常见病害的详细信息，包括中文名、英文名、拉丁名、危害部位、发生条件、传播途径以及物理防治、化学防治与生物防治方法。

4.2.2 草莓病害治理决策系统专家知识的调用 草莓病害治理决策系统要对专家知识进行调用，首先建立病害信息表，根据系统功能要求，设计数据表。

创建专家知识症状表的SQL代码：

Create table

Zhengzhuang（

Zhengzhuang id varchar（20）primary key，

Buwei id varchar（20），

Zhengzhuang name varchar（20），

zhengzhuangdiscrvarchar（100）

）

创建专家知识症状权重表的SQL代码：

createtable

zhengzhuang（

zhengzhuangidvarchar（20）primarykey，

binghaiidvarchar（20），

buweiidvarchar（20），

ratedecimal（2，1）

）

当用户登陆系统进入病害诊断主界面，可以对草莓的基源和生物学特征进行显示，具体如图9所示。

用户根据发病时间、发病部位，再根据症状描述选择相应的病症，系统就会给出诊断结果，并给出防治方法，指出发病规律。其病害诊断如图10所示。

5 小结

通过对草莓种植基地的实地考察，分析现阶段温室种植用户的需求后，设计了一种对园区内环境参数进行测量预报并指导用户诊断病害的系统。首先利用CC2530和多种高精度传感器搭建了一个对园区内空气温度和湿度、土壤温度和湿度、光照度和CO2浓度多点检测的无线传感器网络，用于对园区内各种参数进行检测和无线传输，满足了用户铺设线路不变的要求。引入专家知识库，对日光温室的温度、湿度误差和病害进行模糊化设计，通过模糊化程序，将模糊化处理后的输入、输出数据融入专家系统，使专家系统通过对模糊知识的推理判断，得到科学的温室草莓控制的决策结论。这就解决了严重依靠管理人员的经验而造成温室管理一定程度上的不规范的问题，达到日光温室的规范化管理；并解决因此导致温室草莓产量不稳定的问题，同时避免过度喷洒农药对环境造成的污染，减少了农药用量、降低了投入成本。

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