（控制理论与控制工程专业论文）温室盆栽红掌工厂化栽培管理专家控制系统的研究.pdf

上海大学硕1 ：学位论文 摘要 随着人工智能知识工程技术的发展，以专家系统为代表的智能化系统在农业 信息技术中占有重要地位。但对于温室专家控制系统的实现在国内外还没有出现 成功的实例。所以本论文将在这方面做一次全新的研究和尝试，以生物信息检测 技术为基础，将专家决策系统与控制子系统有效的结合，形成针对红掌栽培种植 具有高度可扩展性的专家控制系统。 论文详细研究了基于红掌的牛长检测子系统，先是对于红掌生长信息直接用 传感器进行检测，然后从视觉系统的角度出发，以红掌叶片的图像为基础，并运 用了一系列的图像处理的方法测出叶片是否缺水，最后阐述了检测子系统的人工 输入部分。 对于本专家系统核心的智能决策部分，本文着重介绍了数据库、知识库以及 推理机的设计，确定了知识库系统中知识获取方法、知识表示方式，以及建立了 包括红掌标准化栽培管理知识库在内的一系列知识库。最后对推理机在系统中的 应用以及规则树的设计做了举例。 在实施部分即计算机控制子系统中，根据分层递阶的思想，提出了具有组织 层和执行层两层的温室计算机控制系统。完成了控制硬件的设计、特别是各层所 对应的软件设计的实现。最后，研究了决策子系统与控制子系统的w i n d o w s s o c k e t 通讯，并通过自定义的通讯协议实现了温室数据安全、可靠的传输。 论文结尾，作者对自己的工作进行了总结，并对温室计算机控制系统的进一 步研究应用提出了一些建议和设想。 关键词：专家控制系统，生长检测子系统，智能决策系统 v 卜海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ek n o w l e d g e e n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y , t h ei n t e l l i g e n ts y s t e m ，r 印r e s e n t e db ye x p e r ts y s t e m ，b e c o m ev e r yi m p o r t a n ti nt h e a g r i c u l t u r a li n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y h o w e v e r , t h e r ei s n os u c c e s s f u le x a m p l ei n r e a l i z a t i o ni ng r e e n h o u s ee x p e r tc o n t r o ls y s t e mi nt h ew o r l d t h ew h o l en e wr e s e a r c h a n dt r yw i l lb ed o n ei nt h ef i e l d t h er e s e a r c ha n dd e s i g ni nt h eh i g h l ye x p a n d a b l e e x p e r tc o n t r o ls y s t e mt o t h ea n t h u r i u mc u l t i v a t i o n sh a sb e e nd o n eb a s e do nt h e b i o l o g i c a li n f o r m a t i o nd e t e c t i o nt e c h n o l o g y , e f f e c t i v e l yc o m b i n i n ge x p e r td e c i s i o n s y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e mi nt h ep a p e r t h eg r o w t hd e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nt h ea n t h u r i u mh a sb e e nr e s e a r c h e di n d e t a i li nt h ep a p e r f i r s t l y , t h es e n s o rd e t e c t st h ea n t h u r i u mg r o w t hi n f o r m a t i o n d i r e c t l y , a n dt h e nf r o mt h ev i s i o ns y s t e ma n g l e ，as e r i e so fi m a g ep r o c e s sh a sb e e n u s e dt od e t e c tw h e t h e rt h el e a v e so ft h ea n t h u r i u mi sl a c ko fw a t e ro rn o t ，f i n a l l yt h e p a r to fu s e ri n p u ti nt h ed e t e c t i o ns y s t e mh a sb e e ne l a b o r a t e d t h ei n t e l l i g e n c ed i c i s o ns y s t e mi st h eh e a r to fe x p e r ts y s t e m t h ep a p e r i n t r o d u c e dt h ed e s i g no ft h ed a t a b a s e ，k n o w l e d g eb a s ea n di n t e r e n c ee n g i n ei nd e t a i l ， a n dt h e nk n o w l e d g ea c q u i r e m e n ta n ds h o wi nt h ek n o w l e d g eb a s es y s t e mi s d e t e r m i n e d ，a n das e r i e so fk n o w l e d g eb a s ei n c l u d i n ga n t h u r i u ms t a n d a r dc u l t i v a t i o n k n o w l e d g eb a s eh a sb e e ne s t a b l i s h e dt o o f i n a l l yt h ee x a m p l ei st a k e nt h eu s ei nt h e s y s t e ma n d t h ed e s i g no fr u l et r e ei nt h ei n t e r e n c ee n g i n e i nt h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，b yt a k i n gt h ef e a t u r e so ft h et r a d i t i o n a l g r e e n h o u s ei n t oc o n s i d e r a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，ah i e r a r c h i c a lc o n t r o ls y s t e mi s p r e s e n t e d t h ec o n t r o ls o f t w a r ei sb a s e do nm o d u l a r i z e ds t r u c t u r e ，w h i c hc a l lf u l f i l l a l lk i n d so ff u n c t i o na td i f f e r e n tl e v e l s ，i n c l u d i n gs y s t e mm a n a g e m e n ta n d c o n f i g u r a t i o na to r g a n i z a t i o n l e v e l ，a n dd e v i c ed r i v ea tc o n t r o l l e v e l t h ed e s i g no f c o n t r o lh a r d w a r ea n de s p e c i a l l ys o f t w a r et ot h et w o l e v e ls t r u c t i o nh a sb e e n c o m p l e t e d f i n a l l yt h ec l i e n t s e v e rs t r u c t u r eo fw i n d o w ss o c k e ti sa p p l i e dt ot h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd e c i s i o ns y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h ef e a t u r e so f v i 上海大学硕十学位论文 g r e e n h o u s ec o n t r o ls y s t e m ，au s e f u la p p l i c a t i o np r o t o c o li sd e v e l o p e d ，w h i c hh a sa g r e a te f f e c to nt h es t a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo fc o m m u n i c a t i o n t h ea u t h o rc o n c l u d e st h ed i s s e r t a t i o nb ys u m m a r i z i n gt h ep r o j e c ta n dp r o p o s i n g u s e f u ls u g g e s t i o n sf o rf u r t h e rr e s e a r c hi nt h ef i n a lp a r to ft h ep a p e r k e y w o r d s ：e x p e r tc o n t r o ls y s t e m ，g r o w t hd e t e c t i o ns y s t e m ， i n t e l l i g e n c ed i c i s o ns y s t e m v l l 上海大学硕_ 上学位论文 插图清单 图2 1 专家控制系统结构图7 图2 2 红掌专家控制系统的整体结构图9 图3 。1 土壤根系基质的检测1 3 图3 2 红外传感器对于红掌叶面温度的检测1 4 图3 3 光照检测仪1 4 图3 4 红掌叶片图像的采集1 5 图3 5r g b 颜色模型1 7 图3 6h i s 颜色模型1 8 图3 7 富水与缺水图的比较2 0 图3 8 截取的叶片彩图和通过闽值法的分割叶片灰度图2 l 图3 9 对比实验中富水叶片含水量的灰度曲线值2 2 图3 1 0 对比实验中缺水叶片含水量的灰度曲线值2 2 图3 1 1 算法步骤2 2 图3 1 2 红掌信息检测的人工输入界面2 3 图3 1 3 红掌信息检测的人工输入界面2 4 图3 1 3 红掌信息检测的图片查询界面2 4 图3 1 4 图片查询中叶片水分检测界面2 5 图4 1 简单语义网络示例3 2 图4 2 框架表示：3 3 图6 1 控制子系统硬件系统架构图5 0 图6 2 红掌智能决策子系统界面5 l 图6 3 温室红掌智能决策予系统软件功能结构5 2 图6 5 单元控制器软件结构图5 4 图6 6 命令帧格式示意图5 5 图6 7 响应帧格式示意图5 6 图6 8 数据流s o c k e t 工作过程原理图5 7 x j ：海大学硕士学位论文 表格清单 表4 1 红掌各个时期营养液浓度配方2 8 表4 2 红掌各个季节e c 值2 9 表4 3 温湿度对于红掌的生理作用3 4 表4 4 红掌不同季节、生长期对于光照的要求3 5 表4 5 不同生长发育阶段和季节对水分需求3 5 表4 6 液肥施用配方3 6 表4 7 红掌的病菌种类3 7 表4 8 红掌的虫害种类3 7 表5 1 已知事实表4 4 表6 1 通讯协议指示符含义表。5 5 表6 2e r r o r e v e n t 参数取值和含义表。5 8 x i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：赵傻日签名：赵百复日 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：煎垡导师签名：避日期 i ：海大学硕士学位论文 第一章绪论 随着科学技术和国民经济的迅猛发展，农业现代化的进程也在不断加快。农 业现代化要求农业生产向着集约化、工厂化方向发展，并把经济效益作为农业生 产的一项重要指标。温室生产作为高效的农业生产方式应运而生，以其高产高效 得到广泛应用，引起人们越来越多的重视。 1 1 国内外温室控制现状 伴随着知识经济时代的到来，技术、信息等要素逐渐成为农业经济增长和农 产品市场竞争力的核心要素。农业经济的发展不再仅仅取决于传统农业资源投入 的多少，而是取决于信息的获取以及现代技术的应用程度。 农业信息技术是新的农业科技革命的先导，它不仅可为农户提供科技、生产、 市场等方面的咨询服务，还可向农业生产者及农业管理部门提供有效的农业资 源，从而优化生产技术规程及科学经营管理决策。通过将现有单项农业技术进行 综合组装与配套，可以实现更高层次的科技创新，并大面积地推广应用于农业生 产实际，全面提高农民、农业与农村的总体科技水平【2 】。 农业信息化是2 1 世纪现代农业的重要标志之一，而智能化农业信息处理系 统是实现农业信息化的基本手段之一。基于农业的专家系统是一种智能化的农业 信息系统，它不仅可以作为农业现代化的载体传播各类农业知识及高新技术成 果，而且还汇集了高层次、多方面农业专家知识，模仿人类推理过程，以形象直 观的方式向使用者提供各种农业问题的咨询服务与决策方案，极大地推动农业信 息化的进程。 而专家系统作为一种知识的载体，所体现出来的可靠性、客观性、永久性、 易于传播和复制的特性，是人类专家所不及的。所以从这个意义来说，开发农业 领域内的专家系统不仅非常必要，而且应用前景广阔。 1 2 专家系统在农业中应用的概况 国际上农业专家系统的研究是在2 0 世纪7 0 年代末期开始的，美国伊利诺大 上海大学硕士学位论文 学的植物病学家和计算机学家联合一起研制出了第一个农业专家系统：大豆病虫 害诊断专家系统，随后美国、法国、日本等国掀起了一股“农业专家系统热， 陆续开发出谷物、果树、葡萄、茄子、马铃薯等多种作物的农业专家系统，这一 阶段主要通过运用专家系统总结领域专家的描述性、经验性知识，指导农业的生 产活动。 到2 0 世纪8 0 年代，伴随着人工智能知识工程技术的发展，作物栽培生长模 拟模型在农业生产上得到应用，完善的生长模型可以根据作物生长状态信息以及 影响产量的气象、土壤肥料等环境信息给出农作物长势判断，为专家系统决策管 理提供依据。美国、荷兰、法国、加拿大、澳大利亚等农业发达国家研究并建立 了禾谷类、豆科、棉花等十几种作物的生长模拟模型，使专家系统向智能化方向 迈出了一大步 3 1 。但由于大田生产处于自然环境中，其生产条件和时空地域环境 千差万别，专家系统决策咨询范围仍只能局限在田间管理、肥料灌溉以及病害诊 断方面。 我国在农业专家系统领域的研究工作开展得较早，8 0 年代初期就己开始组 织攻关，1 9 8 5 年中科院合肥智能机械研究所研制成功小麦施肥专家咨询系统， 以后各地又开发出十几种专家系统，涉及n 4 , 麦、水稻、玉米、蚕桑等大田作物， 专家咨询内容主要有施肥、品种选育、病虫害、饲料配方等方面，在全国得到大 面积推广使用。 现代温室的出现使得计算机专家系统控制咨询作用得到更大发挥。而新的研 究趋向是温室的全自动智能化，智能化控制则要求能够根据气候条件和植物的生 长需求，包括植物当前的生长状况，综合做出判断，进行最优化的决策，自动地 采取灵活的适应性的温室控制策略，实行智能化的温室环境调控和栽培管理。这 是一项前瞻的研究，牵涉到植物生长及其栽培管理的专家知识库和数据库建设、 植物生长与模拟模型建立、环境以及植物生理信息监测，温室环境的模拟预测等 基础性研究工作的积累。从结构上看是将温室专家系统与温室计算机控制系统的 内容综合起来，成为一种全自动调控的智能化专家控制系统。 1 3 智能化专家控制系统的研究难点 由于全自动调控的智能化专家控制系统是一项全新的尝试，在国内外都还没 2 上海大学硕士学位论文 有成功的范例。因此在研究中，会碰到很多没有遇过的问题。而这些问题主要集 中在以下几个方面： ( 1 ) 专家控制系统最大的特点在于专家与控制紧密的结合，即将专家系统的 决策结果直接送至控制系统运行，再使控制系统的输出结果作用于温室作物。而 现有温室的系统模式一般是由用户根据经验输入调控作物的执行意见再由单纯 的控制系统直接作用到温室作物，或者只是单纯的专家决策系统进行决策判断后 由用户自己根据系统给出的决策结果去种植作物。可以看出，把专家决策和控制 系统两者结合的模式是前所未有的，而正是因为没有可供参考的模式，这也就使 我们研究专家控制系统变得非常困难。 ( 2 ) 在以往用于温室种植的控制系统中，一般都是由用户依据农业种植的经 验输入意见值对温室作物进行控制。但是在作物的生长过程中，每个阶段植物的 生长状态都是各不相同的，这就需要我们对于作物的生长信息进行实时的监测， 以便于系统的控制。因此如何应用计算机的手段自动对植物生理参数进行精确检 测和标定是温室控制的基础和关键，同时也是难点。 1 4 课题的背景和意义 当前我国对温室专家控制系统非常重视，在“十一五攻关项目中对温室标 准化栽培和专家系统的应用都有涉及，但是目前为止，没有国家能实现全自动调 控的智能化专家控制系统，所以我国对此进行具有积极意义的研究工作，将会使 我国与发达国家在农业科技方面的差距大大缩短。 。 巳 本课题来源于上海市科技兴农重点攻关项目“花卉种质创新和产业发展关键 - ，o 一 技术研究”( 沪农科攻字【2 0 0 6 第4 6 号) 。同时也是国家8 6 3 高技术研究发 展计划资助项目( 项目编号：2 0 0 6 a a l o a 3 1 1 ) ，课题名称是“现代温室品种花卉 工厂化栽培智能专家系统的研究开发和应用示范”，课题由上海大学和上海鲜花 港企业发展有限公司等多家单位共同承担合作开发。 国家十一五计划对该项目提出的任务要求是系统在对现代温室盆栽花卉工 厂化栽培管理技术进行的试验、分析、验证和示范应用的基础上，得到盆栽红掌 温室工厂化栽培综合管理技术规范，根据气候条件和红掌的生长需求( 包括红掌 当前的生长状况) 综合盆栽红掌的技术规范进行最优化决策，并将决策的结果直 3 上海大学硕上学位论文 接送至系统的控制部分，实行温室环境调控和栽培管理，从而形成智能化的温室 盆栽红掌专家控制系统。 1 5 本论文的内容安排 本论文共分七章： 第一章：主要介绍了课题背景以及现在温室专家系统的整体情况，在分析了 专家控制系统研究上的一些难点后，提出了本课题的背景和意义。 第二章：论文在分析温室专家控制系统特性的基础上，提出了针对红掌的专 家控制系统的整体结构，并概括的介绍了系统结构中各个分支结构的总体情况。 第三章：主要研究了红掌生长检测子系统。先是通过传感器对红掌生长信息 ( 根系的p h 、e c 值、叶片温度以及辐照量) 的直接检测，然后对红掌叶片图像 进行采集和处理，得到了叶片是否缺水的信息。最后研究了检测子系统的人工输 入部分。 第四章：介绍了智能决策部分。在借助农业专家的帮助下，对于基于红掌的 数据库、知识库的形成做了详细的介绍。 第五章：详细研究了本系统推理机的结构，介绍了推理策略实现的实例。并 研究设计了评分系统以及决策系统的人工输入部分。 第六章：首先对于控制子系统结构进行了讨论。然后从硬件部分、软件部分 与通讯部分三方面详细阐述了控制子系统的构成。 第七章：对本课题的研究工作做了总结，对系统的改进和未来的工作进行展 望。 4 上海大学硕上学位论文 第二章温室红掌栽培管理专家控制系统总体设计 在温室栽培过程中，专家系统能够以知识为基础，进行推理决策。而科学的 管理与决策是实施标准化栽培的重要途径。因此，专家系统正是在管理信息系统 的基础上发展起来的。 本章首先介绍了专家系统的历史、概念及结构，然后阐述了温室红掌栽培管 理专家控制系统的总体设计原则、原理和结构。 2 1 专家控制系统的概述 2 1 1 专家系统的概念 专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技 术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判 断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家才能处理好的复杂问 题。 专家系统适合于完成那些没有公认的理论和方法、数据不精确或信息不完 整、人类专家短缺或专门知识十分昂贵的诊断、解释、监控、预测、规划和设计 等任务。运用特定领域的专门知识，通过推理来模拟通常由人类专家才能解决的 各种复杂的、具体的问题，达到与专家具有同等解决问题能力的计算机智能程序 系统。它能对决策的过程作出解释，并有学习功能，即能自动增长解决问题所需 的知识。 传统控制理论的不足，在于依赖于受控对象或过程的严格的数学模型，试图 针对精确模型来求取最优的控制效果【6 】。而专家系统模拟的是某一领域的专家解 决问题的能力【7 ，引。8 0 年代初，正当人工智能中的专家系统技术方兴未艾之时， 自动控制领域的学者和工程师开始把专家系统的思想和方法引入控制系统的研 究及其工程应用中。1 9 8 3 年，瑞典学者kja s t r o m 建立了将专家系统技术引入 自动控制的思想，把人工智能中的专家系统和控制理论相结合，并赋予系统某些 智能，1 9 8 6 年，他正式提出了“专家控制”的概念，阐述了比较深入、完整的 见解。 5 上海大学硕十学位论文 2 1 2 农业专家系统的历史 农业专家系统是把专家系统应用于农业领域的一项计算机技术。综合国内 外，农业专家系统( a g r i c u l t u r a le x p e r ts y s t e m ) 的发展可归结为如下三个阶 段【1 0 】： 1 、产生阶段( 2 0 世纪7 0 年代末) ：美国最早将专家系统应用到农业的生产 中，并开发了面向农作物的病虫害诊断的第一个农业专家系统。 2 、发展阶段( 1 9 8 卜1 9 9 2 年) ：随着专家系统技术的迅速发展，这一时期 农业专家系统在国际上有了相当的发展，在数量和水平上均有了较大的提高，已 从单一的病虫害诊断转向牛产管理、经济分析与决策等，其中c o m a x g o s s y m 是 美国最为成功的一个农业专家系统。 3 、成熟阶段( 1 9 9 2 年以后) ：这一时期农业专家系统研究已经更加成熟化， 国际上近百个农业专家系统广泛应用于作物生产管理、灌溉、施肥、品种选择、 病虫害控制、温室管理等农业的各个领域中。并且许多系统已经得到应用，一部 分已成为商品进入市场。 2 1 3 专家控制系统的结构 专家控制系统是应用专家系统概念和技术，模拟人类专家的控制知识与经验 而建造的控制系统。因此专家控制系统的任务是要自适应的管理一个课题或过程 的全面行为。专家控制系统能够解释控制系统的当前状况，预测过程的未来行为， 诊断可能发生的问题，不断修正和执行控制计划。也就是说，专家控制系统具有 解释、预报、诊断、规划和执行等功能。 专家控制系统同时具有信息处理和决策机制，因此作者根据任务分块以及自 上而下分层的原则进行设计，将整体系统分为专家系统和控制系统两个部分，如 图2 1 所示。 6 上海大学硕士学位论文 图2 1 专家控制系统结构图 下面对各个系统的功能予以简要介绍： 1 专家系统 专家系统主要包括了一系列的高层控制( 决策与规划) ，虽然因应用场合和控 制要求的不同，专家系统的结构可能不一样，但是几乎所有的专家系统都包含人 机接口、数据库、知识库和推理机等。其中用户可以直接通过人机接口对控制系 统进行信息的传输，也可以将数据输入到专家系统中。 2 控制系统 控制系统涉及的是低层控制( 动作与实现) 。控制系统中不仅仅包括了常规的 控制器、被控对象，还加入了信息的获取和处理部分。控制系统中的信息处理部 分则是将采集处理后的对象信息传给智能决策系统中的知识库部分，使其获得实 时的数据信息量及时调整对于对象的控制决策方案。 其中，专家系统与控制系统的通讯方式是在一定的通讯协议的基础上，通过 各自系统内的数据接口完成传输，即从专家系统得到的环境气候和水肥灌溉的调 控参数通过两个系统间的数据接口发送至控制系统，以此控制被控对象。 7 上海大学硕士学位论文 2 2 温室红掌栽培专家控制系统的基本设计 2 2 1 设计思想 温室红掌栽培管理专家控制系统是按照智能专家控制系统建造原理和技术 来实现的，整个系统要求能根据当地气候条件和作物的生长需求，实时地对作物 的生理参数进行检测，并以此作为决策的输入或依据，再通过综合有关作物的栽 培种植经验对现阶段的作物牛长情况进行判断，从而确定下一阶段作物生长所需 的环境气候和水肥灌溉参数，最后将智能决策的结果直接送至控制系统中，用于 调控作物的生长。 为了能使红掌得到很好的种植，系统研究的关键在于对影响红掌生长的参数 获取和调控，主要以下分两个方面的因素： 1 、环境因素。因为任何植物的生长都离不开阳光、水分，所以环境因素对 于红掌的影响可谓相当重要。最能影响红掌的主要有温度、湿度和光照三方面。 由于红掌是热带植物，它对于这三方面的因素的敏感性非常强，可以说一旦某个 参数因素达不到所需的要求，那么红掌很容易变成生长发育不良，品质变差甚至 是凋谢死亡。所以这三个因素对于红掌的栽培至关重要。 2 、水肥因素。同样因为是植物，灌溉就必不可少。然而花卉特别是红掌的 种植和果蔬比起来又有所不同，首先红掌对于水分的要求比较高；其次对于肥料 而言，氮磷钾配方比，p h 、e c 值以及浇灌的时间都是需要注意的地方。所以水 肥因素也是红掌栽培考虑的重点。 因此，将上述影响红掌生长的因素综合成为智能决策系统中的知识经验，以 及作物生长检测过程中对这些影响因素进行实时的检测，能使整个专家控制系统 在栽培种植作物时取得良好的种植效果。 2 2 2 整体结构设计 整个专家控制系统由智能决策部分和控制部分两大块组成，其中智能决策部 分主要就是指智能决策子系统，而控制部分则包括生长信息检测子系统、控制子 系统两个子系统。( 整个系统结构如图2 2 ) 8 上海大学硕上学位论文 一_ 一- 一 i 智能决策部分 i 图2 2 红掌专家控制系统的整体结构图 1 智能决策部分 根据人机界面输入的信息值，调出数据库内的数据传至知识库，并在知识库 内将数据整合成有效知识规则，再导入推理机推理出决策结果( 环境气候和水肥 灌溉调控参数) 。 2 控制部分 主要有两个方面的功能： ( 1 ) 通过生长信息检测子系统对红掌生长参数的采集处理，将得到的信息 传递给环境动态调控知识库，以此作为决策判断的依据。 ( 2 ) 将推理机所得到的决策结果，直接输进控制子系统，并使其得到相应 的控制量作用到盆栽红掌中。 9 上海大学硕士学位论文 由于两个部分互有数据的传输，因此双方的通讯连接就显得非常重要。智能 决策部分会把红掌要求的环境设定值( 温、湿度及辐照量) 和水肥设定值( 浇灌 次数、时间以及肥料配方) 等决策结果通过采用以太网通讯技术方式( 见第六章) 直接输出到控制部分。 2 2 3 子系统的结构描述 1 、生长检测子系统 生长检测系统是借助计算机应用于红掌牛物信息检测识别。这里也可以包含 许多的相关的子课题，如利用光谱特征、计算机视觉处理等检测识别红掌生长系 统的信息等。 该检测系统对信号采集、图像处理等主要问题作了较深入的研究。系统主要 是对采集到的彩色图像进行一系列预处理并进行特征值提取识别，然后根据图像 识别处理的结果传送给智能决策系统。这样就为系统对作物进行的实时控制提供 有用的参考数据。 2 、智能决策子系统 ( 1 ) 系统人机交互界面 主要作用是为用户、专家、知识工程师与系统的对话，提供多种多样的显示 和对话形式：负责组织知识、数据和推理结论及其解释的输入输出，一方面通过 窗口的多媒体等显示形式，以增加系统的直观与美观程度，提高系统的友好和使 用效率；另一方面通过菜单引导用户逐级进入使用系统，用户只需按照菜单提示， 按动几个选择键或鼠标即可操作和使用系统。 ( 2 ) 知识库 知识是专家控制系统的核心，温室红掌栽培管理专家控制系统的知识库可以 由规则库、数据库组成。规则库存放红掌栽培专家指导红掌生产管理的启发性规 则和有关这些规则如何使用的元规则，主要有栽培技术、栽培生理知识、病虫害 防治等图像、图形、文本和数据信息。而本系统中相对于生长期开始的日期建立 两类规则：标准规则和动态调控规则。通过标准规则的运用再加以动态调控规则 的对标准规则的补充，能够对红掌在不同时期的实际的生长状态起到很好的控制 作用。 1 0 上海大学硕+ 学位论文 ( 3 ) 推理机的设计 温室红掌专家控制系统中的推理机是针对实际生产问题所提供的解决这些 事件的方法、途径；利用语言系统对事件进行形式化描述，写出事件求解过程； 利用知识系统提供的知识对实际问题产生的事件进行求解，并得出解答，为决策 产生所需要的信息。 3 、控制子系统 主要把决策结果转化为温室的控制调节量，并将相应的结果输出到温室机构 中以调节温室的环境更利于红掌的生长。控制子系统需要分别对其中的硬件部分 和软件部分进行设计。并对智能决策子系统和控制子系统的通讯方式进行详细的 阐述。 2 3 本章小结 本章首先介绍了专家控制系统的概念，随后根据其特点提出了基于红掌的专 家控制系统的设计框架，以及整个系统的运行情况，最后对专家控制系统中的生 长检测子系统、智能决策子系统以及控制子系统进行了逐一的介绍。 上海大学硕上学位论文 第三章基于红掌的生长检测子系统 由于红掌的标准化栽培专家控制系统需要实时地掌握红掌的生长情况，智能 决策子系统才能及时的得到反馈信息并给予相应的对策。所以基于红掌的生长检 测子系统需要通过运用多种手段和方式对红掌进行检测，以此判断出红掌生长的 好坏。 从植物学的角度考虑，任何植物的生长都是依靠环境进行的光合作用以及水 肥因素的影响。但不同环境因子和水肥因素对于不同种类植物的影响是大相径庭 的。其中对于红掌而言，影响其生长的因子主要有：光照、叶片温度、叶片水分、 土壤根系中p h 、e c 值等。因此只要我们能够检测到这些量，那么就能通过这些 生长因子实时检测出红掌当前生长的好坏，同时生长检测子系统还可以把检测量 送入智能决策子系统以此做出相关的决策调整。 3 1 红掌盆栽的传感器检测 3 1 1 土壤根系的检测 在盆栽红掌的标准化栽培中，土壤基质在红掌的生长中扮演着相当重要的角 色。由于土壤和植物根系存在交互作用，即形成根一土界面特定的微生态环境， 并能使植物直接从土壤中吸收一定的水分。水分中的p h 、e c 含量对红掌的生长 起到至关重要的作用，其中p h 值是反映土壤基质的酸碱度，它会影响营养液的 p h 值及成分变化。因此p h 值过高或过低会引起红掌营养的缺乏甚至是毒害。e c 值则反映已经电离的盐类溶液浓度，它也能直接影响营养液的成分和作物根系对 各种元素的吸收。基质中e c 值( 可溶性盐含量) 过高，可能会形成反渗透压， 将根系中的水分置换出来，使根尖变褐或者干枯。因此在红掌栽培中，对于土壤 根系的水分检测是很重要的一个方面。 在这里，我们可以把检测土壤水分的传感器放入红掌盆栽中。其中传感器的 探头是直接伸入红掌盆栽的土壤中，从探测到的土壤基质中，检测出根系土壤水 分中p h 、e c 的含量( 图3 1 就是红掌根系土壤基质的检测) 。最理想的土壤栽培 基质应含有5 0 的固体成分、2 5 的水分和2 5 的空气，p h 值调整到5 5 6 0 、 1 2 f c 值0 8 一i 2 m s c m 之间为宜。 3 1 2 叶面温度的检测 圈3 1 土壤根系基质的检测 众所周知，植物生长离不开光合作用。植物叶片的光合作用过程实际上就是 一系列酶促反应叶片的温度主要影响酶活性，进而对生化反应，叶绿体超微结 构、气孔的开闭及呼吸速率等都产生了影响，因此叶片温度对光合作用的影响是 一系列复杂过程。所以对叶面温度检测和控制是对于我们种植红掌起着重要的 作用。 检测红掌叶面信息的方法有很多，但是这里我们主要采用检测叶面温度的手 段是用红外传感的方式对叶片的温度进行直接检测，传感器内能获得局部叶片或 包括植物与土壤的混合像元辐射温度，并在已知土壤表面温度( 室内温度) 的前 提下，利用a v h r r 资料应用l s f ( 李小文s 廿a 址x 删e m ) 概念模型( 即针对非 同温陆地表面像元尺度上的方向热辐射和波谱特征建立的) 【1 帅反演得到红掌的叶 面温度。( 如图3 2 所示) 上海大学硕士譬位论文 3 1 3 光照的检测 圈3 2 红外传搏器对下红掌n l 面温度的检测 光是叶绿素生物合成及叶绿体发育的必要条件，是光合作用的原动力。光合 碳同化过程中许多光合酶的活性受光的控制，而且光照还会影响其他环境因子， 因此光对光合速率有最深刻和多方面的影响。所以大多数植物只有在充足的光照 条件下才能花繁叶茂。红掌也不例外。 对于光照( 辐照度) 的检测，我们采用的是光照检测仪，它是一个高精度光 照传感检测控制仪，可监测并测量光照的变化( 如图3 3 所示) 。该检测仪性能 稳定，可靠，灵敏度及精度高。通常放置在露天接受到阳光直射，再经过内部的 转化，将换算出的光照值输送到智能决策子系统中。一般红掌生长所需耍的誊匿 强度在1 图3 3 光麒检测仪 】海大学硕士学位论文 3 2 叶片水分信息的图像处理 在红掌的生长过程中，叶片水分对于植物光合作用也起着非常重要的作用。 缺水时，首先是叶片气孔随着开度的减小，阻力会增大，一方面减少水分丢失， 同时也影响二氧化碳的进入，使光合速率下降。而随着供水的恢复蒸腾速率和 光合速率又都发生明显的恢复。因此叶片水分信息的检测对于判断红掌的牛长状 态也是有很大帮助的。然而由于现在没有传感器能直接检测叶片的水分信息。所 以我们将借助传感器通过对叶片外观颜色、形状等特征的检测，再经过计算机处 理，从而对叶片的水分信息做出判断。 3 2 1 红掌叶片图像的采集 图像采集部分一般由光源、镜头、摄像机和图像采集卡组成。采集过程可简 单描述为在光源提供照明或自然光照条件下，o c d 摄像机拍摄目标物体并将其转 化为图像信号，最后通过图像采集卡数字化后传输给图像处理部分【1 月。图3 4 是摄像头探测红掌叶片的图片。图中可知，摄像头的方框定位是可以机械调整的 通过改变方框的尺寸大小和位置能方便我们对有明显特征( 如叶茎与叶脉的位 置，叶片颜色变化区域等) 的叶片局部图像进行检测，从而采集到有用的叶片图 像信息。 圈34 红掌叶片圈像的采集 在自然的形式下，图像并不能直接由计算机分析。因为计算机只能娃理数字 而不是图片，所以一幅图像在用计算机处理前必须先转换为数字形式。再由计算 上海大学硕上学位论文 机进行一系列的图像处理过程，最后从中提取所需求的图像信息。 3 2 2 图像预处理 在温室这个特定的环境中采集叶片图像时，图像不可避免地要被强度随机信 号( 噪声) 所污染，噪声恶化了图像质量，使图像模糊，甚至淹没和改变特征， 这就给图像分析和识别带来困难。其中图像预处理中的图像平滑处理技术就是对 图像的去噪声处理，主要是为了去除实际成像过程中，因成像设备和环境所造成 的图像失真，提取有用信息( 如叶片水分含量) ，消除或尽量减少噪声的影响， 改善图像质量。 一般而言，常见的噪声有椒盐噪声、脉冲噪声、高斯噪声等。而图像平滑实 际上是低通滤波，让信号的低频部分通过，阻截属于高频部分的噪声信号。显然， 图像边缘信息也是属于高频信息。而图像的边缘信息包含了大部分的被测对象的 特征信息，或是在下一步的图像处理过程中需要提取出的信息。因此，要对图像 进行滤波处理。滤波处理的目的是：要滤除图像中不需要的噪声信号；同时，保 持图像的边缘信息【2 1 丑】。所以一个好的平滑方法应该是既能消除图像中存在的噪 声又不使图像的边缘轮廓和线条变模糊，这是图像平滑处理要追求的主要目的。 而图像平滑滤波的方法有很多，但最常用的是平滑线性空间滤波器。 平滑线性空间滤波器的输出( 响应) 是包含在滤波掩模邻域内像素的简单平 均值。因此，这些滤波器也称为均值滤波器。当然它们也属于低通滤波器。而最 简单的线性滤波器是局部均值运算，即用滤波掩模确定的邻域内像素的平均灰度 值去代替图像每个像素点的值，这种处理减小了图像灰度的“尖锐变化。 邻域平均法是一种简单的空间域处理方法。假定有一幅n xn 个像素的图像 f ( x ，y ) ，平滑后得到的图像为g ( x ，y ) ，那么g ( x ，y ) 就可以表示为： 1 g ( x ，y ) = 吉ef ( m ，玎) ( 3 1 ) n 1 ( m 埘) s 其中，x ，y = 0 ，l ，2 ，n - 1 ；s 是( x ，y ) 点邻域中点的坐标的集合，不包括( x ，y ) 点；m 是集合内坐标点的总数。这说明平滑后的图像g ( x ，y ) 中的每个像素的灰度 值均由包含在( x ，y ) 预定邻域的f ( x ，y ) 的几个像素的灰度值的平均值来决定。 由上例可知，子图像在n 爿c n 子块中的，另检测点的灰度为块中灰度的平均值， 1 6 上海大学硕士学位论文 这种方法通过把突变点的灰度分散在其相邻点中来达到平滑效果，操作起来也简 单。因此本系统采用的是均值滤波对采集到的红掌叶片图像进行平滑滤波以去除 噪声。 3 2 3 颜色空间的选取 自然界中的任何颜色都是由物体的反射光特性决定的，即物体能够反射的部 分光决定了物体所具有的颜色。因此，物体呈现的颜色取决于光源特性和物体表 面的物理化学特性。而一幅彩色图像含有颜色信息，对这些颜色信息的研究离不 开颜色的定量表示。因此人们提出了用于定量地描述颜色的模型。 r g b 颜色模型是最常见的一种颜色空剐2 2 1 。自然界的所有颜色都可以由红 ( r ) 、绿( g ) 和蓝( b ) 三基色加权混合而成，绝大多数彩色成像设备也采用该格式。 r g b 颜色系统是在三基色学说下建立起来的颜色系统。它通过改变三基色的数量， 混合出其它各种颜色，可以用颜色方程表示混合后的颜色： c 三尺( 尺) + g ( g ) + b ( 曰) ( 3 2 ) 式中，c 表示混合后的颜色，兰表示视觉上的相等，( r ) 、( g ) 、( b ) 表示红、绿、 蓝三基色，r 、g 、b 分别表示三基色的数量。所有的颜色，包括各种灰度图、各 种色调和饱和度的彩色，都可以用红、绿、蓝三原色混合而成，其中三原色的数 量为三刺激值，这样的色度系统称为c i e 一1 9 3 1 系统。 ， 灰度 绿 ( 1 q1 ) 、奄 u ，( 1 q 图3 5r g b 颜色模型 r g b 颜色模型如图3 5 所示，采用单位立方体来表示，三个轴分别是r 、g