CN103247006A - 一种基于智能决策的食用菌栽培监控装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于智能决策的食用菌栽培监控装置及方法，装置为食用菌菇房数据采集控制系统通过以太网光纤传输系统与主控计算机相连；方法为建立食用菌栽培技术方案数据库，选取食用菌品质、产量、周期和能耗四个指标为决策标准，采用层次分析法进行决策并确定其权重系数；用户在主控计算机上选择相应食用菌品质、产量、周期和能耗四个指标，根据各权重系数计算食用菌栽培技术方案数据库中的所有方案评估结果，并进行排序，最后输出最优食用菌栽培技术方案至食用菌菇房数据采集控制系统的EEPROM存储器，实现食用菌生产的最优化管理。本发明结合专家研究成果和实际栽培经验，引入层次分析法作为科学的决策标准，为食用菌生长选择最优培养方案。

Description

一种基于智能决策的食用菌栽培监控装置及方法

技术领域

本发明属于农业信息化范畴，具体涉及一种基于智能决策的食用菌栽培监控装置及方法。

背景技术

食用菌是一种营养较全面，蛋白含量高、脂肪含量低、热量低、膳食纤维含量高的有机绿色食品，越来越受到人们的喜爱，将发展成为人类主要的蛋白质营养来源之一。但是对比美国、日本等发达国家，我国食用菌菇类生产的单位面积产量、品质以及经济效益要低几倍。这与我国食用菌生产管理方式的落后有着重要关系。长期以来，我国食用菌栽培以顺季节人工栽培为主，主要靠种植人员经验推广栽培，导致产量不高、品相不好，而且生产过程中的一致性较差，这是因为食用菌对环境很敏感，生长环境的微小差异都将对栽培的质量产生影响，而仅凭技术人员依靠经验定期对菌房环境进行管理，无法保证产品质量的稳定品质。

通过工厂化的生产方式，使用各种机械设备模拟出食用菌栽培所需的最佳环境，是解决目前我国食用菌生产产量和质量不高的解决方案。工厂化生产通过人人工调节食用菌的生长环境条件，能达到全年不分正反季节的连续生产，可大大提高食用菌的单位面积产量；工厂化生产通过为食用菌生长各个环节创造最佳的生长条件，其产品质量远远优于自然环境条件下栽培食用菌；工厂化食用菌生产可保证稳定的产量与质量，优质产品即可通过高标准的深加工，打入国内外高端市场。

目前我国的食用菌工厂化生产能力还较为简单，智能化程度不高。虽然可进行生长环境系统的自动化调节，但调节依据还是依赖于技术员的经验，无法保证产品质量的一致性。

发明内容

本发明的目的是针对现有的食用菌栽培智能化程度不高，产出品质对技术人员依赖性较强的缺陷和不足，提供一种结构紧凑、采用智能决策系统取代技术人员经验性操作的基于智能决策的食用菌栽培监控装置及方法，本发明旨在结合专家研究成果和企业实际生产经验，按照企业的生产需求，引入层次分析法作为科学的决策标准，为食用菌生长选择最优培养方案，即食用菌在不同生长时期的最优环境参数。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种基于智能决策的食用菌栽培监控装置，包括食用菌菇房数据采集控制系统、以太网光纤传输系统、主控计算机，其特征在于：食用菌菇房数据采集控制系统通过以太网光纤传输系统与主控计算机相连实现实时数据通信。

所述食用菌菇房数据采集控制系统，包含温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器以及光照传感器、模拟信号调制电路、模数转换器、数字处理器、网络控制器、EEPROM存储器、光耦、固态继电器、空调机、加湿器、鼓风机以及生物效应灯；在每个食用菌菇房内设置温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器以及光照传感器、空调机、加湿器、鼓风机以及生物效应灯，各传感器的输出端分别与模拟信号调制电路相连，模拟信号调制电路与模数转换器相连，模数转换器与数字处理器相连，数字处理器再分别与网络控制器、EEPROM存储器、所有光耦相连，每个光耦连接一个固态继电器，空调机，加湿器、鼓风机以及生物效应灯分别连接一个固态继电器，网络控制器与以太网光纤传输系统相连。所述的光耦为光耦合器。

各传感器的输出信号经过模拟信号调制电路后送入模数转换器，模数转换器将模拟信号转换为数字信号，数字信号被传送至数字处理器；数字处理器通过定时控制模数转换器的转换速度；数字处理器将多个数据通过并行总线顺序传入网络控制器，网络控制器按照TCP/IP以太网传输协议对一次定时数据进行组帧，然后将以太网格式数据送入以太网光纤传输系统传输至主控计算机。同时食用菌菇房数据采集控制系统实时接收主控计算机通过以太网光纤传输系统传输的控制数据，并将数据存储于EEPROM存储器中，按照控制规则通过光耦以及固态继电器，实现对空调机、加湿器、鼓风机以及生物效应灯的相应定量控制，实现温度、湿度、二氧化碳浓度以及光照的实时智能调控。

所述以太网光纤传输系统基于TCP/IP协议，以光纤作为传输介质，通过光电转换器实现电信号和光信号的双向转换，实现食用菌菇房数据采集控制系统和主控计算机的实时双向光纤通信。

所述主控计算机内置食用菌不同栽培方案和智能决策算法，智能决策算法通过工作人员输入的生产任务和需求确定最佳的培养方案，并通过以太网传输至食用菌栽培室的终端控制系统，实现食用菌栽培室环境因子的实时控制。而且主控计算机会通过以太网光纤传输系统实时接收食用菌菇房数据采集控制系统数据，便于工作人员实时监控食用菌栽培室的环境，同时为优化栽培方案提供技术数据。

基于智能决策的食用菌栽培监控方法，其特征在于包括以下步骤：

a、建立食用菌栽培技术方案数据库：基于专家研究成果和实际栽培经验建立食用菌栽培技术方案数据库，所述的食用菌栽培技术方案数据库由条件和结果两部分构成，条件主要指：食用菌不同生长阶段的周期、各生长阶段菇房的环境因子参数；结果主要指：对应菇房各批次食用菌的品质、产量、生长周期和能耗四个指标；

b、选取食用菌的品质、产量、周期和能耗四个指标为决策标准，采用层次分析法进行决策，食用菌的品质、产量、周期和能耗四个指标在决策过程中分别设有权重系数k₁、k₂、k₃和k_4，k₁为食用菌的品质权重系数，k₂为食用菌的产量权重系数，k₃为食用菌的周期权重系数，k₄为食用菌的能耗权重系数，具体方法如下：

则每种食用菌栽培技术方案的综合评估结果为：

S=C^*·k₁+M^*·k₂+T^*·k₃+P^*·k₄

其中k₁+k₂+k₃+k₄=1，其中C^*、M^*、T^*和P^*分别表示品质、产量、周期和能耗的基准值：

$\left\{\begin{array}{c}{C}^{*}=C/C_{\mathrm{std}}\\ M^{*}=M/M_{\mathrm{std}}\\ T^{*}=T/T_{\mathrm{std}}\\ P^{*}=P/P_{\mathrm{std}}\end{array}\right\}$

其中C_std、M_std、T_std和P_std分别代表食用菌生产中品质、产量、周期和能耗的标准值，标准值通过统计各菇房各批次产品的品质、产量、周期和能耗，取概率较高的分布区间的平均值；其中C、M、T和P分别代表食用菌生产中品质、产量、周期和能耗的取值；

把决策标准中食用菌的品质、产量、周期和能耗作为评估因素，建立评估因素集：

U={u₁,u₂,u₃,u₄}

设定U_ij表示U_i对U_j的相对重要性数值，其中i=1,2,3,4, j=1,2,3,4。U_ij的取值选择常用下表所示的1-9标度方法。

根据上表中的数值标度及定义，通过对评估因素集U中的元素进行两两比较，构造判断矩阵J：

$J=\left[\begin{array}{cccc}{u}_{11}& u_{12}& u_{13}& u_{14}\\ u_{21}& u_{22}& u_{23}& u_{24}\\ u_{31}& u_{32}& u_{33}& u_{34}\\ u_{41}& u_{42}& u_{42}& u_{44}\end{array}\right]$  ；

c、应用层次分析法确定食用菌的品质、产量、周期和能耗四个指标的权重系数，计算步骤如下：

计算判断矩阵J每一行元素的乘积M_i

$M_i=\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Π}}}{u}_{\mathrm{ij}}$

计算M_i的4次方根

$\stackrel{\‾}{k_i}=\sqrt[4]{M_i}$

将向量 $\stackrel{\‾}{K}={[\stackrel{\‾}{k_1},\stackrel{\‾}{k_2},\stackrel{\‾}{k_3},\stackrel{\‾}{k_4}]}^T$ 归一化

$k_i=\stackrel{\‾}{k_i}/\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{k_j}$

则

即为所求的特征向量，其各元素分别表示食用菌的品质、产量、周期和能耗的权重系数；

d、用户在主控计算机上选择相应的食用菌的品质、产量、周期和能耗四个指标，主控计算机根据获得的食用菌品质、产量、周期和能耗四个指标的权重系数k₁、k₂、k₃和k₄，计算食用菌栽培技术方案数据库中的所有方案评估结果S_n，其中n表示数据库中方案的总数，并进行排序，最后输出最优食用菌栽培方案至食用菌菇房数据采集控制系统的EEPROM存储器，实现食用菌生产的最优化管理。

本发明的有益效果是：

1．本发明在食用菌菇房采用温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器以及光照传感器对食用菌栽培环境的各指标进行了实时监测，通过基于以太网的光纤传输实现测量数据和控制数据的实时传输，响应速度快，抗干扰能力强。

2．本发明有效地将决策标准中食用菌的品质、产量、周期和能耗四个指标作为评估因素，能够根据需要调整各个评估对象的权重，从而根据用户需求选择最佳培养方案。

3．本发明在决策过程中运用了层次分析法，可进行定性与定量相结合的多目标决策分析，为指导生产提供科学依据。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是本发明的食用菌菇房数据采集控制系统结构示意图。

图3是本发明的流程图。

图中：食用菌菇房数据采集控制系统1，以太网光纤传输系统2 ，主控计算机3，温度传感器4，湿度传感器5，二氧化碳传感器6，光照传感器7，模拟信号调制电路8，模数转换器9，数字处理器10，网络控制器11，EEPROM存储器12，光耦13，固态继电器14，空调机15，加湿器16，鼓风机17，生物效应灯18。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明的装置包括食用菌菇房数据采集控制系统1、以太网光纤传输系统2、主控计算机3，食用菌菇房数据采集控制系统1通过以太网光纤传输系统2与主控计算机3相连实现实时数据通信。

如图2所示，所述食用菌菇房数据采集控制系统1包含温度传感器4、湿度传感器5、二氧化碳传感器6以及光照传感器7、模拟信号调制电路8、模数转换器9、数字处理器10、网络控制器11、EEPROM存储器12、四个光耦13、四个固态继电器14、空调机15、加湿器16、鼓风机17以及生物效应灯18；在每个食用菌菇房内设置温度传感器4、湿度传感器5、二氧化碳传感器6以及光照传感器7、空调机15、加湿器16、鼓风机17以及生物效应灯18，各传感器的输出端分别与模拟信号调制电路8相连，模拟信号调制电路8与模数转换器9相连，模数转换器9与数字处理器10相连，数字处理器10再分别与网络控制器11、EEPROM存储器12、四个光耦13相连，每个光耦13连接一个固态继电器14，空调机15，加湿器16、鼓风机17以及生物效应灯18分别连接一个固态继电器14，网络控制器11与以太网光纤传输系统2相连；所述的光耦为光耦合器。在菇房内设置的量程为-40℃-100℃热敏电阻作为温度传感器4、量程为0-100%RH的湿敏电容作为湿度传感器5、量程为0-10000ppm的红外探测器作为二氧化碳传感器6以及量程为0-1000 Lux的光敏二极管作为光照传感器7，各传感器输出信号经过模拟信号调制电路8进行放大处理后送入型号为TLC0834的4路输入模数转换器9，模数转换器9将模拟信号转换为数字信号，转换后数字信号通过串行总线传送至型号为MSP430F1611的数字处理器10；数字处理器10通过定时控制模数转换器的转换速度；数字处理器10将多个数据通过并行总线顺序传入型号为W5100的网络控制器11，网络控制器11按照TCP/IP以太网传输协议对一次定时数据进行组帧，然后将以太网格式数据送入以太网光纤传输系统2传输至主控计算机。同时食用菌菇房数据采集控制系统1实时接收主控计算机通过以太网光纤传输系统2传输的控制数据，并将数据存储于型号为AT24C32的EEPROM存储器12中，按照控制规则通过光耦13以及固态继电器14，实现对空调机15、加湿器16、鼓风机17以及生物效应灯18的相应定量控制，实现温度、湿度、二氧化碳浓度以及光照的实时智能调控。

所述以太网光纤传输系统2基于TCP/IP协议，采用波长为1550的多模光纤19作为传输介质，通过型号为HFBR-5803的光电转换器20实现电信号和光信号的双向转换，实现食用菌菇房数据采集控制系统和主控计算机的实时双向光纤通信。

所述主控计算机3通过内置食用菌栽培智能决策算法对实际生产需求进行智能分析决策，决策结果转化为控制规则通过以太网光纤传输系统2传输至食用菌菇房数据采集控制系统1对食用菌菇房进行控制。同时主控计算机3通过以太网光纤传输系统2实时接收食用菌菇房数据采集控制系统1数据，实现食用菌菇房环境参量的实时监控。

基于智能决策的食用菌栽培监控方法，其特征在于包括以下步骤：

a、建立食用菌栽培技术方案数据库：基于专家研究成果和实际栽培经验建立食用菌栽培技术方案数据库，所述的食用菌栽培技术方案数据库由条件和结果两部分构成，条件主要指：食用菌不同生长阶段的周期、各生长阶段菇房的环境因子参数；结果主要指：对应菇房各批次食用菌的品质、产量、生长周期和能耗四个指标；

b、选取食用菌的品质、产量、周期和能耗四个指标为决策标准，采用层次分析法进行决策，食用菌的品质、产量、周期和能耗四个指标在决策过程中分别设有权重系数k₁、k₂、k₃和k_4，k₁为食用菌的品质权重系数，k₂为食用菌的产量权重系数，k₃为食用菌的周期权重系数，k₄为食用菌的能耗权重系数，具体方法如下：

则每种食用菌栽培技术方案的综合评估结果为：

S=C^*·k₁+M^*·k₂+T^*·k₃+P^*·k₄

其中k₁+k₂+k₃+k₄=1，其中C^*、M^*、T^*和P^*分别表示品质、产量、周期和能耗的基准值：

$\left\{\begin{array}{c}{C}^{*}=C/C_{\mathrm{std}}\\ M^{*}=M/M_{\mathrm{std}}\\ T^{*}=T/T_{\mathrm{std}}\\ P^{*}=P/P_{\mathrm{std}}\end{array}\right\}$

其中C_std、M_std、T_std和P_std分别代表食用菌生产中品质、产量、周期和能耗的标准值，标准值通过统计各菇房各批次产品的品质、产量、周期和能耗，取概率较高的分布区间的平均值；其中C、M、T和P分别代表食用菌生产中品质、产量、周期和能耗的取值；

把决策标准中食用菌的品质、产量、周期和能耗作为评估因素，建立评估因素集：

U={u₁,u₂,u₃,u₄}

设定U_ij表示U_i对U_j的相对重要性数值，其中i=1,2,3,4, j=1,2,3,4。U_ij的取值选择常用下表所示的1-9标度方法。

根据上表中的数值标度及定义，通过对评估因素集U中的元素进行两两比较，构造判断矩阵J：

$J=\left[\begin{array}{cccc}{u}_{11}& u_{12}& u_{13}& u_{14}\\ u_{21}& u_{22}& u_{23}& u_{24}\\ u_{31}& u_{32}& u_{33}& u_{34}\\ u_{41}& u_{42}& u_{42}& u_{44}\end{array}\right]$  ；

c、应用层次分析法确定食用菌的品质、产量、周期和能耗四个指标的权重系数，计算步骤如下：

计算判断矩阵J每一行元素的乘积M_i

$M_i=\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Π}}}{u}_{\mathrm{ij}}$

计算M_i的4次方根

$\stackrel{\‾}{k_i}=\sqrt[4]{M_i}$

将向量 $\stackrel{\‾}{K}={[\stackrel{\‾}{k_1},\stackrel{\‾}{k_2},\stackrel{\‾}{k_3},\stackrel{\‾}{k_4}]}^T$ 归一化

$k_i=\stackrel{\‾}{k_i}/\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{k_j}$

则

即为所求的特征向量，其各元素分别表示食用菌的品质、产量、周期和能耗的权重系数；

d、用户在主控计算机上选择相应的食用菌的品质、产量、周期和能耗四个指标，主控计算机根据获得的食用菌品质、产量、周期和能耗四个指标的权重系数k₁、k₂、k₃和k₄，计算食用菌栽培技术方案数据库中的所有方案评估结果S_n，其中n表示数据库中方案的总数，并进行排序，最后输出最优食用菌栽培方案至食用菌菇房数据采集控制系统的EEPROM存储器，实现食用菌生产的最优化管理。

本发明的具体操作流程如图3所示，所述食用菌生产智能决策算法结合流程图说明其计算流程：

(1)开始:工作人员启动客户端应用软件；

(2)操作人员基本信息输入:工作人员录入此次操作人员的姓名、日期等基本信息；

(3)操作人员输入标度值:工作人员根据企业生产需求，输入品质、产量、周期和能耗的相对重要性，用1-9自然数进行标度，其重要性依次增加；

(4)层次分析法计算比较各个培养方案的优劣:软件根据工作人员输入的标度值，利用层次分析决策算法，分析评估数据库中不同培养方案的优劣；

(5)培养方案得分排序:软件将决策算法得到的培养方案的优劣排序反馈给用户

(6)是否选择最优方案:操作人员决定是否采用决策系统推荐的最优方案，如果选择“是”，软件会将最佳培养方案发往对应的菇房控制终端，并按照培养方案自动控制食用菌的生长环境；如果选择“否”，则结束此处智能决策过程。

Claims (5)

1.一种基于智能决策的食用菌栽培监控装置，包括食用菌菇房数据采集控制系统、以太网光纤传输系统、主控计算机，其特征在于：食用菌菇房数据采集控制系统通过以太网光纤传输系统与主控计算机相连实现实时数据通信。

2.根据权利要求1所述的基于智能决策的食用菌栽培监控装置，其特征在于：所述食用菌菇房数据采集控制系统包含温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器以及光照传感器、模拟信号调制电路、模数转换器、数字处理器、网络控制器、EEPROM存储器、光耦、固态继电器、空调机、加湿器、鼓风机以及生物效应灯；在每个食用菌菇房内设置温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器以及光照传感器、空调机、加湿器、鼓风机以及生物效应灯，各传感器的输出端分别与模拟信号调制电路相连，模拟信号调制电路与模数转换器相连，模数转换器与数字处理器相连，数字处理器再分别与网络控制器、EEPROM存储器、所有光耦相连，每个光耦连接一个固态继电器，空调机，加湿器、鼓风机以及生物效应灯分别连接一个固态继电器，网络控制器与以太网光纤传输系统相连；所述的光耦为光耦合器。

3.基于智能决策的食用菌栽培监控方法，其特征在于包括以下步骤：

a、建立食用菌栽培技术方案数据库：基于专家研究成果和实际栽培经验建立食用菌栽培技术方案数据库，所述的食用菌栽培技术方案数据库由条件和结果两部分构成，条件主要指：食用菌不同生长阶段的周期、各生长阶段菇房的环境因子参数；结果主要指：对应菇房各批次食用菌的品质、产量、生长周期和能耗四个指标；

b、选取食用菌的品质、产量、周期和能耗四个指标为决策标准，采用层次分析法进行决策，食用菌的品质、产量、周期和能耗四个指标在决策过程中分别设有权重系数k₁、k₂、k₃和k_4，k₁为食用菌的品质权重系数，k₂为食用菌的产量权重系数，k₃为食用菌的周期权重系数，k₄为食用菌的能耗权重系数；

c、应用层次分析法确定食用菌的品质、产量、周期和能耗四个指标的权重系数；

d、用户在主控计算机上选择相应的食用菌的品质、产量、周期和能耗四个指标，主控计算机根据获得的食用菌品质、产量、周期和能耗四个指标的权重系数k₁、k₂、k₃和k₄，计算食用菌栽培技术方案数据库中的所有方案评估结果S_n，其中n表示数据库中方案的总数，并进行排序，最后输出最优食用菌栽培技术方案至食用菌菇房数据采集控制系统的EEPROM存储器，实现食用菌生产的最优化管理。

4.根据权利要求3所述的基于智能决策的食用菌栽培监控方法，其特征在于：步骤b选取食用菌的品质、产量、周期和能耗四个指标决策标准，采用层次分析法进行决策，具体步骤如下：

食用菌的品质、产量、周期和能耗四个指标在决策过程中的权重系数分别设为k₁、k₂、k₃和k₄，则每种食用菌栽培技术方案的综合评估结果为：

S=C^*·k₁+M^*·k₂+T^*·k₃+P^*·k₄

其中k₁+k₂+k₃+k₄=1，其中C^*、M^*、T^*和P^*分别表示品质、产量、周期和能耗的基准值：

$\left\{\begin{array}{c}{C}^{*}=C/C_{\mathrm{std}}\\ M^{*}=M/M_{\mathrm{std}}\\ T^{*}=T/T_{\mathrm{std}}\\ P^{*}=P/P_{\mathrm{std}}\end{array}\right\}$

其中C_std、M_std、T_std和P_std分别代表食用菌生产中品质、产量、周期和能耗的标准值，标准值通过统计各菇房各批次产品的品质、产量、周期和能耗，取概率较高的分布区间的平均值；其中C、M、T和P分别代表食用菌生产中品质、产量、周期和能耗的取值；

把决策标准中食用菌的品质、产量、周期和能耗作为评估因素，建立评估因素集：

U={u₁,u₂,u₃,u₄}

设定U_ij表示U_i对U_j的相对重要性数值，其中i=1,2,3,4, j=1,2,3,4。U_ij的取值选择为1,2,3,4,5,6,7,8,9；通过对评估因素集U中的元素进行两两比较，构造判断矩阵J：

$J=\left[\begin{array}{cccc}{u}_{11}& u_{12}& u_{13}& u_{14}\\ u_{21}& u_{22}& u_{23}& u_{24}\\ u_{31}& u_{32}& u_{33}& u_{34}\\ u_{41}& u_{42}& u_{42}& u_{44}\end{array}\right]$  。

5.根据权利要求4所述的基于智能决策的食用菌栽培监控方法，其特征在于：应用层次分析法确定食用菌的品质、产量、周期和能耗四个指标的权重系数，具体步骤如下：

计算判断矩阵J每一行元素的乘积M_i

$M_i=\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Π}}}{u}_{\mathrm{ij}}$

计算M_i的4次方根

$\stackrel{\‾}{k_i}=\sqrt[4]{M_i}$

将向量 $\stackrel{\‾}{K}={[\stackrel{\‾}{k_1},\stackrel{\‾}{k_2},\stackrel{\‾}{k_3},\stackrel{\‾}{k_4}]}^T$ 归一化

$k_i=\stackrel{\‾}{k_i}/\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{k_j}$

则

即为所求的特征向量，其各元素分别表示食用菌的品质、产量、周期和能耗的权重系数。

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