大数据统筹在优化番茄种植中的应用

唐 磊,刘 扬

(1.石家庄信息工程职业学院,石家庄 050000;2.河北商贸学校,石家庄 050000)

0 引言

番茄酸甜可口,深受广大群众喜爱[1],市场需求量巨大,在我国种植分布广泛[2]。北方地区常以反季节蔬菜的形式在温室中种植[3],因此探究温度、湿度和光照强度等环境因素对于番茄品质至关重要[4]。由于番茄生长分为苗期、开花坐果期和结果期等不同时期[5],光合作用和蒸腾作用各不相同,因此对于环境因素的要求也不相同。目前,对于番茄品质的研究主要存在以下问题:①样本容量小,采用盆栽模式[6];②将植株高度和茎粗作为衡量番茄生长健康标准[7-8],评价标准较单一;③控制单一环境因素,没有考虑多因素间的耦合作用[9]。本系统在温室中建立传感器网络,以温室面积为依据,样本容量巨大;采用番茄干物质累积量[10]作用番茄生长状态衡量因素,较为全面地表征番茄生长状态;采用大数据分析的方法,建立多因素耦合模型,全面考虑因素间交叉项影响,采用计算累积贡献率,确定3种环境因素在番茄不同生长时期所起作用大小;采用单因素分析法,分析单种环境因素水平对于干物质累积的影响。本系统综合考虑多种环境因素,分析结果可靠,可为番茄的稳产增产提供可靠支撑。

1 系统组成

番茄生长主要与光合作用和蒸腾作用相关:光合作用生成番茄生长和结果所需有机物,蒸腾作用可以提供生长所需的氮磷钾等元素,而温室温度、相对湿度和光照强度直接影响光合作用和蒸腾作用强度。番茄生长分为苗期、开花坐果期和结果期等3个主要时期:苗期主要以植株和叶片发育为主,开花坐果期植株和果实发育二者同时进行,结果期以番茄果实生长为主。3个时期生长重点各不相同。采用大数据分析的方法分析不同时期温室温度、相对湿度和光照强度对于番茄产量的影响,系统分为3层,即感知层、网络层和应用层,如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 Structure of system

感知层为传感器网络组建,将温度、湿度和光照强度传感器组网;网络层完成传感器系统采集数据的传输,采用WSN实现传感器网络数据汇集[11-12],采用GPRS[13-14]计算实现传感器数据上传互联网;最终数据进入应用层的数据采集系统,大数据分析系统将温室环境数据采用多元拟合与F检验[15]和单因素分析等方法,判定在不同生长时期3种环境因素所起作用方式与变化趋势,为番茄的增长提高可靠保障。

2 系统网络拓扑设计

大数据监控系统主要包括温室传感器网络及其数据汇聚节点、无线传输、互联网数据传输和数据控制中心4大部分,如图2所示。温室传感器网络主要由数据采集发送节点构成,数据发送模块、温度、湿度和光照传感器相连接,构成数据采集发送节点。由于温室面积较大,多组数据采集发送节点分布在其中,构成温室监控传感器网络;不同传感器网络节点采集数据汇聚到数据采集节点,通过无线传输技术,发送到互联网;最后,通过互联网TCP/IP协议和传输的数据网络中心进行分析处理。

图2 网络拓扑结构

系统关键为数据采集与传输,主要分为温室传感器网络与远程无线传输两部分。由于温室内布置有线联网,会影响作物修剪和灌溉,因此传感器网络与数据汇聚节点采用WSN技术进行无线组网,并采用网络型拓扑结构。WSN技术采用IEEE802.15.4通讯协议,主要使用频率为433、780、2400MHz。采用网络型拓扑结构,远端数据节点可通过临近节点向数据汇聚节点传输数据,便于接入新数据采集点;当有采集点出现损坏时,不影响其他数据流向数据汇聚节点,便于扩展网络,又提高网络可靠性。数据汇聚节点向互联网传输采用GPRS协议,利用运营商发达的基站网络,实现24h高可靠性传输数据。温室传感器网络可靠性与数据节点数量密切相关,当节点数量较多时,信号传输稳定,成本显著提升。因此,在保证可靠性的基础上,减少数据节点数量,可以有效降低成本。RSSI值和数据丢包率可以有效表征数据传输可靠性。

2.1 节点距离对不同频率RSSI影响

RSSI为单位时间内接受到的所有信号的功率平均值,单位dBm,可来表示接收信号强度。由于进行极化处理,在理想状态下,当发射端所有信号功率全部传输给接收端时,RSSI值为0;当发射端部分信号传输到接收端时,RSSI值为负值。RSSI值越接近0,表明信号强度越好。WSN技术常用频率为433、780、2 400MHz。温室中节点距离对于不同频率RSSI值影响如图3所示。

图3 节点距离对于信号RSSI值的影响

随着节点距离的增加,3种频率信号RSSI强度开始衰减,在30m以内3者的衰减趋势基本相同;节点距离40m以上时,3者的衰减速度开始不同,最快的是2400MHz,衰减最慢的是780MHz。Windows XP系统认为RSSI在-90以上时信号可以稳定传输,因此选用780MHz、节点间距为80m即可满足要求。

2.2 节点距离对不同频率丢包率影响

节点距离对于信号丢包率的影响如图4所示。丢包率是指在接收端丢失数据包和发射数据包总量之比。丢包率越高,表明信号可靠性越差。随着距离的增加,780MHz频率信号丢包率上升幅度最小,2 400MHz频率信号时,丢包率上升幅度最大。2 400MHz时,随着节点距离的增大,丢包率随之变大:当距离为70m时,丢包率达到2%;当距离达到100m时,丢包率为37%,此时数据传输功能严重不稳定;当距离达到140m时,丢包率达到100%。433MHz频率信号时,在90m内丢包率为0,100m时为2%,当达到140m时为11;780MHz频率信号时,在120m距离之内信号丢包率保持为0,当距离达到140m时丢包率为6%。基于以上分析,温室中WSN无线网络信号频率选择780MHz,在保证信号强度和0丢包率的情况下选择节点间距为80m。

图4 节点距离对于信号丢包率的影响

3 环境因素对于番茄生长大数据分析

番茄生长主要分为苗期、开花坐果期和结果期3个生长时期。在苗期,主要进行植株叶片和植株生长;在开花结果期,既要进行植株本身生长,又开始开花进行生殖生长,番茄果实开始形成;在结果期,植株叶片生长基本停滞,植株主要进行果实的生殖生长。由于不同时期的生长重心不同,造成环境因子对于番茄生长的影响不同。本系统主要监测温室中温度、湿度和光照强度3个环境因子,采用大数据分析的方法对3个因素在番茄不同周期中的影响。试验参数如表1所示。采用三因素五水平正交试验,根据正交试验表格,得到23组试验样本。

表1 试验参数设计

干物质质量是指番茄地上植株、果实与地下根系所有物质烘干后的质量,干物质累积质量可以有效反应植株叶片、株高与根系发育情况。现将干物质作为番茄生长指标,考虑3种环境因素对于番茄干物质累积量的影响。

3.1 番茄生长模型

番茄生长分为苗期、开花坐果期和结果期,由于3个时期番茄生长重点不同,因此环境三因素在不同生长时期的影响不同。现针对三因素五水平正交实验的23组样本,采用多元拟合的方法,建立不同时期干重累积量和3种环境因素之间的关系,结果如式(1)所示。其中,Y1为苗期干物质累积量,Y2为开花坐果期的干物质累积量,Y3为结果期干物质累积量,x1为空气温度水平编码,x2为相对湿度水平编码,x3为有效辐射量水平编码。

0.001x2x3

(1)

对上述模型进行F检验,以判断该模型是否可以用来估计总体样本,结果如图5所示。由于模型中含有9个变量,共23个样本,因此自由度为(9,13)。查F检验表,得F(9,13)=4.19。苗期F检测计算结果为4.83,开花坐果期计算结果为9.672,结果期计算结果为21.531。3模型中苗期F检验结果最低,但高于F(9,13)=4.19,表明3个模型具有显著性特征。

图5 模型F检验

3.2 主导因素分析

由于番茄生长分为苗期、开花坐果期和结果期等3个时期,环境因素包括温度、相对湿度和光合有效辐射率等3个因素,因此分析不同生长时期的主导因素,对于指导番茄在不同生长时期管理至关重要。由于模型中含有9个因子,计算该9个因子均方比及累计贡献率,进而确定3个因素的累计贡献率。因子贡献率计算公式为

(2)

三因素的累积贡献率为

(3)

计算不同生长时期各因素累积贡献率,如图6所示。苗期起主要作用的因素为温度,其次为光合有效辐射率,影响最小为相对湿度;开花坐果期起主要作用的因素为相对湿度,其次为光合有效辐射率,影响最小为温度;结果期起主要作用的因素为温度,其次为光合有效辐射率,影响最小为相对湿度。总体来说,温度对于番茄生长的累积贡献率呈先减小后增加趋势,相对湿度为先增加后减小趋势,而光合有效辐射率保持增加趋势。这表明,随着植株的生长,光合作用的能力越来越强。

图6 主导因素分析

3.3 单因素分析

番茄生长分为苗期、开花坐果期和结果期3个生长时期,环境影响因素为3个。由于开花坐果期和结果期对于番茄果实成长与品质至关重要,因此需考虑单个因素在不同水平编码条件下对于干物质累积的影响。由于采用正交试验模型,模型中各列向量相互独立,因此可以只保留1项影响因素,将其他因素与交互项归零,得到开花坐果期和结果期单因素影响干物质累积量曲线,即

(4)

(5)

单因素影响变化规律如图7所示。在开花坐果期,干物质累积量随着温度的升高而升高,且升高速率会逐步增加,干物质累积量随着相对湿度的增加呈先增加后降低趋势;随着光合有效辐射量的增加,干物质累积成增长趋势,但增长速率有所降低。由此表明:在开花坐果期,温度对于干物质累积影响巨大,温度升高利于提高光合作用水平;相对湿度出现饱和点,因此在此生长周期中相对湿度保持在水平编码0状态下,最有利于番茄发育;光合有效辐射量收到温度的制约,因此在开花坐果期相对湿度保持在水平编码0状态、温度充足的情况下,提高光合辐射量,可以提高番茄干物质累积量。在结果期,温度对于干物质累积的影响是先减小后增加趋势;干物质累积量随相对湿度,呈先缓慢增加趋势;而随着光合有效辐射的提高,干物质累积量成较快上升趋势。由于结果期果实养分消耗量大、光合作用强烈,因此温度、湿度和光合有效辐射量保持在较高水平有利于番茄干物质的累积。

图7 单因素影响分析

4 结论

番茄生长主要依靠光合作用和蒸腾作用,而温度、相对湿度和光照强度等环境因素直接影响光合作用和蒸腾作用。本系统采用采用温度、相对湿度和光照强度传感器建立温室环境采集系统,采用WSN计算和GPRS计算实现温室环境数据上传大数据分析系统,确定环境因素影响干物质累积方式。采用WSN技术实现传感器网络数据传输,通过对于信号RSSI强度和丢包率的分析,确定采用780MHz信道、间距80m对节点进行组网。采用大数据分析的方法,建立不同生长时期三因素与干物质累积模型,F检验表明该模型性能可靠。计算三因素在不同时期累积贡献率,分析三因素对于干物质累积的重要程度。由于样本采集正交试验分布,对开花坐果期和结果期三因素进行单因素分析,结果表明:开花坐果期相对湿度保持在水平编码0状态,在温度充足的情况下,提高光合辐射量,可以提高番茄干物质累积量;在结果期,温度、湿度和光合有效辐射量保持在较高水平有利于番茄干物质累积。