专利名称：基于数据挖掘的农田肥力数据采集分析系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及农田精准变量施肥作业技术领域，具体是基于数据挖掘的农田肥力数据采集分析系统。
背景技术：
精准农业(Precision Agriculture)是由信息技术等支持的根据空间变异,定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统，其基本涵义是根据作物生长的土壤水分肥力等性状与生产力空间变异，有效调节对农作物的农资投入，确定农作物的生产目标，实施“数据获取、配方优化、技术集成、科学管理”，最大的调动土壤生产力，以最少的投入达到最高的经济效益和环境获益，同时改善环境，高效地利用各类农业资源。精准农业是以实时数据采集为基�。诤狭� GIS、GPS、RS、信息、生物等技术手段，达到针对不同地块进行自动变量喷水施肥的目的。它主要包括五大功能:信息采集、信息传输、数据挖掘、决策支持、控制系统，从而提高了农作物产量、节省了资源、遏制了水土流失、最终实现了生产力与生态的均衡有机的发展。由于我们很难直观的获取数据的本质潜在的知识，导致了 “数据爆炸但知识贫乏”的现象。因此，我们拟利用数据挖掘技术从海量数据中获取有效的、新颖的、潜在有用的、最终可理解模式的非平凡过程信息，利用决策系统针对不同农事进行相应的生产决策。虽然目前欧美等发达国家的精准农业系统可以实现非常智能化的操作，达到设定的目的，不过使用数据挖掘技术可以挖掘出农业数据中潜在新颖有效的知识，从而使系统更加智能，具有较强的鲁棒性，这正是本发明的创新所在。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种获取农田水分肥力等土壤数据，挖掘出潜在新颖有效的模式信息，从而达到自动精准的喷水施肥的基于数据挖掘的农田肥力数据采集分析系统。本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现，基于数据挖掘的农田肥力数据采集分析系统，其特征在于:包括中央控制系统，与中央控制系统控制连接的传感器数据采集模块、GPS定位�？�、数据盲源分离�？�、多数据集成融合�？�、数据挖掘�？�、数据库模块、传感器监控�？�、上下位机通讯�？椋龅拇衅魇莶杉？橛氪衅骷嗫啬？槲尴吡樱龅拇衅魇莶杉？橛胧菝ぴ捶掷肽？榱樱菝ぴ捶掷肽？橛攵嗍菁扇诤夏？榱樱嗍菁扇诤夏？橛胧萃诰蚰？榱樱萃诰蚰？橛胧菘饽？椋菘饽？橛肷舷挛换ㄑ赌？�。所述传感器数据采集�？楦涸鸩杉锟橹型寥赖乃�、碳、氮、磷、钾等肥力数据；所述的传感器数据采集�？橛薪焱獯衅�、激光诱导击穿光谱技术传感器、离子电导率传感器、流量传感器，这些传感器可同时检测到多种数据；所述GPS定位模块负责定位不同田块，以链接后期的数据处理，实施定位自动变量喷水施肥，并为地块的路径规划提供相应的服务；所述数据盲源分离�？楦涸鸱掷牖袢∮杏眯藕牛銮磕勘晷藕挪⒓跞趸蛳肷� 目号，以达到精确获取田块 目息。所述数据集成融合�？楦涸鸲远嗬啻衅骰竦玫氖萁屑珊腿诤希⒂隚IS、RS遥感信息进行比较融合，集成不同传感器获得的同类信号，提高传感器数据获取的精度；所述数据挖掘�？榍度胝攵酝寥浪址柿Φ仁莸募钢质萃诰蛩惴ǎ涸鹜诰蛩滞寥婪柿κ葜械墓亓嬖颍姓攵孕缘耐诰虺鐾寥朗葜星痹诘�、新颖的、有效的关联性信息，可用来指导进行自动变量精准喷水施肥；所述传感器监控�？楦涸鸺嗫卮衅鞯墓ぷ髑榭觯圆煌乜楦秤璨煌ㄖ担员阌诤芎玫慕惺荽硪约巴诰蚬ぷ鳎凰鍪菘饽？楦涸鸫嬷低诚喙氐母髦质荩媚？樵谥醒氪硐低持谢忠豢槟诖婊蛲饨右豢槟诖胬创娲⑾喙氐氖荩热缋吩诵泄た�、采集到的数据、数据处理挖掘出得信息和规则等数据；所述上下位机通讯�？楦涸鸫衅饔胫醒氪硐低车耐ㄑ叮美词迪指髂？橹涞氖葑⒁约氨镜厥菹蛟冻探形尴叻⑺偷裙δ堋１痉⒚鞯挠幸嫘Ч�:1.系统的 智能化本发明的设计是按功能�？槔椿郑梢宰钪帐迪秩远南低吃诵校ㄗ远莶杉�、数据传输，可以为自动喷水施肥提供数据保证和决策支持，同时也可以提供某些接口用于用户的人工干预设定；2.数据挖掘技术的应用本发明融合了数据分析和数据挖掘的许多最新成熟的成果，可以挖掘出针对于田块土壤数据中潜在新颖有效的信息，实现了许多复杂的功能，从而达到全自动智能化精准化的目的；3.系统的可扩展性本发明拟开发出通用性的数据采集分析等功能�？椋珹RM嵌入式中央控制系统可以随时添加或屏蔽相应的功能�？椋没б部梢陨瓒ú煌牟问佣阕约旱男枰衫┱剐院芮�。
图1为本发明的�？楣乖焓疽馔迹煌�2为本发明的系统运作流程示意图；图3为本发明数据挖掘�？榱鞒掏迹煌�4为本发明数据盲源分离�？榱鞒掏迹煌�5为本发明多数据集成融合�？榱鞒掏�。
具体实施例方式为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。如图1、图2所示，基于数据挖掘的农田肥力数据采集分析系统，包括中央控制系统，与中央控制系统控制连接的传感器数据采集�？�、GPS定位�？�、数据盲源分离�？�、多数据集成融合�？�、数据挖掘�？�、数据库�？�、传感器监控�？�、上下位机通讯�？椋衅魇莶杉？橛氪衅骷嗫啬？槲尴吡樱衅魇莶杉？橛胧菝ぴ捶掷肽？榱樱菝ぴ捶掷肽？橛攵嗍菁扇诤夏？榱樱嗍菁扇诤夏？橛胧萃诰蚰？榱樱萃诰蚰？橛胧菘饽？椋菘饽？橛肷舷挛换ㄑ赌？�。传感器数据采集�？榫哂卸ㄊ辈杉锟橥寥婪柿κ莸墓δ埽杉男藕趴梢宰远怀杉扑慊墒侗鸫淼氖中藕呕蚰Ｄ庑藕�。数据采集的定时可以实时设定，也可以预先离线设定。GPS定位�？榫哂卸ㄎ徊煌锟槲恢玫墓δ埽肎PS我们可以获取不同地块的位置，并把GPS信息存储到内存或SD存储卡中。数据盲源分离�？榫哂蟹掷朐朐葱藕牛ū昴勘晷藕诺墓δ�。利用主成分分析、独立成分分析、核稀疏成分分析等算法把噪声信号与目标信号分尚并作其它相关处理工作，目标信号同时被存储到内存中。数据集成融合模块具有集成和融合多类传感器的目标信号以及与预先获取的GIS、RS等信息进行比较融合的功能。利用Majority Voting等算法来集成不同传感器获得的同类信号，一般来说集成算法可以提高目标信息获取的精度。数据挖掘�？榫哂型诰虺霾煌乜橥寥浪址柿κ葜星痹谛掠庇行У墓亓嬖虻墓δ堋Ｕ庑┕亓嬖蚩梢杂美粗傅冀凶远淞烤寂缢┓剩呕淞渴┓示霾�。我们利用核决策树、关联规则迁移学习等数据挖掘算法来挖掘土壤肥力数据的关联规则，这些关联规则经过中央控制系统来实现喷水施肥等自动控制功能和操作。传感器监控�？榫哂屑嗫卮衅鞯墓δ�。由于不同传感器在不同地块采集数据所得到的数据会有所波动，我们可以根据标定对不同地块赋予不同权值。另外，本�？橐部梢约嗫卮衅鞯墓ぷ髑榭觯⑹凳钡南蛑醒肟刂葡低撤⑺捅ň藕诺�。传感器信息可以写入LOG日志里以便后期的处理。数据库�？榫哂惺荽娲⒌墓δ堋１灸？榭梢蕴蕹抻眯畔�、存储相关信息，以节省存储空间，降低成本。当存储空间不足时，可以通过GPRS、3G无线传输或Zigbee等射频传输方式传输数据并删除。上下位机通讯模块具有处理传感器、中央处理系统以及其它辅助设备之间的通讯。用来实现各模块之间的数据转发以及本地数据向远程进行无线数据发送等功能。工作时可以把传感器系统安装在大型拖拉机上，当拖拉机在田中作业时，传感器系统实时的采集每个田块的水分、肥力等数据。为了节省内存空间，这些庞大的数据要进入数据盲源分离�？榻惺菰吹氖侗穑玫叫枰男藕旁�。经常数据盲源分离�？橛攵嗍菁扇诤夏？橥惫ぷ饕曰竦酶呔鹊耐寥浪�、肥力的信号源。这些经过处理后的田块数据，一般存储在中央控制系统的一个数据库中，而田块的GPS定位信息也存储在相应的数据库中。当得到大量地块的数据后，数据挖掘模块开始工作，读取田块的各种信息，分析这些数据中潜在的有效的新颖的关联规则，利用这些规则来对以后的控制系统进行优化设计，以确定在哪个田块进行何种动作以及动作的执行幅度等等，从而以更为合理集约的方式对不同田块进行喷水施肥等农事操作。传感器监控�？榭捎美醇嗫厥莶杉墓ぷ髯纯觯舷挛换ㄑ赌？橛美唇写衅飨低秤胫醒肟刂葡低持涞男畔⒋涞�。如图3所示，首先将不同田块的数据储存到数据库中，这些数据根据任务的需要要进行数据的归一化、数据预处理以滤除其中的冗余和无关的数据，可能还需要用到数据集成和转化、数据降维等技术手段。随后把大量的数据通过Cross-Validation等技术划分为训练集和测试集，从训练集挖掘频繁模式或测试集以获得学习的关联规则，以此来完成学习和数据挖掘的过程。如图4所示，从传感器获得的农田土壤水分、肥力等实时数据，根据任务需要进行数据归一化、中心化、白化等数据预处理，然后利用核心独立成分分析算法、稀疏成分分析等相关成分分析算法通过最优化目标函数来实现从观测的混合信号中恢复出源信号。如图5所示，利用Adaboost等技术对每个田块的数据集进行划分，得到不同的子数据集。对于每一个子数据集进行数据的肓源分离恢复出源信号，对于众多的源信号，利用Majority Voting等技术来集成得到每个田块土壤的水分、肥力等信息。以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求
1.关于数据挖掘的农田肥力数据采集分析系统，其特征在于:包括中央控制系统，与中央控制系统控制连接的传感器数据采集�？�、GPS定位�？�、数据盲源分离�？�、多数据集成融合�？�、数据挖掘模块、数据库�？�、传感器监控�？�、上下位机通讯模块，所述的传感器数据采集�？橛氪衅骷嗫啬？槲尴吡樱龅拇衅魇莶杉？橛胧菝ぴ捶掷肽？榱樱菝ぴ捶掷肽？橛攵嗍菁扇诤夏？榱樱嗍菁扇诤夏？橛胧萃诰蚰？榱樱萃诰蚰？橛胧菘饽？椋菘饽？橛肷舷挛换ㄑ赌？�。
2.根据权利要求1所述的基于数据挖掘的农田肥力数据采集分析系统，其特征在于:所述传感器数据采集�？楦涸鸩杉锟橹型寥赖乃�、碳、氮、磷、钾肥力数据；所述的传感器数据采集�？橛薪焱獯衅鳌⒓す庥盏蓟鞔┕馄准际醮衅�、离子电导率传感器、流量传感器。
3.根据权利要求1所述的基于数据挖掘的农田肥力数据采集分析系统，其特征在于:所述GPS定位�？楦涸鸲ㄎ徊煌锟椋粤唇雍笃诘氖荽恚凳┒ㄎ蛔远淞颗缢┰掳停⑽乜榈穆肪豆婊峁┫嘤Φ姆�。
4.根据权利要求1所述的基于数据挖掘的农田肥力数据采集分析系统，其特征在于:所述数据盲源分离模块负责分离获取有用信号，增强目标信号并减弱或消除噪声信号，以达到精确获取田块信息。
5.根据权利要求1所述的基于数据挖掘的农田肥力数据采集分析系统，其特征在于:所述数据集成融合模块负责对多类传感器获得的数据进行集成和融合。
6.根据权利要求1所述的基于数据挖掘的农田肥力数据采集分析系统，其特征在于:所述数据挖掘模块负责挖掘水分土壤肥力数据中的关联规则。
7.根据权利要求1所述的基于数据挖掘的农田肥力数据采集分析系统，其特征在于:所述传感器监控模块负责监控传感器的工作情况，对不同地块赋予不同权值，以便于很好的进行数据处理以及挖掘工作。
8.根据权利要求1所述的基于数据挖掘的农田肥力数据采集分析系统，其特征在于:所述数据库模块负责存贮全系统相关的各种数据。
9.根据权利要求1所述的基于数据挖掘的农田肥力数据采集分析系统，其特征在于:所述上下位机通讯�？楦涸鸫衅饔胫醒氪硐低车耐ㄑ叮美词迪指髂？橹涞氖葑⒁约氨镜厥菹蛟冻探形尴叻⑺凸δ�。
全文摘要
一种基于数据挖掘的农田肥力数据采集分析系统，涉及农田精准变量施肥作业技术领域，包括传感器数据采集�？�、GPS定位�？�、数据盲源分离模块、多数据集成融合�？�、数据挖掘�？�、数据库�？�、传感器监控�？�、上下位机通讯�？�。通过在传感器数据采集分析系统中加入数据挖掘�？橐约吧舷挛换ㄑ赌？椋沟门┨锓柿Σ杉治鱿低衬芄欢远嗬啻衅鞯姆治鍪萁杏行У赝臣品治觯ü萃诰蚰？榉治龆嗬啻衅鞑杉氖凳笔荩袢∫欢ǖ墓媛尚圆⑸晒赜诓煌乜樗帧⑻�、氮、磷、钾、重金属等土壤物质含量的关联规则，把这些规则传送给上下位机通讯�？椋舷挛换ㄑ赌？榉⑺涂刂泼罡醒肟刂葡低炒佣圆煌占涫奔涞牡乜槭凳┎煌木甲饕的Ｊ剑佣锏骄际┓式剿哪康�。
文档编号G01D21/02GK103092142SQ20111034417
公开日2013年5月8日 申请日期2011年11月3日 优先权日2011年11月3日
发明者陈鹏, 宋良图, 王儒敬, 庄重, 汪玉冰, 谢成军, 鲁翠萍, 汪六三 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院
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