一种食用菌生长参数寻优的系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种食用菌生产参数寻优的系统和方法，属于食用菌栽培技术领域。该系统包括计算机、与计算机相连的显示器、基于Modbus的传感器和摄像头；基于Modbus的传感器为环境传感器，摄像头用于监测食用菌的生长情况，基于Modbus的传感器和摄像头均通过以太网与计算机连接；计算机中安装具有图像处理和机器学习功能的食用菌生长模型分析系统，该系统可采集传感器实验记录，并通过摄像头观察食用菌长势，生成食用菌生长模型，利用精细分段算法在模型中寻找最优食用菌面积及生长环境参数。本发明专利技术分析粒度更精细，结果数据更详细，采集误差小，提高实验分析结果准确性，节省人力，降低成本。

A system and method for optimizing the growth parameters of edible fungi

【技术实现步骤摘要】
一种食用菌生长参数寻优的系统和方法
本专利技术涉及一种食用菌生长参数寻优的系统和方法，属于食用菌栽培

技术介绍
我国是食用菌生产大国，每年生产600多万吨各种食用菌，这极大地丰富了人民的物质生活，近年来，随着人们收入水平的迅速提高，消费能力迅速增强，人们对食用菌的需求不断增加，但由于生产能力不足，价格仍居高不下。目前我国人均年占有量仅5公斤，不及发达国家的四分之一。因此在基于工厂化培植的基础上，利用何种方法能找到最佳培养环境和最优基质将可以实现提高单瓶食用菌的产量，从而提高食用菌的总产量，更好的满足市场的需求。同种食用菌的培养环境和基质选材直接影响食用菌成熟后的产量和质量，因此食用菌怎么才能单瓶产量最高主要集中在食用菌生长环境和基质选材上，如何根据生长环境和基质选材找到更优的环境配置和基质选择进行实验分析尤显重要。食用菌生长环境参数最少十几项，一个食用菌完整实验的CO2、温度、湿度、EC、色泽、面积等数据采集动辄有上千甚至上万条，收集数据十分庞大，分析起来比较困难，往往根据单一环境参数项可以找到另一个环境参数项的相关性，而综合所有项，在食用菌生长过程中的综合相关性就很难计算和分析出来，靠人工在大量采集数据中发现细微区别并调优更是难上加难。食用菌生长实验寻优过程中，实验人员通常在之前布置环境传感器，一般一个实验设置十几个环境参数包括食用菌基质类型，采集多条记录，通常需要手动抄写；测量菌株直径或高度，估算面积；食用菌生长完毕后，重复上述步骤进行若干次实验；当有多个完毕实验后，通常为人为对比结果，确定实验中的比较好的生长环境参数，流程如图1所示。对于上述传统的做法容易引起以下问题：1、人工记录费时费力效率低下。传感器数据手动抄写，食用菌面积手动测量，需要来回反复，需要消耗很多人力和时间。2、采集误差大。人工采集的采集时间间隔较大，同一次采集，不同环境参数间隔可能数分钟，不同批次采集不能时间间隔太短，比如几分钟采集一次全部环境参数就很难做到。3、分析粒度粗糙。在经过一段时间实验后，只能得出整个实验过程中各种环境参数大概量级，无法精确到在哪个时间段的量级，特别是以分钟为粒度的量级。4、分析结果不准确。结束多个实验后，通过人工估算比对实验结果无法度量各种环境参数相关性，导致无法找到最优的分析结果。
技术实现思路
本专利技术针对在寻找基于食用菌最大产量为前提条件下的最佳培养环境和最优基质过程中，人工对比差异困难，工作量巨大，对比效率低下，统计结果粗略，优化实验困难，寻优结果不准确等问题，提供了一种食用菌生产参数寻优的系统和方法，借助该系统和方法可自动采集环境参数项，自动识别食用菌的生长状态，并根据完成的实验利用机器学习算法、精细分段算法自动计算分析出最佳生长环境参数曲线，并能预测食用菌最大生长面积，然后根据此预测结果，安排新实验进行验证。通过本专利技术提供的系统和方法，提高了食用菌寻优生长模型分析的自动化率，生成最优报告，省去了繁杂的手工操作，提高分析结果的准确性，有效地减少误差，降低实验寻优成本，从而提高了食用菌产量和质量。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种食用菌生长参数寻优的系统，该系统主要包括计算机、与计算机相连的显示器、基于Modbus的传感器和摄像头等；所述的基于Modbus的传感器为环境传感器，摄像头用于监测食用菌的生长情况，所述的基于Modbus的传感器和摄像头均通过以太网与计算机连接；计算机中安装具有图像处理和机器学习功能的食用菌生长模型分析系统，该系统可通过采集传感器的环境参数实验记录，及摄像头拍摄的食用菌生长状态图像，生成食用菌生长模型，利用精细分段算法在模型中寻找最优食用菌面积及生长环境参数。所述的环境传感器包括CO2传感器、环境温度传感器、湿度传感器、EC传感器(土壤电导率传感器)、O2传感器、pH传感器和基质温度传感器等。所述的摄像头为高清摄像头。一种食用菌生长参数寻优的方法，包括如下步骤：(1)采用上述食用菌生长参数寻优的系统，设置环境传感器和摄像头的参数配置，及采集时间间隔、食用菌生长的基质类型等，对食用菌生长过程进行监测；(2)计算机自动采集环境传感器记录的传感数据(环境参数)及摄像头拍摄的植物生长状态图像；(3)采用计算机中的食用菌生长模型分析系统，通过图像处理算法勾勒及计算出食用菌生长面积、色泽等结果参数；(4)食用菌生长完毕后，改变环境参数，重复上述步骤进行若干次实验；(5)将多个实验的环境参数作为特征，食用菌面积或色泽作为标签送入机器学习SVM(支持向量机)算法进行学习并训练，生成食用菌生长模型；(6)利用精细分段算法在模型中寻找最大食用菌面积或最优食用菌的生长环境参数，生成曲线报告。满足需求则生成结果，不满足可再根据报告进行实验分析迭代。步骤(1)中，食用菌生长的环境参数包括CO2浓度、环境温度、湿度、EC值(土壤电导率)、O2浓度、pH和基质温度等；采集时间间隔可为1-30min；食用菌生长的基质一般采用有机物如农作物秸秆、菇渣、草炭、锯末、畜禽粪便等，经发酵或高温处理后，按一定比例混合。步骤(5)中，结合食用菌环境参数、图像处理面积和/或色泽通过机器学习SVM算法进行学习并训练生成食用菌生长模型的方法：将食用菌生长环境参数(包括：CO2、EC、O2、温度、湿度、pH、基质温度等)，及初始化设置(包括：何种基质、采集时间间隔)作为机器学习SVM算法的特征参数，将图像处理算法分析出来的食用菌面积或色泽，或者面积色泽拟合处理的结果作为标签，利用SVM算法进行学习和训练，得出食用菌生长模型。食用菌生长模型为：z＝f(a，b，c，….)，a∈A＝{Ai}，b∈B＝{Bi}，c∈C＝{Ci}…；其中，z表示食用菌面积或色泽；f表示函数关系；a，b，c，…表示某个环境参数，如CO2浓度、环境温度、湿度、EC值(土壤电导率)、O2浓度、pH或基质温度等。a∈A＝{Ai}中，A,B,C…为某一个环境参数在时间轴上的离散点的集合空间，如CO2浓度集合空间、环境温度集合空间、湿度集合空间、EC值(土壤电导率)集合空间、O2浓度集合空间、pH或基质温度集合空间等，Ai为某一时间的环境参数。步骤(6)中，精细分段算法为在食用菌生长模型中，将单个环境因子的集合空间分为两个子空间，在每个子空间中寻找最优值；取两者中较优者，将该子空间再分为两个下一级子空间，重复上述步骤，迭代多次找到更优的面积或者色泽结果值，直到获得稳定最优值；对所有的环境参数进行上述分段寻优，最终获得最优多因子生长模型。精细分段寻优算法包括如下步骤：1)通过将大量完整的食用菌生长数据通过机器学习SVM(支持向量机)算法进行学习并训练，得到食用菌生长模型；2)将各个独立的环境因子空间分为两个子空间，在每个子空间组合中寻到最优解；3)将对应最优解的空间重复上一步，迭代多次找到更优的面积或者色泽结果值，直到获得稳定最大值；4)最终获得最大值的空间{ai，bi，ci…}为最优多因子生长模型。ai，bi，ci…表示能够得到食用菌面积最大或色泽最优时对应的某个时间片的环境数据。本专利技术是一种结合食用菌环境参数、图像处理面积和/或色泽的训练生长模型的方法，通过实验，利用图像处理、机器学习来分析生成食用菌生长模型，采用精细分段寻优算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种食用菌生产参数寻优的系统，其特征在于：包括计算机、与计算机相连的显示器、基于Modbus的传感器和摄像头；所述的基于Modbus的传感器为环境传感器，摄像头用于监测食用菌的生长情况，所述的基于Modbus的传感器和摄像头均通过以太网与计算机连接；计算机中安装具有图像处理和机器学习功能的食用菌生长模型分析系统，该系统可采集传感器实验记录，并通过摄像头观察食用菌长势，生成食用菌生长模型，利用精细分段算法在模型中寻找最优食用菌面积及生长环境参数。

【技术特征摘要】
1.一种食用菌生产参数寻优的系统，其特征在于：包括计算机、与计算机相连的显示器、基于Modbus的传感器和摄像头；所述的基于Modbus的传感器为环境传感器，摄像头用于监测食用菌的生长情况，所述的基于Modbus的传感器和摄像头均通过以太网与计算机连接；计算机中安装具有图像处理和机器学习功能的食用菌生长模型分析系统，该系统可采集传感器实验记录，并通过摄像头观察食用菌长势，生成食用菌生长模型，利用精细分段算法在模型中寻找最优食用菌面积及生长环境参数。2.根据权利要求1所述的食用菌生产参数寻优的系统，其特征在于：所述的环境传感器包括CO2、环境温度、湿度、EC、O2、pH和基质温度传感器；所述的摄像头为高清摄像头。3.一种食用菌生产参数寻优的方法，包括如下步骤：(1)在食用菌生产时，采用权利要求1或2所述的食用菌生产参数寻优的系统，设置环境传感器和摄像头的参数配置，采集时间间隔，以及采用食用菌的基质；(2)计算机通过软件与传感器和摄像头相连，自动采集传感数据和植物生长状态图像；(3)通过图像处理算法勾勒及计算出食用菌生长面积、色泽等结果参数；(4)食用菌生长完毕后，改变环境参数，重复上述步骤进行若干次实验；(5)将多个实验的环境参数作为特征，食用菌面积、色泽、重量以...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏灵玲，赵旭东，
申请(专利权)人：北京中环易达设施园艺科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11