本發(fā)明涉及孿生系統(tǒng)，具體涉及一種基于yolov10和決策樹算法的草莓大棚數(shù)字孿生系統(tǒng)及管理方法。

背景技術：

1、草莓作為一種生長條件苛刻的水果。傳統(tǒng)的草莓大棚通常依賴于人工監(jiān)測和管理，這種方法雖然經(jīng)驗豐富，但在實時響應和精確調(diào)控方面存在局限性。智能化草莓大棚通過接入各種傳感器和控制系統(tǒng)，能夠實時監(jiān)測并記錄關鍵環(huán)境參數(shù)，如土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照強度等。這些數(shù)據(jù)不僅能夠幫助農(nóng)民更精準地掌握大棚內(nèi)部環(huán)境的變化，還能通過數(shù)據(jù)來做一些控制澆水等操作。然而無論是人工方式還是智能化的草莓大棚，傳統(tǒng)的這些方法都只能夠減輕生產(chǎn)草莓過程中的負擔卻不能夠指導生產(chǎn)。同時現(xiàn)有的智能化大棚都不能夠實時觀測到農(nóng)作物的長勢情況，這樣的條件下單純的利用環(huán)境數(shù)據(jù)去控制澆水跟施肥大多時候是不準確的。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種基于yolov10和決策樹算法的草莓大棚數(shù)字孿生系統(tǒng)及管理方法，利用yolov10算法對草莓大棚內(nèi)部的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)進行實時分析，快速準確地識別草莓植株的生長狀態(tài)。基于收集的環(huán)境數(shù)據(jù)和yolov10的檢測草莓長勢的結果，決策樹根據(jù)土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照強度等多維數(shù)據(jù)，結合草莓生長階段的特征，實時評估草莓生長的健康狀態(tài)和需求，從而決定是否需要澆水、施肥，當需要澆肥時利用設計好的線性加權和公式計算出澆水和施肥的時間，進而實現(xiàn)精準澆水和施肥的效果。

2、為解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案是：

3、一種基于yolov10和決策樹算法的草莓大棚數(shù)字孿生系統(tǒng)，其特征在于，包括環(huán)境檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，環(huán)境檢測系統(tǒng)包括設置在大棚內(nèi)的空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、土壤氮磷鉀含量檢測傳感器和攝像頭，攝像頭用于檢測農(nóng)作物生長情況，環(huán)境檢測系統(tǒng)通過rs485總線與交換機通訊進行數(shù)據(jù)傳輸，控制系統(tǒng)包含pc端，pc端內(nèi)設有基于yolov10和決策樹算法的生產(chǎn)控制算法，pc端與交換機通訊連接并將控制信號通過rs485總線傳送至繼電器組，通過繼電器組對澆水電機和施肥電機進行控制，環(huán)境檢測系統(tǒng)將數(shù)據(jù)連接到pc端再通過udp協(xié)議傳輸?shù)綌?shù)字孿生系統(tǒng)。

4、上述的pc端內(nèi)yolov10用于識別和定位大棚環(huán)境中的農(nóng)作物植株。

5、上述的yolov10同時識別多個農(nóng)作物植株，用于監(jiān)測和評估植株的生長狀態(tài)。

6、上述的yolov10通過準備好的農(nóng)作物數(shù)據(jù)集來對該模型進行訓練。

7、上述的決策樹算法通過決策節(jié)點和葉節(jié)點對輸入數(shù)據(jù)進行分類，用于根據(jù)多種環(huán)境和作物特征進行澆水、施肥。

8、使用上述的一種基于yolov10和決策樹算法的草莓大棚數(shù)字孿生系統(tǒng)的管理方法，?yolov10步驟為：步驟一、收集和整理農(nóng)作物的生長階段的數(shù)據(jù)，農(nóng)作物生長階段包括健康葉子、開花、結果、成熟、白粉病、葉斑病和缺肥7種情況；

9、步驟二、將步驟一收集的數(shù)據(jù)進行清洗和預處理，去除異常值和缺失值，并進行標準化處理以提高數(shù)據(jù)的一致性和可靠性，形成數(shù)據(jù)集；

10、步驟三、將步驟二中的數(shù)據(jù)集按照設定比例劃分為訓練集和測試集，使用訓練集數(shù)據(jù)來訓練yolovv10分類模型，訓練過程中，通過交叉驗證方法調(diào)優(yōu)模型參數(shù)，以獲得最佳的模型性能；

11、步驟四、步驟三中的訓練完成后，使用測試集數(shù)據(jù)對訓練好的模型進行評估，驗證模型的準確性和泛化能力；

12、步驟五、使用訓練好的模型根據(jù)當前的農(nóng)作物環(huán)境數(shù)據(jù)預測其生長狀態(tài)。

13、上述的決策樹算法基于土壤溫度、土壤濕度、空氣溫度空氣濕度、土壤氮含量、土壤磷含量、土壤鉀含量以及農(nóng)作物生長階段坐位輸入特征，對是否需要澆水、澆水時間、是否施肥和施肥時間作出輸出控制。

14、上述的決策樹算法步驟如下：

15、決策樹模型公式表示為：

16、；

17、其中：是模型對輸入的預測結果,是葉節(jié)點的數(shù)量,是第個葉節(jié)點的區(qū)域；是第個葉節(jié)點的預測值,是指示函數(shù)，當屬于時，為?1，否則為?0；

18、將是否需要澆水和施肥作為二分類問題：

19、；

20、；

21、其中，是預測的是否澆水的結果，0表示不澆水，1表示需要澆水；是預測的是否需要施肥的結果，0表示不施肥，1表示需要施肥；是輸入特征向量：

22、；

23、其中為土壤溫度、為土壤濕度、為空氣溫度、空氣濕度、土壤氮含量、土壤磷含量、土壤鉀含量、為農(nóng)作物生長階段指標；

24、線性加權和公式對于澆水時間和施肥的時間的計算：

25、智能澆水的公式：

26、；

27、t為澆水時間最終算出的澆水時間的結果，單位s；、、、分別是土壤濕度、溫度、生長階段和病害狀態(tài)的權重系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)來更改；、、、分別是對澆水時間的貢獻值，根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)進行調(diào)整；貢獻值計算公式為：

28、；

29、；

30、；

31、 ；

32、其中、的值根據(jù)實時土壤溫度的變化而變化的，、和的值根據(jù)攝像頭中yolov10算法監(jiān)測的結果得出農(nóng)作物的生長狀態(tài)的結果變化而變換的；

33、智能施肥公式：

34、；

35、；

36、 ；

37、為施肥量，、、分別為氮磷鉀的權重，、、分別是氮磷鉀的需求貢獻值，、是生長階段和病蟲害的權重，、分別是生長階段和病害狀態(tài)的施肥需求貢獻值。

38、上述的農(nóng)作物為草莓。

39、本發(fā)明提供的一種基于yolov10和決策樹算法的草莓大棚數(shù)字孿生系統(tǒng)及管理方法，具有如下有益效果：1、實時監(jiān)測與精準控制：本發(fā)明利用yolov10算法對草莓大棚內(nèi)部的監(jiān)控視頻或圖像數(shù)據(jù)進行實時分析，能夠快速、準確地識別草莓植株的生長狀態(tài)?；诃h(huán)境數(shù)據(jù)和草莓生長狀態(tài)，利用決策樹算法進行智能決策，利用線性加權和公式計算澆水和施肥時間，實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)，優(yōu)化資源利用。

40、2、提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量：通過自動化管理系統(tǒng)，本發(fā)明減少了人工監(jiān)測和管理的工作量，提升了生產(chǎn)效率。yolov10算法和決策樹算法的結合，使得草莓生長狀態(tài)預測更加準確，從而提高了草莓的產(chǎn)量和質(zhì)量。

41、3、智能化管理策略：決策樹算法基于多維環(huán)境數(shù)據(jù)，結合草莓的生長階段特征，能夠生成智能化管理策略，指導實際生產(chǎn)過程中的澆水和施肥操作。這種智能化管理不僅提高了草莓大棚的管理效率，還能有效減少資源浪費和環(huán)境影響。

42、4、孿生系統(tǒng)的實時顯示：本發(fā)明設計的孿生系統(tǒng)采用u3d軟件，通過ui界面實時展示環(huán)境檢測傳感器的數(shù)據(jù)，?根據(jù)攝像頭和yolov10算法識別到的草莓生長情況，孿生系統(tǒng)能夠準確地更換草莓模型，實現(xiàn)虛擬場景與實際生長狀態(tài)的同步顯示。

43、5、多種控制模式：本發(fā)明提供了自動模式和手動模式兩種控制方式。在自動模式下，系統(tǒng)根據(jù)算法輸出結果自動實現(xiàn)澆水和施肥操作；在手動模式下，用戶可以通過點擊虛擬場景中的按鈕進行控制，靈活應對不同的管理需求。

44、6、自動優(yōu)化算法：本發(fā)明不僅能夠對數(shù)據(jù)進行實時采取還能將采集到的數(shù)據(jù)提供給決策樹算法，能夠不斷優(yōu)化決策樹算法。