一种基于物联网的智慧农业数字化管理系统的制作方法

本发明涉及智慧农业与人机交互，具体为一种基于物联网的智慧农业数字化管理系统。

背景技术：

1、物联网技术已广泛应用于智慧农业领域，典型系统包括田间传感器节点、执行机构、边缘网关、云端管理平台以及供用户操作的图形用户界面客户端，与本发明最接近的现有技术为基于云平台的远程温室环境集中控制系统，该系统中图形控件与后台目标设定值字段一一绑定，用户操纵控件后，控件即时跳转至目标位置，或采用界面锁定等待设备执行完成回传后再解锁的交互方式，对于环境参数之间的关联关系，现有系统各控件的显示与操纵彼此独立，仅依靠静态数值上下限进行限位；

2、上述现有技术存在如下缺陷：其一，农业物理设备存在数分钟级的机械执行迟滞，广域物联网存在较高的通信延迟，即时响应模式下控件位置提前跳变而设备尚未执行完毕，用户容易误判操作未生效而反复拖拽或反向拖拽，导致底层执行机构冲突损坏，界面锁定等待模式下用户体验差，且网络中断时无法提供有效的状态反馈，其二，现有图形用户界面各环境参数控间相互孤立，用户调节某一参数时无法预知该操作对其他耦合参数产生的链式影响，仅靠静态数值限位难以反映耦合状态下的动态安全边界，容易导致农业灾害，为此，我们提出一种基于物联网的智慧农业数字化管理系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于物联网的智慧农业数字化管理系统。

2、本发明要解决的技术问题包括以下两个方面：第一，如何解决农业物联网场景下由于物理设备机械执行迟滞以及广域网络通信延迟导致的图形交互与物理设备实际状态不同步的问题，从而避免用户因得不到及时物理反馈而产生反复拖拽、反向拖拽等误操作，杜绝因指令冲突导致的底层硬件损坏或系统崩溃，第二，如何解决作物生长环境高维参数强耦合背景下，现有图形控件相互孤立、无法实时反映参数耦合关系的问题，使非专业用户在调节某一环境参数时能够预知并被主动阻止将关联参数推入危险阈值，从而避免农业灾害及经济损失。

3、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于物联网的智慧农业数字化管理系统，包括田间感知与执行层、边缘计算网关层、云端平台层以及gui交互渲染层，田间感知与执行层包括用于采集农业环境参数的传感器以及用于执行农业操作的执行设备，边缘计算网关层与田间感知与执行层通信连接，用于进行本地化的耦合参数运算以及数字孪生位置预测，云端平台层与边缘计算网关层通信连接，包括存储有执行设备机械动力学参数以及网络延迟统计模型的数字孪生模型库，gui交互渲染层与边缘计算网关层以及云端平台层通信连接，包括双态图形对象渲染模块以及动态边界渲染模块，双态图形对象渲染模块用于响应用户对图形控件的操纵操作，生成与用户操纵目标状态值同步跟随的意图虚影图形对象，同时基于数字孪生模型库中的机械动力学参数以及当前网络链路的延迟统计参数生成物理执行轨迹预测结果，并依据该预测结果控制实体图形对象以动画插值方式逐步逼近目标状态值，使意图虚影图形对象与实体图形对象在图形化操纵界面中同时呈现且分别独立演化，动态边界渲染模块用于依据预先建立的农业环境参数耦合方程，根据用户对当前图形控件的操纵增量计算关联环境参数的预测变化量，并根据该预测变化量与预设的作物存活阈值临界值的关系，在当前操纵控件的轨道上渲染动态阻挡区域，且随该预测变化量逼近该作物存活阈值临界值的程度调整该动态阻挡区域的显示状态，将用户的操纵位置钳制在与该临界值对应的动态边界位置以内。

4、采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

5、1.本发明通过意图虚影图形对象与实体图形对象的双态图形对象架构，使用户在拖拽操作后即刻获得视觉反馈，同时实体图形对象基于数字孪生预测模型的平滑动画移动真实反映物理设备的实际执行进度，从而消除用户因反馈缺失导致的误操作，避免底层硬件因指令冲突而损坏；

6、2.本发明在网络中断场景下，通过本地推演结合预测误差置信带的可视化渲染，使用户能够直观获知系统状态的不确定性范围，避免界面长时间锁定等待，提升系统的鲁棒性，通过将农学机理耦合模型的运算结果实时映射至多个环境参数图形控件的位置联动，使用户在操纵单一参数时能够实时预见其对耦合参数的影响，打破现有控件相互孤立的技术瓶颈；

7、3.本发明通过在图形控件轨道上动态渲染阻挡区域并对操纵动作施加渲染阻尼、钳制致灾指令的下发，从操纵界面层面主动拒绝可能导致耦合参数越限的操纵指令，实现从数据阈值报警到操纵界面物理拒绝的技术升级，具备显著的防呆保护效果。

1.一种基于物联网的智慧农业数字化管理系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智慧农业数字化管理系统，其特征在于：所述边缘计算网关层还用于持续监测物联网连接状态，在检测到所述物联网连接中断时，所述边缘计算网关层接管所述物理执行轨迹预测结果的推演计算，所述动态边界渲染模块还用于在所述实体图形对象周围渲染预测误差置信带，所述预测误差置信带的宽度随网络中断持续时长的增大而扩宽。

3.根据权利要求2所述的一种基于物联网的智慧农业数字化管理系统，其特征在于：所述预测误差置信带的宽度由初始基准宽度以及与网络中断持续时长成正比的增量宽度共同确定，所述增量宽度的比例系数根据所述执行设备的历史执行误差统计数据标定得出。

4.根据权利要求2所述的一种基于物联网的智慧农业数字化管理系统，其特征在于：在所述物联网连接恢复且接收到所述执行设备回传的真实状态数据后，所述双态图形对象渲染模块还用于将所述实体图形对象的渲染位置校正至所述真实状态数据对应的位置，并将所述预测误差置信带的宽度收敛至所述初始基准宽度。

5.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智慧农业数字化管理系统，其特征在于：所述农业环境参数耦合方程包括表征灌溉水量对土壤温度影响的第一耦合关系式以及表征灌溉水量对肥料浓度稀释影响的第二耦合关系式，所述动态边界渲染模块还用于依据所述第一耦合关系式以及所述第二耦合关系式的运算结果，驱动与当前操纵控件相关联的其他环境参数图形控件的图形对象产生同步位移动画。

6.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智慧农业数字化管理系统，其特征在于：系统预先建立有环境参数控件位置与对应物理量之间的单调映射函数，所述动态边界渲染模块基于所述单调映射函数的反函数，将所述作物存活阈值临界值反向映射为当前操纵控件轨道上的所述动态边界位置。

7.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智慧农业数字化管理系统，其特征在于：所述动态边界渲染模块还用于在用户对当前图形控件的操纵位置与所述动态边界位置之间的距离减小时，对当前图形控件施加渲染阻尼反馈力，所述渲染阻尼反馈力随所述距离的减小而增大，在用户对当前图形控件的操纵位置超出所述动态边界位置时，将实际下发的控制指令钳制在所述动态边界位置对应的数值以内。

8.根据权利要求7所述的一种基于物联网的智慧农业数字化管理系统，其特征在于：所述双态图形对象渲染模块还用于接收钳制后的所述控制指令对应的数值，并将所述意图虚影图形对象的目标状态值同步修正为钳制后的所述控制指令对应的数值。

9.一种gui图形对象异步渲染方法，用于图形用户界面中图形控件的操纵状态显示，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的一种gui图形对象异步渲染方法，其特征在于，还包括：持续监测通信连接状态，在检测到通信连接中断时，基于本地已知的所述机械动力学参数继续推演所述实体图形对象的位置，并在所述实体图形对象周围渲染预测误差置信带，所述预测误差置信带的宽度随通信连接中断持续时长的增大而扩宽，在通信连接恢复且接收到所述执行设备回传的真实状态数据后，将所述实体图形对象的渲染位置校正至所述真实状态数据对应的位置，并将所述预测误差置信带的宽度收敛至初始基准宽度。