第七届中国“互联网 ”大学生创新创业大赛内蒙古师范大学校内赛项目计划书.docx
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1、第七届中国“互联网+”大学生创新创业大赛内蒙古师范大学校内赛项目计划书参赛赛道高教主赛道参赛组别创意组项目名称智慧温室(垂直农场)负责人邢晓宇指导教师苗忠义项目负责人邢晓宇性别女民族汉学历本科出生年月2000年4月学号联系方式手机邮箱指导教师苗忠义联系方式手机邮箱负责人参与科研的情况无项目组成员参与科研、实践情况和相关成绩无指导教师承担科研课题情况(1)国家自然科学基金,深度迁移学习在中文口语理解中的研究和应用,2019.01-2021.12,24万,在研,参与。(2)国家自然科学基金,基于遥感数据的内蒙古草原蝗灾迁移路径预测研究,2019.01-2021.12,42万,在研,参与。项目主要成
2、员姓名学号所在学院/专业项目中的分工联系方式邢晓宇计算机科学技术学院/2019级网络工程(网络空间防护)项目负责人张锦计算机科学技术学院/2018级信息管理与信息系统(云计算大数据分析)项目规划李欣倩计算机科学技术学院/2019级数据科学与大数据技术文案设计陈文靖经济管理学院/2019级会计文班市场监控纪昕烽计算机科学技术学院/2018级网络编程二班数据收集庞鑫计算机科学技术学院/2018级信息管理与信息系统(云计算大数据分析)文案推广房圣文教育学院/学前教育主讲人项目智能水农业项目简介健康中国看两会,十一届全国人民代表大会对我国人均寿命提出新目标:在“十三五”期间达成的77.3岁目标的基础上
3、人均寿命再提高一岁。人民日益增长的健康意识与我国纯绿色农产品种植现状存在供不应求的矛盾。垂直温室种植的方式在极大程度上缓和了这种矛盾。垂直温室种植,可以使水果和蔬菜在任何地方生长,帮我们节约95%的水和99%的土地。近年来,平地农场的农民一直拥抱着新的技术和工具,比如无人机灌溉和机器人。但是科技无论怎样发展,技术多先进,平地农业始终都摆脱不了物理空间的限制。另一个好处就是可以就地生产植物,用于提供蔬菜水果的农场不在需要经过长远的运输,对于减少交通工具二氧化物的排放以及降低食物的单价都很有用,不使用杀虫剂和除草剂,回收使用过的水,甚至是空气中的水蒸汽,实现无限趋近于资源100%利用。利用机器人技
4、术,水培系统和Ied(发光二极管)模仿太阳促使植物进行光合作用。凡是扯到孩子身上的事,无论多小的事都是天大的事。在过去几年有个别高校食堂,托管所等等因为食物不新鲜不干净导致人食物中毒的事情屡见不鲜。我们使温室出仓的水果和蔬菜打印相应标签,注明出仓地址以及日期,输送前往各大百货商店,超市以及食堂的供应,让每个人都吃上放心健康的蔬菜。我希望所有人的食物都干净且美味,也许有人觉得起步的成长是非常漫长的,需要投资多么大的资金,承担多么大的风险。可是民以食为天,我们都希望自己身边爱的人可以健康的成长。引用流浪地球中的一句话来说:为了孩子我们已经没有什么好失去的了!目录第一章、执行概要错误!未定义书签。1
5、.1 项目背景错误!未定义书签。1.2 项目意义错误!未定义书签。1.3 项目特色1第二章、产品概况错误!未定义书签。2.1产品简绍错误!未定义书签。2. 1.1产品简绍错误!未定义书签。3. L2图像的处理错误!未定义书签。4. 1.3关键技术错误!未定义书签。第三章、环境分析错误!未定义书签。3.1宏观环境错误!未定义书签。3. 1.1政策法律环境错误!未定义书签。3. L2经济环境43. 2竞争分析43. 2.1农业发展角度43. 2.2资源利用角度43. 2.3水资源角度45. 3需求环境分析5第四章、公司战略54. 1使命、愿景、价值观54. 1.1使命:55. 2.1愿景:54.
6、3.1价值观:56. 2SWOT分析54. 2.1优势55. 2.2劣势56. 2.3机会错误!未定义书签。7. 2.4威胁78. 2.5SWOT总结74.3发展周期74.3.1.导入期74.3.2.成长期74.3.3.成熟期84. 4后期维护8第五章、市场定位85. 1市场选择86. 2产品定位95. 2.1.目标市场定位96. 2.2.产品需求定位9产品短期目标用户产品长远目标用户第六章、战略规划6.1公司发展战略7. 2公司注册规划6. 2.1创业初期组织结构7. 2.2创业后期组织结构第七章、营销策略98. 1产品推广99. 2渠道策略910. 3定价策略10第八章、技术实现101 .
7、1技术类别102 .2前端小程序远程控制118 .3后台数据库管理119 .4精准投放11第九章、垂直农场的痛点及解决111 .1解决位置问题119 .2解决成本问题12第一章、执行概要1.1 项目背景“十三五”期间,中国人均预期寿命从76.3岁提高到77.3岁,提高了1岁。政府工作报告在“十四五”规划目标任务概述中提出,人均预期寿命再提高1岁。1岁,是至高的健康福祉。自二胎政策开放以来,人口呈现增长状态。我国人口基数庞大,对于生活必需品的需求量不增加。建设生态文明,形成节约能源资源和保护生态环境的产业结构、增长方式、消费模式。循环经济形成较大规模,可再生能源比重显著上升。生态文明观念在全社会
8、牢固树立。(摘自胡锦涛同志所作十七大报告).民以食为天,几年来食品安全问题层出不穷,在飞速发展的同时人们也更注重食品安全。因此,对于农业种植技术的要求也在随之提高。此外,土地资源紧缺,大量砍伐森林、填海造田,造成全球气候变化(全球变暖、海平面上升)从而造成环境污染严重,因此,保护生态环境,提高农业种植技术迫在眉睫。1.2 项目意义目前的农业是全球最大的资源消费,世界上每年70%的水用于农业,由于目前的耕作方式为化学密集型,在过去的40年里,我们实际上已经失去了30%的可耕地。而对于垂直农场有关于电能源消耗的问题,其实在大约八九年前,我们实际看到的电灯成本已经下降了85%以上,而电灯的效率则提高
9、了一倍多。垂直水培系统可以使空间利用效率提高上百倍,并且不受高度限制。水培体系所培育的植物口感上佳,同时也节省了很多的资源,对于解决未来的人口粮食问题有极为可观的作用,能够可持续地为城市区域提供新鲜食物。随着过去几年照明技术的巨大创新,垂直农场突然从科学项目变成了能够养活很多人的合法企业,随着近几年照明成本的降低和技术的进步,这些农场未来可观。而该项目结合微信小程序对农作物的生长进行实时监控及科学种植,提升了现代农业科学技术,提高农业现代化,使得农民足不出户即可种植农作物,且其操作简易,功能齐全。1.3 项目特色传统农业为了开垦农田会砍掉很多树,很多农田都会被废弃,有很多虫害,杀虫剂使用率较高
10、,而垂直农场室内种植则可以有效的避开所有的虫害,使绿菜不怕风吹雨打,不会受天灾的影响,绿菜的产量会稳定很多,如果在国际金融中心内建立这种系统,那么产量相当于全香港的农田总和,这种城市种植方式在未来潜力无限。通过垂直农场技术可以做到重新设计种植过程的方方面面,他们所使用的种子都经过了风味优化,不必担心昆虫和天气的抗性,使用一种机器人和自动化系统,即BOWery操作系统运行种植,这种农场因其建于城市旁边,所有可以避免在全国和世界各地运输食品对环境的影响。该项目运用微信小程序对农作物的生长进行实时监控及科学种植,包括及时补充营养液、输送水分、检测生长状况等,提升了现代农业科学技术,提高农业现代化,使
11、得农民足不出户即可种植农作物,且其操作简易,功能齐全。第二章、产品概况2.1 产品介绍2.1.1 基于raspberry的智能垂直水培温室系统:基于现代人工智能技术与水培系统相结合的多层垂直分布的现代农业系统,实现人为控制植物光合与呼吸作用,使得所结果实更大,含糖量更高。专属光谱照射,使绿叶植物的枝叶更加宽大。小程序端远程控制,傻瓜式操作界面适用于大众。智能采摘机器人巡逻,观测植物生长情况(是否缺少哪些养分)并后台生成植物生长数据,通过与传统农业植株生长对比,应用统计分析算法推出当前最适合栽种的农作物。2.1.2 小程序端的基本功能:本产品是一款基于小程序,使用Python语言编写逻辑后端,界
12、面设计采用微信小程序自带界面开发技术,核心功能利用百度Paddle开源深度学习平台实现。该应用程序主要分为农作物图像预处理、农作物生长评价俩个大功能部分,旨在实现以目标农作物(本项目以生菜目标农作物)在不同生长阶段的图像为输入,内置库里预测农作物生长基本信息,包括农作物所处生长阶段信息以及农作物生长是否正常信息,是否缺肥料(P、N元素)进而实现农作物生长的智能监测。并将生菜的生长情况记录下来(存活、茂盛、死亡)。小程序端功能如图:控温(强制降低植物呼吸作用),灯光调节(以最适应光谱提升植物光合作用效率),水份补充(调节营养液浓度),营养液输送。查看场内机器人记录数据,以及机器人自检。数据分析模
13、块可以通过机器人搜集的数据换算在哪个浓度下哪个植物长得最茂盛。以在小程序滚动界面推荐该植物的种植。智能化温室农场水份补充/风扇控制光照调节营养液输送数据分析、机器人操作2.1.3 图像的处理1 .图像预处理模块该模块将通过PyQt5中的槽函数内嵌OpenCV中相应的图像处理库函数实现,其作用在于将真实拍摄的马铃薯图像进行一定程度的预处理,以提高后续功能模块对图像中马铃薯植株以及特定目标(绿叶、花蕾/花朵和枯叶)的检测、分割能力,为后续准确给出马铃薯生长评价信息奠定基础;图像增强:当用户从本地导入待处理图像,可以选择对比度增强和灰度变化两种图像处理方法;图像去模糊:对于存在运动模糊的图像,可以选
14、择去模糊功能,对图像中的模糊部分进行一定程度的消除;超分辨率:当图像采集设备所采集的图像分辨率较低时,可以选择超分辨率功能提高图像的分辨率。2 .目标检测与分割模块该模块由PyQt5调用己搭建好的YOLOv3目标检测平台的检测接口,将待处理图像传入检测平台,将检测结果显示到界面;通过集成百度paddlepaddle开源深度学习平台提供的图像分割SDK,初步实现目标的分割功能生菜植株检测:对导入的马铃薯图像进行识别检测,利用候选框标出图像生菜的位置绿叶、花蕾/花朵、枯叶检测:对分割好的马铃薯植株利用YOLOv3进行特定目标检测,用于后续生菜生长阶段识别以及判断生菜生长是否正常。3 .生菜生长评价
15、模块该模块以生菜的特定目标检测结果作为输入,经过软件的统计计算,输出马铃薯的生长评价信息,其识别过程分别对应生长评价信息的三个方面。生菜生长阶段识别:根据检测的特定目标,判断图像中马铃薯植株所处的生长阶段,并在界面的指定位置进行输出;生菜生长状况评价:在每层种植管道编号,在已经判断图像中生菜植株所处生长阶段后,比对该阶段马铃薯生长正常的相关特征,进而判断生菜在所处的生长阶段生长是否正常。最后进行茂盛和正常和枯竭三分类,并在界面的滚动条内输出坐标;生菜生长状况记录:在判断生长状况评价后,通过概率统计的相关计算,给出生菜当前生长阶段生长状况的评分,并在存储在数据库中,与其它植物对比,给予系统使用者
16、良好的反馈效果。2.1.3蔬菜生长智能检测的关键技术1 .YOLOv3目标检测算法YOLO算法的全称为YouOnlyLookOnce:Unified,Real-TimeObjectDetection,该名称概括了YOLO系列算法的突出特点:YOUOnlyLookOnce表明该算法只需要一次CNN运算,Unified指的是该算法为一个统一的框架,提供end-to-end的预测,Real-Time体现的是YOLO算法的最大特点速度快。YOLO的核心思想有二:利用整张图作为网络的输入,直接在输出层回归boundingbox(边界框)的位置及其所属的类别;faster-RCNN中也直接用整张图作为输入
17、,但faster-RCNN整体还是采用了RCNN的proposal+classifier思想,只不过是将提取proposal的步骤放在CNN中实现了,而YOLO则采用直接回归的思路。YOLO的实现方法是将输入图像分成SxS个格子,若某个物体Groundtruth中心位置的坐标落入到某个格子,那么这个格子就负责检测出该物体。2 .基于视觉图像的农作物生长智能监测模型卷积神经网络(COnVOIUtionalNeuralNetwork,CNN)是一种前馈神经网络,它的人工神经元可以响应一部分覆盖范围内的周围单元,其出色的特征表征能力与建模能力,使其对于大型图像处理有出色的表现。CNN包括卷积层(al
18、ternatingCOnVOlUtiOnallayer)和池化层(PoOlinglayer)。针对生菜的不同生长阶段,进行基于CNN的目标检测与分类问题,判断植物所处生长阶段以及各生长阶段是否生长正常。软件拟将根据特定目标检测的结果,若仅检测到叶对于生菜所处生长阶段的生长评价,则将优劣长势划分为2个类别,包括正常与非正常。本项目继续采用卷积层初步提取生菜在不同生长阶段的特征,池化层提取其主要特征,全连接层将各部分特征汇总,产生分类器,判断生菜生长是否正常。苗期(前期):将幼苗载入水培系统,每一段时间记录生长,判生菜第一阶段是否生长正常;生长期(中期):植株高度是否有显著增长,是否出现叶片卷缩、
19、株型矮化、烂叶等现象,进而判断是否生长正常;成熟期(后期):检测生菜是否生长完成,叶片面积是否达标,叶片是否出现枯黄脱落等现象,进而生菜成熟阶段是否正常。2.2系统体系2.2.1 组织结构通过垂直农场技术可以做到重新设计种植过程的方方面面,他们所使用的种子都经过了风味优化,不必担心昆虫和天气的抗性,使用一种机器人和自动化系统,即BoWer操作系统运行种植,这种农场因其建于城市旁边,所有可以避免在全国和世界各地运输食品对环境的影响。空气温度传感器不线通讯网络方蚊控制单元一次%5数据处理器远程控制端营养液传输器(垂直农场基本流程图)(智能蓄水系统)第三章、环境分析3.1 宏观环境据人民网报告显示:
20、2020年,55个国家和地区的至少1.55亿人陷入危机级别或更为严重的重度粮食不安全状况,比上一年增加约2000万人。其中布基纳法索、南苏丹和也门约有13.3万人面临最严重的灾难级别粮食不安全状况。联合国在2020年发布的世界粮食安全和营养状况中提到,在2019年,全球饥饿人口已经接近6.9亿。1974年,第一次世界粮食会议在罗马召开。当时有位专家说:中国人多地少,绝不可能养活10亿人口。这位专家肯定想不到,自己的预测,仅仅在10年之后就被打了脸:1984年,中国的粮食产量就突破了8000亿斤。我们不但成功地养活了10亿人,还在20年后创造了世界粮食发展史上“12连增”的神话。中国人的饭碗虽然
21、捧到自己手里,所以我们往往会忽略,其实我们远离那些挨饿的日子,还不久。我们的粮食供求,也还一直处在“紧平衡”的状态,远远没有达到可以随意挥霍的程度。截至2015年末,全国耕地质量等别调查与评定面积为20.19亿亩,全国耕地评定为15个等别,1等耕地质量最好,15等最差,全国耕地平均质量等别为9.96等,与2014年末的9.96等相比,全国耕地质量状况总体稳定。优、高、中、低等耕地面积比例分别为2.90%、26.59%、52.72%、17.79%。从各等级耕地分布状况来看,优等地主要分布在湖北、湖南、广东等3个省,占90.28%;高等地主要分布在河南、江苏、山东等9个省(区),占79.89%;中
22、等地主要分布在黑龙江、吉林、云南等10个省(区),占73.73%;低等地主要分布在内蒙古、甘肃、黑龙江等6个省(区),占85.55%。从等积温线、等降水量线看,我国耕地质量从东南向西北降低,全国耕地质量等别变化主要源于三个方面:一是因建设占用、灾害损毁、农业结构调整、生态退耕等,导致不同质量等别耕地的减少。二是通过对未利用开发、土地整治、增减挂钩、工矿废弃地复垦、农业结构调整等,增加的不同质量等别的耕地。三是因土地整治、高标准农田建设等耕地质量建设工程带来的质量等别提升的耕地。3.1.1 政策法律环境:随着人类的快速发展,城市生态资源匮乏,乡村生态破坏严重。未来的都市农场不仅仅是作为旅游的产业
23、,而将发展为利用极少土地为城市提供数量可观、供应稳定的农作物产品,改善城市环境质量,引导城市居民进入低碳生活。从长远来看,农业能否迅速发展不但取决于科技创新,也将取决于能否尽快收回投资。一个总高度1000米的垂直农场的产量相当于60公顷传统耕地或5公顷温室。经营垂直农场在3年内就可以回本,但传统的耕地却需要大约7年时间。垂直农场能够节省85研!勺用水量,不但占地面积更小,收获时间也缩短了一半。此外,化肥使用和人力投入也减少了。从两会角度出发:“未来5年,人均预期寿命要再提高1岁”,“十四五”规划纲要草案中的这个数据,吸引了许多人的关注和讨论,微博上该话题的阅读量将近1亿次。人均预期寿命是国家提
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