📚 课程目录第1章基于土壤传感器的精准灌溉决策系统

1. 基于土壤传感器的精准灌溉决策系统

任务说明

构建一个精准灌溉决策系统：读取土壤湿度传感器数值，结合作物适宜湿度区间，自动生成灌溉控制指令（开启/关闭/延时），并将决策结果与节水效果记录到本地日志。系统需在无真实硬件条件下可完整运行与验证。

系统设计

系统由三个模块组成：传感器数据模拟器（生成可复现的土壤湿度序列）、灌溉决策引擎（基于阈值区间与滞回比较输出控制指令）、日志记录器（记录每次决策及累计节水量）。决策逻辑采用双阈值滞回控制：当湿度低于下限lower时开启灌溉；高于上限upper时停止灌溉；介于两者之间时保持上一状态，避免频繁开关。

代码实现


import random
import json
from datetime import datetime, timedelta

class SoilMoistureSimulator:
    """土壤湿度模拟器：生成可复现的湿度序列"""
    def __init__(self, seed=42, base=45.0, amplitude=20.0, noise=5.0):
        self.rng = random.Random(seed)
        self.base = base
        self.amplitude = amplitude
        self.noise = noise
        self.t = 0

    def read(self):
        """模拟一次湿度读取，返回0~100之间的浮点数"""
        # 模拟昼夜蒸发与随机波动
        daily_cycle = self.amplitude * (self.t % 24) / 24.0
        value = self.base - daily_cycle + self.rng.uniform(-self.noise, self.noise)
        self.t += 1
        return max(0.0, min(100.0, value))

class IrrigationController:
    """灌溉决策引擎：滞回比较控制"""
    def __init__(self, lower=30.0, upper=60.0, irrigation_duration=30):
        self.lower = lower
        self.upper = upper
        self.irrigation_duration = irrigation_duration  # 分钟
        self.state = "OFF"  # 当前灌溉状态
        self.remaining_time = 0  # 剩余灌溉分钟数

    def decide(self, moisture):
        """根据当前湿度返回控制指令: ON/OFF/HOLD"""
        if self.state == "OFF":
            if moisture < self.lower:
                self.state = "ON"
                self.remaining_time = self.irrigation_duration
                return "ON"
            else:
                return "OFF"
        else:  # state == "ON"
            if moisture >= self.upper or self.remaining_time <= 0:
                self.state = "OFF"
                self.remaining_time = 0
                return "OFF"
            else:
                self.remaining_time -= 10  # 每次决策间隔10分钟
                return "ON"

class IrrigationLogger:
    """日志记录器：记录决策与节水统计"""
    def __init__(self):
        self.records = []
        self.total_irrigation_minutes = 0
        self.total_water_saved = 0.0  # 单位：立方米（假设喷头流量0.5m³/10min）

    def log(self, timestamp, moisture, action, state):
        """记录一条决策日志"""
        record = {
            "timestamp": timestamp.strftime("%Y-%m-%d %H:%M"),
            "moisture": round(moisture, 2),
            "action": action,
            "state": state
        }
        self.records.append(record)

        # 统计灌溉时长与节水量
        if action == "ON":
            self.total_irrigation_minutes += 10
        elif action == "OFF" and state == "OFF" and moisture >= 30:
            # 湿度在适宜区间且未灌溉，视为节水
            self.total_water_saved += 0.5 * 0.3  # 0.5m³/10min * 30%节水率

    def save(self, filename="irrigation_log.json"):
        """保存日志到JSON文件"""
        output = {
            "total_irrigation_minutes": self.total_irrigation_minutes,
            "total_water_saved_m3": round(self.total_water_saved, 2),
            "records": self.records
        }
        with open(filename, "w", encoding="utf-8") as f:
            json.dump(output, f, ensure_ascii=False, indent=2)
        return output

def run_simulation(hours=24, interval_minutes=10):
    """运行完整模拟：24小时，每10分钟采样一次"""
    sim = SoilMoistureSimulator(seed=42)
    controller = IrrigationController(lower=30, upper=60)
    logger = IrrigationLogger()

    start_time = datetime(2025, 1, 1, 0, 0)
    steps = int(hours * 60 / interval_minutes)

    for i in range(steps):
        moisture = sim.read()
        action = controller.decide(moisture)
        current_time = start_time + timedelta(minutes=i * interval_minutes)
        logger.log(current_time, moisture, action, controller.state)

    return logger.save()

if __name__ == "__main__":
    result = run_simulation()
    print(f"模拟完成：总灌溉时长 {result['total_irrigation_minutes']} 分钟")
    print(f"总节水量：{result['total_water_saved_m3']} 立方米")
    print(f"共记录 {len(result['records'])} 条决策日志")

运行与验证

运行方式：将上述代码保存为irrigation_system.py，在Python 3.6+环境执行python irrigation_system.py。程序将自动运行24小时模拟（每10分钟一次决策），生成irrigation_log.json日志文件。

验证方法：

检查控制台输出：应显示模拟完成信息，总灌溉时长与总节水量为数值结果；
打开生成的irrigation_log.json，确认包含144条记录（24小时×6次/小时）；
抽查记录：当湿度值低于30时，对应action应为"ON"；当湿度高于60时，action应为"OFF"；介于30~60之间时，action保持上一状态（HOLD逻辑通过state字段体现）；
验证节水统计合理性：总节水量应大于0（因为模拟数据中湿度经常处于30~60区间且未灌溉）。

判定标准：日志文件结构完整、决策逻辑与湿度值对应关系正确、节水统计为正数，即判定系统实现成功。