基于Python 的智农循环堆肥中心系统

1. 引言

在城市化进程加速与居民生活水平提升的背景下，垃圾产生量持续增长，其中有机垃圾占比较大 [1]。若这些有机垃圾处置不当，会造成土地资源浪费与环境污染。绿色化学技术，又被称为环境无害化学或洁净技术，从根源上去解决问题从而降低环境的负面影响。[2] 本“智汇绿源·生态循环赋能链”项目，开发了 CycleSage －智农循环堆肥中心，旨在运用人工智能技术，将可降解的垃圾转化为高品质农作物肥料，推动生态农业发展，助力乡村振兴战略实施，实现垃圾的资源化利用与生态环境的改善。

2. 化肥合成系统设计框架

系统采用B/S 架构设计，分为感知层、网络层、平台层和应用层四个层次，通过各个层次进行分工协作。促使系统正常运作。

（1）感知层：包括摄像头、传感器等设备，负责物料图像采集和环境参数监测；通过caiyong 改进的MobileNetV2 模型进行物料分类。在分类里集成了农业物料数据库何有害物品数据库。

（2）平台层：平台层采用云计算架构，利用云服务器的高性能计算资源部署 MobileNetV2 深度学习模型，实现农业物料的实时图像分类与成分分析。通过TensorFlow 框架加载预训练模型，结合OpenCV 处理摄像头采集的图像数据，完成物料类型识别。业务逻辑则采用 Python 进行构建，通过云数据库存储物料信息，此外该层面还实现了图像抓捕和实时预测结果的功能，把结果数据进行可视化，来确保数据的有效运行。

（3）应用层：应用层基于 Tkinter 框架开发了跨平台桌面应用，提供了直白的 GUI 图形用户界面，功能模块包括分类识别、成分分析、水分预测、化肥推荐，在设计上加入了信息框进行对数据的填写。并且对移动端进行了配饰，底端还加入了新建分析、保存数据、历史记录等作为系统的基本操作。

3. 化肥合成材料信息库管理

系统采用模块化界面设计，主要功能界面包括：

（1）登录注册界面

系统采用基于角色的访问控制（RBAC），提供管理员和普通用户两种角色。登录界面如下图 1 通过 Tkinter 构建，用户输入用户名和密码后，系统使用SHA-256 加密算法验证身份。管理员拥有完整权限（如删除历史记录、管理用户），而普通用户仅能查看和操作自己的数据。注册功能允许新用户创建账户，系统会自动检查用户名是否重复，并确保密码安全性。

（2）主分析界面

主界面如下图 2 采用分栏式布局，左侧显示分析结果和图像，右侧提供功能按钮。核心功能包括：

分类识别：图像分类：基于 MobileNetV2 深度学习模型，支持上传图片或实时摄像头识别物料类型。有害物品检测：系统内置有害物品列表，识别到有害物时会标记并提示风险。

图2 主分析界面

成分分析：模拟预测，基于material_library 数据库中的基准值, 根据物料类型和图像颜色，模拟生成氮（N）、磷（P）、钾（K）等成分含量。此外还有实时分析, 通过摄像头捕获图像，结合随机波动算法生成动态成分数据。

水分预测图像法：根据图像颜色深浅估算水分含量。同时支持用户直接输入水分值。

化肥推荐：基于物料类型、成分、pH 值等条件，从 fertilizer_library数据库中推荐最佳肥料，从而实现智能匹配。此外还能能根据给出的 PH 值进行条件筛选

（3）历史记录界面

多条件查询关键词搜索：按物料类型或有害物品类型过滤记录。日期范围筛选：支持按开始 / 结束日期查询历史分析记录。数据展示 , 表格视图：使用ttk.Treeview 显示记录的 ID、时间、物料类型、重量等关键信息。详情查看：点击记录可查看完整分析数据。数据由JSON 导出：支持将选定记录导出为JSON文件，便于进一步分析或共享；记录管理删除功能：仅管理员可删除历史记录，防止数据误操作。

（4）系统管理界面

用户管理，账户管理：管理员可查看或删除用户账户 , 支持多条件查询和数据分析；物料库维护，管理material_library 表中的物料类型、氮磷钾含量、pH 范围等数据。此外有动态更新功能，支持添加新物料或修改现有物料的成分基准值。推荐规则：编辑 fertilizer_library 表中的肥料推荐逻辑。

4. 结论

本研究提出的 CycleSage －智农循环堆肥中心系统，系统通过模块化设计整合了登录注册、主分析、历史记录和系统管理四大功能界面，支持多角色权限控制、实时图像识别、动态成分预测及多条件数据查询。结合物联网与云计算技术，系统不仅提升了垃圾转化效率，还通过数据可视化与智能推荐优化了肥料合成流程。实践意义在于推动生态农业的数字化转型，助力乡村振兴战略下的循环经济发展。未来可通过扩展传感器网络、优化模型精度，进一步适配规模化养殖与农业废弃物处理需求，为美丽乡村建设提供可持续技术支持。

参考文献：

[1] 祝琴 , 裘欣 , 林永钦 , 等 .“ 双循环” 背景下政府引导和监管行为对乡村生态农业振兴产业链主体策略选择影响分析 [J]. 运筹与管理 ,2023,32(10):114-121.

[2] 张云龙 . 化工工程绿色化工技术应用研究——以希然化肥制造生产基地为例 [J]. 中国石油和化工标准与质量 ,2025,45(01):187-189.

项目课题：2024年校级大学生创新创业训练计划资助项目(项目编号 : XJ202413714141）成果。