CN104360705A - 一种温度自适应的温室光照智能控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温度自适应的温室光照智能控制系统及其控制方法，该系统包括上位机、主控制终端、一Zigbee主节点、n个Zigbee补光控制节点、Zigbee遮阳控制节点以及n个Zigbee监测节点；所述上位机通过网络与所述主控制终端通信；所述的Zigbee补光控制节点连接有PWM驱动模块，所述PWM驱动模块的输出端连接补光灯；所述Zigbee监测节点连接有信号预处理电路，所述的信号预处理电路与光照传感器、温度传感器连接；所述Zigbee遮阳控制节点经一驱动模块控制一遮阳卷帘机工作。本发明基于产出投入比最优，能够自适应环境温度的温室光照控制系统和控制方法，实现了对温室光照环境的智能、精确控制。

Description

一种温度自适应的温室光照智能控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及温室控制技术领域，特别是一种温度自适应的温室光照智能控制系统和控制方法。

背景技术

温室栽培技术在现代农业中占有重要地位，温室栽培的关键技术在于对温室内部环境的调控，主要包括对温室环境中光照、温度、湿度、CO2浓度、土壤水分和肥料等因子的调控。光照作为作物光合作用的能量来源，是影响作物生长的最关键环境因子之一，而温室环境光照智能控制系统是实现光照的智能、精确控制的主要系统。

根据前人的研究可知，作物生长的最适光照强度是随着环境温度的变化而变化，而在目前的实际温室光照环境控制系统和控制方法中，大多采用人工设定光照强度控制的上下限，没有考虑环境温度对作物最适光照强度的动态影响，不仅未能实现精确补光，往往还会造成光照控制中的补光不足或浪费。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供一种基于产出投入比最优，能够自适应环境温度的温室光照控制系统和控制方法，实现了对温室光照环境的智能、精确控制。

本发明采用以下方案实现：一种温度自适应的温室光照智能控制系统，其特征在于：包括上位机、主控制终端、一Zigbee主节点、n个Zigbee补光控制节点、Zigbee遮阳控制节点以及n个Zigbee监测节点；所述上位机通过网络与所述主控制终端通信；所述的Zigbee主节点与所述主控制终端连接，所述的主控制终端连接有GPRS通信模块和预警模块；所述的Zigbee补光控制节点连接有PWM驱动模块，所述PWM驱动模块的输出端连接补光灯；所述Zigbee监测节点连接有信号预处理电路，所述的信号预处理电路与光照传感器、温度传感器连接；所述Zigbee遮阳控制节点经一驱动模块控制一遮阳卷帘机工作。

在本发明一实施例中，所述上位机系统能对下位机的系统参数进行配置和修改，能够接收下位机发送的数据，实时显示系统检测到的环境温度、光照强度和对应的作物光补偿点                                               、光饱和点及系统决策出的控制方案、对应的控制成本数据，并且能够绘制出环境中光照强度随温度变化、及二者各自随时间变化的动态曲线，能够对系统异常做出报警，同时具有数据的存储和查询功能，便于数据的进一步统计分析。

在本发明一实施例中，所述主控制终端的主节点除了负责组网外，还具有与上位机通信、汇集实时环境信息、计算补光量、评价和制定光照调控方案、向控制节点发送控制指令和接收其执行结果的反馈信息功能。

在本发明一实施例中，所述Zigbee监测节点除了定时对作物生长的环境温度、光合有效辐射进行检测采集外，还根据光照控制模型计算出相应的作物光补偿点、光饱和点及作物光合速率，分担了主节点的计算量，并把原始信息和计算后的几个结果共同传输给Zigbee主节点处理。

在本发明一实施例中，所述Zigbee遮阳控制节点在接收到Zigbee主节点发送的控制指令后，转换成所需的驱动信号，经驱动电路实现补光和遮阳网的展开或收起，并将执行结果反馈给主节点。

本发明另提供一种上述的温度自适应的温室光照智能控制系统的控制方法：其特征在于：所述Zigbee主节点上电后，首先对系统进行初始化并自动组建网络，允许子节点的入网请求；然后Zigbee主节点会在无线通道中读取数据并分析数据类型，若为无关信号则重新读取数据；若Zigbee主节点在无线通道中读取的数据类型为子节点的入网请求信息，则读取子节点的编号，辨别出是监测节点还是控制节点，并将其加入控制列表，然后继续读取和分析无线通道中的数据；若Zigbee主节点在无线通道中读取的数据类型为控制节点反馈的执行信息，则记录并判断控制节点的执行结果是否成功；若为不成功信息，则记录该节点的失败次数，当某一节点的失败次数达到设置的阈值就会触发报警系统，若未达到阈值则重新发送控制指令；若为执行成功的信息，则将失败次数清零，然后继续读取和分析无线通道中的数据。

在本发明一实施例中，若主节点在无线通道中读取数据类型为监测节点发送的监测信息，则判断当前环境是否满足作物生长的要求，如果满足，则维持现状，并将之前收到的信息发送给上位机系统。

在本发明一实施例中，若当前环境不满足作物生长的要求，则通过作物光照控制模型计算出需要的补光量，并制定可执行的调控方案和通过光照控制成本模型计算出各方案的控制成本，再进一步判断，找出所给方案中产出投入比为最大的一个，通过编码后将控制指令发送给控制节点，实现自适应环境温度的光照智能控制，然后将之前接收到的信息和做出控制以及控制节点反馈的相关信息都发送给上位机；完成上述任务后，Zigbee主节点将重新读取无线通道中的数据，进入下一个循环。

在本发明一实施例中，当上位机有修改参数的指令发送过来时，系统将转入外部中断服务程序执行该命令，实现系统参数的修改。

在本发明一实施例中，其中作物光照控制模型包括了光补偿点模型、光饱和点模型及最佳补光量模型，分别表示如下：

1）作物生长的光补偿点为：

                         （1）

2）作物生长的光饱和点为：

                                 （2）

在（1）、（2）式中，是环境温度的函数，表示如下：

          （3）

上述三式中：是作物的光补偿点；是作物的光饱和点；是最大光合速率；为表观量子效率； 为暗呼吸速率。是在最适温度条件下的最大光合速率；、、、分别是作物生长的环境温度、最适温度、最高温度和最低温度。

3）作物生长的最佳补光量为：

                           （4）

上式中：是作物生长的最佳补光量；是作物的光饱和点；为光合有效辐射。

在本发明一实施例中，其中光照控制成本模型如下：

                      （5）

上式中：是系统的控制总成本；是遮阳网卷帘机的动作状态，为动作，为无动作；、分别为卷帘机和补光灯的额定功率；是电能单价；是卷帘机每动作一次所需的时间；是补光灯连续开启时间。

本发明以光照控制模型和控制成本模型为依据，通过传感器检测环境的温度和光照强度，由控制器计算出作物光合作用随温度变化的最适光照强度和系统需提供的补光量，制定出可行的控制方案，并选择其中产出投入比最优者用于实施。本系统分别采用zigbee协议和GPRS网络进行近距离和远距离通信，以CC2530为主控芯片，设计出由主控节点、监测节点和控制节点构成的下位机系统；并应用VB程序开发出了具有通讯、数据处理、显示、查询和报警等功能的上位机系统，实现对温室光照环境的温度自适应和经济最优的智能、精确控制。

附图说明

图1为温室光照环境智能控制系统的结构图。

图2为系统的功能结构图。

图3为下位机系统主节点的主程序流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

参见图1，本系统是基于无线通信的温室光照环境智能控制系统，分成上位机和下位机（主控制终端）两个部分，其中，上位机与下位机之间的通信，是由上位机接入因特网，再通过GPRS服务器接入GPRS网络与下位机的主节点实现通信。在下位机中，主节点与各终端子节点间，则是基于无线传感器网络，采用zigbee协议实现组网。本发明系统采用模块化设计，上位机软件采用VB程序编写，包括了通讯模块、数据处理模块、显示模块和报警模块等。下位机由中央主节点和终端子节点组成，采用星型拓扑结构。中央主节点由电源模块、CPU模块、无线模块、GPRS通信模块和预警模块等构成；终端子节点包括了监测节点和控制节点，监测节点包括了电源模块、CPU模块、无线模块、温度检测模块和光照检测模块等，控制节点由电源模块、CPU模块、无线模块、驱动模块、执行机构等组成。

本实施例中，所述上位机系统能对下位机的系统参数进行配置和修改，能够接收下位机发送的数据，实时显示系统检测到的环境温度、光照强度和对应的作物光补偿点、光饱和点及系统决策出的控制方案、对应的控制成本数据，并且能够绘制出环境中光照强度随温度变化、及二者各自随时间变化的动态曲线，能够对系统异常做出报警，同时具有数据的存储和查询功能，便于数据的进一步统计分析。所述主控制终端的主节点除了负责组网外，还具有与上位机通信、汇集实时环境信息、计算补光量、评价和制定光照调控方案、向控制节点发送控制指令和接收其执行结果的反馈信息功能。所述Zigbee监测节点除了定时对作物生长的环境温度、光合有效辐射进行检测采集外，还根据光照控制模型计算出相应的作物光补偿点、光饱和点及作物光合速率，分担了主节点的计算量，并把原始信息和计算后的几个结果共同传输给Zigbee主节点处理。所述Zigbee遮阳控制节点在接收到Zigbee主节点发送的控制指令后，转换成所需的驱动信号，经驱动电路实现补光和遮阳网的展开或收起，并将执行结果反馈给主节点。

参见图3，主节点上电后，首先对系统进行初始化并自动组建网络，允许子节点的入网请求。然后主节点会在无线通道中读取数据并分析数据类型，若为无关信号则重新读取。若为子节点的入网请求信息，则读取子节点的编号，辨别出是监测节点还是控制节点，并将其加入控制列表，然后继续读取和分析无线通道中的数据。

若为控制节点反馈的执行信息，则记录并判断控制节点的执行结果是否成功。若为不成功信息，则记录该节点的失败次数，当某一节点的失败次数达到设置的阈值就会触发报警系统，若未达到阈值则重新发送控制指令。若为执行成功的信息，则将失败次数清零，然后继续读取和分析无线通道中的数据。

若为监测节点发送的监测信息，则判断当前环境是否满足作物生长的要求，如果满足，则维持现状，并将之前收到的信息发送给上位机系统。若当前环境不满足作物生长的要求，即光照不足，则通过上述的作物光照控制模型计算出需要的补光量，并制定可执行的调控方案和通过上述的光照控制成本模型计算出各方案的控制成本，再进一步判断，找出所给方案中产出投入比为最大的一个，通过编码后将控制指令发送给控制节点，实现自适应环境温度的光照智能控制，然后将之前接收到的信息和做出控制以及控制节点反馈的相关信息都发送给上位机。之后，系统将重新读取无线通道中的数据进入下一个循环。

当上位机有修改参数的指令发送过来时，系统将转入外部中断服务程序执行该命令。实现对系统参数的优化和修改。

值得一提的是，其中作物光照控制模型包括了光补偿点模型、光饱和点模型及最佳补光量模型，分别表示如下：

1）作物生长的光补偿点为：

                         （1）

2）作物生长的光饱和点为：

                                 （2）

在（1）、（2）式中，是环境温度的函数，表示如下：

          （3）

上述三式中：是作物的光补偿点；是作物的光饱和点；是最大光合速率；为表观量子效率； 为暗呼吸速率。是在最适温度条件下的最大光合速率；、、、分别是作物生长的环境温度、最适温度、最高温度和最低温度。

3）作物生长的最佳补光量为：

                           （4）

上式中：是作物生长的最佳补光量；是作物的光饱和点；为光合有效辐射。

10.根据权利要求7所述的控制方法,其特征在于：其中光照控制成本模型如下：

                      （5）

上式中：是系统的控制总成本；是遮阳网卷帘机的动作状态，为动作，为无动作；、分别为卷帘机和补光灯的额定功率；是电能单价；是卷帘机每动作一次所需的时间；是补光灯连续开启时间。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。 

Claims (10)

1.一种温度自适应的温室光照智能控制系统，其特征在于：包括上位机、主控制终端、一Zigbee主节点、n个Zigbee补光控制节点、Zigbee遮阳控制节点以及n个Zigbee监测节点；所述上位机通过网络与所述主控制终端通信；所述的Zigbee主节点与所述主控制终端连接，所述的主控制终端连接有GPRS通信模块和预警模块；所述的Zigbee补光控制节点连接有PWM驱动模块，所述PWM驱动模块的输出端连接补光灯；所述Zigbee监测节点连接有信号预处理电路，所述的信号预处理电路与光照传感器、温度传感器连接；所述Zigbee遮阳控制节点经一驱动模块控制一遮阳卷帘机工作。

2.根据权利要求1所述的温度自适应的温室光照智能控制系统，其特征在于：所述上位机系统能对下位机的系统参数进行配置和修改，能够接收下位机发送的数据，实时显示系统检测到的环境温度、光照强度和对应的作物光补偿点                                               、光饱和点及系统决策出的控制方案、对应的控制成本数据，并且能够绘制出环境中光照强度随温度变化、及二者各自随时间变化的动态曲线，能够对系统异常做出报警，同时具有数据的存储和查询功能，便于数据的进一步统计分析。

3.根据权利要求1所述的温度自适应的温室光照智能控制系统，其特征在于：所述主控制终端的主节点除了负责组网外，还具有与上位机通信、汇集实时环境信息、计算补光量、评价和制定光照调控方案、向控制节点发送控制指令和接收其执行结果的反馈信息功能。

4.根据权利要求1所述的温度自适应的温室光照智能控制系统，其特征在于：所述Zigbee监测节点除了定时对作物生长的环境温度、光合有效辐射进行检测采集外，还根据光照控制模型计算出相应的作物光补偿点、光饱和点及作物光合速率，分担了主节点的计算量，并把原始信息和计算后的几个结果共同传输给Zigbee主节点处理。

5.根据权利要求1所述的温度自适应的温室光照智能控制系统，其特征在于：所述Zigbee遮阳控制节点在接收到Zigbee主节点发送的控制指令后，转换成所需的驱动信号，经驱动电路实现补光和遮阳网的展开或收起，并将执行结果反馈给主节点。

6.一种如权利要求1所述的温度自适应的温室光照智能控制系统的控制方法：其特征在于：所述Zigbee主节点上电后，首先对系统进行初始化并自动组建网络，允许子节点的入网请求；然后Zigbee主节点会在无线通道中读取数据并分析数据类型，若为无关信号则重新读取数据；若Zigbee主节点在无线通道中读取的数据类型为子节点的入网请求信息，则读取子节点的编号，辨别出是监测节点还是控制节点，并将其加入控制列表，然后继续读取和分析无线通道中的数据；若Zigbee主节点在无线通道中读取的数据类型为控制节点反馈的执行信息，则记录并判断控制节点的执行结果是否成功；若为不成功信息，则记录该节点的失败次数，当某一节点的失败次数达到设置的阈值就会触发报警系统，若未达到阈值则重新发送控制指令；若为执行成功的信息，则将失败次数清零，然后继续读取和分析无线通道中的数据。

7.根据权利要求6所述的控制方法,其特征在于：若主节点在无线通道中读取数据类型为监测节点发送的监测信息，则判断当前环境是否满足作物生长的要求，如果满足，则维持现状，并将之前收到的信息发送给上位机系统。

8.根据权利要求7所述的控制方法,其特征在于：若当前环境不满足作物生长的要求，则通过作物光照控制模型计算出需要的补光量，并制定可执行的调控方案和通过光照控制成本模型计算出各方案的控制成本，再进一步判断，找出所给方案中产出投入比为最大的一个，通过编码后将控制指令发送给控制节点，实现自适应环境温度的光照智能控制，然后将之前接收到的信息和做出控制以及控制节点反馈的相关信息都发送给上位机；完成上述任务后，Zigbee主节点将重新读取无线通道中的数据，进入下一个循环。

9. 根据权利要求7所述的控制方法,其特征在于：其中作物光照控制模型包括了光补偿点模型、光饱和点模型及最佳补光量模型，分别表示如下：

1）作物生长的光补偿点为：

                                 （1）

2）作物生长的光饱和点为：

                                          （2）

在（1）、（2）式中，是环境温度的函数，表示如下：

             （3）

上述三式中：是作物的光补偿点；是作物的光饱和点；是最大光合速率；为表观量子效率； 为暗呼吸速率；

是在最适温度条件下的最大光合速率；、、、分别是作物生长的环境温度、最适温度、最高温度和最低温度；

3）作物生长的最佳补光量为：

                                 （4）

上式中：是作物生长的最佳补光量；是作物的光饱和点；为光合有效辐射。

10.根据权利要求7所述的控制方法,其特征在于：其中光照控制成本模型如下：

                            （5）

上式中：是系统的控制总成本；是遮阳网卷帘机的动作状态，为动作，为无动作；、分别为卷帘机和补光灯的额定功率；是电能单价；是卷帘机每动作一次所需的时间；是补光灯连续开启时间。