CN106920174A - 一种温室加温控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的温室加温控制系统及方法，依托温室加温控制系统进行数据采集及运算，所述温室加温控制系统的包括检测系统、中央处理器及调节装置，在中央处理器中建立一个初始温室温度模型,通过对植物光合速率、植物的动态经济性、温室气温、外界气温、外界风速、温室地温、温室气温及温室热特性经验参数,对建立的温度模型的参数进行优化调整,得到温室环境的动态模型，进而得到精确的温度阀值，利用实时采集的数据与所需的温度阀值进行比较，通过温度控制系统进行加温操作。与现有技术相比，通过温室内复杂因素的运算，实现农作物生长的精确控制，对于精品农作物的培育与生长有着重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及农业技术领域，具体地说就是一种温室内精确加温的控制系统及方法。
背景技术
现代化温室是设施农业的典型代表，它采用覆盖材料形成了一个与外界环境相隔离的特殊小气候环境。影响温室小气候环境的因子有太阳辐射、温度、湿度、浓度和通风状况等，其中，温度是影响温室小气候环境的主导因子之一，建立良好的温室温度控制系统，对于减少能量损耗，促进植物生长具有十分重要的意义，进行温室环境精准控制是一个非常重要也非常困难的课题。一方面,因为温室环境中温度、湿度、二氧化碳含量、光照等因素之间是相互作用的,而且,作物的生长也影响着环境因子，温室环境是多变量祸合、时变、非线性的复杂系统。另一方面,温室环境的调控手段有限,主要是通过通风、遮阳网遮阳或者保温、喷雾、加热等方法，因此要实现现代温室的精温度准控制，需要建立温室温度控制系统前需对其采集的数据进行建模及动态预测仿真。
在温室内温度影响因素计算时，需要建立一个初始模型,利用系统检测数据或者实际运行数据进行运算,对建立的模型中的参数进行调整,最后得到温室环境的定量模型，根据动态的数据变化情况，进而设定合理的温度阀值并根据阀值范围进行实时调整，从而较好地描述温室中各环境因子的关系,并通过温度控制系统进行温度调节，实现农作物生长的精确控制，对于农作物的培育与研究都有真重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种温室加温控制系统及方法，通过系统辨识法建立优化的数学模型，实现温室内植物育苗温度的精确测算与实现，在复杂多变的温室环境中实现农作物精准培养。
系统辨识法是系统建模中常用的方法，它依据输入和输出数据构建一个静态或动态系统的数学模型，既适用于线性系统，也适用于非线性系统辨识，由于模型结构简单、鲁棒性强，辨识精度，应用模型对农业温室环境系统的温度建模和仿真，分析监测到的温室内外数据，运用相关性分析和相关性显著检验，确定了温度、太阳辐射强度和风速是影响温室内温度的主要因子，然后运用残差分析法辨识模型的结构，利用递推最小二乘算法确定模型的参数，并通过试验验证模型的正确性。选取气象环境条件中对温室温度影响明显的因子作为输入量，影响不大的量应排除在外。
本发明的技术方案首先通过大量的观测资料，基于数理统计的方法，确定相关系数，通过作用系数明确表现出环境影响因子与室内温度之间的相关关系程度，然后通过相关系数显著性检验，最终确定建模所需的输入量，并利用数据的动态特性及等价准则，建立具体辨识算法的依据和优化模型的目标。等价准则通常被表示成某种误差的泛数，受辨识目的、辨识方法等因素影响，通常可记作：
其中，f(.)是的函数，ε(k)是定义在区间(0，L)上的误差函数，它应该被广义的理解为模型与实际系统的误差，一般函数的定义为误差的平方，即：
f(ε(k))＝ε2(k)
根据系统辨识的目的，结合系统的先验知识，选择模型类和辨识准则，并设计辨识实验，得到观测数据，然后根据辨识三要素进行模型估计，最后得到辨识模型，在验证模型的正确性后确认模型。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种温室加温控制方法，包括:
S1、利用系统辨识法，以监测中心的历史监测数据及累积的温室热特性经验参数等基础数据；建立温室温度初始模型；
S2、在步骤S1的基础模型基础上，结合温室照度测量数据，建立温室昼间光和速率寻优曲线，确定最优光合速率的气温动态阈值，完善初始模型；
S3、在步骤S2的模型基础上，利用温室昼间实际栽培阶段的历史数据进行修正，确定修正后气温动态阈值，完善温室气温动态阈值的模型；
S4、在步骤S3的模型基础上，综合考虑结合植物培育投入及产出市场价值的经济性，对温室气温动态模型进行经济因子加权修正，完善温室气温动态阈值的模型；
S5、在步骤S4中模型建立完成后，将监测中心实时测得的监测数据及温室热特性经验参数，输入步骤S4中的数学模型中，最终获得某时刻的最优温度阀值。
S6、启动温度调节逻辑程序，结合温度调节系统的启动滞后系数，启动相应的加温调节设备，完成加温温度调节。
作为优化，在步骤S1中的所述的监测数据包括采集的温室气温、外界气温、外界风速、温室地温、温室气温等数值；所述的温室热特性经验参数包括温室内外温差作用系数、温室加温外界风速作用系数、温室加温地温作用系数。
作为优化，所述的步骤S2中的温室照度，通过数据采集卡和光照传感器对温室中的光照进行采集，数据采集卡将照度数据发送至数据模型中。
作为优化，所述的步骤S2中的光和速率寻优曲线，利用密闭小室内光照强度与二氧化碳吸收释放的关系以及复杂温室24小时室内二氧化碳吸收释放的变化，确定光合作用最佳速率时候的光照强度。
作为优化，在步骤S2中的温室热特性经验参数通过长期积累的温室采集点数据与其他相关因素数据之间的关系，确定温室内外温差作用系数，温室加温外界风速作用系数：温室加温地温作用系数。
相关作用系数的数学表达式为：
表达式中，cov(X,Y)为的协方差；D(X)和D(X)分别为的方差；ρxy为表征之间线性关系紧密程度的量。当ρxy较大时，之间的线性相关程度较好，反之则较差。一般根据ρxy的数值大小，将相关程度分为四个等级，分别为：当0＜ρxy≤0.3时表示之间低度相关，当0.3＜ρ≤0.7时，表示之间中度相关，当0.7＜ρ≤1时，表示间高度相关。
作为优化，在步骤S5中的所述的监测数据包括采集的温室气温、外界气温、外界风速、温室地温、温室气温等数值。
作为优化，所述的步骤S6中的温度调节逻辑程序，可以根据温室内不同区域的温差情况，分别驱动不同位置的温度调节装置，按照不同的时间及温度要求进行控制。
一种温室加温控制系统，包括检测系统、中央处理器及调节装置，所述的检测系统包括温室气温检测模块、外界气温检测模块、外界风速检测模块、温室地温检测模块、温室气温检测模块，所述的中央处理器用于构架及运行温室环境的数据模型，所述检测系统中央处理器通过有线或者无线的方式传输数据，所述的调节装置包括加温装置，所述的调节装置与中央处理器通过有线或无线的方式数据传输。
作为优化，所述的检测系统通过ZigBee技术无线通信技术传输数据。
作为优化，所述的调节装置与中央处理器通过ZigBee技术无线通信技术传输数据。
作为优化，所述的调节装置还包括语音提示系统，用于在进行温度调节操作时提醒工作人员检查温度调节设备的工况。
本发明的有益效果：本发明的一种温室加温控制系统及方法，建立一个初始模型,通过对植物光合速率、植物的动态经济性、温室气温、外界气温、外界风速、温室地温、温室气温及温室热特性经验参数的因素运算,对建立的温度模型的参数进行优化调整,最后得到温室环境的动态模型，进而得不同时刻的温度阀值，利用实时采集的数据与所需的温度阀值进行比较，通过温度控制系统进行加温操作，实现农作物生长的精确控制，对于精品农作物的培育与生长有着重要的意义。
附图说明
图1为本发明的加温控制系统流程图；
图2为本发明加温控制系统的硬件组成图；
其中，1检测装置、2中央处理器、3调节装置。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
系统辨识法是系统建模中常用的方法，它依据输入和输出数据构建一个静态或动态系统的数学模型，既适用于线性系统，也适用于非线性系统辨识，由于模型结构简单、鲁棒性强，辨识精度高，应用模型对农业温室环境系统的温度建模和仿真，首先分析监测到的温室内外数据，运用相关性分析和相关性显著检验，确定了温度、太阳辐射强度和风速是影响温室内温度的主要因子，然后运用残差分析法辨识模型的结构，利用递推最小二乘算法确定模型的参数，并通过试验验证模型的正确性。选取气象环境条件中对温室温度影响明显的因子作为输入量，影响不大的量应排除在外，以免模型过于复杂，失去它的使用价值。本发明的技术方案首先通过大量的观测资料，基于数理统计的方法，确定相关系数，通过相互作用系数明确表现出环境影响因子与室内温度之间的相关关系程度，然后通过相关系数显著性检验，最终确定建模所需的输入量，并利用数据的动态特性及等价准则，建立具体辨识算法的依据和优化模型的目标。
等价准则通常被表示成某种误差的泛数，受辨识目的、辨识方法等因素影响，通常可记作：
其中，f(.)是的函数，ε(k)是定义在区间(0，L)上的误差函数，它应该被广义的理解为模型与实际系统的误差，一般函数的定义为误差的平方，即：
f(ε(k))＝ε2(k)
根据系统辨识的目的，结合系统的先验知识，选择模型类和辨识准则，并设计辨识实验，得到观测数据，然后根据辨识三要素进行模型估计，最后得到辨识模型，在验证模型的正确性后确认模型。
一种温室加温控制方法，包括:
S1、利用系统辨识法，以监测中心的历史监测数据及累积的温室热特性经验参数等数据基础，建立温室温度初始模型；
所述的监测数据包括采集的温室气温、外界气温、外界风速、温室地温、温室气温等数值；所述的温室热特性经验参数包括温室内外温差作用系数、温室加温外界风速作用系数、温室加温地温作用系数。
所述的温室热特性经验参数通过长期积累的温室采集点数据与其他相关因素数据之间的关系，确定温室内外温差作用系数，温室加温外界风速作用系数，温室加温地温作用系数。
温室加温内外温差作用系数，利用一年内温室内外温差与温室加温时后的实际温度的数据对比，形成相互的作用系数；温室加温外界风速作用系数，利用一年内的观测数据，得到外界风速与温室加温后实际温度的数据对比，得到外界风速在温室加温时的作用系数；温室加温地温作用系数，利用一年内的观测数据，得到外界风速与温室加温后实际温度的数据对比，得到外界风速在温室加温时的作用系数。
相关作用系数的数学表达式为：
表达式中，cov(X,Y)为的协方差；D(X)和D(X)分别为的方差；ρxy为表征之间线性关系紧密程度的量。当ρxy较大时，之间的线性相关程度较好，反之则较差。一般根据ρxy的数值大小，将相关程度分为四个等级，分别为：当0＜ρxy≤0.3时表示之间低度相关，当0.3＜ρ≤0.7时，表示之间中度相关，当0.7＜ρ≤1时，表示间高度相关。
S2、在步骤S1的基础模型基础上，结合温室照度测量数据，建立温室昼间光和速率寻优曲线，确定最优光合速率的气温动态阈值，完善初始模型；
温室照度，通过数据采集卡和光照传感器对温室中的光照进行采集，数据采集卡将照度数据发送至中央处理器的模型中。
所述的步骤S2中的光和速率寻优曲线，利用密闭小室内光照强度与二氧化碳吸收释放的关系以及复杂温室24小时室内二氧化碳吸收释放的变化，确定光合作用最佳速率时候的光照强度。
S3、在步骤S2的模型基础上，利用温室昼间实际栽培阶段的历史数据进行修正，确定修正后气温动态阈值，完善温室气温动态阈值的模型；
S4、在步骤S3的模型基础上，综合考虑结合植物培育投入及产出市场价值的经济性，对温室气温动态模型进行经济因子加权修正，完善温室气温动态阈值的模型；
S5、在步骤S4中模型建立完成后，将监测中心实时测得的监测数据及温室热特性经验参数，输入步骤S4中的数学模型中，获得某时刻的最优温度阀值。
在步骤S5中的所述的监测数据包括采集的温室气温、外界气温、外界风速、温室地温、温室气温等数值，通过集合式的农业监测数据系统。
S6、启动温度调节逻辑程序，结合温度调节系统的启动滞后系数，启动相应的加温调节设备，完成加温温度调节。
所述的步骤S6中的温度调节逻辑程序，可以根据温室内不同区域的温差情况，分别驱动不同位置的温度调节装置，按照不同的时间及温度要求进行控制。
所述的温度调节系统的启动滞后系数是温度调节系统从接到启动信号后到得到额定工作效率存在的迟滞时间系数。
温室加温控制方法依托温室加温控制系统实现，所述温室加温控制系统包括检测系统1中央处理器2及调节装置3，所述的检测系统1包括温室气温检测模块、外界气温检测模块、外界风速检测模块、温室地温检测模块、温室气温检测模块，所述的中央处理器用于构架温室环境的数据模型，所述的检测系统1与中央处理器2通过ZigBee技术无线通信技术传输数据，所述的调节装置3包括加温装置，所述的调节装置3与中央处理器2通过ZigBee技术无线通信技术传输数据。
所述的调节装置3还包括语音提示系统，用于在进行温度调节操作时提醒工作人员检查温度调节设备的工况。
本技术方案通过建立一个初始模型,通过对植物光合速率、植物的动态经济性、温室气温、外界气温、外界风速、温室地温、温室气温及温室热特性经验参数,对建立的温度模型的参数进行优化调整,最后得到温室环境的动态模型，进而得到精确的温度阀值，利用实时采集的数据与所需的温度阀值进行比较，通过温度控制系统进行加温操作，实现农作物生长的精确控制，对于精品农作物的培育与生长有着重要的意义。
以上显示和描述了本实发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种温室加温控制方法，步骤包括:
S1、利用系统辨识法，以监测中心的历史监测数据及累积的温室热特性经验参数等基础数据，建立温室温度初始模型；
S2、在步骤S1的基础模型上，结合温室照度测量数据，建立温室昼间光和速率寻优曲线，确定最优光合速率的气温动态阈值，完善温室温度初始模型；
S3、在步骤S2的模型基础上，利用温室昼间实际栽培阶段的历史数据进行修正，确定修正后气温动态阈值，完善温室气温动态阈值的模型；
S4、在步骤S3的模型基础上，综合考虑结合植物培育投入及产出市场价值的经济性，对温室气温动态模型进行经济因子加权修正，完善温室气温动态阈值的模型；
S5、在步骤S4模型建立完成后，将监测中心实时测得的监测数据及温室热特性经验参数，输入步骤S4中的数学模型中，获得某时刻的最优温度阀值。
S6、启动温度调节逻辑程序，结合温度调节系统的启动滞后系数，启动相应的加温调节设备，完成加温温度调节。
2.根据权利要求1所述的一种温室加温控制方法，其特征在于:在步骤S1中的所述的监测数据包括采集的温室气温、外界气温、外界风速、温室地温、温室气温等数值；所述的温室热特性经验参数包括温室内外温差作用系数、温室加温外界风速作用系数、温室加温地温作用系数。
3.根据权利要求1所述的一种温室加温控制方法，其特征在于:所述的步骤S2中的温室照度，通过数据采集卡和光照传感器对温室中的光照进行采集，数据采集卡将照度数据发送至数据模型中。
4.根据权利要求1所述的一种温室加温控制方法，其特征在于:所述的步骤S2中的光和速率寻优曲线，利用密闭小室内光照强度与二氧化碳吸收释放的关系以及复杂温室24小时室内二氧化碳吸收释放的变化数据，确定光合作用最佳速率时候的光照强度。
5.根据权利要求1所述的一种温室加温控制方法，其特征在于:在步骤S2中的温室热特性经验参数通过长期积累的温室采集点数据与其他相关因素数据之间的关系，确定温室内外温差作用系数，温室加温外界风速作用系数，温室加温地温作用系数。
相关作用系数的数学表达式为：
表达式中，cov(X,Y)为的协方差；D(X)和D(X)分别为的方差；ρxy为表征之间线性关系紧密程度的量。当ρxy较大时，之间的线性相关程度较好，反之则较差。一般根据ρxy的数值大小，将相关程度分为四个等级，分别为：当0＜ρxy≤0.3时表示之间低度相关，当0.3＜ρ≤0.7时，表示之间中度相关，当0.7＜ρ≤1时，表示间高度相关。
6.根据权利要求1所述的一种温室加温控制方法，其特征在于:在步骤5中的所述的监测数据包括采集的温室气温、外界气温、外界风速、温室地温、温室气温。
7.根据权利要求1所述的一种温室加温控制方法，其特征在于:所述的步骤6中的温度调节逻辑程序，可以根据温室内不同区域的温差情况，分别驱动不同位置的温度调节装置，按照不同的时间及温度要求进行控制。
8.一种温室控制系统，包括检测系统、中央处理器及调节装置，所述的检测系统包括温室气温检测模块、外界气温检测模块、外界风速检测模块、温室地温检测模块、温室气温检测模块，所述的中央处理器用于构架及运行温室环境的数据模型，所述检测系统与中央处理器通过有线或者无线的方式传输数据，所述的调节装置包括加温装置，所述的调节装置与中央处理器通过有线或无线的方式数据传输。
9.根据权利要求8所述的一种温室加温控制系统，其特征在于:所述的检测系统与中央处理器通过ZigBee技术无线通信技术传输数据；所述的调节装置与中央处理器通过ZigBee技术无线通信技术传输数据。
10.根据权利要求8所述的一种温室加温控制系统，其特征在于:所述的调节装置还包括用于在进行温度调节操作时提醒工作人员检查温度调节设备的语音提示系统，。
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