CN109213240A - 一种基于自适应控制的草莓大棚无线监测与控制系统 - Google Patents

一种基于自适应控制的草莓大棚无线监测与控制系统 Download PDF

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马凤英
尹燕凯
于文志
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    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D27/00Simultaneous control of variables covered by two or more of main groups G05D1/00 - G05D25/00
    • G05D27/02Simultaneous control of variables covered by two or more of main groups G05D1/00 - G05D25/00 characterised by the use of electric means

Abstract

本发明涉及农作物种植技术领域,尤其涉及一种基于自适应控制的草莓大棚无线监测与控制系统,可实现大棚内草莓生长环境的多环节精确控制。本发明包括传感器、云平台与上位机,所述传感器为多个,传感器通过总线网络并转发至云平台,云平台数据与上位计算机同步,所述上位机中存储控制方法与预设参数,还包括调节装置,所述调节装置受上位机控制;所述控制方法包括自适应Smith预估控制、自适应内模控制与简单开关量控制。传感器可将大棚内测得数据上传至云平台,上位机可通过预设参数与测得数据的对比调节大棚环境,通过自适应Smith预估控制、自适应内模控制与简单开关量控制三种不同方式调节针对不同参数进行调节。

Description

一种基于自适应控制的草莓大棚无线监测与控制系统
技术领域
本发明涉及农作物种植技术领域,尤其涉及一种基于自适应控制的草莓大棚无线监测与控制系统。
背景技术
我国是农业大棚使用最早的国家之一,早在2000多年以前就已经利用各种保护措施来保护农作物的生长,这可以看作最早的农业大棚,直到20世纪60年代,我国的农业设施一直处于低水平,发展极为缓慢的状况。20世纪70年代,地膜覆盖技术传入中国,对农作物的保温起到了一定的作用。20世纪80年代,国内出现了日光温室和塑料大棚,90年代开始,我国的农业大棚技术有了显著地提高,国家科研项目陆续启动,在不断借鉴吸收国外先进技术的基础上,发展适合国内情形的农业大棚技术,设施面积和水平不断提高。现如今,农业大棚的发展经历了塑料大棚,大型玻璃温室,现代温室三个发展阶段,由于农作物及生产成本需求不同,至今,各个阶段不同类型的农业大棚均存在。目前我国大棚农业面积已达300多万hm2,占据世界首位,农作物产量已超亿吨,地方各级政府也将大棚农业作为发展现代农业的切入点,并在全国各地建立了农业示范区。
近年来,虽然我国的农业大棚技术有了明显的提高,但是相比于欧美等发达国家,仍处于技术落后的状态。以荷兰为代表的欧美国家大棚设施模大、自动化程度高、生产效率高,农业大棚内的光、水、气、肥等均实现了智能化控制;以色列的现代化温室可根据作物对环境的不同要求,通过计算机对内部环境进行自动监测和调控,实现农作物全天候、周年性的高效生产;美国、日本等国还推出了代表当今世界最先进水平的全封闭式生产体系,即应用人工补充光照、采用网络通讯技术和视频技术进行温室环境的远程控制与诊断、由机械人或机械手进行移栽作业的“植物工厂”,大大提高了劳动生产率和产品产出率。
目前我国农业大棚训在的主要问题是:
中国的大棚建设无论是在大棚设施本身还是在栽培管理方面,大多数结构简单,对环境的调节和控制十分有限,并多以传统的经验为主,距离数量化和指标化的要求还有相当大的差距,在控制系统上的理论缺乏,也导致了设备运行费用过高。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供一种基于自适应控制的草莓大棚无线监测与控制系统,可实现大棚内草莓生长环境的多环节精确控制。
为了实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种基于自适应控制的草莓大棚无线监测与控制系统,包括传感器、云平台与上位机,所述传感器为多个,传感器通过总线网络并转发至云平台,云平台数据与上位计算机同步,所述上位机中存储控制方法与预设参数,还包括调节装置,所述调节装置受上位机控制;
所述控制方法包括自适应Smith预估控制、自适应内模控制与简单开关量控制。
传感器可将大棚内测得数据上传至云平台,上位机可通过预设参数与测得数据的对比调节大棚环境,通过自适应Smith预估控制、自适应内模控制与简单开关量控制三种不同方式调节针对不同参数进行调节。
优选地,所述传感器包括温度传感器,湿度传感器,光照传感器,风速传感器,二氧化碳传感器与臭氧传感器中的一种或多种。上述传感器可对大棚内关键参数进行监测。
优选地,所述温度传感器包括多个,相邻温度传感器之间水平距离间隔20米,在大棚中央离地高度2米处设置一个,其余设置在离地高度1.5米-2米位置。温度传感器需要均匀设置,以保证测得的数据更加准确。
优选地,所述调节装置包括温度控制模块、湿度控制模块、鼓风机、遮阳板、臭氧发生器与滴灌系统中的一种或多种。温度控制模块用于改变大棚内温度,湿度控制模块用于改变大棚内湿度,鼓风机用于调节大棚内风速,遮阳板用于调节光照,臭氧发生器由于调节臭氧含量,滴灌系统用于灌溉。
优选地,所述预设参数包括温度参数:
显蕾前,白天温度保持在24-30℃,夜间保持在8-10℃;
显蕾期,白天保持在25-28℃,夜间8-12℃;
开花期,白天保持在22-25℃,夜间8-12℃;
开花期在零下2℃以上;
果实膨大期和成熟期,白天保持在20-25℃,夜间8-12℃;
所述预设参数还包括湿度参数,湿度在40%-50%。
草莓所需装置环境较为苛刻,需要设置必要的相关参数以保证草莓的合理生长。
优选地,所述自适应Smith预估控制用于温度控制,根据温度传感器数据进行计算,自适应Smith预估控制用于温度控制包括对象参数的预估环节,其数学模型为
y(t)=a*y(t-1)+b*u(t-k)+cξ(t)
其中a*、b*分别为被控对象以及控制输出的系数,c为噪声扰动系数,k为纯迟延,y(t-1)为前一个采样周期的对象输出,u(t-k)为控制输出,ξ为噪声扰动;
草莓大棚温度数学模型为带时滞的一阶惯性环节,其数学模型为:
其中,15为比例增益,1750s为时间常数,200s为纯迟延时间。
优选地,所述自适应内模控制用于湿度控制,根据湿度传感器数据进行计算,其中湿度控制系统的模型为
控制器数学模型为
大棚湿度控制的数学模型为:
其中,18为比例增益,1925s为时间常数,260s为纯迟延时间。
优选地,所述简单开关量控制为直接通过开关电平直接控制鼓风机,臭氧发生器的开闭。
优选地,所述传感器将数据汇聚在一点,连接在传感器集中器上,传感器集中器通过GPRS网关连接云平台。传感器数据可集中传送,信息收集效率高。
优选地,还包括远程终端,所述远程终端与云平台连接。远程终端可以是手机等常见设备,用于接收大棚内的实时数据或发送指令。
本发明具有以下有益效果:
1.对大棚内多参数统一收集与控制,提高了使用效率;
2.根据不同参数,采用不同的控制方式进行差别控制,确保了每一种参数均能得到有效控制;
3.自适应Smith预估控制与自适应内模控制针对温湿度做出特殊控制改进,确保了计算的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的系统结构示意图;
图2为本发明自适应控制系统结构图;
图3为具有自适应功能的Smith预估控制器结构图;
图4自适应内模控制系统结构图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
如图1-图4所示,本发明实施例提供的一种基于自适应控制的草莓大棚无线监测与控制系统,
本系统包括传感器、云平台(即云服务器)与上位机。传感器设置多个,并通过基站将采集的信息发送至云平台,并与上位机同步,上位机中储存草莓生长所需环境的预设参数即控制方法。
传感器的放置。本系统由数量众多的低能源、低功耗的智能传感器节点组成系统的信息获取模块,立足于草莓生长最需要的温度,湿度,光照,CO2,臭氧等因素的实时监测,为草莓的生长保驾护航。由于草莓大棚内不同位置受光照不同,温湿度也会有所不同,为更加精确的测量棚内平均温度,以100米的大棚为例,将采用五个温度传感器,分别放置在棚内的不同位置,传感器1放置在棚内正中央,高度离地约两米;其他传感器水平方向均匀分布,高度均在1.5米至2米。风速传感器分别放置于草莓大棚的出风口和进风口。
本发明运用成熟的信息获取、传输和处理技术能够协同地实时监控、感知和采集各种环境或监测对象的信息,通过总线网络汇聚到GPRS网关,并由网关转发至云平台实现,实现数据的完整保存与预览,在保证数据保存安全性,与传输时效性的同时大大降低了系统的成本。
本发明中的上位机软件可以查询到过去时间内的各项参数的历史纪录,并以图形的形式展示出来,为草莓生产、科学种植提供数据支撑,监测数据超出设定范围时,系统会执报警的操作,报警数据通过短信的方式发送到使用者的手中,提醒使用者对大棚进行相关操作。
本发明使用者也可以根据经验,将传感器放置在大棚内适宜的高度,根据大棚面积的大小,选取传感器数量,根据大棚内部结构,以及光照强弱等情况,将传感器非均匀分布在合理位置。将传感器通过RS485总线进行组网,各个传感器将数据汇聚在一点,连接在传感器集中器上,线缆放置,应当遵循不影响草莓采光,生长,线缆长度最短等原则。传感器集中器应当选择具有GPRS功能的,通过GPRS将数据传送至云端。
本发明中的传感器及控制装置包括温度传感器,湿度传感器,光照强度传感器,风速传感器,二氧化碳传感器,臭氧传感器,鼓风机,遮阳板,臭氧发生器,滴灌系统等。
本发明中控制参数的预设值为科学种植及经验所得。温度设置:显蕾前,白天温度保持在24-30℃;夜间保持在8-10℃。显蕾期,白天保持在25-28℃,夜间8-12℃。开花期,白天保持在22-25℃,夜间8-12℃;开花期草莓若经历零下2℃以下的低温,会出现雄蕊花药变黑,雌蕊柱头变色现象,严重影响授粉受精和草莓前期产量。果实膨大期和成熟期,白天保持在20-25℃,夜间8-12℃,此时若大棚内部室温过高,果实膨大会受影响,造成果实着色快、成熟早,但果实体积小,品质差。其生长适温为15-25℃。湿度设置:草莓的整个生长期都要尽可能降低大棚内部的湿度,湿度过大时会导致草莓的腐烂,开花期,草莓大棚内部的湿度应当控制在40%-50%。光照设置:12小时以下的光照可以促进花芽分化,长时间日照可以促进草莓的发育。使用者也可根据需要自行设定控制目标。
如图2所示,本发明的自适应控制方法是基于预设参数以及草莓大棚内部实时数据进行调节,多种控制方法同时使用,在设定值控制的基础上采用具有自适应功能的Smith预估控制和自适应内模控制,根据控制的目标进行选择,并根据由传感器测得的信息逐渐调整设定值。
如图3所示,为了解决普通Smith预估控制器不能对被控对象的时滞,过渡过程时间变增益大等情况进行完全补偿增加了一个对象参数预估环节,在本系统中,采用此方法进行大棚温度的控制,其中,具有纯时延的一节数学模型为
y(t)=a*y(t-1)+b*u(t-k)+cξ(t)
其中a*、b*分别为被控对象以及控制输出的系数,c为噪声扰动系数,k为纯迟延,y(t-1)为前一个采样周期的对象输出,u(t-k)为控制输出,ξ为噪声扰动。对此系统采用递推增广最小二乘法建模,设置未知参数向量为
θT=[a*,b*,c]=[θ1,θ2,θ3]
t时刻θ的最小二乘估计发估值为
设初值θ0=0,p(0)=αI,其中α为很大的正数,I为单位矩阵,初始条件为
y(-1)=u(-1)=ξ(-1)=0
由上式可以得出
其中K*=b*、T=a*、τ=k
以草莓大棚为例,根据现场试验与分析,草莓大棚温度数学模型为带时滞的一届惯性环节,其数学模型为:
其中,15为比例增益,1750s为时间常数,200s为纯迟延时间。实验表明,本发明所提出使用的控制方法无论超调量还是调节时间都明显小于普通PID控制。
如图4所示,对草莓大棚中湿度控制这种模型要求高,控制不好会导致重大事故的情况采用自适应内模控制,有结构简单,在线调节参数少,鲁棒性强的优点。其中自适应律中的修正步长不是固定的,可根据控制系统的情况随时调整,并根据内模参数随时整定控制器的参数,用以提高控制系统的鲁棒性。设湿度控制系统的模型为
控制器数学模型为
在草莓大棚中,影响大棚内部湿度的因素有很多,在确定减少滴灌水为控制量后,最主要的干扰是通风时风量的变化,为了保证大棚内部湿度稳定,必须及时做出改变,平衡这些干扰。以实验中采用的草莓大棚为例,根据现场试验,大棚湿度控制的数学模型为:
其中,18为比例增益,1925s为时间常数,260s为纯迟延时间。
实验表明,本发明所提出使用的控制方法可以极大地提高草莓大棚湿度控制这种大滞后系统的鲁棒性。
对于光照,臭氧等控制参数采用简单开关量控制的方法,节约了系统资源,简单易用。
本发明的突出之处在于,提出了一种全新的自适应控制方法并将其成功应用在草莓大棚无线检测与控制系统中,并发明了一种全方位,多参数的草莓大棚监测系统,可以使使用者更加轻易地获得大棚内部的各个生长要素及其变化趋势,对草莓等农作物新产品的研发具有重要指导意义,同时可作为其他影响因素研究的参考指标。并且本发明将人类劳动力从复杂的实验中解放出来,使得使用者可以在同样的时间做更多的事,得到更多的信息,补足了传统草莓大棚监测过程中浪费人力,数据采集效率低下的不足,具有较强的实用价值。此外,本发明具有硬件及软件算法的支撑,结构简单,具有稳定性高,推广性强的特点,可被移植到其他工业控制当中。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例,毋庸置疑,对于本领域的普通技术人员,在不偏离本发明的精神和范围的情况下,可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此,上述附图和描述在本质上是说明性的,不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种基于自适应控制的草莓大棚无线监测与控制系统,其特征在于,包括传感器、云平台与上位机,所述传感器为多个,传感器通过总线网络并转发至云平台,云平台数据与上位计算机同步,所述上位机中存储控制方法与预设参数,还包括调节装置,所述调节装置受上位机控制;
所述控制方法包括自适应Smith预估控制、自适应内模控制与简单开关量控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于自适应控制的草莓大棚无线监测与控制系统,其特征在于,所述传感器包括温度传感器,湿度传感器,光照传感器,风速传感器,二氧化碳传感器与臭氧传感器中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的一种基于自适应控制的草莓大棚无线监测与控制系统,其特征在于,所述温度传感器包括多个,相邻温度传感器之间水平距离间隔20米,在大棚中央离地高度2米处设置一个,其余设置在离地高度1.5米-2米位置。
4.根据权利要求1所述的一种基于自适应控制的草莓大棚无线监测与控制系统,其特征在于,所述调节装置包括温度控制模块、湿度控制模块、鼓风机、遮阳板、臭氧发生器与滴灌系统中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种基于自适应控制的草莓大棚无线监测与控制系统,其特征在于,所述预设参数包括温度参数:
显蕾前,白天温度保持在24-30℃,夜间保持在8-10℃;
显蕾期,白天保持在25-28℃,夜间8-12℃;
开花期,白天保持在22-25℃,夜间8-12℃;
开花期在零下2℃以上;
果实膨大期和成熟期,白天保持在20-25℃,夜间8-12℃;
所述预设参数还包括湿度参数,湿度在40%-50%。
6.根据权利要求2所述的一种基于自适应控制的草莓大棚无线监测与控制系统,其特征在于,所述自适应Smith预估控制用于温度控制,根据温度传感器数据进行计算,自适应Smith预估控制用于温度控制包括对象参数的预估环节,其数学模型为
y(t)=a*y(t-1)+b*u(t-k)+cξ(t)
其中α*、b*分别为被控对象以及控制输出的系数,c为噪声扰动系数,k为纯迟延,y(t-1)为前一个采样周期的对象输出,u(t-k)为控制输出,ξ为噪声扰动;
草莓大棚温度数学模型为带时滞的一阶惯性环节,其数学模型为:
其中,15为比例增益,1750s为时间常数,200s为纯迟延时间。
7.根据权利要求2所述的一种基于自适应控制的草莓大棚无线监测与控制系统,其特征在于,所述自适应内模控制用于湿度控制,根据湿度传感器数据进行计算,其中湿度控制系统的模型为
控制器数学模型为
大棚湿度控制的数学模型为:
其中,18为比例增益,1925s为时间常数,260s为纯迟延时间。
8.根据权利要求4所述的一种基于自适应控制的草莓大棚无线监测与控制系统,其特征在于,所述简单开关量控制为直接通过开关电平直接控制鼓风机,臭氧发生器的开闭。
9.根据权利要求1所述的一种基于自适应控制的草莓大棚无线监测与控制系统,其特征在于,所述传感器将数据汇聚在一点,连接在传感器集中器上,传感器集中器通过GPRS网关连接云平台。
10.根据权利要求1所述的一种基于自适应控制的草莓大棚无线监测与控制系统,其特征在于,还包括远程终端,所述远程终端与云平台连接。
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