CN110047011A - 一种设施园艺无公害生产臭氧灭菌杀虫装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种设施园艺无公害生产臭氧灭菌杀虫装置，所述装置主要由基于无线传感器网络的环境参数采集平台、设施栽培环境下作物发病率预测模型以及设施环境臭氧智能控制决策模型三部分组成；系统通过持续监测栽培环境信息，通过温度、湿度及其持续时间预测发病率，根据发病率智能控制臭氧的浓度和维持的时间，实现设施栽培臭氧应用的智能化和自动化，解决了目前生产上臭氧应用控制中存在的主观性强、随意性大、防治效果不稳定等问题。
Description
技术领域
本发明涉及农业自动控制技术领域，具体涉及一种设施园艺无公害生产臭氧灭菌杀虫装置。
背景技术
设施栽培丰富了人们的菜篮子，特别是保障冬季的蔬菜供应，在国民经济中占有重要地位，得到了大面积的发展，2017年时我国的设施园艺种植总面积已达370万公顷。
设施栽培环境低温、高湿、寡日照病虫害发生严重，且品种单一，生态系统脆弱。设施环境为病虫害的发生和相互传播提供了便利条件，霜霉病、白粉病、灰霉病、晚疫病、早疫病、青枯病、枯萎病、猝倒病、病毒病等病害发生严重、发生频繁。目前我国物理防治和生物防治推广面积小，生产中仍以化学防治为主。市面农药品种多，农户习惯性的凭经验用药甚至是乱用药，往往出现病虫害防治效果差，导致频繁用药，既提高生产成本，又污染农产品影响食品安全，甚至造成菜农农药中毒。
臭氧是一种强氧化剂，可有效杀灭真菌、细菌、病毒等微生物以及昆虫，具有广谱、高效、快速和不留死角的独特杀菌特点。作用机理是通过强氧化作用破坏生物的膜结构，进而破坏膜内脂蛋白和脂多糖，改变膜的通透性，使细胞溶解死亡。对于病毒，臭氧可直接作用于外壳蛋白，从而破坏其DNA或RNA。利用臭氧代替农药防治农业病虫害已取得初步成效，臭氧具有杀菌效果好，无残留的特点，可作为一种环境友好型灭菌杀虫剂使用。在内蒙古、山西、新疆等地区应用臭氧防治温室黄瓜、彩椒、茄子等作物的病害。
但现有的应用，在设施环境中臭氧浓度及其释放时间的控制较随意，大部分靠操作人员的经验判断，导致臭氧浓度控制不精确，影响防治效果。
发明内容
本发明提供了一种设施园艺无公害生产臭氧灭菌杀虫装置，系统通过持续监测栽培环境信息，通过温度、湿度及其持续时间预测发病率，根据发病率智能控制臭氧的浓度和维持的时间，实现设施栽培臭氧应用的智能化和自动化，解决了目前生产上臭氧应用控制中存在的主观性强、随意性大、防治效果不稳定等问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种设施园艺无公害生产臭氧灭菌杀虫装置，所述控制系统主要由基于无线传感器网络的环境参数采集平台、设施栽培环境下作物发病率预测模型以及设施环境臭氧智能控制决策模型三部分组成，并通过以下步骤实现：
步骤1)、通过环境参数采集平台实时监测设施栽培环境的温度、相对湿度，生成温度和相对湿度的时间序列，依据温湿度对作物病原微生物生长繁殖的影响规律，构建设施栽培环境下作物发病率预测模型，预测的发病率作为调控臭氧浓度和臭氧持续时间的依据；
步骤2)、以步骤1)预测的发病率为参数，构建设施环境臭氧智能控制决策模型，设施环境臭氧智能控制决策模型决策生成杀菌时所需的臭氧浓度以及臭氧在该浓度下所需持续的时间，设施环境臭氧智能控制决策模型以Slogistic曲线为原型进行构建；
步骤3)、耦合步骤1)构建的设施栽培环境下作物发病率预测模型和步骤2)构建的设施环境臭氧智能控制决策模型，根据基于无线传感器网络的环境参数采集平台监测的环境温度、相对湿度信息预测作物的发病率，进而生成臭氧浓度和持续时间的控制指令，最终通过臭氧传感器控制臭氧发生器工作。
本发明进一步技术改进方案是：
所述基于无线传感器网络的环境参数采集平台由检测节点、控制节点和现场监控端组成，以自组织方式通过无线通信模块LoRa SX1276构建成环境参数采集与智能检测平台，实现对环境参数检测、调节和监控。
本发明进一步技术改进方案是：
所述检测节点分别由传感器组模块、单片机MSP430和无线通信模块LoRa SX1276组成，传感器组模块负责检测设施栽培环境的温度、相对湿度以及臭氧浓度，由单片机控制采样间隔并通过无线通信模块LoRa SX1276发送给现场监控端。
本发明进一步技术改进方案是：
所述控制节点实现对设施栽培环境参数的调节设备臭氧发生器进行控制。
本发明进一步技术改进方案是：
所述现场监控端由一台工业控制计算机组成，实现对检测节点检测设施栽培环境参数进行管理和监测。
本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：
一、本发明以环境温湿度对作物病原微生物生长繁殖的影响规律为依据，以温湿度及其持续的时间为参数构建设施栽培环境下作物发病率预测模型，创新性的以预测的发病率为参数构建设施环境臭氧智能控制决策模型，提高设施栽培环境作物发病率预测模型和灭菌时设施环境臭氧智能控制决策模型的预测准确性、决策的正确性以及模型工作的鲁棒性。
二、本发明耦合设施栽培环境下作物发病率预测模型和灭菌时臭氧浓度和灭菌持续时间决策模型，利用物联网技术研发了设施园艺无公害生产臭氧灭菌杀虫装置，实现了设施栽培臭氧应用的智能化，保证设施园艺无公害生产臭氧灭菌杀虫装置产生并控制臭氧浓度的精确性，保证臭氧在设施环境中的灭菌杀虫效果。
附图说明
图1为本发明设施园艺无公害生产臭氧灭菌杀虫装置流程图；
图2为本发明设施栽培环境作物发病率预测模型中持续时间对发病贡献函数P(i)的曲线图；
图3为本发明温湿度从符合发病条件转变为不适合发病时p的曲线图；
图4为本发明温湿度从符合发病条件转变为不适合发病时p的累加值曲线图；
图5为本发明臭氧浓度决策模型曲线图；
图6为本发明臭氧维持时间决策模型曲线图；
图7为本发明环境参数采集与智能检测平台；
图8为本发明检测节点功能图；
图9为本发明控制节点功能图。；
具体实施方式
结合附图1-9，对本发明技术方案作进一步描述：
1、系统总体功能的设计
本发明实现以温湿度及其持续的时间为参数构建设施栽培环境下作物发病率预测模型，以预测的发病率为参数构建设施环境臭氧智能控制决策模型，构建设施栽培无公害生产臭氧灭菌杀虫装置，该装置由基于无线传感器网络的环境参数采集平台、设施栽培环境下作物发病率预测模型以及设施环境臭氧智能控制决策模型三部分组成。系统流程图如图1所示。
无线传感器网络的环境参数采集平台包括检测节点1和控制节点2，它们以自组织方式构建成无线测控网络来实现检测节点1、控制节点2和现场监控端3之间的无线通信；检测节点1将检测的环境参数发送给现场监控端3并对传感器数据进行初步处理；现场监控端3把控制信息传输到检测节点1和控制节点2。采集平台结构如图7所示。
2、检测节点的设计
采用大量基于无线传感器网络的检测节点1作为环境参数感知终端，检测节点1和控制节点2通过自组织无线网络实现现场监控端3之间的信息相互交互。检测节点1包括采集环境温度、湿度参数的传感器和对应的信号调理电路、MSP430微处理器和LoRa SX1276无线传输模块；检测节点的软件主要实现无线通信和环境参数的采集与预处理。检测节点结构如图8所示。
3、控制节点
控制节点2在输出通路设计了继电器实现对臭氧发生器的控制、MSP430微处理器和无线通信模块接口，实现对环境控制设备臭氧发生器进行控制，控制节点如图9所示。
4、设施栽培环境作物发病率预测模型
分别计算不同温度对发病率的贡献、不同相对湿度对发病率的贡献，以及温度和相对湿度持续的时间对发病率的贡献，进而构建了设施栽培环境作物发病率预测模型。预测模型的原型见式(1)和式(3)。
其中，P(i)为某时刻的温湿度条件对发病率的贡献，i为温度和相对湿度符合发病的序数，p(T)和p(H)分别为温度和相对湿度对发病率的贡献，p为温湿度持续时间对发病率的贡献，当i为1至10时，p的数值见图2。
其中，i为温度和相对湿度均满足发病条件的连续序数，j为温度和相对湿度不全满足发病条件的连续序数，当温度和相对湿度从均满足发病条件的连续状态变化不全满足时，i停止计数，并将此时的i记为n，且j开始从1计数，当j＝n时，将i归零，将n归零。当从温度和相对湿度不全满足发病条件的连续状态变化均满足时，将j归零，且i开始从n-j继续计数。
其中，P为模型预测的下一时刻的发病率。
温度和相对湿度对发病率的贡献p(T)和p(H)需根据不同病原菌的生物学特性进行计算，这里以黄瓜霜霉病为例进行说明。当预测黄瓜霜霉病发病率时，p(T)见式(4)，p(H)见式(5)。
其中，T为设施环境的温度，℃。
其中，H为设施环境的相对湿度％。
计算p时，若温度和相对湿度均满足发病条件的连续序数i为1至5，随后的3次为不全满足状态，则p的变化见图3，p累加值的变化见图4。
5、设施环境臭氧智能控制决策模型
以预测的发病率为参数，构建了设施环境臭氧智能控制决策模型，模型可决策生成杀菌时所需的臭氧浓度以及臭氧在该浓度下所需持续的时间，决策模型以Slogistic曲线为原型进行构建。臭氧浓度决策模型见式(6)，模型曲线见图5，所需持续时间的决策模型见式(7)，模型曲线见图6。
其中，为模型决策生成的臭氧浓度，ppb，P为发病率。
其中，PT为模型决策生成的释放臭氧所需维持的时间，P为发病率。
6、耦合设施栽培环境下作物发病率预测模型和设施环境臭氧智能控制决策模型将上述4构建的设施栽培环境作物发病率预测模型和上述5构建的设施环境臭氧智能控制决策模型写入单片机MSP430，单片机控制臭氧发生器的工作，从而实现控制温室臭氧浓度，达到灭菌杀虫的目的。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种设施园艺无公害生产臭氧灭菌杀虫装置，其特征在于：所述装置主要由基于无线传感器网络的环境参数采集平台、设施栽培环境下作物发病率预测模型以及设施环境臭氧智能控制决策模型三部分组成，并通过以下步骤实现：
步骤1）、通过环境参数采集平台实时监测设施栽培环境的温度、相对湿度，生成温度和相对湿度的时间序列，依据温湿度对作物病原微生物生长繁殖的影响规律，构建设施栽培环境下作物发病率预测模型，预测的发病率作为调控臭氧浓度和臭氧持续时间的依据；
步骤2）、以步骤1）预测的发病率为参数，构建设施环境臭氧智能控制决策模型，设施环境臭氧智能控制决策模型决策生成杀菌时所需的臭氧浓度以及臭氧在该浓度下所需持续的时间，设施环境臭氧智能控制决策模型以Slogistic曲线为原型进行构建；
步骤3）、耦合步骤1）构建的设施栽培环境下作物发病率预测模型和步骤2）构建的设施环境臭氧智能控制决策模型，根据基于无线传感器网络的环境参数采集平台监测的环境温度、相对湿度信息预测作物的发病率，进而生成臭氧浓度和持续时间的控制指令，最终通过臭氧传感器控制臭氧发生器工作。
2.根据权利要求1所述的一种设施园艺无公害生产臭氧灭菌杀虫装置，其特征在于：所述基于无线传感器网络的环境参数采集平台由检测节点、控制节点和现场监控端组成，以自组织方式通过无线通信模块LoRa SX1276构建成环境参数采集平台，实现对环境参数检测、调节和监控。
3.根据权利要求2所述的一种设施园艺无公害生产臭氧灭菌杀虫装置，其特征在于：所述检测节点分别由传感器组模块、单片机MSP430和无线通信模块LoRa SX1276组成，传感器组模块负责检测设施栽培环境的温度、相对湿度以及臭氧浓度，由单片机控制采样间隔并通过无线通信模块LoRa SX1276发送给现场监控端。
4.根据权利要求2所述的一种设施园艺无公害生产臭氧灭菌杀虫装置，其特征在于：所述控制节点实现对设施栽培环境参数的调节设备臭氧发生器进行控制。
5.根据权利要求2所述的设施栽培环境，其特征在于：所述现场监控端由一台工业控制计算机组成，实现对检测节点检测设施栽培环境参数进行管理和监测。
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- 2019-05-16 CN CN201910411003.7A patent/CN110047011B/zh active Active
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