CN111084030A - 模拟火星微重力的集装箱ai光谱种植系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于智能化光谱种植系统及控制方法，解决现有技术中缺少能够模拟火星环境的农作物种植系统的技术问题，提供一种模拟火星微重力的集装箱AI光谱种植系统及其控制方法，系统包括真空罐、控制终端、干冰发生器，以及设置于真空罐内的集装箱温室、气压传感器、二氧化碳浓度传感器；集装箱温室安装于三维回转装置上，集装箱温室内设有辐照度检测仪、可调节光照装置、种植架、滑轨、位移架、温湿度测量仪和水肥供给设备，干冰发生器与真空罐内腔相连通，控制终端的信号采集输入端与高光谱成像仪、温湿度测量仪和辐照度测量仪相连，控制终端的信号输出端与可调节光照装置、位移架和水肥供给设备相连，控制方法是基于上述系统完成种植的自动控制。
Description
技术领域
本发明属于智能化光谱种植系统及控制方法，具体涉及一种模拟火星微重力的集装箱AI光谱种植系统及其控制方法。
背景技术
在太阳系内，只有火星的自然环境与地球最相似，是人类移居外星球的首选目标，而人类的生存需依赖于各种农作物，因此，关于火星的研究不可避免的将涉及如何在火星完成农作物种植。这就亟需能够模拟火星环境的种植系统，用以在地球完成火星种植的相关研究。
发明内容
本发明的主要目的是解决现有技术中缺少能够模拟火星环境的农作物种植系统的技术问题，提供一种模拟火星微重力的集装箱AI光谱种植系统及其控制方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
模拟火星微重力的集装箱AI光谱种植系统，其特殊之处在于，包括真空罐、控制终端、干冰发生器，以及设置于真空罐内的集装箱温室、气压传感器、二氧化碳浓度传感器；
所述集装箱温室安装于三维回转装置上；
所述集装箱温室包括集装箱体，以及设置于集装箱体内的辐照度检测仪、可调节光照装置、种植架、滑轨、位移架、温湿度测量仪和水肥供给设备；所述可调节光照装置设置于种植架的上方，所述辐照度检测仪设置于种植架的两侧，所述滑轨环绕设置于种植架的外围，所述位移架的底部设有滑块，滑块与滑轨相适配，位移架上安装有高光谱成像仪；所述水肥供给设备的输出管路安装于位移架上；高光谱成像仪的采集端和水肥供给设备的输出端均朝向种植架；
所述干冰发生器与真空罐内腔相连通；
所述控制终端的信号采集输入端与高光谱成像仪、温湿度测量仪和辐照度测量仪相连，控制终端的信号输出端与可调节光照装置、位移架和水肥供给设备相连。
进一步地，所述控制终端包括监测单元、传输单元、控制分析单元和调控单元；
所述监测单元用于接收高光谱成像仪、温湿度测量仪和辐照度测量仪采集的数据，获取集装箱温室内作物和土壤的高光谱信息、温度和湿度环境信息、光照强度信息；
所述传输单元，通过无线方式将监测单元采集的信息传输至控制分析单元；
所述控制分析单元，用于接收并存储传输单元传送的监测单元采集的环境信息、高光谱信息和高光谱信息，并进行分析处理，根据分析处理的结果生成调控指令；
所述调控单元，根据由控制分析单元接收到的为调控指令，判断是否需要调节集装箱温室内的温度、湿度、光照和土壤养分，若需要，则根据调控指令进行调节，否则，控制维持现有状态。
进一步地，所述控制分析单元包括工作站和终端设备；
所述工作站包括数据存储单元和数据分析单元；所述数据存储单元用于接收并存储传输单元传送的监测单元采集的集装箱温室内的信息；所述数据分析单元，用于对比分析监测单元采集的信息并生成调控指令；
所述终端设备，用于接收并显示所述数据存储单元内的存储信息；同时可通过人机交互的形式输入辅助调控指令，并将所述辅助调控指令发送至调控单元，所述调控单元根据接收到的辅助调控指令调节集装箱温室。
进一步地，所述集装箱温室的尺寸为长0.5-2m，宽0.5-2m，高1-3m。
进一步地，所述可调节光照装置为LED植物灯，由设置在集装箱温室顶部的太阳能组件供电，真空罐为透光罐体。
进一步地，所述种植架设有集水海绵板，种植的土壤采用沙漠土壤。
进一步地，所述高光谱成像仪的光谱波段范围为400-2500nm，光谱分辨率为2-5nm。
采用如上所述模拟火星微重力的集装箱AI光谱种植系统的控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1，采集集装箱温室内的信息
高光谱成像仪采集作物和土壤的高光谱，发送至控制终端；温湿度测量仪采集集装箱温室内的温度和湿度数据，作为环境数据，发送至控制终端；辐照度测量仪采集集装箱温室中可调节光照装置的光照强度数据，发送至控制终端；
S2，控制终端分析处理
S2.1，控制终端将采集的温度和湿度数据存储，并与预设环境参数对比，根据对比结果调节集装箱温室内的温度和湿度；
S2.2，控制终端将采集的光照强度数据存储，并与预设光照参数对比，根据对比结果调节可调节光照装置的光照强度；
S2.3，控制终端将采集的高光谱存储，并进行分析，获取作物和土壤的养分信息，并与预设养分参数对比，根据对比结果控制水肥供给设备工作。
进一步地，步骤S2.3中，所述获取作物和土壤的养分信息，并与预设养分参数对比具体为，
通过反演推算模型：
y＝a1x1+a2x2+…+anxn
其中：y是通过光谱反演的元素含量，a1,a2…,an是光谱中各波段权重参数，x1,x2…,xn为光谱的各波段，分别计算集装箱温室内作物和土壤采集高光谱对应的有机质元素含量和水分含量，再与预设养分参数对比，判断是否需要施加水肥。
进一步地，所述预设环境参数、预设光照参数和预设养分参数根据每次作物的产量进行更新，更新方法如下，
记录多次作物产量，将产量最高时作物生长各阶段下的环境数据、光照强度数据、作物和土壤高光谱对应的养分含量，作为预设环境参数、预设光照参数和预设养分参数；之后每次种植，若作物产量高于当前各预设参数对应的作物产量，用将该次所对应的环境数据、光照强度数据、作物和土壤高光谱对应的养分含量更新当前预设参数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明拟火星微重力的集装箱AI光谱种植系统，实现了作物在微重力和类火星环境下的作物种植模拟，通过真空罐和三维回转装置为集装箱温室提供模拟火星的环境，全封闭的集装箱温室通过控制终端能够获取作物在极端条件下的种植生长信息，使得人在不进入温室的情况下，也可以实时获取并调控集装箱温室的相关信息，为作物火星种植研究提供技术支撑。
2.本发明的控制终端，通过监测单元实时采集集装箱温室内的植物和土壤高光谱信息，监控集装箱温室内的环境信息和光照情况，通过传输单元传送至控制分析单元，控制分析单元分析对比后，向调控单元发送相应的调控指令，对集装箱温室内的环境、作物等进行调节，实现全自动化种植控制，构建了针对集装箱温室的自动化系统，更加精准和有针对性的调节温室内作物的种植环境，且水肥情况持续处于最佳状态，有效保证了作物的生长品质，同时能够精准的根据监测和分析结果对温室内的植物与环境进行调整，提高水肥利用率，达到最少投入的同时种植效果最佳。能够随时获取温室的全方位信息，便于实时解读植物生长情况。
3.本发明的控制分析单元中包括有终端设备，便于查看温室内的实时信息，并通过人机交互的形式输入辅助调控指令，辅助调节温室。
4.本发明的集装箱温室采用迷你化尺寸构型，便于在研究中心携带发射至火星。
5.本发明的可调节光照装置为LED植物灯，为集装箱温室内的作物提供仿真程度更高的光照，保证作物种植所需环境温度和光照，帮助完成作物的光合作用。由太阳能组件供电，更加节能。
6.本发明的种植架上设有集水海绵板，能够帮助作物种子在微重力状态下扎根，采用沙漠土壤能够更真实的模拟火星土壤。
7.本发明中高光谱成像仪的波段覆盖范围为400-2500nm，覆盖可见光波段、近红外光波段和短波红外波段，能够覆盖反映植物生长指标的重要谱段。
8.本发明的控制方法，基于上述种植系统，先实时监测温室内情况，再通过控制终端，与预设参数对比分析，根据对比分析结果对温室进行调节，通过本发明的控制方式，实现了不需人进入即可对温室内作物进行监控的目的。
9.本发明通过反演推算模型，对土壤与作物的高光谱曲线进行计算分析，准确得到相应养分元素和水分含量，进而与预设参数对比，根据对比结果施加水肥，实现精准控制。
10.本发明中的三项预设参数均根据作物产量信息，不断更新优化，以便获得最优的种植效果。
附图说明
图1为本发明模拟火星微重力的集装箱AI光谱种植系统实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例中集装箱温室的结构示意图；
图3为本发明实施例中控制终端的逻辑框图；
图4为本发明实施例中模拟火星微重力的集装箱AI光谱种植系统的控制方法流程示意图。
其中，1-真空罐、2-控制终端、3-集装箱温室、301-集装箱体、302-辐照度检测仪、303-可调节光照装置、304-种植架、305-滑轨、306-位移架、307-滑块、308-高光谱成像仪、309-温湿度测量仪、310-水肥供给设备、4-气压传感器、5-二氧化碳浓度传感器、6-干冰发生器、7-三维回转装置。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
如图1和图2所示，一种模拟火星微重力的集装箱AI光谱种植系统，包括包括真空罐1、控制终端2、干冰发生器6，以及设置于真空罐1内的集装箱温室3、气压传感器4、二氧化碳浓度传感器5。
集装箱温室3为密闭环境，安装于三维回转装置7上，三维回转装置7作为重力发生装置，使集装箱温室3发生旋转，制造火星微重力环境。集装箱温室3的长为0.5-2m、宽为0.5-2m、高为1-3m，以便于火箭携带发射到火星上。
集装箱温室3包括集装箱体301，以及设置于集装箱体301内的辐照度检测仪302、可调节光照装置303、种植架304、滑轨305、位移架306、温湿度测量仪309和水肥供给设备310；可调节光照装置303设置于种植架304的上方，种植架304采用立体培养架，保证作物生长空间，同时节约横向空间，增大作物产量，种植架304上设有集水海绵板，种植的土壤采用沙漠土壤。辐照度检测仪302设置于种植架304的两侧，滑轨305环绕设置于种植架304的外围，位移架306的底部设有滑块307，滑块307与滑轨305相适配，位移架306上安装有高光谱成像仪308；水肥供给设备310的输出管路安装于位移架306上；高光谱成像仪308的采集端和水肥供给设备310的输出端均朝向种植架；干冰发生器6与真空罐1内腔相连通。
上述的控制终端2，包括监测单元、传输单元、控制分析单元和调控单元。
监测单元用于接收高光谱成像仪308、温湿度测量仪309和辐照度测量仪302采集的数据，获取集装箱温室3内作物和土壤的高光谱信息、温度和湿度环境信息、光照强度信息；
传输单元，通过无线方式将监测单元采集的信息传输至控制分析单元；
控制分析单元，用于接收并存储传输单元传送的监测单元采集的环境信息、高光谱信息和高光谱信息，并进行分析处理，根据分析处理的结果生成调控指令。控制分析单元包括工作站和终端设备，其中，工作站包括数据存储单元和数据分析单元；数据存储单元用于接收并存储传输单元传送的监测单元采集的集装箱温室3内的信息；数据分析单元，用于对比分析监测单元采集的信息并生成调控指令；终端设备，用于接收并显示数据存储单元内的存储信息；同时可通过人机交互的形式输入辅助调控指令，并将辅助调控指令发送至调控单元，调控单元根据接收到的辅助调控指令调节集装箱温室3。
调控单元，根据由控制分析单元接收到的为调控指令，判断是否需要调节集装箱温室3内的温度、湿度、光照和土壤养分，若需要，则根据调控指令进行调节，否则，控制维持现有状态。
基于上述种植系统的控制方法如下：
S1，采集集装箱温室3内的信息
高光谱成像仪308采集作物和土壤的高光谱，发送至控制终端2；温湿度测量仪309采集集装箱温室3内的温度和湿度数据，作为环境数据，发送至控制终端2；辐照度测量仪302采集集装箱温室3中可调节光照装置303的光照强度数据，发送至控制终端2；
S2，控制终端2分析处理
S2.1，控制终端2将采集的温度和湿度数据存储，并与预设环境参数对比，根据对比结果调节集装箱温室3内的温度和湿度；
S2.2，控制终端2将采集的光照强度数据存储，并与预设光照参数对比，根据对比结果调节可调节光照装置303的光照强度；
S2.3，控制终端2将采集的高光谱存储，并进行分析，获取作物和土壤的养分信息，并与预设养分参数对比，根据对比结果控制水肥供给设备310工作。
本实施例中，以种植土豆为例对本发明的方案进行进一步说明：
模拟火星环境大气包括气压、氧气和二氧化碳含量等，气压7.5mPa、95％的二氧化碳、3％的氮气、1.6％氢气、0.01％水汽、以及少量的氧气、一氧化碳、氖、氪和氙等。气压模拟采用将集装箱温室3放入大型真空罐1中进行实验，设定真空罐1的气压值为7.5mPa，使用真空罐1中的气压传感器4进行实时监测，二氧化碳采用干冰发生器6通过二氧化碳浓度传感器5的监测值来实时调控集装箱温室3中二氧化碳的浓度情况，保持二氧化碳浓度在95％±0.1的设定范围内。三维回转装置7可以进行土豆全生育时期的微重力效应模拟，三维回转装置7的转速为0.65-10r/min，控制精度在±4％的范围内，通过三维回转装置7配置的智能管理控制系统可以设定相应的转速，控制集装箱温室3处于火星状态下的微重力环境。
如图3和图4，监测单元中包括高光谱土壤和土豆植株监测，在土豆幼苗期、块茎形成期、块茎膨大期、淀粉累积器和收获期这五个阶段对植株不同部位的高光谱特征反演氮磷钾等元素含量，来监测作物的养分状况；温室环境智能监测，使用温度传感器和湿度传感器，监测并收集集装箱温室3内的温度湿度，辐照度检测仪用来监测并收集集装箱温室3内的光照强度的相关数据。
通过使用无线电通信方式将获取到的监测数据传输到控制分析单元，在控制分析单元中存储并分析，并根据处理分析结果获得调控指令，将调控指令通过无线电通信方式传输到调控单元。
控制分析单元中的数据分析单元，对土豆和土壤的高光谱数据处理内容如下：通过集装箱温室3中的高光谱成像仪308实时获取土壤和作物植株在不同生长阶段下，不同部位的光谱信息和二维空间信息，建立有机质含量及氮、磷、钾、水分含量信息反演推算模型，从而获取相关元素的信息：
y＝a1x1+a2x2+…+anxn
式中：y是通过光谱反演的元素含量，a1,a2…,an是光谱中各波段权重参数，x1,x2…,xn为光谱的各波段。马铃薯叶片中氮含量通过吸收特征光谱585-755nm、1095-1290nm、1290-1645nm波段的吸收深度共同反演马铃薯叶片全氮含量，并长时间记录分析，根据二维空间信息选取优势植株光谱，对比生长同期元素含量差异，由控制终端2计算调整量。通过水肥供给设备310提供相应元素调节，保证土豆正常生长。
对于获取到的环境参数温度和湿度，以及辐亮度数据进行分析处理，同时设定相应阈值，如果大于设定阈值范围，分别给水肥供给设备310、可调节光照装置303发送不同的指令，来调节集装箱温室3内的温度、湿度和光照强度情况。
根据集装箱温室3内作物的生长过程记录的光谱曲线信息，结合作物产量信息，不断更新优化营养配比，迭代进化高光谱库光谱，针对不同条件自适应建立不同的智能集装箱温室3控阈值。记录多次作物产量，将产量最高时作物生长各阶段下的环境数据、光照强度数据、作物和土壤高光谱对应的养分含量，作为预设环境参数、预设光照参数和预设养分参数；之后每次种植，若作物产量高于当前各预设参数对应的作物产量，用将该次所对应的环境数据、光照强度数据、作物和土壤高光谱对应的养分含量更新当前预设参数。
在终端设备上可以实时观测集装箱温室3内的环境信息、光照信息、作物和土壤的高光谱信息，与终端设备通过人机交互的形式人为干预，根据需求，通过辅助调控指令进行远程调控。
调控单元根据接收到的调控指令或辅助调控指令，通过控制水肥供给设备310对作物和土壤施加水肥，通过控制可调节光照装置，调节集装箱温室3内的光照，为土豆生长提供适宜的温度、湿度、土豆生长所需养分元素和水分。
以上仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.模拟火星微重力的集装箱AI光谱种植系统，其特征在于：包括真空罐(1)、控制终端(2)、干冰发生器(6)，以及设置于真空罐(1)内的集装箱温室(3)、气压传感器(4)、二氧化碳浓度传感器(5)；
所述集装箱温室(3)安装于三维回转装置(7)上；
所述集装箱温室(3)包括集装箱体(301)，以及设置于集装箱体(301)内的辐照度检测仪(302)、可调节光照装置(303)、种植架(304)、滑轨(305)、位移架(306)、温湿度测量仪(309)和水肥供给设备(310)；所述可调节光照装置(303)设置于种植架(304)的上方，所述辐照度检测仪(302)设置于种植架(304)的两侧，所述滑轨(305)环绕设置于种植架(304)的外围，所述位移架(306)的底部设有滑块(307)，滑块(307)与滑轨(305)相适配，位移架(306)上安装有高光谱成像仪(308)；所述水肥供给设备(310)的输出管路安装于位移架(306)上；高光谱成像仪(308)的采集端和水肥供给设备(310)的输出端均朝向种植架；
所述干冰发生器(6)与真空罐(1)内腔相连通；
所述控制终端(2)的信号采集输入端与高光谱成像仪(308)、温湿度测量仪(309)和辐照度测量仪(302)相连，控制终端(2)的信号输出端与可调节光照装置(303)、位移架(306)和水肥供给设备(310)相连。
2.如权利要求1所述模拟火星微重力的集装箱AI光谱种植系统，其特征在于：所述控制终端(2)包括监测单元、传输单元、控制分析单元和调控单元；
所述监测单元用于接收高光谱成像仪(308)、温湿度测量仪(309)和辐照度测量仪(302)采集的数据，获取集装箱温室(3)内作物和土壤的高光谱信息、温度和湿度环境信息、光照强度信息；
所述传输单元，通过无线方式将监测单元采集的信息传输至控制分析单元；
所述控制分析单元，用于接收并存储传输单元传送的监测单元采集的环境信息、高光谱信息和高光谱信息，并进行分析处理，根据分析处理的结果生成调控指令；
所述调控单元，根据由控制分析单元接收到的为调控指令，判断是否需要调节集装箱温室(3)内的温度、湿度、光照和土壤养分，若需要，则根据调控指令进行调节，否则，控制维持现有状态。
3.如权利要求1或2所述模拟火星微重力的集装箱AI光谱种植系统，其特征在于：所述控制分析单元包括工作站和终端设备；
所述工作站包括数据存储单元和数据分析单元；所述数据存储单元用于接收并存储传输单元传送的监测单元采集的集装箱温室(3)内的信息；所述数据分析单元，用于对比分析监测单元采集的信息并生成调控指令；
所述终端设备，用于接收并显示所述数据存储单元内的存储信息；同时可通过人机交互的形式输入辅助调控指令，并将所述辅助调控指令发送至调控单元，所述调控单元根据接收到的辅助调控指令调节集装箱温室(3)。
4.如权利要求3所述模拟火星微重力的集装箱AI光谱种植系统，其特征在于：所述集装箱温室(3)的尺寸为长0.5-2m，宽0.5-2m，高1-3m。
5.如权利要求4所述模拟火星微重力的集装箱AI光谱种植系统，其特征在于：所述可调节光照装置为LED植物灯，由设置在集装箱温室(3)顶部的太阳能组件供电，真空罐(1)为透光罐体。
6.如权利要求5所述模拟火星微重力的集装箱AI光谱种植系统，其特征在于：所述种植架(304)设有集水海绵板，种植的土壤采用沙漠土壤。
7.如权利要求6所述模拟火星微重力的集装箱AI光谱种植系统，其特征在于：所述高光谱成像仪(308)的光谱波段范围为400-2500nm，光谱分辨率为2-5nm。
8.采用如权利要求1至7任一所述模拟火星微重力的集装箱AI光谱种植系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，采集集装箱温室(3)内的信息
高光谱成像仪(308)采集作物和土壤的高光谱，发送至控制终端(2)；温湿度测量仪(309)采集集装箱温室(3)内的温度和湿度数据，作为环境数据，发送至控制终端(2)；辐照度测量仪(302)采集集装箱温室(3)中可调节光照装置(303)的光照强度数据，发送至控制终端(2)；
S2，控制终端(2)分析处理
S2.1，控制终端(2)将采集的温度和湿度数据存储，并与预设环境参数对比，根据对比结果调节集装箱温室(3)内的温度和湿度；
S2.2，控制终端(2)将采集的光照强度数据存储，并与预设光照参数对比，根据对比结果调节可调节光照装置(303)的光照强度；
S2.3，控制终端(2)将采集的高光谱存储，并进行分析，获取作物和土壤的养分信息，并与预设养分参数对比，根据对比结果控制水肥供给设备(310)工作。
9.如权利要求8所述控制方法，其特征在于：步骤S2.3中，所述获取作物和土壤的养分信息，并与预设养分参数对比具体为，
通过反演推算模型：
y＝a1x1+a2x2+…+anxn
其中：y是通过光谱反演的元素含量，a1,a2…，an是光谱中各波段权重参数，x1,x2…,xn为光谱的各波段，分别计算集装箱温室(3)内作物和土壤采集高光谱对应的有机质元素含量和水分含量，再与预设养分参数对比，判断是否需要施加水肥。
10.如权利要求9所述控制方法，其特征在于：所述预设环境参数、预设光照参数和预设养分参数根据每次作物的产量进行更新，更新方法如下，
记录多次作物产量，将产量最高时作物生长各阶段下的环境数据、光照强度数据、作物和土壤高光谱对应的养分含量，作为预设环境参数、预设光照参数和预设养分参数；之后每次种植，若作物产量高于当前各预设参数对应的作物产量，用将该次所对应的环境数据、光照强度数据、作物和土壤高光谱对应的养分含量更新当前预设参数。
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