CN114610100A - 基于物联网的番茄种植温室环境的调控方法及调控系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于物联网的番茄种植温室环境的调控方法包括以下步骤：在多个温室内设置采集环境因子信息的传感器，调整温室内的环境因子，确定影响番茄生长的主要环境因子；根据不同时期番茄的生长情况，在主要环境因子中找出适合番茄生长的阈值；将温室内适宜番茄生长的主要环境因子的阈值进行耦合和评估，建立适合番茄生长的调控模型，并筛除无法建模的环境因子；将番茄的调控模型编程至控制终端中，通过控制终端调控温室内的环境。本发明通过采集环境因子信息、筛选环境因子、建立反映番茄生长的生长模型，能够更准确的反映番茄的生长情况，从而对番茄的生长环境进行控制，使得对番茄生长的调控更加及时、准确。
Description
技术领域
本发明涉及农业种植技术领域，尤其涉及一种基于物联网的番茄种植温室环境的调控方法及调控系统。
背景技术
随着科技的进步和物联网技术的快速发展，农业温室的建设也在不断向规模化和集约化的方向发展。虽然当前的温室可以采集温室内的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度以及作物生长状况等参数，但目前番茄种植温室的环境调控方式大多简单，要么是通过人工调控，要么就在控制系统上设置温度、光照值等，对温室环境进行调控，但是番茄生长期间的适应温度、光照等都在发生变化，通过设置温度值、光照值等并不及时适应番茄的生长情况。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种基于物联网的番茄种植温室环境的调控方法。
还有必要提供一种基于物联网的番茄种植温室环境的调控系统。
一种基于物联网的番茄种植温室环境的调控方法包括以下步骤：
步骤S001，在多个温室内设置采集环境因子信息的传感器，调整温室内的环境因子，确定影响番茄生长的主要环境因子；
步骤S002，根据不同时期番茄的生长情况，在主要环境因子中找出适合番茄生长的阈值；
步骤S003，将温室内适宜番茄生长的主要环境因子的阈值进行耦合和评估，建立适合番茄生长的调控模型，并筛除无法建模的环境因子；
步骤S004，将番茄的调控模型编程至控制终端中，通过控制终端调控温室内的环境。
优选的，在步骤S003中，所述调控模型中的环境因子为温度、番茄蒸发量、热辐射强度。
优选的，在步骤S003中，所述调控模型包括番茄的干物质积累模型和番茄需水量模型。
优选的，建立干物质积累模型包括以下步骤：
步骤S101，根据步骤S002中的适合番茄生长的环境因子的阈值，确定番茄每小时的相对热效应：
其中，RTE(T)为每h的相对热效应；Tm为温室番茄生长上限温度(℃)；Tb为温室番茄生长下限温度(℃)；Tob为温室番茄生长最适下限温度(℃)；Tom为温室番茄生长最适上限温度(℃)；T为每小时的平均温度(℃)；
步骤S102，获取与相对热效应同时期的番茄叶片接收的太阳辐射能量Q，通过热辐射强度传感器采集热辐射强度H，单位是J/cm2/min，并通过计算得到一小时内太阳照射在番茄叶片表面的辐射能量，并进一步得到一小时内番茄的光合有效辐射PAR＝0.5×Q；
步骤S103，获取与相对热效应同时期的番茄叶片在1小时内的累计辐射，
并进一步得到24小时内的累计辐射，
并进一步得到从开始统计到最近一天的总辐射，
TEPi+1＝TEPi+DTEPi+1；
步骤S104，获取干物质积累模型，
植株干重累积与分配均呈前期慢、中期快、后期减慢的“S”型生长曲线，对番茄叶干重及累积辐射数据进行曲线拟合，得到番茄叶干重与累积辐射的关系，建立番茄干物质积累随光温效应变化的模型，得到干物重随累积辐射的变化的公式，
DW＝1/(1/203.42+7.451×0.997TEP)
其中DW表示总干重(g/m2)，TEP表示从开始统计到最近一天的累积辐射。
优选的，番茄的叶面积通过高通量图像分析得到，即在温室内安装摄像机，通过采集番茄图像信息，分析出番茄的叶面积。为了准确测出番茄叶面积，也可以采摘若干番茄叶片，测出番茄的总面积，然后取平均值作为番茄叶面积。
优选的，番茄需水量模型为：
其中，ET0为充分灌溉下每10min内参考蒸发量，单位：mm/10min；Δ为饱和蒸气压曲线斜率，单位：kPa/℃；Rn为番茄受到的辐射强度，单位：MJ/(㎡·10min)；G为土壤热通量密度，MJ/(㎡·10min)，相比Rn通常很小，可忽略；γ为干湿表常数，取0.067kPa/℃；T为温室内预定高度处的平均气温，单位：℃；u2为温室内的风速，单位：m/s；es为温室内预定高度处平均饱和蒸气压，单位：kPa；ea为温室内预定高度处平均实际蒸气压，单位：kPa；
通过热辐射传感器实时检测温室内番茄受到的辐射强度，通过气压传感器实时检测温室内的预定高度的实时蒸气压，再通过查表获得特定温度下的饱和蒸气压曲线斜率，就能够计算出番茄一段时间内的蒸发量。
一种基于物联网的番茄种植温室环境的调控系统包括
温度传感器，用于检测温室内的温度；
气压传感器；用于检测温室内预定高度的气压；
风速传感器，用于检测温室内预定高度的风速；
热辐射强度传感器，用于检测温室内的热辐射强度；
遮阳装置，用于调节温室内的热辐射强度；
通风散热装置，用于调节温室内的温度；
灌溉装置，用于番茄的灌溉补水；
主控模块，用于接收温度传感器、气压传感器、风速传感器、热辐射强度传感器的检测信息并控制遮阳装置、通风散热装置、灌溉装置的运行；
远程监控模块，存储有干物质积累模型和番茄需水量模型，温度信息、热辐射强度信息输入至干物质积累模型中，干物质积累模型预测出一天的干物质积累量，工作人员根据经验判断干物质积累量是否合适，从而远程控制遮阳装置、通风散热装置，以调节温度和热辐射强度，由于温度传感器采集的是实时温度，温度传感器在一小时内多次采集的实时温度的平均温度作为干物质积累模型中的累计辐射的平均温度；温度信息、热辐射强度信息、气压信息、风速信息输入至番茄需水量模型中，番茄需水量模型预测出温室一天的蒸发量，当蒸发量达到预定值时，远程控制模块控制灌溉装置进行补水。
通信模块，用于建立主控模块与远程监控模块之间的有线或无线通讯，使远程监控模块能够远程控制遮阳装置、通风散热装置以及灌溉装置的运行。
优选的，所述基于物联网的番茄种植温室环境的调控系统还包括专家数据库模块，所述专家数据库模块存储番茄每天的干物质积累量，工作人员根据经验将温室内的温度、热辐射强度控制在合适范围后，专家数据库模块将该温度、热辐射强度下生成的干物质积累量与时间进行对应，使得番茄生长周期内的每一天对应一个干物质积累量，专家数据库模块再将不同温室内的同一时期的干物质积累量进行平均化处理，得到的干物质积累量为该时期的最佳干物质积累量，远程监控模块通过最佳干物质积累量得到最佳干物质积累量下的最佳温度，远程监控模块根据该最佳温度控制遮阳装置和通风散热装置调节温室内的温度。
有益效果：本发明基于物联网的番茄种植温室环境的调控方法通过采集环境因子信息、筛选环境因子、建立反映番茄生长的生长模型，能够更准确的反映番茄的生长情况，从而对番茄的生长环境进行控制，使得对番茄生长的调控更加及时、准确。
具体实施方式
以下将结合具体实施例予以说明。
一种基于物联网的番茄种植温室环境的调控方法包括以下步骤：
步骤S001，在多个温室内设置采集环境因子信息的传感器，调整温室内的环境因子，确定影响番茄生长的主要环境因子；
影响番茄生长的环境因子有多个，初步确定影响番茄生长的主要环境因子有温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度、土壤PH值、微生物种类及种群密度、土壤中的肥力情况等。病虫害、番茄品种等因素排除在外。
步骤S002，根据不同时期番茄的生长情况，在主要环境因子中找出适合番茄生长的阈值；
经过在多个温室中进行试验，并参考现有文献，确定番茄的生长阈值为10～40摄氏度，日间的适宜生长阈值为23～28摄氏度，夜间适宜生长阈值为13～15摄氏度。
步骤S003，将温室内适宜番茄生长的主要环境因子的阈值进行耦合和评估，建立适合番茄生长的调控模型，并筛除无法建模的环境因子；
步骤S004，将番茄的调控模型编程至控制终端中，通过控制终端调控温室内的环境。
在步骤S003中，所述调控模型中的环境因子为温度、番茄蒸发量、热辐射强度。
在步骤S003中，所述调控模型包括番茄的干物质积累模型和番茄需水量模型。
经过筛选，最终确定了番茄的温度阈值，同时，由于番茄的生长与干物质重联系较为紧密，通过温度阈值和光辐射强度能够得到累计辐射。经过拟合，能够得到番茄的干物质重与累计辐射的对应关系，从而建立了累计辐射与干物质重的数学模型。
建立干物质积累模型包括以下步骤：
步骤S101，根据步骤S002中的最适合番茄生长的环境因子的阈值，确定番茄每小时的相对热效应：
其中，RTE(T)为每h的相对热效应；Tm为温室番茄生长上限温度(℃)；Tb为温室番茄生长下限温度(℃)；Tob为温室番茄生长最适下限温度(℃)；Tom为温室番茄生长最适上限温度(℃)；T为每小时的平均温度(℃)；
步骤S102，获取与相对热效应同时期的番茄叶片接收的太阳辐射能量Q，通过热辐射强度传感器采集热辐射强度H，单位是J/cm2/min，并通过计算得到一小时内太阳照射在番茄叶片表面的辐射能量，并进一步得到一小时内番茄的光合有效辐射PAR＝0.5×Q；
番茄的叶面积通过高通量图像分析得到，即在温室内安装摄像机，通过采集番茄图像信息，分析出番茄的叶面积。为了准确测出番茄叶面积，也可以采摘若干番茄叶片，测出番茄的总面积，然后取平均值作为番茄叶面积。
步骤S103，获取与相对热效应同时期的番茄叶片在1小时内的累计辐射，
并进一步得到24小时内的累计辐射，
并进一步得到从开始统计到最近一天的总辐射，
TEPi+1＝TEPi+DTEPi+1；
步骤S104，获取干物质积累模型，
植株干重累积与分配均呈前期慢、中期快、后期减慢的“S”型生长曲线，对番茄叶干重及累积辐射数据进行曲线拟合，得到番茄叶干重与累积辐射的关系，建立番茄干物质积累随光温效应变化的模型，得到干物重随累积辐射的变化的公式，
DW＝1/(1/203.42+7.451×0.997TEP)
其中DW表示总干重(g/m2)，TEP表示从开始统计到最近一天的累积辐射。
通过检测温室内的温度，即可预测到预定时段内的干物质重，从而能够判断出番茄的长势。番茄在不同时期对于长势的要求不同。例如，在幼苗期，侧重于根茎的生长。为了防止幼苗徒长，需要限制干物质重的增加。当温室内的温度较高，光辐射强度较强时，通过数学模型预测到干物质积累较快，就要控制温室内的温度降低。
同时，在实际种植过程中，番茄的一般都是土壤表面干了，再进行灌溉。但是这种方式并不准确。番茄的蒸发量能够很好地反映温室的失水情况。因此，有必要建立番茄的蒸发量模型来反映番茄的失水情况。
在一较佳实施方式中，番茄需水量模型为：
其中，ET0为充分灌溉下每10min内参考蒸发量，单位：mm/10min；Δ为饱和蒸气压曲线斜率，单位：kPa/℃；Rn为番茄受到的辐射强度，单位：MJ/(㎡·10min)；G为土壤热通量密度，MJ/(㎡·10min)，相比Rn通常很小，可忽略；γ为干湿表常数，取0.067kPa/℃；T为温室内预定高度处的平均气温，单位：℃；u2为温室内的风速，单位：m/s；es为温室内预定高度处平均饱和蒸气压，单位：kPa；ea为温室内预定高度处平均实际蒸气压，单位：kPa；
通过热辐射传感器实时检测温室内番茄受到的辐射强度，通过气压传感器实时检测温室内的预定高度的实时蒸气压，再通过查表获得特定温度下的饱和蒸气压曲线斜率，就能够计算出番茄一段时间内的蒸发量。
一种基于物联网的番茄种植温室环境的调控系统包括
温度传感器，用于检测温室内的温度；
气压传感器；用于检测温室内预定高度的气压；
风速传感器，用于检测温室内预定高度的风速；
热辐射强度传感器，用于检测温室内的热辐射强度；
遮阳装置，用于调节温室内的热辐射强度；
通风散热装置，用于调节温室内的温度；
灌溉装置，用于番茄的灌溉补水；
主控模块，用于接收温度传感器、气压传感器、风速传感器、热辐射强度传感器的检测信息并控制遮阳装置、通风散热装置、灌溉装置的运行；
遮阳装置、通风散热装置和灌溉装置现有技术中应用较为成熟，不再详细复述。常见的遮阳装置有遮阳网及相关拉伸装置，常见的通风散热装置有温室上风口卷放装置，山墙风扇系统，常见的灌溉装置有水肥一体化灌溉装置等。
远程监控模块，存储有干物质积累模型和番茄需水量模型，温度信息、热辐射强度信息输入至干物质积累模型中，干物质积累模型预测出一天的干物质积累量，工作人员根据经验判断干物质积累量是否合适，从而远程控制遮阳装置、通风散热装置，以调节温度和热辐射强度，由于温度传感器采集的是实时温度，温度传感器在一小时内多次采集的实时温度的平均温度作为干物质积累模型中的累计辐射的平均温度；温度信息、热辐射强度信息、气压信息、风速信息输入至番茄需水量模型中，番茄需水量模型预测出温室一天的蒸发量，当蒸发量达到预定值时，远程控制模块控制灌溉装置进行补水。
通信模块，用于建立主控模块与远程监控模块之间的有线或无线通讯，使远程监控模块能够远程控制遮阳装置、通风散热装置以及灌溉装置的运行。
通信模块可采用5G通信的方式，经过主控模块分析处理后的温度信息、热辐射强度信息、气压信息、风速信息的参数数据上传至远程监控模块。远程监控模块存储有相关数据和生长模型。在一较佳实施方式中，远程监控模块设有边缘智能网关、云端平台以及移动终端。边缘智能网关用于对接收的环境参数数据进行环境信息耦合和评估，根据作物长势信息下的生长模型，同时控制遮阳装置、通风散热装置、灌溉装置进行环境调控。云端平台用于从所述边缘智能网关接收并存储环境参数数据，同时响应移动控制终端的请求为移动终端提供所需环境参数数据。常见的移动终端有手机、平板电脑、笔记本电脑等。相关检测信息及预测结果都在移动终端上显示。
调控系统的电能来源于电网，也可通过太阳能供电。
在一较佳实施方式中，首先，边缘智能网关完成初始化，内存分配管理，以及各种硬件模块的初始化工作，然后基于广播协议搜索网络中的传感器和执行机构例如遮阳装置、通风散热装置等，并形成SigFox网络，边缘智能网关就能够实时监控番茄种植温室的环境信息。当有感知装置申请加入网络时，边缘智能网关将为其自动分配地址并根据感知装置IP地址建立连接，获取传感器的状态。当移动控制终端发送请求信息时，主控器将根据接收到的请求信息进行确认并将其转发到与之对应的功能模块，并将每个功能模块发送的数据添加网络地址，然后再发送给移动终端。移动终端在使用时，用户通过使用移动终端APP完成对番茄育苗温室信息采集装置的所有交互控制。首先APP启动后会判断自身是否处于本地网络中，当自身处于本地网络中会直接连接智能网关，与智能网关进行配置文件同步，然后根据配置文件信息进行UI生成，最后等待用户进行操作；当自身不处于本地网络中，则会尝试连接云端平台，建立远程控制通道。
进一步的，所述基于物联网的番茄种植温室环境的调控系统还包括专家数据库模块，所述专家数据库模块存储番茄每天的干物质积累量，工作人员根据经验将温室内的温度、热辐射强度控制在合适范围后，专家数据库模块将该温度、热辐射强度下生成的干物质积累量与时间进行对应，使得番茄生长周期内的每一天对应一个干物质积累量，专家数据库模块再将不同温室内的同一时期的干物质积累量进行平均化处理，得到的干物质积累量为该时期的最佳干物质积累量，远程监控模块通过最佳干物质积累量得到最佳干物质积累量下的最佳温度，远程监控模块根据该最佳温度控制遮阳装置和通风散热装置调节温室内的温度。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (8)
1.一种基于物联网的番茄种植温室环境的调控方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S001，在多个温室内设置采集环境因子信息的传感器，调整温室内的环境因子，确定影响番茄生长的主要环境因子；
步骤S002，根据不同时期番茄的生长情况，在主要环境因子中找出适合番茄生长的阈值；
步骤S003，将温室内适宜番茄生长的主要环境因子的阈值进行耦合和评估，建立适合番茄生长的调控模型，并筛除无法建模的环境因子；
步骤S004，将番茄的调控模型编程至控制终端中，通过控制终端调控温室内的环境。
2.如权利要求1所述的基于物联网的番茄种植温室环境的调控方法，其特征在于：在步骤S003中，所述调控模型中的环境因子为温度、番茄蒸发量、热辐射强度。
3.如权利要求2所述的基于物联网的番茄种植温室环境的调控方法，其特征在于：在步骤S003中，所述调控模型包括番茄的干物质积累模型和番茄需水量模型。
4.如权利要求3所述的基于物联网的番茄种植温室环境的调控方法，其特征在于：建立干物质积累模型包括以下步骤：
步骤S101，根据步骤S002中的适合番茄生长的环境因子的阈值，确定番茄每小时的相对热效应：
其中，RTE(T)为每h的相对热效应；Tm为温室番茄生长上限温度(℃)；Tb为温室番茄生长下限温度(℃)；Tob为温室番茄生长最适下限温度(℃)；Tom为温室番茄生长最适上限温度(℃)；T为每小时的平均温度(℃)；
步骤S102，获取与相对热效应同时期的番茄叶片接收的太阳辐射能量Q，通过热辐射强度传感器采集热辐射强度H，单位是J/cm2/min，并通过计算得到一小时内太阳照射在番茄叶片表面的辐射能量，并进一步得到一小时内番茄的光合有效辐射PAR＝0.5×Q；
步骤S103，获取与相对热效应同时期的番茄叶片在1小时内的累计辐射，
并进一步得到24小时内的累计辐射，
并进一步得到从开始统计到最近一天的总辐射，
TEPi+1＝TEPi+DTEPi+1；
步骤S104，获取干物质积累模型，
植株干重累积与分配均呈前期慢、中期快、后期减慢的“S”型生长曲线，对番茄叶干重及累积辐射数据进行曲线拟合，得到番茄叶干重与累积辐射的关系，建立番茄干物质积累随光温效应变化的模型，得到干物重随累积辐射的变化的公式，
DW＝1/(1/203.42+7.451×0.997TEP)
其中，DW表示总干重(g/m2)，TEP表示从开始统计到最近一天的累积辐射。
5.如权利要求4所述的基于物联网的番茄种植温室环境的调控方法，其特征在于：番茄的叶面积通过高通量图像分析得到，即在温室内安装摄像机，通过采集番茄图像信息，分析出番茄的叶面积。为了准确测出番茄叶面积，也可以采摘若干番茄叶片，测出番茄的总面积，然后取平均值作为番茄叶面积。
6.如权利要求3所述的基于物联网的番茄种植温室环境的调控方法，其特征在于：番茄需水量模型为：
其中，ET0为充分灌溉下每10min内参考蒸发量，单位：mm/10min；Δ为饱和蒸气压曲线斜率，单位：kPa/℃；Rn为番茄受到的辐射强度，单位：MJ/(㎡·10min)；G为土壤热通量密度，MJ/(㎡·10min)，相比Rn通常很小，可忽略；γ为干湿表常数，取0.067kPa/℃；T为温室内预定高度处的平均气温，单位：℃；u2为温室内的风速，单位：m/s；es为温室内预定高度处平均饱和蒸气压，单位：kPa；ea为温室内预定高度处平均实际蒸气压，单位：kPa；
通过热辐射传感器实时检测温室内番茄受到的辐射强度，通过气压传感器实时检测温室内的预定高度的实时蒸气压，再通过查表获得特定温度下的饱和蒸气压曲线斜率，就能够计算出番茄一段时间内的蒸发量。
7.基于物联网的番茄种植温室环境的调控系统，其特征在于：包括
温度传感器，用于检测温室内的温度；
气压传感器；用于检测温室内预定高度的气压；
风速传感器，用于检测温室内预定高度的风速；
热辐射强度传感器，用于检测温室内的热辐射强度；
遮阳装置，用于调节温室内的热辐射强度；
通风散热装置，用于调节温室内的温度；
灌溉装置，用于番茄的灌溉补水；
主控模块，用于接收温度传感器、气压传感器、风速传感器、热辐射强度传感器的检测信息并控制遮阳装置、通风散热装置、灌溉装置的运行；
远程监控模块，存储有干物质积累模型和番茄需水量模型，温度信息、热辐射强度信息输入至干物质积累模型中，干物质积累模型预测出一天的干物质积累量，工作人员根据经验判断干物质积累量是否合适，从而远程控制遮阳装置、通风散热装置，以调节温度和热辐射强度，由于温度传感器采集的是实时温度，温度传感器在一小时内多次采集的实时温度的平均温度作为干物质积累模型中的累计辐射的平均温度；温度信息、热辐射强度信息、气压信息、风速信息输入至番茄需水量模型中，番茄需水量模型预测出温室一天的蒸发量，当蒸发量达到预定值时，远程控制模块控制灌溉装置进行补水。
通信模块，用于建立主控模块与远程监控模块之间的有线或无线通讯，使远程监控模块能够远程控制遮阳装置、通风散热装置以及灌溉装置的运行。
8.如权利要求7所述的基于物联网的番茄种植温室环境的调控系统，其特征在于：所述基于物联网的番茄种植温室环境的调控系统还包括专家数据库模块，所述专家数据库模块存储番茄每天的干物质积累量，工作人员根据经验将温室内的温度、热辐射强度控制在合适范围后，专家数据库模块将该温度、热辐射强度下生成的干物质积累量与时间进行对应，使得番茄生长周期内的每一天对应一个干物质积累量，专家数据库模块再将不同温室内的同一时期的干物质积累量进行平均化处理，得到的干物质积累量为该时期的最佳干物质积累量，远程监控模块通过最佳干物质积累量得到最佳干物质积累量下的最佳温度，远程监控模块根据该最佳温度控制遮阳装置和通风散热装置调节温室内的温度。
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