一種溫度自適應(yīng)的溫室光照智能控制系統(tǒng)和控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種溫度自適應(yīng)的溫室光照智能控制系統(tǒng)及其控制方法，該系統(tǒng)包括上位機(jī)、主控制終端、一Zigbee主節(jié)點(diǎn)、n個Zigbee補(bǔ)光控制節(jié)點(diǎn)、Zigbee遮陽控制節(jié)點(diǎn)以及n個Zigbee監(jiān)測節(jié)點(diǎn)；所述上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)與所述主控制終端通信；所述的Zigbee補(bǔ)光控制節(jié)點(diǎn)連接有PWM驅(qū)動模塊，所述PWM驅(qū)動模塊的輸出端連接補(bǔ)光燈；所述Zigbee監(jiān)測節(jié)點(diǎn)連接有信號預(yù)處理電路，所述的信號預(yù)處理電路與光照傳感器、溫度傳感器連接；所述Zigbee遮陽控制節(jié)點(diǎn)經(jīng)一驅(qū)動模塊控制一遮陽卷簾機(jī)工作。本發(fā)明基于產(chǎn)出投入比最優(yōu)，能夠自適應(yīng)環(huán)境溫度的溫室光照控制系統(tǒng)和控制方法，實(shí)現(xiàn)了對溫室光照環(huán)境的智能、精確控制。
【專利說明】一種溫度自適應(yīng)的溫室光照智能控制系統(tǒng)和控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及溫室控制【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種溫度自適應(yīng)的溫室光照智能控制系統(tǒng) 和控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 溫室栽培技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中占有重要地位，溫室栽培的關(guān)鍵技術(shù)在于對溫室內(nèi)部 環(huán)境的調(diào)控，主要包括對溫室環(huán)境中光照、溫度、濕度、C02濃度、土壤水分和肥料等因子的 調(diào)控。光照作為作物光合作用的能量來源，是影響作物生長的最關(guān)鍵環(huán)境因子之一，而溫室 環(huán)境光照智能控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)光照的智能、精確控制的主要系統(tǒng)。
[0003] 根據(jù)前人的研究可知，作物生長的最適光照強(qiáng)度是隨著環(huán)境溫度的變化而變化， 而在目前的實(shí)際溫室光照環(huán)境控制系統(tǒng)和控制方法中，大多采用人工設(shè)定光照強(qiáng)度控制的 上下限，沒有考慮環(huán)境溫度對作物最適光照強(qiáng)度的動態(tài)影響，不僅未能實(shí)現(xiàn)精確補(bǔ)光，往往 還會造成光照控制中的補(bǔ)光不足或浪費(fèi)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種基于產(chǎn)出投入比最優(yōu)，能夠 自適應(yīng)環(huán)境溫度的溫室光照控制系統(tǒng)和控制方法，實(shí)現(xiàn)了對溫室光照環(huán)境的智能、精確控 制。
[0005] 本發(fā)明采用以下方案實(shí)現(xiàn)：一種溫度自適應(yīng)的溫室光照智能控制系統(tǒng)，其特征在 于：包括上位機(jī)、主控制終端、一 Zigbee主節(jié)點(diǎn)、η個Zigbee補(bǔ)光控制節(jié)點(diǎn)、Zigbee遮陽 控制節(jié)點(diǎn)以及η個Zigbee監(jiān)測節(jié)點(diǎn)；所述上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)與所述主控制終端通信；所述 的Zigbee主節(jié)點(diǎn)與所述主控制終端連接，所述的主控制終端連接有GPRS通信模塊和預(yù)警 模塊；所述的Zigbee補(bǔ)光控制節(jié)點(diǎn)連接有PWM驅(qū)動模塊，所述PWM驅(qū)動模塊的輸出端連接 補(bǔ)光燈；所述Zigbee監(jiān)測節(jié)點(diǎn)連接有信號預(yù)處理電路，所述的信號預(yù)處理電路與光照傳感 器、溫度傳感器連接；所述Zigbee遮陽控制節(jié)點(diǎn)經(jīng)一驅(qū)動模塊控制一遮陽卷簾機(jī)工作。
[0006] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述上位機(jī)系統(tǒng)能對下位機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行配置和修改， 能夠接收下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，實(shí)時顯示系統(tǒng)檢測到的環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度和對應(yīng)的作物光 補(bǔ)償點(diǎn)Itcp、光飽和點(diǎn)Lsp及系統(tǒng)決策出的控制方案、對應(yīng)的控制成本數(shù)據(jù)，并且能夠繪制 出環(huán)境中光照強(qiáng)度隨溫度變化、及二者各自隨時間變化的動態(tài)曲線，能夠?qū)ο到y(tǒng)異常做出 報警，同時具有數(shù)據(jù)的存儲和查詢功能，便于數(shù)據(jù)的進(jìn)一步統(tǒng)計分析。
[0007] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述主控制終端的主節(jié)點(diǎn)除了負(fù)責(zé)組網(wǎng)外，還具有與上位 機(jī)通信、匯集實(shí)時環(huán)境信息、計算補(bǔ)光量、評價和制定光照調(diào)控方案、向控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制 指令和接收其執(zhí)行結(jié)果的反饋信息功能。
[0008] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述Zigbee監(jiān)測節(jié)點(diǎn)除了定時對作物生長的環(huán)境溫度T、 光合有效輻射I進(jìn)行檢測采集外，還根據(jù)光照控制模型計算出相應(yīng)的作物光補(bǔ)償點(diǎn)Iixp、光 飽和點(diǎn)Lsp及作物光合速率Pfl⑴，分擔(dān)了主節(jié)點(diǎn)的計算量，并把原始信息和計算后的幾個 結(jié)果共同傳輸給Zigbee主節(jié)點(diǎn)處理。
[0009] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述Zigbee遮陽控制節(jié)點(diǎn)在接收到Zigbee主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的 控制指令后，轉(zhuǎn)換成所需的驅(qū)動信號，經(jīng)驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)補(bǔ)光和遮陽網(wǎng)的展開或收起，并將執(zhí) 行結(jié)果反饋給主節(jié)點(diǎn)。
[0010] 本發(fā)明另提供一種上述的溫度自適應(yīng)的溫室光照智能控制系統(tǒng)的控制方法：其特 征在于：所述Zigbee主節(jié)點(diǎn)上電后，首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化并自動組建網(wǎng)絡(luò)，允許子節(jié)點(diǎn) 的入網(wǎng)請求；然后Zigbee主節(jié)點(diǎn)會在無線通道中讀取數(shù)據(jù)并分析數(shù)據(jù)類型，若為無關(guān)信號 則重新讀取數(shù)據(jù)；若Zigbee主節(jié)點(diǎn)在無線通道中讀取的數(shù)據(jù)類型為子節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請求信 息，則讀取子節(jié)點(diǎn)的編號，辨別出是監(jiān)測節(jié)點(diǎn)還是控制節(jié)點(diǎn)，并將其加入控制列表，然后繼 續(xù)讀取和分析無線通道中的數(shù)據(jù)；若Zigbee主節(jié)點(diǎn)在無線通道中讀取的數(shù)據(jù)類型為控制 節(jié)點(diǎn)反饋的執(zhí)行信息，則記錄并判斷控制節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行結(jié)果是否成功；若為不成功信息，則記 錄該節(jié)點(diǎn)的失敗次數(shù)，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)的失敗次數(shù)達(dá)到設(shè)置的閾值就會觸發(fā)報警系統(tǒng)，若未達(dá) 到閾值則重新發(fā)送控制指令；若為執(zhí)行成功的信息，則將失敗次數(shù)清零，然后繼續(xù)讀取和分 析無線通道中的數(shù)據(jù)。
[0011] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，若主節(jié)點(diǎn)在無線通道中讀取數(shù)據(jù)類型為監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)送的監(jiān) 測信息，則判斷當(dāng)前環(huán)境是否滿足作物生長的要求，如果滿足，則維持現(xiàn)狀，并將之前收到 的信息發(fā)送給上位機(jī)系統(tǒng)。
[0012] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，若當(dāng)前環(huán)境不滿足作物生長的要求，則通過作物光照控制 模型計算出需要的補(bǔ)光量，并制定可執(zhí)行的調(diào)控方案和通過光照控制成本模型計算出各方 案的控制成本，再進(jìn)一步判斷，找出所給方案中產(chǎn)出投入比為最大的一個，通過編碼后將控 制指令發(fā)送給控制節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)環(huán)境溫度的光照智能控制，然后將之前接收到的信息 和做出控制以及控制節(jié)點(diǎn)反饋的相關(guān)信息都發(fā)送給上位機(jī)；完成上述任務(wù)后，Zigbee主節(jié) 點(diǎn)將重新讀取無線通道中的數(shù)據(jù)，進(jìn)入下一個循環(huán)。
[0013] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，當(dāng)上位機(jī)有修改參數(shù)的指令發(fā)送過來時，系統(tǒng)將轉(zhuǎn)入外部 中斷服務(wù)程序執(zhí)行該命令，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的修改。
[0014] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，其中作物光照控制模型包括了光補(bǔ)償點(diǎn)模型、光飽和點(diǎn)模 型及最佳補(bǔ)光量模型，分別表示如下： 1) 作物生長的光補(bǔ)償點(diǎn)為：

【權(quán)利要求】
1. 一種溫度自適應(yīng)的溫室光照智能控制系統(tǒng)，其特征在于：包括上位機(jī)、主控制終端、 一 Zigbee主節(jié)點(diǎn)、n個Zigbee補(bǔ)光控制節(jié)點(diǎn)、Zigbee遮陽控制節(jié)點(diǎn)以及n個Zigbee監(jiān)測 節(jié)點(diǎn)；所述上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)與所述主控制終端通信；所述的Zigbee主節(jié)點(diǎn)與所述主控制終 端連接，所述的主控制終端連接有GPRS通信模塊和預(yù)警模塊；所述的Zigbee補(bǔ)光控制節(jié)點(diǎn) 連接有PWM驅(qū)動模塊，所述PWM驅(qū)動模塊的輸出端連接補(bǔ)光燈；所述Zigbee監(jiān)測節(jié)點(diǎn)連接 有信號預(yù)處理電路，所述的信號預(yù)處理電路與光照傳感器、溫度傳感器連接；所述Zigbee 遮陽控制節(jié)點(diǎn)經(jīng)一驅(qū)動模塊控制一遮陽卷簾機(jī)工作。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度自適應(yīng)的溫室光照智能控制系統(tǒng)，其特征在 于：所述上位機(jī)系統(tǒng)能對下位機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行配置和修改，能夠接收下位機(jī) 發(fā)送的數(shù)據(jù)，實(shí)時顯示系統(tǒng)檢測到的環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度和對應(yīng)的作物光補(bǔ)償點(diǎn) Iuip、光飽和點(diǎn)Lsp及系統(tǒng)決策出的控制方案、對應(yīng)的控制成本數(shù)據(jù)，并且能夠繪制出環(huán)境 中光照強(qiáng)度隨溫度變化、及二者各自隨時間變化的動態(tài)曲線，能夠?qū)ο到y(tǒng)異常做出報警，同 時具有數(shù)據(jù)的存儲和查詢功能，便于數(shù)據(jù)的進(jìn)一步統(tǒng)計分析。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度自適應(yīng)的溫室光照智能控制系統(tǒng)，其特征在于：所述主 控制終端的主節(jié)點(diǎn)除了負(fù)責(zé)組網(wǎng)外，還具有與上位機(jī)通信、匯集實(shí)時環(huán)境信息、計算補(bǔ)光 量、評價和制定光照調(diào)控方案、向控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令和接收其執(zhí)行結(jié)果的反饋信息功 能。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度自適應(yīng)的溫室光照智能控制系統(tǒng)，其特征在于：所述 Zigbee監(jiān)測節(jié)點(diǎn)除了定時對作物生長的環(huán)境溫度T、光合有效輻射I進(jìn)行檢測采集外，還根 據(jù)光照控制模型計算出相應(yīng)的作物光補(bǔ)償點(diǎn)L05、光飽和點(diǎn)Lsp及作物光合速率!^?，分 擔(dān)了主節(jié)點(diǎn)的計算量，并把原始信息和計算后的幾個結(jié)果共同傳輸給Zigbee主節(jié)點(diǎn)處理。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度自適應(yīng)的溫室光照智能控制系統(tǒng)，其特征在于：所述 Zigbee遮陽控制節(jié)點(diǎn)在接收到Zigbee主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制指令后，轉(zhuǎn)換成所需的驅(qū)動信號， 經(jīng)驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)補(bǔ)光和遮陽網(wǎng)的展開或收起，并將執(zhí)行結(jié)果反饋給主節(jié)點(diǎn)。
6. -種如權(quán)利要求1所述的溫度自適應(yīng)的溫室光照智能控制系統(tǒng)的控制方法：其特征 在于：所述Zigbee主節(jié)點(diǎn)上電后，首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化并自動組建網(wǎng)絡(luò)，允許子節(jié)點(diǎn)的 入網(wǎng)請求；然后Zigbee主節(jié)點(diǎn)會在無線通道中讀取數(shù)據(jù)并分析數(shù)據(jù)類型，若為無關(guān)信號則 重新讀取數(shù)據(jù)；若Zigbee主節(jié)點(diǎn)在無線通道中讀取的數(shù)據(jù)類型為子節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請求信息， 則讀取子節(jié)點(diǎn)的編號，辨別出是監(jiān)測節(jié)點(diǎn)還是控制節(jié)點(diǎn)，并將其加入控制列表，然后繼續(xù)讀 取和分析無線通道中的數(shù)據(jù)；若Zigbee主節(jié)點(diǎn)在無線通道中讀取的數(shù)據(jù)類型為控制節(jié)點(diǎn) 反饋的執(zhí)行信息，則記錄并判斷控制節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行結(jié)果是否成功；若為不成功信息，則記錄該 節(jié)點(diǎn)的失敗次數(shù)，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)的失敗次數(shù)達(dá)到設(shè)置的閾值就會觸發(fā)報警系統(tǒng)，若未達(dá)到閾 值則重新發(fā)送控制指令；若為執(zhí)行成功的信息，則將失敗次數(shù)清零，然后繼續(xù)讀取和分析無 線通道中的數(shù)據(jù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于：若主節(jié)點(diǎn)在無線通道中讀取數(shù)據(jù)類 型為監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)送的監(jiān)測信息，則判斷當(dāng)前環(huán)境是否滿足作物生長的要求，如果滿足，則維 持現(xiàn)狀，并將之前收到的信息發(fā)送給上位機(jī)系統(tǒng)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制方法，其特征在于：若當(dāng)前環(huán)境不滿足作物生長的要 求，則通過作物光照控制模型計算出需要的補(bǔ)光量，并制定可執(zhí)行的調(diào)控方案和通過光照 控制成本模型計算出各方案的控制成本，再進(jìn)一步判斷，找出所給方案中產(chǎn)出投入比為最 大的一個，通過編碼后將控制指令發(fā)送給控制節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)環(huán)境溫度的光照智能控制， 然后將之前接收到的信息和做出控制以及控制節(jié)點(diǎn)反饋的相關(guān)信息都發(fā)送給上位機(jī)；完成 上述任務(wù)后，Zigbee主節(jié)點(diǎn)將重新讀取無線通道中的數(shù)據(jù)，進(jìn)入下一個循環(huán)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制方法，其特征在于：其中作物光照控制模型包括了光補(bǔ) 償點(diǎn)模型、光飽和點(diǎn)模型及最佳補(bǔ)光量模型，分別表不如下：
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制方法，其特征在于：其中光照控制成本模型如下：
上式中：Pa是系統(tǒng)的控制總成本；ks是遮陽網(wǎng)卷簾機(jī)的動作狀態(tài)，ks = 1為動作， =O為無動作；ps、Pl分別為卷簾機(jī)和補(bǔ)光燈的額定功率；CH是電能單價；t a是卷簾機(jī)每 動作一次所需的時間；tt是補(bǔ)光燈連續(xù)開啟時間。
【文檔編號】G05B19/418GK104360705SQ201410667674
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月21日
【發(fā)明者】鄭書河, 朱舟, 童向亞, 代群華 申請人:福建農(nóng)林大學(xué)