一種溫度自適應的溫室光照智能控制系統和控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種溫度自適應的溫室光照智能控制系統及其控制方法，該系統包括上位機、主控制終端、一Zigbee主節點、n個Zigbee補光控制節點、Zigbee遮陽控制節點以及n個Zigbee監測節點；所述上位機通過網絡與所述主控制終端通信；所述的Zigbee補光控制節點連接有PWM驅動模塊，所述PWM驅動模塊的輸出端連接補光燈；所述Zigbee監測節點連接有信號預處理電路，所述的信號預處理電路與光照傳感器、溫度傳感器連接；所述Zigbee遮陽控制節點經一驅動模塊控制一遮陽卷簾機工作。本發明基于產出投入比最優，能夠自適應環境溫度的溫室光照控制系統和控制方法，實現了對溫室光照環境的智能、精確控制。
【專利說明】一種溫度自適應的溫室光照智能控制系統和控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及溫室控制【技術領域】，特別是一種溫度自適應的溫室光照智能控制系統 和控制方法。
【背景技術】
[0002] 溫室栽培技術在現代農業中占有重要地位，溫室栽培的關鍵技術在于對溫室內部 環境的調控，主要包括對溫室環境中光照、溫度、濕度、C02濃度、土壤水分和肥料等因子的 調控。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鍵環境因子之一，而溫室 環境光照智能控制系統是實現光照的智能、精確控制的主要系統。
[0003] 根據前人的研究可知，作物生長的最適光照強度是隨著環境溫度的變化而變化， 而在目前的實際溫室光照環境控制系統和控制方法中，大多采用人工設定光照強度控制的 上下限，沒有考慮環境溫度對作物最適光照強度的動態影響，不僅未能實現精確補光，往往 還會造成光照控制中的補光不足或浪費。
【發明內容】
[0004] 為了克服上述現有技術存在的不足，本發明提供一種基于產出投入比最優，能夠 自適應環境溫度的溫室光照控制系統和控制方法，實現了對溫室光照環境的智能、精確控 制。
[0005] 本發明采用以下方案實現：一種溫度自適應的溫室光照智能控制系統，其特征在 于：包括上位機、主控制終端、一 Zigbee主節點、η個Zigbee補光控制節點、Zigbee遮陽 控制節點以及η個Zigbee監測節點；所述上位機通過網絡與所述主控制終端通信；所述 的Zigbee主節點與所述主控制終端連接，所述的主控制終端連接有GPRS通信模塊和預警 模塊；所述的Zigbee補光控制節點連接有PWM驅動模塊，所述PWM驅動模塊的輸出端連接 補光燈；所述Zigbee監測節點連接有信號預處理電路，所述的信號預處理電路與光照傳感 器、溫度傳感器連接；所述Zigbee遮陽控制節點經一驅動模塊控制一遮陽卷簾機工作。
[0006] 在本發明一實施例中，所述上位機系統能對下位機的系統參數進行配置和修改， 能夠接收下位機發送的數據，實時顯示系統檢測到的環境溫度、光照強度和對應的作物光 補償點Itcp、光飽和點Lsp及系統決策出的控制方案、對應的控制成本數據，并且能夠繪制 出環境中光照強度隨溫度變化、及二者各自隨時間變化的動態曲線，能夠對系統異常做出 報警，同時具有數據的存儲和查詢功能，便于數據的進一步統計分析。
[0007] 在本發明一實施例中，所述主控制終端的主節點除了負責組網外，還具有與上位 機通信、匯集實時環境信息、計算補光量、評價和制定光照調控方案、向控制節點發送控制 指令和接收其執行結果的反饋信息功能。
[0008] 在本發明一實施例中，所述Zigbee監測節點除了定時對作物生長的環境溫度T、 光合有效輻射I進行檢測采集外，還根據光照控制模型計算出相應的作物光補償點Iixp、光 飽和點Lsp及作物光合速率Pfl⑴，分擔了主節點的計算量，并把原始信息和計算后的幾個 結果共同傳輸給Zigbee主節點處理。
[0009] 在本發明一實施例中，所述Zigbee遮陽控制節點在接收到Zigbee主節點發送的 控制指令后，轉換成所需的驅動信號，經驅動電路實現補光和遮陽網的展開或收起，并將執 行結果反饋給主節點。
[0010] 本發明另提供一種上述的溫度自適應的溫室光照智能控制系統的控制方法：其特 征在于：所述Zigbee主節點上電后，首先對系統進行初始化并自動組建網絡，允許子節點 的入網請求；然后Zigbee主節點會在無線通道中讀取數據并分析數據類型，若為無關信號 則重新讀取數據；若Zigbee主節點在無線通道中讀取的數據類型為子節點的入網請求信 息，則讀取子節點的編號，辨別出是監測節點還是控制節點，并將其加入控制列表，然后繼 續讀取和分析無線通道中的數據；若Zigbee主節點在無線通道中讀取的數據類型為控制 節點反饋的執行信息，則記錄并判斷控制節點的執行結果是否成功；若為不成功信息，則記 錄該節點的失敗次數，當某一節點的失敗次數達到設置的閾值就會觸發報警系統，若未達 到閾值則重新發送控制指令；若為執行成功的信息，則將失敗次數清零，然后繼續讀取和分 析無線通道中的數據。
[0011] 在本發明一實施例中，若主節點在無線通道中讀取數據類型為監測節點發送的監 測信息，則判斷當前環境是否滿足作物生長的要求，如果滿足，則維持現狀，并將之前收到 的信息發送給上位機系統。
[0012] 在本發明一實施例中，若當前環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光量，并制定可執行的調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，再進一步判斷，找出所給方案中產出投入比為最大的一個，通過編碼后將控 制指令發送給控制節點，實現自適應環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點反饋的相關信息都發送給上位機；完成上述任務后，Zigbee主節 點將重新讀取無線通道中的數據，進入下一個循環。
[0013] 在本發明一實施例中，當上位機有修改參數的指令發送過來時，系統將轉入外部 中斷服務程序執行該命令，實現系統參數的修改。
[0014] 在本發明一實施例中，其中作物光照控制模型包括了光補償點模型、光飽和點模 型及最佳補光量模型，分別表示如下： 1) 作物生長的光補償點為：
【權利要求】
1. 一種溫度自適應的溫室光照智能控制系統，其特征在于：包括上位機、主控制終端、 一 Zigbee主節點、n個Zigbee補光控制節點、Zigbee遮陽控制節點以及n個Zigbee監測 節點；所述上位機通過網絡與所述主控制終端通信；所述的Zigbee主節點與所述主控制終 端連接，所述的主控制終端連接有GPRS通信模塊和預警模塊；所述的Zigbee補光控制節點 連接有PWM驅動模塊，所述PWM驅動模塊的輸出端連接補光燈；所述Zigbee監測節點連接 有信號預處理電路，所述的信號預處理電路與光照傳感器、溫度傳感器連接；所述Zigbee 遮陽控制節點經一驅動模塊控制一遮陽卷簾機工作。
2. 根據權利要求1所述的溫度自適應的溫室光照智能控制系統，其特征在 于：所述上位機系統能對下位機的系統參數進行配置和修改，能夠接收下位機 發送的數據，實時顯示系統檢測到的環境溫度、光照強度和對應的作物光補償點 Iuip、光飽和點Lsp及系統決策出的控制方案、對應的控制成本數據，并且能夠繪制出環境 中光照強度隨溫度變化、及二者各自隨時間變化的動態曲線，能夠對系統異常做出報警，同 時具有數據的存儲和查詢功能，便于數據的進一步統計分析。
3. 根據權利要求1所述的溫度自適應的溫室光照智能控制系統，其特征在于：所述主 控制終端的主節點除了負責組網外，還具有與上位機通信、匯集實時環境信息、計算補光 量、評價和制定光照調控方案、向控制節點發送控制指令和接收其執行結果的反饋信息功 能。
4. 根據權利要求1所述的溫度自適應的溫室光照智能控制系統，其特征在于：所述 Zigbee監測節點除了定時對作物生長的環境溫度T、光合有效輻射I進行檢測采集外，還根 據光照控制模型計算出相應的作物光補償點L05、光飽和點Lsp及作物光合速率!^?，分 擔了主節點的計算量，并把原始信息和計算后的幾個結果共同傳輸給Zigbee主節點處理。
5. 根據權利要求1所述的溫度自適應的溫室光照智能控制系統，其特征在于：所述 Zigbee遮陽控制節點在接收到Zigbee主節點發送的控制指令后，轉換成所需的驅動信號， 經驅動電路實現補光和遮陽網的展開或收起，并將執行結果反饋給主節點。
6. -種如權利要求1所述的溫度自適應的溫室光照智能控制系統的控制方法：其特征 在于：所述Zigbee主節點上電后，首先對系統進行初始化并自動組建網絡，允許子節點的 入網請求；然后Zigbee主節點會在無線通道中讀取數據并分析數據類型，若為無關信號則 重新讀取數據；若Zigbee主節點在無線通道中讀取的數據類型為子節點的入網請求信息， 則讀取子節點的編號，辨別出是監測節點還是控制節點，并將其加入控制列表，然后繼續讀 取和分析無線通道中的數據；若Zigbee主節點在無線通道中讀取的數據類型為控制節點 反饋的執行信息，則記錄并判斷控制節點的執行結果是否成功；若為不成功信息，則記錄該 節點的失敗次數，當某一節點的失敗次數達到設置的閾值就會觸發報警系統，若未達到閾 值則重新發送控制指令；若為執行成功的信息，則將失敗次數清零，然后繼續讀取和分析無 線通道中的數據。
7. 根據權利要求6所述的控制方法，其特征在于：若主節點在無線通道中讀取數據類 型為監測節點發送的監測信息，則判斷當前環境是否滿足作物生長的要求，如果滿足，則維 持現狀，并將之前收到的信息發送給上位機系統。
8. 根據權利要求7所述的控制方法，其特征在于：若當前環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光量，并制定可執行的調控方案和通過光照 控制成本模型計算出各方案的控制成本，再進一步判斷，找出所給方案中產出投入比為最 大的一個，通過編碼后將控制指令發送給控制節點，實現自適應環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點反饋的相關信息都發送給上位機；完成 上述任務后，Zigbee主節點將重新讀取無線通道中的數據，進入下一個循環。
9. 根據權利要求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 償點模型、光飽和點模型及最佳補光量模型，分別表不如下：
10.根據權利要求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是系統的控制總成本；ks是遮陽網卷簾機的動作狀態，ks = 1為動作， =O為無動作；ps、Pl分別為卷簾機和補光燈的額定功率；CH是電能單價；t a是卷簾機每 動作一次所需的時間；tt是補光燈連續開啟時間。
【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 優先權日:2014年11月21日
【發明者】鄭書河, 朱舟, 童向亞, 代群華 申請人:福建農林大學