專利名稱：基于多因子耦合的光環(huán)境智能調(diào)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于多因子耦合的光環(huán)境智能調(diào)控系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前我國設(shè)施園藝面積超過250萬公頃，居世界首位，但由于溫室大棚等農(nóng)業(yè)設(shè)施受覆蓋材料、灰塵以及結(jié)構(gòu)遮光等因素的影響，設(shè)施作物缺光現(xiàn)象普遍存在，光照不足已成為限制其發(fā)展的重要因素。以關(guān)中地區(qū)為例，其自然光照冬季光照1701-3780以上勒克斯光照時數(shù)僅有6-7小時，多數(shù)蔬菜要求12-14小時才能達(dá)到最佳產(chǎn)量狀態(tài)，因此整體產(chǎn)量和品質(zhì)不高。因此，對光環(huán)境研究與調(diào)控已成為時下研究的熱點(diǎn)。近年來隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫室大棚的大面積推廣，市面上出現(xiàn)了許多專用農(nóng)業(yè)補(bǔ)光系統(tǒng)，對應(yīng)的控制算法也層出不窮。但是，大多數(shù)補(bǔ)光系統(tǒng)的控制算法缺乏精密性，多依靠單一的光強(qiáng)監(jiān)測值調(diào)用算法進(jìn)行需補(bǔ)光量的計算，未考慮光質(zhì)對溫室作物生長的影響。即使有小部分補(bǔ)光系統(tǒng)考慮了光質(zhì)對作物生長的影響，但是其補(bǔ)光量均為固定值，這樣就很容易造成補(bǔ)光不足和過度并存的現(xiàn)象，甚至造成光抑制和光破壞現(xiàn)象，未能解決作物補(bǔ)光過程中精準(zhǔn)化的問題，而且耗能較大。可見，現(xiàn)有補(bǔ)光系統(tǒng)在光環(huán)境調(diào)控方面存在著較多的問題，未考慮環(huán)境中多因子間的相互關(guān)聯(lián)以及對作物光環(huán)境的影響，極大地影響了設(shè)施光環(huán)境調(diào)控的實時性和精確性。
發(fā)明內(nèi)容為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本實用新型的目的在于提供一種基于多因子耦合的光環(huán)境智能調(diào)控系統(tǒng)，充分考慮了溫度、光強(qiáng)、光質(zhì)和光照累積時間等因子間的相互關(guān)系以及對作物光環(huán)境的影響，建立光照時間優(yōu)先調(diào)控模式，保證作物有效光照累積時間。其次，根據(jù)溫度與不同光質(zhì)間光飽和點(diǎn)的動態(tài)關(guān)系，設(shè)計最優(yōu)的光飽和點(diǎn)動態(tài)控制模型，從而完成不同溫度下光飽和點(diǎn)的動態(tài)調(diào)整，最后，根據(jù)實時光飽和點(diǎn)，設(shè)計支持動態(tài)參數(shù)可調(diào)的多因子耦合反饋控制模型，實現(xiàn)基于多因子監(jiān)測結(jié)果的作物生長光環(huán)境精確調(diào)控。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是:基于多因子耦合的光環(huán)境智能調(diào)控系統(tǒng)，包括:溫度監(jiān)測模塊，用于監(jiān)測環(huán)境內(nèi)實時溫度，并將監(jiān)測值傳輸至單片機(jī)；光照監(jiān)測模塊，用于監(jiān)測環(huán)境內(nèi)實時總光強(qiáng)，并將監(jiān)測值傳輸至單片機(jī)；人機(jī)交互模塊，接單片機(jī)用于完成對當(dāng)前環(huán)境內(nèi)植物光照的累計時間以及起始時間的設(shè)定單片機(jī)，根據(jù)當(dāng)前實時總光強(qiáng)與實時溫度計算得到紅藍(lán)光的需補(bǔ)光量，根據(jù)紅藍(lán)光的需補(bǔ)光量，向補(bǔ)光模塊輸出補(bǔ)光控制信號，當(dāng)實時溫度在設(shè)定的光合作用有效溫度閾值范圍外，向調(diào)溫模塊輸出調(diào)溫控制信號； 調(diào)溫模塊，接單片機(jī)調(diào)溫控制信號輸出控制口，根據(jù)單片機(jī)所發(fā)送調(diào)溫控制信號，實現(xiàn)調(diào)整當(dāng)前溫度在設(shè)定的光合作用有效溫度閾值范圍之內(nèi)；補(bǔ)光模塊，采用陣列式補(bǔ)光燈組，接單片機(jī)補(bǔ)光控制信號輸出控制口，根據(jù)單片機(jī)所發(fā)送補(bǔ)光控制信號，打開紅藍(lán)光補(bǔ)光燈組陣列中相應(yīng)數(shù)量的補(bǔ)光燈進(jìn)行補(bǔ)光；時鐘模塊，接單片機(jī)用于向其提供系統(tǒng)時間和計時時間；電源模塊，用于為整個系統(tǒng)供電，其中所述調(diào)溫模塊基于繼電器工作原理，繼電器接加熱電阻，通過控制所述加熱電阻上的電流大小實現(xiàn)溫度調(diào)控。所述單片機(jī)預(yù)留有用以接入傳感器模塊的控制口。所述溫度監(jiān)測模塊采用DB18B20溫度傳感器。所述光照監(jiān)測模塊采用植物生長光合有效輻射傳感器(PAR)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型通過對植物生長環(huán)境中溫度、光質(zhì)和光強(qiáng)的監(jiān)測，實現(xiàn)植物生長環(huán)境信息的實時捕捉；同時，基于用戶設(shè)定的系統(tǒng)參數(shù)和捕捉的實時環(huán)境信息，通過調(diào)用多因子耦合光環(huán)境智能調(diào)控算法，完成對環(huán)境中溫度和分波段光強(qiáng)的精確控制，實現(xiàn)對植物生長光環(huán)境的智能調(diào)控。經(jīng)過對系統(tǒng)的實地部署實驗，證明本系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實時性和精確性， 可在最低耗能的基礎(chǔ)上，通過PWM控制信號對調(diào)光量進(jìn)行有效控制，同時通過加溫設(shè)備對溫室內(nèi)溫度進(jìn)行實時調(diào)控，從而完成對植物生長環(huán)境中溫度、分波段光強(qiáng)的最優(yōu)調(diào)控，實現(xiàn)植物生長光環(huán)境的實時智能調(diào)控。

圖1是本實用新型多因子耦合反饋控制機(jī)制原理示意圖。圖2是本實用新型溫度-凈光合速率擬合曲線示意圖。圖3是本實用新型凈光合速率-光強(qiáng)擬合曲線示意圖。圖4是本實用新型溫度-光強(qiáng)擬合曲線示意圖。圖5是本實用新型硬件結(jié)構(gòu)框圖。圖6是本實用新型工作流程示意圖。圖7是本實用新型實施例的系統(tǒng)測試結(jié)果示意圖。圖8是本實用新型實施例的系統(tǒng)歸一化節(jié)能直方圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例詳細(xì)說明本實用新型的實施方式。如圖1所示，本實用新型的原理是根據(jù)用戶設(shè)定的補(bǔ)光開始時間和累積時間值，在保證光照累積時間的基礎(chǔ)上，通過監(jiān)測得到環(huán)境中紅藍(lán)光PFD值和不同溫度條件下不同植物的紅藍(lán)光光飽和點(diǎn)，計算紅藍(lán)光監(jiān)測值和目標(biāo)值之間的差值，再與補(bǔ)光陣列最大補(bǔ)光量求商，得出紅藍(lán)光實時需調(diào)光量，進(jìn)而完成所在環(huán)境有效光強(qiáng)的動態(tài)調(diào)整。同時針對低溫情況，系統(tǒng)自動進(jìn)行加溫控制，完成對環(huán)境中溫度的調(diào)整，實現(xiàn)植物生長光環(huán)境參數(shù)的精確智能調(diào)控。本實用新型通過設(shè)定光照累計時間，在累計光照的時間內(nèi)，監(jiān)測環(huán)境中實時的紅藍(lán)光光合有效輻射光量子通量密度(PFD)值和實時的溫度值，根據(jù)不同溫度條件下當(dāng)前植物的紅藍(lán)光光飽和點(diǎn)，計算紅藍(lán)光監(jiān)測值和目標(biāo)值之間的差值，進(jìn)行按需補(bǔ)光，并且，當(dāng)溫度監(jiān)測值超出光合作用有效溫度閾值范圍時，對溫度進(jìn)行調(diào)整使其在該范圍內(nèi)；[0030]針對溫度與環(huán)境光強(qiáng)的相關(guān)信息，經(jīng)過實地部署實驗，監(jiān)測出溫室長期溫度與光
照強(qiáng)度關(guān)系數(shù)據(jù)如表1:表I
權(quán)利要求1.一種基于多因子耦合的光環(huán)境智能調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，包括: 溫度監(jiān)測模塊，用于監(jiān)測環(huán)境內(nèi)實時溫度，并將監(jiān)測值傳輸至單片機(jī)； 光照監(jiān)測模塊，用于監(jiān)測環(huán)境內(nèi)實時總光強(qiáng)，并將監(jiān)測值傳輸至單片機(jī)； 人機(jī)交互模塊，接單片機(jī)用于完成對當(dāng)前環(huán)境內(nèi)植物光照的累計時間以及起始時間的設(shè)定， 單片機(jī)，根據(jù)當(dāng)前實時總光強(qiáng)與實時溫度計算得到紅藍(lán)光的需補(bǔ)光量，根據(jù)紅藍(lán)光的需補(bǔ)光量，向補(bǔ)光模塊輸出補(bǔ)光控制信號，當(dāng)實時溫度在設(shè)定的光合作用有效溫度閾值范圍外，向調(diào)溫模塊輸出調(diào)溫控制信號； 調(diào)溫模塊，接單片機(jī)調(diào)溫控制信號輸出控制口，根據(jù)單片機(jī)所發(fā)送調(diào)溫控制信號，實現(xiàn)調(diào)整當(dāng)前溫度在設(shè)定的光合作用有效溫度閾值范圍之內(nèi)，所述調(diào)溫模塊基于繼電器工作原理，繼電器接加熱電阻，通過控制所述加熱電阻上的電流大小實現(xiàn)溫度調(diào)控； 補(bǔ)光模塊，采用陣列式補(bǔ)光燈組，接單片機(jī)補(bǔ)光控制信號輸出控制口，根據(jù)單片機(jī)所發(fā)送補(bǔ)光控制信號，打開紅藍(lán)光補(bǔ)光燈組陣列中相應(yīng)數(shù)量的補(bǔ)光燈進(jìn)行補(bǔ)光； 時鐘模塊，接單片機(jī)用于向其提供系統(tǒng)時間和計時時間； 電源模塊，用于為整個系統(tǒng)供電。
2.根據(jù)權(quán) 利要求1所述的基于多因子耦合的光環(huán)境智能調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述單片機(jī)預(yù)留有用以接入傳感器模塊的控制口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多因子耦合的光環(huán)境智能調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度監(jiān)測模塊采用DB18B20溫度傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多因子耦合的光環(huán)境智能調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述光照監(jiān)測模塊采用植物生長光合有效輻射傳感器(PAR)。
專利摘要一種基于多因子耦合的光環(huán)境智能調(diào)控系統(tǒng)，包括溫度監(jiān)測模塊、光照監(jiān)測模塊、人機(jī)交互模塊、單片機(jī)、調(diào)溫模塊、補(bǔ)光模塊、時鐘模塊以及電源模塊，根據(jù)當(dāng)前環(huán)境內(nèi)植物光照需求特性設(shè)定其光照累計時間，在累計光照的時間內(nèi)，監(jiān)測環(huán)境中實時的紅藍(lán)光光合有效輻射光量子通量密度值和實時溫度值，根據(jù)不同溫度條件下當(dāng)前植物的紅藍(lán)光光飽和點(diǎn)，計算紅藍(lán)光監(jiān)測值和目標(biāo)值之間的差值，進(jìn)行按需補(bǔ)光，本實用新型通過調(diào)用多因子耦合光環(huán)境智能調(diào)控算法，完成對環(huán)境中溫度和分波段光強(qiáng)的精確控制，可在最低耗能的基礎(chǔ)上，通過PWM控制信號對調(diào)光量進(jìn)行有效控制，實現(xiàn)了對植物生長環(huán)境中溫度、分波段光強(qiáng)的最優(yōu)調(diào)控。
文檔編號H05B37/02GK203136275SQ20132012087
公開日2013年8月14日 申請日期2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月15日
發(fā)明者胡瑾, 樊宏攀, 劉翔, 周慶珍, 張海輝, 梁巖, 劉正道, 喬俊楓, 賈金陽, 曹學(xué)君 申請人:西北農(nóng)林科技大學(xué)