本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)技術領域，具體地說就是一種溫室內(nèi)精確加溫的控制系統(tǒng)及方法。

背景技術：

現(xiàn)代化溫室是設施農(nóng)業(yè)的典型代表，它采用覆蓋材料形成了一個與外界環(huán)境相隔離的特殊小氣候環(huán)境。影響溫室小氣候環(huán)境的因子有太陽輻射、溫度、濕度、濃度和通風狀況等，其中，溫度是影響溫室小氣候環(huán)境的主導因子之一，建立良好的溫室溫度控制系統(tǒng)，對于減少能量損耗，促進植物生長具有十分重要的意義，進行溫室環(huán)境精準控制是一個非常重要也非常困難的課題。一方面,因為溫室環(huán)境中溫度、濕度、二氧化碳含量、光照等因素之間是相互作用的,而且,作物的生長也影響著環(huán)境因子，溫室環(huán)境是多變量禍合、時變、非線性的復雜系統(tǒng)。另一方面,溫室環(huán)境的調(diào)控手段有限,主要是通過通風、遮陽網(wǎng)遮陽或者保溫、噴霧、加熱等方法，因此要實現(xiàn)現(xiàn)代溫室的精溫度準控制，需要建立溫室溫度控制系統(tǒng)前需對其采集的數(shù)據(jù)進行建模及動態(tài)預測仿真。

在溫室內(nèi)溫度影響因素計算時，需要建立一個初始模型,利用系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)或者實際運行數(shù)據(jù)進行運算,對建立的模型中的參數(shù)進行調(diào)整,最后得到溫室環(huán)境的定量模型，根據(jù)動態(tài)的數(shù)據(jù)變化情況，進而設定合理的溫度閥值并根據(jù)閥值范圍進行實時調(diào)整，從而較好地描述溫室中各環(huán)境因子的關系,并通過溫度控制系統(tǒng)進行溫度調(diào)節(jié)，實現(xiàn)農(nóng)作物生長的精確控制，對于農(nóng)作物的培育與研究都有真重要的意義。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種溫室加溫控制系統(tǒng)及方法，通過系統(tǒng)辨識法建立優(yōu)化的數(shù)學模型，實現(xiàn)溫室內(nèi)植物育苗溫度的精確測算與實現(xiàn)，在復雜多變的溫室環(huán)境中實現(xiàn)農(nóng)作物精準培養(yǎng)。

系統(tǒng)辨識法是系統(tǒng)建模中常用的方法，它依據(jù)輸入和輸出數(shù)據(jù)構建一個靜態(tài)或動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學模型，既適用于線性系統(tǒng)，也適用于非線性系統(tǒng)辨識，由于模型結構簡單、魯棒性強，辨識精度，應用模型對農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境系統(tǒng)的溫度建模和仿真，分析監(jiān)測到的溫室內(nèi)外數(shù)據(jù)，運用相關性分析和相關性顯著檢驗，確定了溫度、太陽輻射強度和風速是影響溫室內(nèi)溫度的主要因子，然后運用殘差分析法辨識模型的結構，利用遞推最小二乘算法確定模型的參數(shù)，并通過試驗驗證模型的正確性。選取氣象環(huán)境條件中對溫室溫度影響明顯的因子作為輸入量，影響不大的量應排除在外。

本發(fā)明的技術方案首先通過大量的觀測資料，基于數(shù)理統(tǒng)計的方法，確定相關系數(shù)，通過作用系數(shù)明確表現(xiàn)出環(huán)境影響因子與室內(nèi)溫度之間的相關關系程度，然后通過相關系數(shù)顯著性檢驗，最終確定建模所需的輸入量，并利用數(shù)據(jù)的動態(tài)特性及等價準則，建立具體辨識算法的依據(jù)和優(yōu)化模型的目標。等價準則通常被表示成某種誤差的泛數(shù)，受辨識目的、辨識方法等因素影響，通常可記作：

其中，f(.)是的函數(shù)，ε(k)是定義在區(qū)間(0，l)上的誤差函數(shù)，它應該被廣義的理解為模型與實際系統(tǒng)的誤差，一般函數(shù)的定義為誤差的平方，即：

f(ε(k))＝ε²(k)

根據(jù)系統(tǒng)辨識的目的，結合系統(tǒng)的先驗知識，選擇模型類和辨識準則，并設計辨識實驗，得到觀測數(shù)據(jù)，然后根據(jù)辨識三要素進行模型估計，最后得到辨識模型，在驗證模型的正確性后確認模型。

本發(fā)明解決其技術問題所采取的技術方案是：

一種溫室加溫控制方法，包括:

s1、利用系統(tǒng)辨識法，以監(jiān)測中心的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)及累積的溫室熱特性經(jīng)驗參數(shù)等基礎數(shù)據(jù)；建立溫室溫度初始模型；

s2、在步驟s1的基礎模型基礎上，結合溫室照度測量數(shù)據(jù)，建立溫室晝間光和速率尋優(yōu)曲線，確定最優(yōu)光合速率的氣溫動態(tài)閾值，完善初始模型；

s3、在步驟s2的模型基礎上，利用溫室晝間實際栽培階段的歷史數(shù)據(jù)進行修正，確定修正后氣溫動態(tài)閾值，完善溫室氣溫動態(tài)閾值的模型；

s4、在步驟s3的模型基礎上，綜合考慮結合植物培育投入及產(chǎn)出市場價值的經(jīng)濟性，對溫室氣溫動態(tài)模型進行經(jīng)濟因子加權修正，完善溫室氣溫動態(tài)閾值的模型；

s5、在步驟s4中模型建立完成后，將監(jiān)測中心實時測得的監(jiān)測數(shù)據(jù)及溫室熱特性經(jīng)驗參數(shù)，輸入步驟s4中的數(shù)學模型中，最終獲得某時刻的最優(yōu)溫度閥值。

s6、啟動溫度調(diào)節(jié)邏輯程序，結合溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的啟動滯后系數(shù)，啟動相應的加溫調(diào)節(jié)設備，完成加溫溫度調(diào)節(jié)。

作為優(yōu)化，在步驟s1中的所述的監(jiān)測數(shù)據(jù)包括采集的溫室氣溫、外界氣溫、外界風速、溫室地溫、溫室氣溫等數(shù)值；所述的溫室熱特性經(jīng)驗參數(shù)包括溫室內(nèi)外溫差作用系數(shù)、溫室加溫外界風速作用系數(shù)、溫室加溫地溫作用系數(shù)。

作為優(yōu)化，所述的步驟s2中的溫室照度，通過數(shù)據(jù)采集卡和光照傳感器對溫室中的光照進行采集，數(shù)據(jù)采集卡將照度數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)模型中。

作為優(yōu)化，所述的步驟s2中的光和速率尋優(yōu)曲線，利用密閉小室內(nèi)光照強度與二氧化碳吸收釋放的關系以及復雜溫室24小時室內(nèi)二氧化碳吸收釋放的變化，確定光合作用最佳速率時候的光照強度。

作為優(yōu)化，在步驟s2中的溫室熱特性經(jīng)驗參數(shù)通過長期積累的溫室采集點數(shù)據(jù)與其他相關因素數(shù)據(jù)之間的關系，確定溫室內(nèi)外溫差作用系數(shù)，溫室加溫外界風速作用系數(shù)：溫室加溫地溫作用系數(shù)。

相關作用系數(shù)的數(shù)學表達式為：

表達式中，cov(x,y)為的協(xié)方差；d(x)和d(x)分別為的方差；ρxy為表征之間線性關系緊密程度的量。當ρxy較大時，之間的線性相關程度較好，反之則較差。一般根據(jù)ρxy的數(shù)值大小，將相關程度分為四個等級，分別為：當0＜ρxy≤0.3時表示之間低度相關，當0.3＜ρ≤0.7時，表示之間中度相關，當0.7＜ρ≤1時，表示間高度相關。

作為優(yōu)化，在步驟s5中的所述的監(jiān)測數(shù)據(jù)包括采集的溫室氣溫、外界氣溫、外界風速、溫室地溫、溫室氣溫等數(shù)值。

作為優(yōu)化，所述的步驟s6中的溫度調(diào)節(jié)邏輯程序，可以根據(jù)溫室內(nèi)不同區(qū)域的溫差情況，分別驅動不同位置的溫度調(diào)節(jié)裝置，按照不同的時間及溫度要求進行控制。

一種溫室加溫控制系統(tǒng)，包括檢測系統(tǒng)、中央處理器及調(diào)節(jié)裝置，所述的檢測系統(tǒng)包括溫室氣溫檢測模塊、外界氣溫檢測模塊、外界風速檢測模塊、溫室地溫檢測模塊、溫室氣溫檢測模塊，所述的中央處理器用于構架及運行溫室環(huán)境的數(shù)據(jù)模型，所述檢測系統(tǒng)中央處理器通過有線或者無線的方式傳輸數(shù)據(jù)，所述的調(diào)節(jié)裝置包括加溫裝置，所述的調(diào)節(jié)裝置與中央處理器通過有線或無線的方式數(shù)據(jù)傳輸。

作為優(yōu)化，所述的檢測系統(tǒng)通過zigbee技術無線通信技術傳輸數(shù)據(jù)。

作為優(yōu)化，所述的調(diào)節(jié)裝置與中央處理器通過zigbee技術無線通信技術傳輸數(shù)據(jù)。

作為優(yōu)化，所述的調(diào)節(jié)裝置還包括語音提示系統(tǒng)，用于在進行溫度調(diào)節(jié)操作時提醒工作人員檢查溫度調(diào)節(jié)設備的工況。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的一種溫室加溫控制系統(tǒng)及方法，建立一個初始模型,通過對植物光合速率、植物的動態(tài)經(jīng)濟性、溫室氣溫、外界氣溫、外界風速、溫室地溫、溫室氣溫及溫室熱特性經(jīng)驗參數(shù)的因素運算,對建立的溫度模型的參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整,最后得到溫室環(huán)境的動態(tài)模型，進而得不同時刻的溫度閥值，利用實時采集的數(shù)據(jù)與所需的溫度閥值進行比較，通過溫度控制系統(tǒng)進行加溫操作，實現(xiàn)農(nóng)作物生長的精確控制，對于精品農(nóng)作物的培育與生長有著重要的意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的加溫控制系統(tǒng)流程圖；

圖2為本發(fā)明加溫控制系統(tǒng)的硬件組成圖；

其中，1檢測裝置、2中央處理器、3調(diào)節(jié)裝置。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

系統(tǒng)辨識法是系統(tǒng)建模中常用的方法，它依據(jù)輸入和輸出數(shù)據(jù)構建一個靜態(tài)或動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學模型，既適用于線性系統(tǒng)，也適用于非線性系統(tǒng)辨識，由于模型結構簡單、魯棒性強，辨識精度高，應用模型對農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境系統(tǒng)的溫度建模和仿真，首先分析監(jiān)測到的溫室內(nèi)外數(shù)據(jù)，運用相關性分析和相關性顯著檢驗，確定了溫度、太陽輻射強度和風速是影響溫室內(nèi)溫度的主要因子，然后運用殘差分析法辨識模型的結構，利用遞推最小二乘算法確定模型的參數(shù)，并通過試驗驗證模型的正確性。選取氣象環(huán)境條件中對溫室溫度影響明顯的因子作為輸入量，影響不大的量應排除在外，以免模型過于復雜，失去它的使用價值。本發(fā)明的技術方案首先通過大量的觀測資料，基于數(shù)理統(tǒng)計的方法，確定相關系數(shù)，通過相互作用系數(shù)明確表現(xiàn)出環(huán)境影響因子與室內(nèi)溫度之間的相關關系程度，然后通過相關系數(shù)顯著性檢驗，最終確定建模所需的輸入量，并利用數(shù)據(jù)的動態(tài)特性及等價準則，建立具體辨識算法的依據(jù)和優(yōu)化模型的目標。

等價準則通常被表示成某種誤差的泛數(shù)，受辨識目的、辨識方法等因素影響，通常可記作：

其中，f(.)是的函數(shù)，ε(k)是定義在區(qū)間(0，l)上的誤差函數(shù)，它應該被廣義的理解為模型與實際系統(tǒng)的誤差，一般函數(shù)的定義為誤差的平方，即：

f(ε(k))＝ε²(k)

根據(jù)系統(tǒng)辨識的目的，結合系統(tǒng)的先驗知識，選擇模型類和辨識準則，并設計辨識實驗，得到觀測數(shù)據(jù)，然后根據(jù)辨識三要素進行模型估計，最后得到辨識模型，在驗證模型的正確性后確認模型。

一種溫室加溫控制方法，包括:

s1、利用系統(tǒng)辨識法，以監(jiān)測中心的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)及累積的溫室熱特性經(jīng)驗參數(shù)等數(shù)據(jù)基礎，建立溫室溫度初始模型；

所述的監(jiān)測數(shù)據(jù)包括采集的溫室氣溫、外界氣溫、外界風速、溫室地溫、溫室氣溫等數(shù)值；所述的溫室熱特性經(jīng)驗參數(shù)包括溫室內(nèi)外溫差作用系數(shù)、溫室加溫外界風速作用系數(shù)、溫室加溫地溫作用系數(shù)。

所述的溫室熱特性經(jīng)驗參數(shù)通過長期積累的溫室采集點數(shù)據(jù)與其他相關因素數(shù)據(jù)之間的關系，確定溫室內(nèi)外溫差作用系數(shù)，溫室加溫外界風速作用系數(shù)，溫室加溫地溫作用系數(shù)。

溫室加溫內(nèi)外溫差作用系數(shù)，利用一年內(nèi)溫室內(nèi)外溫差與溫室加溫時后的實際溫度的數(shù)據(jù)對比，形成相互的作用系數(shù)；溫室加溫外界風速作用系數(shù)，利用一年內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)，得到外界風速與溫室加溫后實際溫度的數(shù)據(jù)對比，得到外界風速在溫室加溫時的作用系數(shù)；溫室加溫地溫作用系數(shù)，利用一年內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)，得到外界風速與溫室加溫后實際溫度的數(shù)據(jù)對比，得到外界風速在溫室加溫時的作用系數(shù)。

相關作用系數(shù)的數(shù)學表達式為：

表達式中，cov(x,y)為的協(xié)方差；d(x)和d(x)分別為的方差；ρxy為表征之間線性關系緊密程度的量。當ρxy較大時，之間的線性相關程度較好，反之則較差。一般根據(jù)ρxy的數(shù)值大小，將相關程度分為四個等級，分別為：當0＜ρxy≤0.3時表示之間低度相關，當0.3＜ρ≤0.7時，表示之間中度相關，當0.7＜ρ≤1時，表示間高度相關。

s2、在步驟s1的基礎模型基礎上，結合溫室照度測量數(shù)據(jù)，建立溫室晝間光和速率尋優(yōu)曲線，確定最優(yōu)光合速率的氣溫動態(tài)閾值，完善初始模型；

溫室照度，通過數(shù)據(jù)采集卡和光照傳感器對溫室中的光照進行采集，數(shù)據(jù)采集卡將照度數(shù)據(jù)發(fā)送至中央處理器的模型中。

所述的步驟s2中的光和速率尋優(yōu)曲線，利用密閉小室內(nèi)光照強度與二氧化碳吸收釋放的關系以及復雜溫室24小時室內(nèi)二氧化碳吸收釋放的變化，確定光合作用最佳速率時候的光照強度。

s3、在步驟s2的模型基礎上，利用溫室晝間實際栽培階段的歷史數(shù)據(jù)進行修正，確定修正后氣溫動態(tài)閾值，完善溫室氣溫動態(tài)閾值的模型；

s4、在步驟s3的模型基礎上，綜合考慮結合植物培育投入及產(chǎn)出市場價值的經(jīng)濟性，對溫室氣溫動態(tài)模型進行經(jīng)濟因子加權修正，完善溫室氣溫動態(tài)閾值的模型；

s5、在步驟s4中模型建立完成后，將監(jiān)測中心實時測得的監(jiān)測數(shù)據(jù)及溫室熱特性經(jīng)驗參數(shù)，輸入步驟s4中的數(shù)學模型中，獲得某時刻的最優(yōu)溫度閥值。

在步驟s5中的所述的監(jiān)測數(shù)據(jù)包括采集的溫室氣溫、外界氣溫、外界風速、溫室地溫、溫室氣溫等數(shù)值，通過集合式的農(nóng)業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

s6、啟動溫度調(diào)節(jié)邏輯程序，結合溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的啟動滯后系數(shù)，啟動相應的加溫調(diào)節(jié)設備，完成加溫溫度調(diào)節(jié)。

所述的步驟s6中的溫度調(diào)節(jié)邏輯程序，可以根據(jù)溫室內(nèi)不同區(qū)域的溫差情況，分別驅動不同位置的溫度調(diào)節(jié)裝置，按照不同的時間及溫度要求進行控制。

所述的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的啟動滯后系數(shù)是溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)從接到啟動信號后到得到額定工作效率存在的遲滯時間系數(shù)。

溫室加溫控制方法依托溫室加溫控制系統(tǒng)實現(xiàn)，所述溫室加溫控制系統(tǒng)包括檢測系統(tǒng)1中央處理器2及調(diào)節(jié)裝置3，所述的檢測系統(tǒng)1包括溫室氣溫檢測模塊、外界氣溫檢測模塊、外界風速檢測模塊、溫室地溫檢測模塊、溫室氣溫檢測模塊，所述的中央處理器用于構架溫室環(huán)境的數(shù)據(jù)模型，所述的檢測系統(tǒng)1與中央處理器2通過zigbee技術無線通信技術傳輸數(shù)據(jù)，所述的調(diào)節(jié)裝置3包括加溫裝置，所述的調(diào)節(jié)裝置3與中央處理器2通過zigbee技術無線通信技術傳輸數(shù)據(jù)。

所述的調(diào)節(jié)裝置3還包括語音提示系統(tǒng)，用于在進行溫度調(diào)節(jié)操作時提醒工作人員檢查溫度調(diào)節(jié)設備的工況。

本技術方案通過建立一個初始模型,通過對植物光合速率、植物的動態(tài)經(jīng)濟性、溫室氣溫、外界氣溫、外界風速、溫室地溫、溫室氣溫及溫室熱特性經(jīng)驗參數(shù),對建立的溫度模型的參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整,最后得到溫室環(huán)境的動態(tài)模型，進而得到精確的溫度閥值，利用實時采集的數(shù)據(jù)與所需的溫度閥值進行比較，通過溫度控制系統(tǒng)進行加溫操作，實現(xiàn)農(nóng)作物生長的精確控制，對于精品農(nóng)作物的培育與生長有著重要的意義。

以上顯示和描述了本實發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。