專利名稱：一種基于wsn的光伏溫室監(jiān)控系統(tǒng)及構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及設(shè)施農(nóng)業(yè)自動化技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于WSN的光伏溫室監(jiān)控系統(tǒng)及構(gòu)建方法。
背景技術(shù)：
我國現(xiàn)有溫室周年運(yùn)行管理，需要消耗大量的能源，尤其在夏季需要降溫、冬季需要保溫加熱，導(dǎo)致高能耗、高運(yùn)行費(fèi)用，直接影響到溫室的效益。如何降低溫室運(yùn)行的能耗成本，是當(dāng)前溫室周年運(yùn)行的關(guān)鍵。而利用太陽能電池光伏發(fā)電，來為溫室花卉蔬菜的培育、生長環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)提供綠色能源，從而節(jié)能降耗，提高溫室周年運(yùn)行效益，是科技創(chuàng)新在農(nóng)業(yè)裝備領(lǐng)域中的最新應(yīng)用成果，也符合低碳經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排的經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求。目前太陽能光伏發(fā)電溫室技術(shù)在我國處于起步階段，只有四項(xiàng)實(shí)用新型專利授權(quán): [CN200820234961. 9] “太陽能光伏溫室”、[CN200920284227. 8] “多功能太陽能光伏溫室”、 [CN200920168732. 6] “太陽能溫室”、[CN200920283211. 5] “一種溫室大棚太陽能供電系統(tǒng)”，它們主要涉及太陽能電池組件的清洗裝置及太陽能光伏溫室結(jié)構(gòu)框架等。溫室光伏發(fā)電及環(huán)境監(jiān)測控制必然涉及電能利用和電氣控制多個方面，重要前提是相關(guān)智能監(jiān)測控制技術(shù)及裝備?，F(xiàn)有溫室多數(shù)基于傳統(tǒng)有線監(jiān)測控制方式，安裝成本高、 部署時間過長、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆y以靈活調(diào)整等。近年來，采用基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)測控制成為一種趨勢，它實(shí)現(xiàn)了測控點(diǎn)的靈活部署、動態(tài)調(diào)整和精細(xì)監(jiān)測。發(fā)明專利[CN2006101696M. 2]介紹了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚用溫濕度采集通信系統(tǒng)，功耗低、可快速組網(wǎng)，也大大降低了安裝成本高。發(fā)明專利 [CN200710020496. 9]涉及一種溫室變結(jié)構(gòu)自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及構(gòu)建方法，減少了傳感器節(jié)點(diǎn)能耗及避免了有線網(wǎng)絡(luò)的布線復(fù)雜性。上述兩項(xiàng)專利實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境信息無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測，但是就整個溫室系統(tǒng)而言，依舊沒有解決能耗問題，仍以傳統(tǒng)工業(yè)用電為主。發(fā)明專利[CN200610078749. 3]介紹了一種太陽能無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時環(huán)境監(jiān)測裝置，該裝置一定程度上解決了各種氣候環(huán)境下的供電能耗和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集問題。但是該裝置主要涉及野外環(huán)境監(jiān)測，針對溫室這樣一個具有諸如生命特征、不均勻性、周期性、耦合性、大慣性等特征的生物系統(tǒng)及其內(nèi)部小氣候環(huán)境的特殊性而言，是否適用，尚待考究。綜上所述，目前現(xiàn)有溫室監(jiān)測控制技術(shù)及裝備主要針對普通玻璃溫室或塑料連棟溫室，缺乏針對光伏發(fā)電譬如以太陽能薄膜電池材料作為覆蓋材料因透光特性和屋面安裝分布形式而致溫室環(huán)境因子復(fù)雜的監(jiān)控研究。其次，太陽能光伏發(fā)電易受天氣、太陽光照等因素影響，對溫室監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性提出了新的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于WSN的光伏溫室監(jiān)控系統(tǒng)及構(gòu)建方法，該方法基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境信息監(jiān)控，利用太陽能光伏發(fā)電供給溫室電能，結(jié)合工控一體機(jī)和PLC實(shí)現(xiàn)溫室控制，三者有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)溫室綜合監(jiān)測控制；該系統(tǒng)具有高可靠性、易擴(kuò)展，降低了溫室周年運(yùn)行能耗。本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種基于WSN的光伏溫室監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建方法，包括以下步驟
51選取一定太陽能薄膜電池材料，測量其光譜透射特性及光電轉(zhuǎn)換率；以固定時間間隔采集光照輻射強(qiáng)度，并結(jié)合溫室所處地理經(jīng)緯度、溫室屋頂角，分析不同時段室內(nèi)光照輻射強(qiáng)度；
52將太陽能薄膜電池材質(zhì)和玻璃材料成非對稱雙坡面共同搭建溫室屋頂；采用計(jì)算流體力學(xué)方法分析溫室內(nèi)光場、溫度場的變化規(guī)律，并根據(jù)變化規(guī)律設(shè)置無線傳感器的位置；
S3:設(shè)置無線信息采集匯聚節(jié)點(diǎn)，組成溫室環(huán)境信息星型監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場中央控制器的無線通信；在溫室中設(shè)置無線信息控制節(jié)點(diǎn)和無線信息控制匯聚節(jié)點(diǎn)。S4 設(shè)置現(xiàn)場中央控制系統(tǒng)，用以接受無線信息采集匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的采集信息，向無線信息控制匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制信息，中央控制系統(tǒng)設(shè)有人機(jī)交互接口和控制系統(tǒng)，可以用于手動控制和定時控制；
S5 設(shè)置太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，通過并網(wǎng)控制器將太陽能發(fā)電和傳統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)合起來，通過現(xiàn)場中央控制系統(tǒng)監(jiān)控太陽能發(fā)電信息，并對電能的輸出調(diào)節(jié)。本發(fā)明步驟S2中針對光強(qiáng)和光弱區(qū)域，光照度傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)將按照6 4的比例布設(shè)于近拱頂?shù)闹鞴凹?；溫度傳感器?jié)點(diǎn)布設(shè)于近風(fēng)機(jī)通風(fēng)口、濕簾出風(fēng)口、近風(fēng)機(jī)通風(fēng)口和濕簾出風(fēng)口之間、作物冠層、近地面5(Tl00Cm處及主拱架光照傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)處。本發(fā)明步驟S4的現(xiàn)場中央控制系統(tǒng)由觸摸式功能圖形界面設(shè)定溫室監(jiān)控系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)，根據(jù)植物生長環(huán)境需求，分類建立數(shù)據(jù)庫，存儲對應(yīng)溫室環(huán)境控制策略與模型參數(shù)。本發(fā)明步驟S5的現(xiàn)場中央控制系統(tǒng)以白天、夜間分時段的環(huán)境信息參數(shù)多目標(biāo)自動設(shè)定控制系統(tǒng)目標(biāo)值。一種基于WSN的光伏溫室監(jiān)控系統(tǒng)，包括無線信息采集節(jié)點(diǎn)及無線信息采集匯聚節(jié)點(diǎn)、無線信息控制節(jié)點(diǎn)及無線信息控制匯聚節(jié)點(diǎn)、現(xiàn)場中央控制器、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)；無線信息采集節(jié)點(diǎn)及無線信息采集匯聚節(jié)點(diǎn)、無線信息控制節(jié)點(diǎn)及無線信息控制匯聚節(jié)點(diǎn)、現(xiàn)場中央控制器基于ZigBee組成星型監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)；太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)包括太陽能光伏矩陣、太陽能控制器、蓄電池、直流/交流逆變器、并網(wǎng)控制器，所述包括太陽能光伏矩陣通過太陽能控制器分別與蓄電池和直流/交流逆變器相連，該直流/交流逆變器和傳統(tǒng)電網(wǎng)通過并網(wǎng)控制器與現(xiàn)場中央控制器相連。本發(fā)明的無線信息控制節(jié)點(diǎn)包括第二 ZigBee無線收發(fā)模塊，第一穩(wěn)壓模塊，光耦隔離器，第二單片機(jī)、固態(tài)繼電器；第二單片機(jī)分別與第二 ZigBee無線收發(fā)模塊、光耦隔離器和第一穩(wěn)壓模塊相連，該光耦隔離器經(jīng)驅(qū)動固態(tài)繼電器與溫室調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連。本發(fā)明的現(xiàn)場中央控制器包括PLC，其分別連接ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)控制模塊、觸摸式人機(jī)接口、音頻模塊、Internet網(wǎng)絡(luò)模塊、中央控制器通訊模塊、存儲模塊、第二穩(wěn)壓模塊、調(diào)試接口、總線接口、系統(tǒng)復(fù)位模塊。本發(fā)明的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)包括防雷電保護(hù)裝置和自動清洗裝置。本發(fā)明的有益技術(shù)效果為采用計(jì)算流體力學(xué)CFD ( Computational Fluid
5Dynamics)方法分析太陽能薄膜電池導(dǎo)致的室內(nèi)光場、溫度場變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上所優(yōu)選的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局，可以更加精確監(jiān)測溫室環(huán)境參數(shù)變化；基于ZigBee組成的溫室環(huán)境信息星型監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)自組織、低成本、低功耗；采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)、觸摸式工控一體機(jī)、PLC控制器多級多層分布控制結(jié)構(gòu)體系實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境分層多級控制，使信息采集、監(jiān)測操作、控制執(zhí)行功能劃分清晰，單元分割合理，具有高可靠性、易擴(kuò)展、便于和專家系統(tǒng)接口等諸多優(yōu)點(diǎn)；太陽能光伏發(fā)電和傳統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)合實(shí)現(xiàn)最優(yōu)調(diào)度利用，降低了溫室周年運(yùn)行能耗。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明； 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)組成框圖2是本發(fā)明實(shí)施例的無線信息采集節(jié)點(diǎn)電路框圖； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例的無線信息控制節(jié)點(diǎn)電路框圖； 圖4是本發(fā)明實(shí)施例的現(xiàn)場中央控制器電路框圖； 圖5是發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)構(gòu)建方法流程簡其中1-太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，2-太陽能光伏矩陣，3-蓄電池，4-傳統(tǒng)電網(wǎng)，5-無線信息控制匯聚節(jié)點(diǎn)，6-無線信息控制節(jié)點(diǎn)，7-現(xiàn)場中央控制器，8-無線信息采集節(jié)點(diǎn)，9-無線信息采集匯聚節(jié)點(diǎn)，10-并網(wǎng)控制器，11-直流/交流逆變器，12-太陽能控制器，13-傳感器，14-蓄電池，15、19-單片機(jī)，16、17-ZigBee無線收發(fā)模塊，18,25-穩(wěn)壓模塊，20-光耦隔離器，21-固態(tài)繼電器，22-溫室調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，23-ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)控制模塊，24-PLC, 26-觸摸式人機(jī)接口，27-音頻模塊，28-存儲模塊，29-系統(tǒng)復(fù)位模塊，30-總線接口，31-調(diào)試接口，32-中央控制器通訊模塊、33-hternet網(wǎng)絡(luò)模塊。
具體實(shí)施例方式如圖廣4所示為本發(fā)明基于WSN的光伏溫室監(jiān)控系統(tǒng)的一個實(shí)施例，其包括無線信息采集節(jié)點(diǎn)8及無線信息采集匯聚節(jié)點(diǎn)9、無線信息控制節(jié)點(diǎn)6及無線信息控制匯聚節(jié)點(diǎn) 5、現(xiàn)場中央控制器7、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)1。所述無線信息采集節(jié)點(diǎn)8及無線信息采集匯聚節(jié)點(diǎn)9、無線信息控制節(jié)點(diǎn)6及無線信息控制匯聚節(jié)點(diǎn)5、現(xiàn)場中央控制器7基于ZigBee 組成星型監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，若干無線信息采集節(jié)點(diǎn)8采集溫室環(huán)境信息參數(shù)(諸如空氣溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度、光照度等)多跳路由至無線信息采集匯聚節(jié)點(diǎn)9后發(fā)送至現(xiàn)場中央控制器7，現(xiàn)場中央控制器7實(shí)時顯示并與設(shè)定參數(shù)比較分析后作出控制命令，經(jīng)無線信息控制匯聚節(jié)點(diǎn)5傳輸至無線信息控制節(jié)點(diǎn)6，無線信息控制節(jié)點(diǎn)6驅(qū)動相應(yīng)溫室調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 22運(yùn)作。無線信息采集節(jié)點(diǎn)8電路如圖2所示，包括傳感器13 (諸如空氣溫濕度傳感器、 CO2濃度傳感器、光照度傳感器等)、第一單片機(jī)15、第一 ZigBee無線收發(fā)模塊16。傳感器 13將溫室空氣溫濕度、土壤溫濕度、C%濃度、光照度等信息參數(shù)采集后經(jīng)第一單片機(jī)15數(shù)據(jù)處理后由第一 ZigBee無線收發(fā)模塊16發(fā)送至現(xiàn)場中央控制器7的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)控制模塊23，鋰電池負(fù)責(zé)對節(jié)點(diǎn)運(yùn)行穩(wěn)定供電。無線信息控制節(jié)點(diǎn)6電路如圖3所示，包括第二 ZigBee無線收發(fā)模塊17，第一穩(wěn)壓模塊18，光耦隔離器20，第二單片機(jī)19、固態(tài)繼電器21。第二 ZigBee無線收發(fā)模塊17 接收到現(xiàn)場中央控制器7發(fā)出的控制命令后經(jīng)第二單片機(jī)19分析處理后將控制信號通過光耦隔離器20驅(qū)動固態(tài)繼電器21運(yùn)作、繼而使得相應(yīng)溫室調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)22開始動作，第一穩(wěn)壓模塊18提供節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定電源。現(xiàn)場中央控制器7如圖4所示是監(jiān)控系統(tǒng)的核心所在，它由PLC 24、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)控制模塊23、觸摸式人機(jī)接口 26、音頻模塊27、Internet網(wǎng)絡(luò)模塊33、中央控制器通訊模塊32、存儲模塊觀、第二穩(wěn)壓模塊25、調(diào)試接口 31、總線接口 30、系統(tǒng)復(fù)位模塊四等組成。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)控制模塊23將采集到的溫室環(huán)境信息參數(shù)實(shí)時顯示于觸摸式人機(jī)接口沈，經(jīng)與系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)比較分析后，PLC對作出控制命令經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)控制模塊23 發(fā)送至無線信息控制節(jié)點(diǎn)6進(jìn)行相關(guān)動作。hternet網(wǎng)絡(luò)模塊33可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場中央控制器 7與互聯(lián)網(wǎng)的連接，方便用戶對溫室進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制、查詢等。觸摸式人機(jī)接口沈圖形化顯示實(shí)時數(shù)據(jù)以及輸入控制命令，組態(tài)性好，人機(jī)界面友好。音頻模塊27用作聲音報(bào)警或信息提示。存儲模塊觀用于存儲溫室環(huán)境歷史信息數(shù)據(jù)庫、專家智能知識庫等，也方便 U盤、SD卡等形式的數(shù)據(jù)移動存儲。第二穩(wěn)壓模塊25實(shí)現(xiàn)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)合的穩(wěn)定供電。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)1如圖1所示，包括太陽能光伏矩陣2、太陽能控制器12、蓄電池3、直流/交流逆變器11、并網(wǎng)控制器10等，其還帶有防雷電保護(hù)裝置和自動清洗裝置。太陽能光伏矩陣2由太陽能薄膜電池組件構(gòu)成，呈模塊化，其與透明玻璃成非對稱雙坡面共同搭建溫室屋頂，太陽能光伏矩陣朝陽面，透明玻璃背陰面。正常日照或是陽光充足情況下，各太陽能薄膜電池組件光伏作用產(chǎn)生電流由電極引出匯流至總線，經(jīng)蓄電池3儲能、 直流/交流逆變器11逆變后直接供給現(xiàn)場中央控制器7及溫室調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)22等溫室負(fù)載用電，多余電能接受并網(wǎng)控制器10控制并入傳統(tǒng)電網(wǎng)4發(fā)電。蓄電池3所儲電能不足或是陰雨雪天氣下儲能用完殆盡達(dá)到太陽能控制器12的額定充放深度情況下，傳統(tǒng)電網(wǎng)4接受并網(wǎng)控制器10控制供給現(xiàn)場中央控制器7及溫室調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)22等溫室負(fù)載用電，實(shí)現(xiàn)電能的最優(yōu)化調(diào)度利用。這其中，并網(wǎng)控制器10始終接受現(xiàn)場中央控制器7的智能控制。如圖5所示為本發(fā)明基于WSN的光伏溫室監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建方法流程簡圖。步驟Sl 選取一定太陽能薄膜電池材料，測量其光譜透射特性及光電轉(zhuǎn)換率。從上午7 00到下午17 00每間隔一小時采集光照輻射強(qiáng)度，并結(jié)合溫室所處地理經(jīng)緯度、溫室屋頂角等參數(shù)，分析不同時段室內(nèi)光照輻射強(qiáng)度。步驟S2 由于太陽能薄膜電池材質(zhì)、透光率和浮法玻璃的差異，導(dǎo)致溫室內(nèi)光照分布不均，差異增大。為保障作物的正常生長和光照需求，尋找太陽能薄膜電池材質(zhì)和玻璃材料成非對稱雙坡面共同搭建溫室屋頂?shù)淖罴迅采w形式以及安裝結(jié)構(gòu)。覆蓋方式及安裝結(jié)構(gòu)的變化會導(dǎo)致溫室光場、溫度場的變化。因此采用計(jì)算流體力學(xué)CFD( Computational Fluid Dynamics)方法分析溫室內(nèi)光場、溫度場的變化規(guī)律，優(yōu)選合理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)布局規(guī)劃。譬如，以光場為例，根據(jù)步驟Sl所采集上午7 00到下午17 00每間隔一小時的光照輻射強(qiáng)度和CFD的分析結(jié)果，針對光強(qiáng)和光弱區(qū)域，光照度傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)將按照6:4的比例布設(shè)于近拱頂?shù)闹鞴凹埽辉僖詼囟葓鰹槔?，對早?:00，中午12 :00，下午13:00、16:00 所采集溫度比照CFD分析結(jié)果，溫度傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)于近風(fēng)機(jī)通風(fēng)口、濕簾出風(fēng)口、近風(fēng)機(jī)通風(fēng)口和濕簾出風(fēng)口之間、作物冠層、近地面5(Tl00Cm處及主拱架光照傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)
7處；這其中濕度傳感器可以和溫度傳感器集成，實(shí)現(xiàn)空氣溫濕度的同時采集。步驟S3 若干無線信息采集節(jié)點(diǎn)8如圖1所示，基于HgBee協(xié)議實(shí)時采集溫室環(huán)境參數(shù)(諸如空氣溫濕度、￠) 濃度、光照度等)匯聚后發(fā)送至現(xiàn)場中央控制器7，現(xiàn)場中央控制器7實(shí)時顯示并與設(shè)定參數(shù)比較分析后作出控制命令，無線信息控制節(jié)點(diǎn)6接受到命令后即時驅(qū)動相應(yīng)溫室調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)22工作。即構(gòu)成了溫室環(huán)境信息無線傳感器星型監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。步驟S4 首先，采用觸摸式工控一體機(jī)和PLC控制器相結(jié)合實(shí)現(xiàn)步驟S3中所述現(xiàn)場中央控制器7的功能，滿足溫室控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性要求。譬如，針對溫室太陽能光伏發(fā)電的低壓輸入特性和發(fā)電量受天氣影響因素等，PLC控制器可根據(jù)預(yù)先設(shè)定程序控制并網(wǎng)控制器10，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電網(wǎng)4穩(wěn)定供給現(xiàn)場中央控制器7及溫室調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)22等溫室負(fù)載用電。又如，步驟S3中的ZigBee星型監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中信息監(jiān)測節(jié)點(diǎn)及控制節(jié)點(diǎn)等的故障，PLC根據(jù)系統(tǒng)故障診斷預(yù)測及反應(yīng)機(jī)制，動態(tài)靈活部署節(jié)點(diǎn)工作，實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)及溫室環(huán)境信息的正常采集。再如，PLC控制器在溫室環(huán)境中耐高溫、高濕、高酸堿度等，觸摸式工控一體機(jī)也易簡便操作。其次，觸摸式工控一體機(jī)的軟件功能圖形界面是系統(tǒng)控制核心界面，將基于組態(tài)軟件設(shè)計(jì)。由觸摸式功能圖形界面設(shè)定溫室監(jiān)控系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)，根據(jù)不同植物和各自生長環(huán)境需求，分類建立數(shù)據(jù)庫，存儲對應(yīng)溫室環(huán)境控制策略與模型參數(shù)。步驟S3構(gòu)成的無線傳感器星型監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定要求實(shí)時采集并反饋溫室環(huán)境信息參數(shù)，系統(tǒng)軟件基于遺傳算法對所采集環(huán)境信息參數(shù)及設(shè)定參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化進(jìn)行搜索求解，采用模糊控制策略控制溫室調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)22動作。譬如以30分鐘為控制節(jié)點(diǎn)，根據(jù)設(shè)定各項(xiàng)參數(shù)和溫室環(huán)境不同要求，PLC對所采集環(huán)境信息參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解后作出控制命令，一定域值范圍內(nèi)無線信息控制節(jié)點(diǎn)4接受命令驅(qū)動相應(yīng)溫室調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)22(諸如噴淋系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、窗控系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等)運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)自動控制。這其中，系統(tǒng)針對溫室環(huán)境系統(tǒng)中不同時間系統(tǒng)響應(yīng)時差過大的情況，以白天、夜間分時段的環(huán)境信息參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化自動設(shè)定控制系統(tǒng)目標(biāo)值。白天以最大光合速率為主目標(biāo)，兼顧節(jié)能要求，以太陽能薄膜光伏發(fā)電能源為主作動力來源，傳統(tǒng)電網(wǎng)調(diào)度利用為輔；夜間以能耗最小為主目標(biāo)，兼顧滿足作物生長和積溫要求，實(shí)行以溫度優(yōu)先加積溫控制的溫室環(huán)境綜合控制。另外，控制系統(tǒng)設(shè)有接受外部控制模型的信息輸入標(biāo)準(zhǔn)接口，以便和外部或遠(yuǎn)程
溫室管理專家系統(tǒng)通信。最后，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)、觸摸式工控一體機(jī)、PLC控制器多級多層分布控制結(jié)構(gòu)體系構(gòu)建完成，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，信息采集、監(jiān)測操作、控制執(zhí)行功能劃分清晰。步驟S5 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)1與傳統(tǒng)電網(wǎng)4有機(jī)結(jié)合，依據(jù)電能最優(yōu)化調(diào)度利用策略，實(shí)現(xiàn)溫室用電負(fù)載穩(wěn)定電源供給和多余發(fā)電能并網(wǎng)發(fā)電。譬如，正常日照或是陽光充足情況下，各太陽能薄膜電池組件光伏作用產(chǎn)生電流由電極引出匯流至總線，經(jīng)蓄電池3 儲能、直流/交流逆變器11逆變后直接供給現(xiàn)場中央控制器7及溫室調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)22等溫室負(fù)載用電，多余電能接受并網(wǎng)控制器10控制并入傳統(tǒng)電網(wǎng)4發(fā)電。再如，蓄電池3所儲電能不足或是陰雨雪天氣下儲能用完殆盡達(dá)到太陽能控制器12的額定充放深度情況下， 傳統(tǒng)電網(wǎng)4接受并網(wǎng)控制器10控制供給現(xiàn)場中央控制器7及溫室調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)22等溫室負(fù)載用電。這其中，并網(wǎng)控制器10始終接受現(xiàn)場中央控制器7的智能控制。
權(quán)利要求
1.一種基于WSN的光伏溫室監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建方法，其特征在于包括以下步驟51選取一定太陽能薄膜電池材料，測量其光譜透射特性及光電轉(zhuǎn)換率；以固定時間間隔采集光照輻射強(qiáng)度，并結(jié)合溫室所處地理經(jīng)緯度、溫室屋頂角，分析不同時段室內(nèi)光照輻射強(qiáng)度；52將太陽能薄膜電池材質(zhì)和玻璃材料成非對稱雙坡面共同搭建溫室屋頂；采用計(jì)算流體力學(xué)方法分析溫室內(nèi)光場、溫度場的變化規(guī)律，并根據(jù)變化規(guī)律設(shè)置無線信息采集節(jié)點(diǎn)的位置；S3:設(shè)置無線信息采集匯聚節(jié)點(diǎn)，組成溫室環(huán)境信息星型監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場中央控制器的無線通信；在溫室中設(shè)置無線信息控制節(jié)點(diǎn)和無線信息控制匯聚節(jié)點(diǎn)；54設(shè)置現(xiàn)場中央控制系統(tǒng)，用以接受無線信息采集匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的采集信息，向無線信息控制匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制信息，中央控制系統(tǒng)設(shè)有人機(jī)交互接口和控制系統(tǒng)，可以用于手動控制和定時控制；55設(shè)置太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，通過并網(wǎng)控制器將太陽能發(fā)電和傳統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)合起來，通過現(xiàn)場中央控制系統(tǒng)監(jiān)控太陽能發(fā)電信息，并對電能的輸出調(diào)節(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于WSN的光伏溫室監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建方法，其特征在于 所述步驟S2中針對光強(qiáng)和光弱區(qū)域，光照度傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)將按照6 4的比例布設(shè)于近拱頂?shù)闹鞴凹?；溫度傳感器?jié)點(diǎn)布設(shè)于近風(fēng)機(jī)通風(fēng)口、濕簾出風(fēng)口、近風(fēng)機(jī)通風(fēng)口和濕簾出風(fēng)口之間、作物冠層、近地面5(Tl00cm處及主拱架光照傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于WSN的光伏溫室監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建方法，其特征在于 所述步驟S4的現(xiàn)場中央控制系統(tǒng)由觸摸式功能圖形界面設(shè)定溫室監(jiān)控系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)，根據(jù)植物生長環(huán)境需求，分類建立數(shù)據(jù)庫，存儲對應(yīng)溫室環(huán)境控制策略與模型參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于WSN的光伏溫室監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建方法，其特征在于 所述步驟S5的現(xiàn)場中央控制系統(tǒng)以白天、夜間分時段的環(huán)境信息參數(shù)多目標(biāo)自動設(shè)定控制系統(tǒng)目標(biāo)值。
5.一種基于WSN的光伏溫室監(jiān)控系統(tǒng)，包括無線信息采集節(jié)點(diǎn)(8)及無線信息采集匯聚節(jié)點(diǎn)(9)、無線信息控制節(jié)點(diǎn)(6)及無線信息控制匯聚節(jié)點(diǎn)(5)、現(xiàn)場中央控制器(7)、 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)(1)；其特征在于所述無線信息采集節(jié)點(diǎn)(1)及無線信息采集匯聚節(jié)點(diǎn)(9)、無線信息控制節(jié)點(diǎn)(6)及無線信息控制匯聚節(jié)點(diǎn)(5)、現(xiàn)場中央控制器(7)基于 ZigBee組成星型監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)；所述太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)(1)包括太陽能光伏矩陣O)、太陽能控制器(12)、蓄電池(3)、直流/交流逆變器(11)、并網(wǎng)控制器(10)，所述包括太陽能光伏矩陣⑵通過太陽能控制器(12)分別與蓄電池(3)和直流/交流逆變器(11)相連，該直流/交流逆變器(11)和傳統(tǒng)電網(wǎng)⑷通過并網(wǎng)控制器(10)與現(xiàn)場中央控制器(7)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于WSN的光伏溫室監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述無線信息控制節(jié)點(diǎn)(6)包括第二 ZigBee無線收發(fā)模塊(17)，第一穩(wěn)壓模塊(18)，光耦隔離器 (20)，第二單片機(jī)(19)、固態(tài)繼電器；所述第二單片機(jī)(19)分別與第二 ZigBee無線收發(fā)模塊(17)、光耦隔離器00)和第一穩(wěn)壓模塊(18)相連，該光耦隔離器OO)經(jīng)驅(qū)動固態(tài)繼電器與溫室調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)02)相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于WSN的光伏溫室監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述現(xiàn)場中央控制器(7)包括PLC (M)，其分別連接ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)控制模塊(23)、觸摸式人機(jī)接口( )、音頻模塊07)、hternet網(wǎng)絡(luò)模塊(33)、中央控制器通訊模塊(32)、存儲模塊 (觀)、第二穩(wěn)壓模塊(25)、調(diào)試接口(31)、總線接口(30)、系統(tǒng)復(fù)位模塊09)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于WSN的光伏溫室監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)(1)包括防雷電保護(hù)裝置和自動清洗裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于WSN的光伏溫室監(jiān)控系統(tǒng)及構(gòu)建方法。該方法基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境信息監(jiān)控，利用太陽能光伏發(fā)電供給溫室電能，結(jié)合工控一體機(jī)和PLC實(shí)現(xiàn)溫室控制，三者有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)溫室綜合監(jiān)測控制；該系統(tǒng)包括無線信息采集節(jié)點(diǎn)(8)及無線信息采集匯聚節(jié)點(diǎn)(9)、無線信息控制節(jié)點(diǎn)(6)及無線信息控制匯聚節(jié)點(diǎn)(5)、現(xiàn)場中央控制器(7)、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)(1)；太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)(1)包括太陽能光伏矩陣(2)、太陽能控制器(12)、蓄電池(3)、直流/交流逆變器(11)、并網(wǎng)控制器(10)，所述包括太陽能光伏矩陣(2)通過太陽能控制器(12)分別與蓄電池(3)和直流/交流逆變器(11)相連，該直流/交流逆變器(11)和傳統(tǒng)電網(wǎng)(4)通過并網(wǎng)控制器(10)與現(xiàn)場中央控制器(7)相連。該系統(tǒng)具有高可靠性、易擴(kuò)展，降低了溫室周年運(yùn)行能耗。
文檔編號H02N6/00GK102271422SQ20111008976
公開日2011年12月7日 申請日期2011年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月11日
發(fā)明者劉飛, 孔鵬飛, 毛罕平, 王新忠, 由婷, 閆潤, 韓旭 申請人:江蘇大學(xué)