專利名稱：溫室led光源的智能控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及的是一種將LED光源調(diào)控技術(shù)應用到溫室植物生產(chǎn)過程中的智能控制技術(shù)，尤其涉及一種能自動實現(xiàn)針對溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)及植物生長狀況對光源進行調(diào)控的要求，使植物獲得最佳的光配比，并且節(jié)約溫室能源消耗的智能控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光照對于植物生長發(fā)育非常重要，作為一種自養(yǎng)生物，植物利用太陽光的能量進行光合作用，其中400 700nm波長的太陽光是植物光和活性的波長區(qū)間，也被稱為光和活性光波。其中，光譜中紅光和藍光是植物葉綠素的主要反應區(qū)間，因此現(xiàn)在溫室內(nèi)的補光通常主要進行紅光與藍光的補充。Saebo等在1995年P(guān)lant Cell,Tissue and Organ Culture中指出紅光在光合作用中對淀粉積累的作用。在1982年,Senger在Plant Physiology中強調(diào)藍光對植物葉綠體的發(fā)展、葉綠體的形成和氣孔的開閉有關(guān)。 光的質(zhì)量對植物生長發(fā)育非常重要的同時，光照時間對于植物生長發(fā)育也有作用。在現(xiàn)在的反季節(jié)培育中，白天光照時間以及夜間燈光的補充對于調(diào)節(jié)(推遲或提早)花期非常重要。例如，長日照植物的開花光照條件就是形成一個短黑夜，既可以進行遮光處理，也能在黑夜中進行短期補光，從而打破植物的黑暗“感知”，從而實現(xiàn)反季節(jié)開花。也就是說，現(xiàn)代溫室光照條件可以根據(jù)植物開花的時間需求進行適當?shù)难a光及遮光?，F(xiàn)代溫室不僅要能根據(jù)人們對于植物生長周期以及果實成熟、觀賞性植物開花時間的調(diào)控，更要能夠盡量減少能源的投入，從高耗能高產(chǎn)出逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榈秃哪芨弋a(chǎn)出。將光照強度與周圍的溫度、二氧化碳濃度、濕度等相互協(xié)調(diào)，使得整體植物的光利用率(Lightuse efficiency, LUE)最大化,從而減少因過量提供某一生長條件(如過多充入二氧化碳，溫室溫度過高)導致的能源的浪費。然而這一切的互補及互作是需要復雜的運算和精確的計算的。綜上所述，在溫室植物種植中，構(gòu)建一套智能的LED光源控制系統(tǒng)是必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種面向溫室植物生長照明的LED光源的智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對溫室環(huán)境參數(shù)、植物生長信息的實時采集及計算，生成優(yōu)化的作業(yè)計劃，基于信息融合技術(shù)對LED光源進行自動控制，并提供可擴展的遠程控制接口進行遠程管理。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種溫室LED光源的智能控制系統(tǒng)，包括環(huán)境監(jiān)測模塊，用于采集溫室的環(huán)境參數(shù)；作業(yè)計劃處理模塊，用于接收用戶輸入的植物生長過程的控制計劃信息，并采集植物的生長指標參數(shù)；控制中心模塊，連接環(huán)境監(jiān)測模塊和作業(yè)計劃處理模塊，根據(jù)算法參數(shù)、參考表、接收自作業(yè)計劃處理模塊采集的生長指標參數(shù)和控制計劃信息、以及接收自環(huán)境監(jiān)測模塊采集的環(huán)境參數(shù)，生成基于信息融合的控制信息；存儲模塊，連接控制中心模塊，用于存儲生成的控制信息、系統(tǒng)運行過程中所需的參考表、算法參數(shù)、采集到的生長指標參數(shù)、環(huán)境參數(shù)以及輸入的控制計劃信息；遠程控制接口模塊，用于進行遠程在線監(jiān)測和控制；輸出模塊，用于輸出環(huán)境分析信息和控制過程信息；智能控制器，根據(jù)控制心中模塊生成的控制信息對LED光源進行控制；通訊總線，連接控制中心模塊、遠程控制接口模塊、輸出模塊和智能控制器。所述的環(huán)境監(jiān)測模塊包括供電單元以及由供電單元供電的中央控制單元、溫度檢測單元、濕度檢測單元、二氧化碳檢測單元、光照度檢測單元、射頻單元，所述的溫度檢測單 元、濕度檢測單元、二氧化碳檢測單元、光照度檢測單元、射頻單元均與中央控制單元連接，溫度檢測單元、濕度檢測單元、二氧化碳檢測單元和光照度檢測單元分別采集溫室的溫度、濕度、二氧化碳和光照度的參數(shù)，發(fā)送至中央控制單元進行處理，處理結(jié)果通過射頻單元發(fā)送至控制中心模塊。所述的作業(yè)計劃處理模塊包括作業(yè)計劃制定單元、溫室區(qū)域規(guī)劃單元、種植過程信息采集單元和輸出單元，所述的作業(yè)計劃制定單元和溫室區(qū)域規(guī)劃單元用于輸入用戶的控制計劃信息，種植過程信息采集單元用于采集植物的生長指標參數(shù)，輸出單元將控制計劃信息和生長指標參數(shù)發(fā)送至控制中央模塊。所述的控制中央單元包括參數(shù)信息輸入單元、一級信息融合單元、二級信息融合單元、信息融合評估單元和控制信息輸出單元，所述的參數(shù)信息輸入單元接收來自環(huán)境監(jiān)測模塊采集的環(huán)境參數(shù)以及自作業(yè)計劃處理模塊采集的生長指標參數(shù)和控制計劃信息，依次輸入至一級信息融合單元和二級信息融合單元進行處理，同時調(diào)用算法參數(shù)和參考表生成控制信息，通過控制信息輸出單元進行發(fā)送。所述的遠程控制接口模塊包括遠程控制客戶端、無線網(wǎng)關(guān)單元、無線網(wǎng)絡和身份認證單元，所述的遠程控制客戶端、身份認證單元與無線網(wǎng)關(guān)單元之間通過無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，無線網(wǎng)關(guān)單元對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行路由，并連接身份認證單元，由身份認證單元對智能控制器、遠程控制客戶端以及環(huán)境監(jiān)測模塊的傳感器進行身份識別。所述的無線網(wǎng)絡包括GSM網(wǎng)絡、GPRS網(wǎng)絡或Zigbee網(wǎng)絡。 所述的通訊總線支持包括HTTP、M0DBUS和Zigbee在內(nèi)的通訊協(xié)議，采用的通訊方式包括RS485總線、CAN總線和Zigbee無線方式。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點I)本發(fā)明可以實時采集溫室的環(huán)境參數(shù)并進行數(shù)字化預處理。2)本發(fā)明可以對生長中的植物體進行實時的非破壞性檢測，并反饋給光源控制系統(tǒng)。3)本發(fā)明可以根據(jù)用戶需要及存儲單元中預置的植物生長歷史數(shù)據(jù)，對植物生長過程控制計劃進行定制。4)本發(fā)明可以將來自多個傳感器及其他邊界條件參考值的信息進行協(xié)調(diào)和綜合處理，進行基于信息融合技術(shù)的控制策略生成及LED光源的自動調(diào)節(jié)。5)本發(fā)明可以提供基于開放網(wǎng)絡的技術(shù)人員對LED光源的遠程綜合控制。6)本發(fā)明可以對溫室及LED光源的完整智能控制過程進行可視化表達。


圖I是溫室LED光源智能控制系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖2 (a)是環(huán)境監(jiān)測模塊的節(jié)點結(jié)構(gòu)圖；圖2 (b)是環(huán)境監(jiān)測模塊的控制程序流程圖；圖3是作業(yè)計劃優(yōu)化模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖4是控制中心模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖5是遠程控制接口模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖6是本發(fā)明實施例的溫室區(qū)域劃分圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。實施例如圖I所示，一種溫室LED光源的智能控制系統(tǒng)，包括環(huán)境監(jiān)測模塊101、作業(yè)計劃處理模塊102、控制中心模塊104、存儲模塊103、遠程控制接口模塊106、輸出模塊107、根據(jù)溫室大小設置的N個智能控制器以及通訊總線105。其中，環(huán)境監(jiān)測模塊101用于采集溫室的環(huán)境參數(shù)，例如光照、溫度、相對濕度、二氧化碳及空氣，這里采集的溫室環(huán)境參數(shù)都需要按照預置在存儲模塊103中的閾值參考表及轉(zhuǎn)換運算參考表進行數(shù)字化預處理。作業(yè)計劃處理模塊102用于接收用戶輸入的植物生長過程的控制計劃信息，或根據(jù)預置在存儲單元103中的生產(chǎn)安排進度計劃及植物生長歷史數(shù)據(jù)，對大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)提供最優(yōu)的策略，并采集植物的生長指標參數(shù)。控制中心模塊104用于將來自多個傳感器及其他邊界條件參考值的信息進行協(xié)調(diào)和綜合處理，通過將其在論域上進行變換，使其模糊化，然后在模糊集合論的基礎上，基于擴張原則進行決策級信息融合，并給出最優(yōu)的控制策略。存儲模塊103連接控制中心模塊104，用于存儲生成的控制信息、系統(tǒng)運行過程中所需的參考表、算法參數(shù)、采集到的生長指標參數(shù)、環(huán)境參數(shù)以及輸入的控制計劃信息等。遠程控制接口模塊106用于進行遠程在線監(jiān)測和控制，提供基于TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議的，采用外部數(shù)據(jù)訪問和控制命令的接口功能，最終實現(xiàn)為用戶提供基于開放網(wǎng)絡的遠程綜合控制。該模塊作為上層應用系統(tǒng)的一個元素，提高系統(tǒng)兼容性。輸出單元107用于輸出溫室環(huán)境分析信息及控制過程信息，并進行可視化表示。智能控制器根據(jù)控制心中模塊生成的控制信息對LED光源進行控制。通訊總線105包含多個通信管理單元。每個通信管理單元包含通信端口類型(例如RS485端口、CAN端口、ZigBee端口等)、通信端口參數(shù)、通訊模式(例如點對點模式、一對多模式)等，通訊總線105連接控制中心模塊104、遠程控制接口模塊106、輸出模塊107和智能控制器，保證這些設備之間的信息通訊。圖2(a)示出了本發(fā)明環(huán)境監(jiān)測模塊101的節(jié)點結(jié)構(gòu)，采用無線傳感器網(wǎng)絡，具體包括中央控制單元、溫度檢測單元、濕度檢測單元、二氧化碳檢測單元、光照度檢測單元、射頻單元及供電單元。溫度檢測單元、濕度檢測單元、二氧化碳檢測單元和光照度檢測單元分別采集溫室的溫度、濕度、二氧化碳和光照度的參數(shù)，發(fā)送至中央控制單元進行處理，處理結(jié)果通過射頻單元發(fā)送至控制中心模塊。圖2(b)示出了本發(fā)明環(huán)境監(jiān)測模塊101的控制程序流程。如圖2(b)所示，本發(fā)明中節(jié)點一開始完成硬件的初始化任務，包括設置各個參數(shù)、檢測硬件是否正常工作、初始化存儲器、RAM、通信速率、串口工作方式等；硬件設備初始化完成后開始對中間通信協(xié)議層進行初始化，之后定義注冊端點、定義輸入輸出簇，然后主動掃描信道，選擇適合的PAN，完成這些初始化任務后發(fā)出連接請求，等待網(wǎng)絡協(xié)議的響應，如果此時網(wǎng)絡協(xié)議給出連接應答信息，則完成節(jié)點的入網(wǎng)請求，采集節(jié)點進入任務循環(huán)。本發(fā)明在設計中充分考慮到能量消耗問題，除在硬件設計時要盡量減少能量消耗，最為主要的是在軟件控制時不能讓節(jié)點的各部分長時間處理工作狀態(tài)，采集節(jié)點一般情況是周期性的被喚醒，喚醒后根據(jù)事件的不同類型做出不同的處理。本發(fā)明中的事件為分兩種類型控制命令和采集命令，所以接收到命令以后首先要對命令的功能代碼進行判斷，如果是控制命令，則執(zhí)行控制任務，如果是采集命令，則啟動采集傳感器完成環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理之后，調(diào)用協(xié)議層的API完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。命令執(zhí)行完畢后， 采集節(jié)點會迅速進入休眠狀態(tài)以節(jié)省功耗。圖3示出了本發(fā)明作業(yè)計劃處理模塊102的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括作業(yè)計劃制定單元201、溫室區(qū)域規(guī)劃單元202、種植過程信息采集單元203、輸出單元204，其中，作業(yè)計劃制定單元201用于接收用戶輸入的植物種植作業(yè)計劃，包括詳細的LED燈光補光、生長期間的日夜溫度等的生長計劃，該作業(yè)計劃輸入后存儲在存儲模塊103中。以上海交通大學浦江基地現(xiàn)代溫室所種植的多頭菊(共9個品種)為例，在種植初期，根據(jù)生長計劃，對菊花進行夜間補光。這時，夜間的燈光將根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的指令在每天夜間9點至次日早上2點準時開啟，以滿足植物推遲開花以及最后的四月底開花的生產(chǎn)計劃。溫室區(qū)域規(guī)劃單元202用于接收用戶輸入的溫室區(qū)域劃分數(shù)據(jù)，本實施例中，根據(jù)燈光開關(guān)的布置以及燈光種類的不同，將2300平方米的溫室劃分成為10個區(qū)域，如圖6所示，Al、A2、BI、B2、B3、B4分別對應不同燈光種類和光照時間。上述溫室區(qū)域劃分數(shù)據(jù)也將保存在存儲模塊103中，并自動生成模板，一遍用戶在重復類似作業(yè)計劃制定時供用戶參考。種植過程信息采集單元203用于收集植物在生長過程中各項指標參數(shù)，經(jīng)過結(jié)構(gòu)化處理，并將上述數(shù)據(jù)輸出到輸出單元204中，作為控制中心模塊104的一個輸入源。圖4示出了本發(fā)明控制中心模塊104的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，該模塊包括參數(shù)信息輸入單元301、一級信息融合單元302、二級信息融合單元303、信息融合評估單元304及控制信號輸出單元305。其中，參數(shù)信息輸入單元301用于接收從環(huán)境監(jiān)測模塊的傳感器采集到的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)應該經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換及預處理。因為在一般情況下，多傳感器往往從不同的坐標框架對環(huán)境中的同一特征進行描述，它們所表示的時間、空間和表達方式可能各不相同，必須將它們統(tǒng)一到一個共同的時空參考系中。數(shù)據(jù)的預處理完成了時間因素、空間因素和工作因素的全面協(xié)調(diào)管理，并對傳感器進行選擇，投入最合適和可靠的傳感器組以適應不同的條件。其次，參數(shù)信息輸入單元301還應接收從作業(yè)計劃處理模塊102的輸出。由于傳感器測量的數(shù)據(jù)中總是存在噪聲，所以根據(jù)檢測數(shù)據(jù)得到的估計值存在著估計誤差，而該估計誤差也是一個隨機量，因此評價一個估計算法的好壞一般都以均方誤差作為評價指標。對于多傳感器的檢測信息，由于各個傳感器的測量精度和測量環(huán)境不同，測量的準確性必然存在差異，如果對多傳感器一視同仁，不加區(qū)別地將檢測數(shù)據(jù)加以處理利用，必然帶來檢測結(jié)果的不精確導致系統(tǒng)處理結(jié)果的誤差，有時這個誤差會很大。所以需要針對各個傳感器在檢測系統(tǒng)中所處的地位和檢測的準確性，有選擇地對傳感器的重要性加以區(qū)別。這就是自適應加權(quán)數(shù)據(jù)融合算法的依據(jù)。一級信息融合單元302采用自適應加權(quán)數(shù)據(jù)融合方法主要用于監(jiān)測系統(tǒng)底層傳感器檢測數(shù)據(jù)的一級融合，從而為二級融合提供更加準確的現(xiàn)場檢測信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息。加權(quán)求和法的綜合評價結(jié)果可表示為
權(quán)利要求
1.ー種溫室LED光源的智能控制系統(tǒng)，其特征在于，包括 環(huán)境監(jiān)測模塊，用于采集溫室的環(huán)境參數(shù)； 作業(yè)計劃處理模塊，用于接收用戶輸入的植物生長過程的控制計劃信息，并采集植物的生長指標參數(shù)； 控制中心模塊，連接環(huán)境監(jiān)測模塊和作業(yè)計劃處理模塊，根據(jù)算法參數(shù)、參考表、接收自作業(yè)計劃處理模塊采集的生長指標參數(shù)和控制計劃信息、以及接收自環(huán)境監(jiān)測模塊采集的環(huán)境參數(shù)，生成基于信息融合的控制信息； 存儲模塊，連接控制中心模塊，用于存儲生成的控制信息、系統(tǒng)運行過程中所需的參考表、算法參數(shù)、采集到的生長指標參數(shù)、環(huán)境參數(shù)以及輸入的控制計劃信息； 遠程控制接ロ模塊，用于進行遠程在線監(jiān)測和控制； 輸出模塊，用于輸出環(huán)境分析信息和控制過程信息； 智能控制器，根據(jù)控制心中模塊生成的控制信息對LED光源進行控制； 通訊總線，連接控制中心模塊、遠程控制接ロ模塊、輸出模塊和智能控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的溫室LED光源的智能控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的環(huán)境監(jiān)測模塊包括供電單元以及由供電單元供電的中央控制單元、溫度檢測單元、濕度檢測單元、ニ氧化碳檢測單元、光照度檢測單元、射頻單元，所述的溫度檢測單元、濕度檢測單元、ニ氧化碳檢測単元、光照度檢測單元、射頻單元均與中央控制單元連接，溫度檢測單元、濕度檢測単元、ニ氧化碳檢測單元和光照度檢測單元分別采集溫室的溫度、濕度、ニ氧化碳和光照度的參數(shù)，發(fā)送至中央控制單元進行處理，處理結(jié)果通過射頻單元發(fā)送至控制中心模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的溫室LED光源的智能控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的作業(yè)計劃處理模塊包括作業(yè)計劃制定単元、溫室區(qū)域規(guī)劃單元、種植過程信息采集單元和輸出單元，所述的作業(yè)計劃制定単元和溫室區(qū)域規(guī)劃單元用于輸入用戶的控制計劃信息，種植過程信息采集單元用于采集植物的生長指標參數(shù)，輸出單元將控制計劃信息和生長指標參數(shù)發(fā)送至控制中央模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的溫室LED光源的智能控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的控制中央?yún)g元包括參數(shù)信息輸入單元、一級信息融合単元、ニ級信息融合単元、信息融合評估單元和控制信息輸出單元，所述的參數(shù)信息輸入單元接收來自環(huán)境監(jiān)測模塊采集的環(huán)境參數(shù)以及自作業(yè)計劃處理模塊采集的生長指標參數(shù)和控制計劃信息，依次輸入至一級信息融合単元和ニ級信息融合單元進行處理，同時調(diào)用算法參數(shù)和參考表生成控制信息，通過控制信息輸出單元進行發(fā)送。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的溫室LED光源的智能控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的遠程控制接ロ模塊包括遠程控制客戶端、無線網(wǎng)關(guān)單元、無線網(wǎng)絡和身份認證単元，所述的遠程控制客戶端、身份認證単元與無線網(wǎng)關(guān)單元之間通過無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，無線網(wǎng)關(guān)單元對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行路由，并連接身份認證単元，由身份認證單元對智能控制器、遠程控制客戶端以及環(huán)境監(jiān)測模塊的傳感器進行身份識別。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的溫室LED光源的智能控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的無線網(wǎng)絡包括GSM網(wǎng)絡、GPRS網(wǎng)絡或Zigbee網(wǎng)絡。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的溫室LED光源的智能控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的通訊總線支持的通訊協(xié)議包括HTTP、MODBUS和Zigbee，采用的通訊方式包括RS485總線、CAN總線和Zigbee無線方 式。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種溫室LED光源的智能控制系統(tǒng)，包括用于采集溫室的環(huán)境參數(shù)的環(huán)境監(jiān)測模塊，用于接收用戶輸入的植物生長過程的控制計劃信息，并采集植物的生長指標參數(shù)的作業(yè)計劃處理模塊，用于生成控制信息的控制中心模塊，用于存儲數(shù)據(jù)的存儲模塊，用于進行遠程在線監(jiān)測和控制的遠程控制接口模塊，用于輸出環(huán)境分析信息和控制過程信息的輸出模塊，用于根據(jù)控制信息對LED光源進行控制的智能控制器，以及用于提供通訊環(huán)境的通訊總線。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能自動實現(xiàn)針對溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)及植物生長狀況對光源進行調(diào)控的要求，使植物獲得最佳的光配比，節(jié)約溫室能源消耗，而且可以對控制過程進行可視化表達。
文檔編號H05B37/02GK102762013SQ20121014544
公開日2012年10月31日 申請日期2012年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月10日
發(fā)明者周培, 彭勇政, 徐寶樹, 支月娥, 李強, 潘燁, 肖杭, 蘇燕華, 蔣磷蕾, 詹學佳 申請人:上海交通大學