一种温室环境调控方法及装置与流程

本发明涉及一种温室环境调控方法及装置。

背景技术：

设施农业作为新型的农业生产方式，已经成为我国解决人口、粮食、土地矛盾的重要途径。目前我国温室环境控制仍以生产者经验调控为主，缺乏科学的控制目标和有效的测控手段，造成病害严重、产品污染等突出问题。因此，从整体上提高温室环境控制水平，已成为产业提升和可持续发展的迫切需求。

当前用于温室环境控制方法主要包括PI控制、PID、前馈控制、非线性反馈控制等。在以上控制算法基础上，研究人员开发了温室环境的多因子综合控制系统，可以根据温室作物的生长发育规律，对温室内光照、温度、水、气、肥等因子进行自动控制。荷兰将差温管理技术用于温室环境的自动控制，实现了花卉、果蔬等产品开花和成熟期的控制；日本将各种作物不同生长发育阶段所需环境条件输人计算机程序，以光照条件为始变因素，温度、湿度和CO₂浓度为随变因素，当某一环境因素发生改变时，其余因素自动作出相应修正或调整，使这四个环境因素始终处于最佳配合状态。有一种温室环境多因子协调控制算法，结合设施园艺的一些经验方法,对温室系统进行变换和等效处理,将问题简化。简化措施降低了系统建模的难度和控制算法的复杂程度,但能够满足温室环境控制的要求。该算法既能够实现温室环境多因子、多目标的控制,也能够解决温室环境多因子严重耦合的问题。多因子环境控制是当前温室环境控制的应用趋势，但由于环境因子难以完全解耦，实际还是单因子结合其他环境因子辅助控制。

模型构建是决策支持系统和智能控制系统研究的核心问题之一。设施农业中模型作为主要的定量化研究工具一般包括温室环境模拟模型和作物生长发育模型。由于温室结构多样，环境各异，难以一种模型是通用适合国内多地域、多特征温室；同时模型由于算法复杂，对资源和运算速度要求较高，普通微控制难以嵌入应用。

有一种温室多模型信息融合的温室环境调控方法及系统，提出一种温室多模型信息融合的温室环境调控技术，采用基于设定值、基于光照和基于积温的三种温室环境控制模型进行特征向量的提取，采用D-S证据理论方进行三种调控方法的特征向量的多信息融合，建立环境优化调控决策策略，实现温室短尺度和长尺度控制要求的协调。

有一种基于多因子耦合的光环境智能调控系统方法与系统，根据当前环境内植物光照需求特性设定其光照累计时间，在累计光照的时间内，监测环境中实时的红蓝光PFD值和实时的温度值，利用温度与最适环境光强拟合，根据不同温度条件下当前植物的红蓝光光饱和点，计算红蓝光监测值和目标值之间的差值，进行按需补光，且当温度监测值超出光合作用有效温度阈值范围时，对温度进行调整使其在该范围内；

有一种以温度优先的温室环境控制技术，根据温度判断进行分级环境控制设备开关，实现环境控制。当前背景技术很多是单因素设置上下限进行控制，很少考虑环境之间的相互作用，同时很少将作物生理作用作为环境控制的理论依据；多因子多模型控制提高整体系统复杂性，难以集成在控制系统实现现场控制，同时未能考虑到能耗情况；采用光驱动目前只用在独立一个参数控制，比如光指导灌溉、光指导补光很少将温室温度、湿度、光、二氧化碳施肥、灌溉施肥结合一体的光驱动控制系统。

技术实现要素：

本发明提供一种全部或至少部分解决上述技术问题的温室环境调控方法及装置。

本发明还提供一种温室环境调控方法，包括：

实时获取温室环境的当前光辐射值，判断所述当前光辐射值是否大于预设阈值；

若是，则向遮光设备发送控制信号，以使遮光设备对温室进行遮光，并在获取到温室环境的当前光辐射值小于等于所述预设阈值时，获取所述当前光辐射值所处的辐射范围；

根据所述当前光辐射值所处的辐射范围和预设辐射温度关系表，获取待调控的温度范围，根据所述当前光辐射值所处的辐射范围和预设辐射二氧化碳关系表，获取待调控的二氧化碳施肥量范围，并根据所述待调控的温度范围，获取待调控的湿度范围；所述预设辐射温度关系表包括辐射范围和温度范围的关系，所述预设辐射二氧化碳关系表包括辐射范围和二氧化碳施肥量范围的关系；

根据所述当前光辐射值和每天预设辐射周期，计算全天辐射累计量，并根据所述全天辐射累计量、预设全天辐射累计量和补光设备的单位时间辐射值，确定待补光时间；

判断当前光辐射值是否等于预设历史平均日辐射量，并根据判断结果确定待调控水量；

根据所述待调控的温度范围、待调控的二氧化碳施肥量范围、待调控的湿度范围、待补光时间和待调控水量对温室环境进行调控。

优选的，根据所述待调控的温度范围，获取待调控的湿度范围，包括：

根据所述待调控的温度范围，通过公式(一)获取待调控的湿度范围

H＝1-VPD×0.0145/e^p公式(一)

p＝-1.0440397*10⁴/T-1.129465-2.702*10^-2T-(-1.289*10^-5)T²+(-2.478*10^-9)T³-6.546lnT

其中，H为湿度，VPD为预设的饱和水汽压差，T为温度。

优选的，根据所述当前光辐射值和每天预设辐射周期，计算全天辐射累计量，包括：

根据所述当前光辐射值和每天预设辐射周期，通过公式(二)计算全天辐射累计量

DLI＝R_v×R_p公式(二)

其中，DLI为全天辐射累计量，Rv为光辐射值，R_p为每天预设辐射周期。

优选的，根据所述全天辐射累计量、预设全天辐射累计量和补光设备的单位时间辐射值，确定待补光时间，包括：

根据所述全天辐射累计量、预设全天辐射累计量和补光设备的单位时间辐射值，通过公式(三)确定待补光时间

T_补光＝(DLI_set-DLI)/R_L公式(三)

其中，T_补光为待补光时间，DLI_set为预设全天辐射累计量，DLI为所述全天辐射累计量，R_L为补光设备的单位时间辐射值。

优选的，根据判断结果确定待调控水量，包括：

若光辐射值等于预设历史平均日辐射量，则根据所述预设历史平均日辐射量、单位面积植株数和预设的温室面积确定待调控水量。

优选的，根据所述预设历史平均日辐射量、单位面积植株数和预设的温室面积确定待调控水量，包括：

确定所述预设历史平均日辐射量、单位面积植株数和预设的温室面积三者相乘获取的值为待调控水量。

优选的，根据判断结果确定待调控水量，包括：

若光辐射值不等于预设历史平均日辐射量，则根据所述光辐射值、预设的单位光辐射值对应的耗水量和预设的温室面积，确定待调控水量。

优选的，根据所述光辐射值、预设的单位光辐射值对应的耗水量和预设的温室面积，确定待调控水量，包括：

确定所述光辐射值、预设的单位光辐射值对应的耗水量和预设的温室面积三者相乘获取的值为待调控水量。

优选的，根据所述当前光辐射值所处的辐射范围和预设辐射温度关系表，获取待调控的温度范围之后，所述方法还包括：

获取温室环境的当前温度；

若所述当前温度小于所述待调控的温度范围的最小值，则根据所述当前光辐射值所处的辐射范围和所述预设辐射温度关系表，确定加温延迟时间；

所述预设辐射温度关系表包括辐射范围与加温延迟时间的关系。

第二方面，本发明还提供一种温室环境调控装置，包括：

第一获取单元，用于实时获取温室环境的当前光辐射值，判断所述当前光辐射值是否大于预设阈值；

第二获取单元，用于若是，则向遮光设备发送控制信号，以使遮光设备对温室进行遮光，并在获取到温室环境的当前光辐射值小于等于所述预设阈值时，获取所述当前光辐射值所处的辐射范围；

第三获取单元，用于根据所述当前光辐射值所处的辐射范围和预设辐射温度关系表，获取待调控的温度范围，根据所述当前光辐射值所处的辐射范围和预设辐射二氧化碳关系表，获取待调控的二氧化碳施肥量范围，并根据所述待调控的温度范围，获取待调控的湿度范围；所述预设辐射温度关系表包括辐射范围和温度范围的关系，所述预设辐射二氧化碳关系表包括辐射范围和二氧化碳施肥量范围的关系；

第一确定单元，用于根据所述当前光辐射值和每天预设辐射周期，计算全天辐射累计量，并根据所述全天辐射累计量、预设全天辐射累计量和补光设备的单位时间辐射值，确定待补光时间；

第二确定单元，用于判断当前光辐射值是否等于预设历史平均日辐射量，并根据判断结果确定待调控水量；

调控单元，用于根据所述待调控的温度范围、待调控的二氧化碳施肥量范围、待调控的湿度范围、待补光时间和待调控水量对温室环境进行调控。

由上述技术方案可知，本发明通过测量光合有效辐射值(即光辐射值)为主要环境调控驱动，在线调整温度、湿度、二氧化碳、灌溉量配合栽培作物生理活动，避免能源与资源浪费；结合作物环境光合生理及不同生长期的生理需求，以作物生理活动响应为评价指标，摆脱传统直接面对物理指标调控，能够提高作物品质、产量。即，本发明利用已有光合有效辐射辐射结合作物生长能力，将作物生长在受限条件下发挥加大光合作用、减少呼吸作用，将蒸散作用、同化作用及温、光、水、气合理化，设法将光合作用的产能尽量转化为植物需要部分；充分利用有限资源获得植物生产最大收益，有效提高资源和能源利用率；采用单个环境因素—光辐射值作为调控指示，简化各个环境之间的耦合带来的影响，不需要复杂模型控制，方便与控制装置集成，降低控制成本。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种温室环境调控方法的流程图；

图2为不同辐射值与温度的关系示意图；

图3为不同辐射值与二氧化碳浓度关系示意图；

图4为植物光响应曲线图；

图5为本发明一实施例提供的一种温室环境调控装置的结构示意图。

附图标记说明

第一获取单元51 第二获取单元52 第三获取单元53 第一确定单元54 第二确定单元55 调控单元56

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

光作为一种能量通过光合作用制造有机物为植物生长发育提供物质和能量，是植物进行光合作用的基础，影响着植物几乎所有发育阶段，光照不足会影响光合同化力从而限制碳同化，最终影响到植物光合产物的形成。很多温室生产场合光是不能够准确控制的，其他相关环境参数可以调控，并依据“木桶效应”自然提供光源有限，当在一定的辐射或光照时，提供适宜环境能够提升作物光合作用，如果更进一步提高环境则不可能快速增加光合作用甚至会抑制作物生长，根据以上原理结合植物环境生理规律，提出一种基于辐射驱动的温室环境节能调控方法。

图1示出了本发明一实施例提供的一种温室环境调控方法的流程图，该方法包括：

S11、实时获取温室环境的当前光辐射值，判断所述当前光辐射值是否大于预设阈值；若是，则执行步骤S12，否则，不进行遮光处理。

S12、若是，则向遮光设备发送控制信号，以使遮光设备对温室进行遮光，并在获取到温室环境的当前光辐射值小于等于所述预设阈值时，获取所述当前光辐射值所处的辐射范围；

S13、根据所述当前光辐射值所处的辐射范围和预设辐射温度关系表，获取待调控的温度范围，根据所述当前光辐射值所处的辐射范围和预设辐射二氧化碳关系表，获取待调控的二氧化碳施肥量范围，并根据所述待调控的温度范围，获取待调控的湿度范围；所述预设辐射温度关系表包括辐射范围和温度范围的关系，所述预设辐射二氧化碳关系表包括辐射范围和二氧化碳施肥量范围的关系；

如图2所示，当辐射为20W/m²时光环境较弱，温度如何调整都保持在较低的水平，当辐射为50-100W/m²时，将温度调整到15℃时光合速率有一定幅度增加，如果再增加温度则光合速率下降，在相同光合效果时同时浪费加热能源。当辐射达到100W/m²时，温度从10度升到30度，净光合速率会有较大幅度增加，因此根据每天中变化的辐射，调整温度使得作物处于较好的生长状态，能够在春、秋季、冬季加温情况下降低能耗。

辐射驱动温度控制表(预设辐射温度关系表)如下，实际辐射值(本文中辐射值即为光辐射值)和温度值与具体作物相关，这里只作为方法示意。

值得说明的是，所述二氧化碳施肥量为二氧化碳的浓度。

如图3所示当辐射(本位中辐射和辐射量均指辐射值)为30W/m²和50W/m2时，二氧化碳浓度0-500ppm光合速率增加比较显著，而600ppm以后则增长缓慢，增加二氧化碳施肥会影响整体栽培效益，即弱光下则采用通风方式补充二氧化碳即可。当为100W/m2，150W/m2时，二氧化碳浓度高于800ppm对植物生长没有太大作用，可以按照下表(预设辐射二氧化碳关系表)确定二氧化碳施肥量。

上表可以根据具体作物实际情况细化施肥表格，能够更进一步降低施肥成本。

S14、根据所述当前光辐射值和每天预设辐射周期，计算全天辐射累计量，并根据所述全天辐射累计量、预设全天辐射累计量和补光设备的单位时间辐射值，确定待补光时间；

值得说明的是，光环境调控一般用内外遮阳网、补光设备实现，根据作物光合光响应曲线图4，可知高于100W/m2光合增长缓慢。高于150W/m2会出现光抑制现象，光合速率会降低。因此，所述预设阈值一般设定为150W/m2。

上述步骤S12中可通过向遮光设备发送控制信号，如调整可控的遮光设备的开合度实现遮光，遮阳网(可控的遮光设备的主要遮阳部分为遮阳网时)开合度将温室内光辐射值调整到150W/m2以内，再进行本发明其他参数的相关调控。

植物整个生长周期过程中，光累计存在建议参数(即预设全天辐射累计量)，保证光照达到这个指标，即可获得较好的生产成果。通过打开补光灯，根据补光的辐射大小和DLI，确立补光灯工作时间确保温室植物生长过程中稳定的DLI。

S15、判断当前光辐射值是否等于预设历史平均日辐射量，并根据判断结果确定待调控水量；

值得说明的是，在本步骤中根据光照辐射量确定浇水总量。

由于光辐射与植物的蒸腾作用密切相关，一般1J/cm2辐射光每平方米植物消耗3毫升(cc)的水，即1W/m2消耗1.08cc。在本步骤中，根据历史平均日辐射量计算出温室每天的作物灌溉需水量，依据设定的灌溉频次进行灌溉。同时以小时为单位根据实时获取的辐射值在线调整实际灌溉量。

以预设历史平均日辐射量作为判断依据确定待调控水量，是因为预设历史平均日辐射量为根据实际经验总结出来的结果，以该值为依据可以快速计算出温室每天补水量。

S16、根据所述待调控的温度范围、待调控的二氧化碳施肥量范围、待调控的湿度范围、待补光时间和待调控水量对温室环境进行调控。

值得说明的是，上述步骤中的各待调控值均为针对整个温室范围的。本发明中的光辐射值均为有效辐射值。

本发明通过测量光合有效辐射值(即光辐射值)为主要环境调控驱动，在线调整温度、湿度、二氧化碳、灌溉量配合栽培作物生理活动，避免能源与资源浪费；结合作物环境光合生理及不同生长期的生理需求，以作物生理活动响应为评价指标，摆脱传统直接面对物理指标调控，能够提高作物品质、产量。即，本发明利用已有光合有效辐射辐射结合作物生长能力，将作物生长在受限条件下发挥加大光合作用、减少呼吸作用，将蒸散作用、同化作用及温、光、水、气合理化，设法将光合作用的产能尽量转化为植物需要部分；充分利用有限资源获得植物生产最大收益，有效提高资源和能源利用率；采用单个环境因素—光辐射值作为调控指示，简化各个环境之间的耦合带来的影响，不需要复杂模型控制，方便与控制装置集成，降低控制成本。

即，本发明需要确立了解栽培作物品种和生长特性，然后通过实验获得温室作物在不同生长期的光响应曲线、温度、二氧化碳浓度在不同辐射下的光合响应曲线，并按照上面提及的方案构建控制分档，确立不同辐射下对应的调控参数。实际应用采集当前光合有效辐射并以小时计算辐射累计量，首先比较当前辐射是否超过作物能够承受的强度，如果超过则需要遮阳处理。然后分别根据辐射比较确定对应的调节温湿度、二氧化碳施肥、补光及灌溉方案，确保作物处于最佳光合、蒸腾生长情况下。

可以理解的是，植物一般会有适宜的饱和水汽压差，一般在5-12mbar之间，则，所述步骤S13中的根据所述待调控的温度范围，获取待调控的湿度范围，包括：

根据所述待调控的温度范围，通过公式(一)获取待调控的湿度范围

H＝1-VPD×0.0145/e^p公式(一)

p＝-1.0440397*10⁴/T-1.129465-2.702*10^-2T-(-1.289*10^-5)T²+(-2.478*10^-9)T³-6.546lnT

其中，H为湿度，VPD为预设的饱和水汽压差，T为温度。

所述步骤S14中的根据所述当前光辐射值和每天预设辐射周期，计算全天辐射累计量，包括：

根据所述当前光辐射值和每天预设辐射周期，通过公式(二)计算全天辐射累计量

DLI＝R_v×R_p公式(二)

其中，DLI为全天辐射累计量，Rv为光辐射值，R_p为每天预设辐射周期。

所述步骤S14中的根据所述全天辐射累计量、预设全天辐射累计量和补光设备的单位时间辐射值，确定待补光时间，包括：

根据所述全天辐射累计量、预设全天辐射累计量和补光设备的单位时间辐射值，通过公式(三)确定待补光时间

T_补光＝(DLI_set-DLI)/R_L公式(三)

其中，T补光为待补光时间，DLIset为预设全天辐射累计量，DLI为所述全天辐射累计量，R_L为补光设备的单位时间辐射值。

所述步骤S15中的根据判断结果确定待调控水量，包括：

若光辐射值等于预设历史平均日辐射量，则根据所述预设历史平均日辐射量、单位面积植株数和预设的温室面积确定待调控水量。

在本实施例中，根据所述预设历史平均日辐射量、单位面积植株数和预设的温室面积确定待调控水量，包括：

确定所述预设历史平均日辐射量、单位面积植株数和预设的温室面积三者相乘获取的值为待调控水量。所述步骤S15中的根据判断结果确定待调控水量，包括：

若光辐射值不等于预设历史平均日辐射量，则根据所述光辐射值、预设的单位光辐射值对应的耗水量和预设的温室面积，确定待调控水量。

在本实施例中，根据所述光辐射值、预设的单位光辐射值对应的耗水量和预设的温室面积，确定待调控水量，包括：

确定所述光辐射值、预设的单位光辐射值对应的耗水量和预设的温室面积三者相乘获取的值为待调控水量。

作为一种优选实施例，所述步骤S13中的根据所述当前光辐射值所处的辐射范围和预设辐射温度关系表，获取待调控的温度范围之后，所述方法还包括：

获取温室环境的当前温度；

若所述当前温度小于所述待调控的温度范围的最小值，则根据所述当前光辐射值所处的辐射范围和所述预设辐射温度关系表，确定加温延迟时间；

所述预设辐射温度关系表包括辐射范围与加温延迟时间的关系。

具体加温度控制通过加温设备，由于辐射也会带来温度的增加，通过设置不同延迟时间，在当前温度不影响生长情况下，减少加温设备加温时间以降低能耗。

若所述当前温度大于所述待调控的温度范围的最大值，则需要降温，若降温，可通过通风、湿帘、雾化喷头多种手段实现，优先使用自然通风达到设定范围，如达不到则需要开启其他设备实现。

下面通过一个具体实施例说明本发明。

实现如下例：(假设每平米3株植物，预设历史平均日辐射量为80J/cm2，则每平米耗水量为80J/cm2*3cc*＝240cc/m2，温室面积为1000m2，需水量为240L)

如果中午当前辐射值(光辐射值)为80W/m2，则温度调控目标12.5-17.5℃，湿度通过计算控制在60％-75％，二氧化碳施肥最大800ppm，同时当前辐射与历史同期(即与预设历史平均日辐射量)一致，则需要按照原计划需水量进行灌溉。

如果黄昏阶段辐射为15W/m2，则温度调控目标降为7.5-12.5℃，湿度通过计算控制在45％-70％，关闭二氧化碳施肥，同时不处于施气肥最佳时机则关闭通风窗，当前辐射较低，当前需水量为15*1.08＝16.2cc，则需要降低供水量，修改灌溉策略。

假设全天辐射累计量为350W·m-2·d-1，而作物每天标准(即预设全天辐射累计量)DLI为450W·m-2·d-1，补光灯能提供600W·m-2·d-1)，需要打开补光灯持续4小时(24*(450-350)/600)以满足标准光累计要求。

本发明中仅给出了温湿度、补光等的一种具体执行流程，事实上，可实现根据当前光辐射值，按照本发明所述的各种对应关系计算各个待调控的量的本发明的简单变形均属于本发明的保护范围。

图5为本发明一实施例提供的一种温室环境调控装置的结构示意图。

参照图5，一种温室环境调控装置，包括：

第一获取单元51，用于实时获取温室环境的当前光辐射值，判断所述当前光辐射值是否大于预设阈值；

第二获取单元52，用于若是，则向遮光设备发送控制信号，以使遮光设备对温室进行遮光，并在获取到温室环境的当前光辐射值小于等于所述预设阈值时，获取所述当前光辐射值所处的辐射范围；

第三获取单元53，用于根据所述当前光辐射值所处的辐射范围和预设辐射温度关系表，获取待调控的温度范围，根据所述当前光辐射值所处的辐射范围和预设辐射二氧化碳关系表，获取待调控的二氧化碳施肥量范围，并根据所述待调控的温度范围，获取待调控的湿度范围；所述预设辐射温度关系表包括辐射范围和温度范围的关系，所述预设辐射二氧化碳关系表包括辐射范围和二氧化碳施肥量范围的关系；

第一确定单元54，用于根据所述当前光辐射值和每天预设辐射周期，计算全天辐射累计量，并根据所述全天辐射累计量、预设全天辐射累计量和补光设备的单位时间辐射值，确定待补光时间；

第二确定单元55，用于判断当前光辐射值是否等于预设历史平均日辐射量，并根据判断结果确定待调控水量；

调控单元56，用于根据所述待调控的温度范围、待调控的二氧化碳施肥量范围、待调控的湿度范围、待补光时间和待调控水量对温室环境进行调控。

本发明的一种温室环境调控装置与一种温室环境调控方法是一一对应的，因此不再对一种温室环境调控装置详详述。

本领域普通技术人员可以理解：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。