一种基于智能预测的日光温室大棚卷帘通风系统和控制方法与流程

本发明涉及设施农业技术装备，具体的说涉及一种基于智能预测的日光温室大棚卷帘通风系统和控制方法。

背景技术：

日光温室以生产蔬菜为主，对提高城乡居民生活水平、大幅度提高农民收入等方面起着重要作用，有许多温室大棚已使用电动卷帘机代替人工收放温室大棚的草帘或棉被，提高了工作效率，并且为了提高安全性能，采用在温室顶端和低端安装行程开关的方法对卷帘电机进行限位保护。为了避免日光温室密闭空间形成的高温高湿环境对作物生长的影响，一般在温室上部和下部各打开一个通风口进行自然通风。在同时开启顶通风和底通风的情况下，会形成底通风口进风，顶通风口排风的自然循环，因此越靠近通风口处，风速越大。由于底通风口比顶通风口处更靠近作物，在温度差较大的情况下，打开底通风口，会使得作物生长环境温度急剧变化，影响作物生长。

经对现有技术文献检索发现，专利号“cn201420700040”一种螺母滑块式卷帘机行程限位，虽然提供了一种不易受到气候风霜雨雪的影响的卷帘机行程限位装置，但是此种限位装置是通过卷帘机转动圈数实现限位保护，容易受不同天气条件下保温被厚度变化等因素影响，导致卷帘机带动保温被收、放时螺母滑块行程不准确。专利号“cn201610427622.1”一种日光温室电动卷膜机综合控制器及控制方法，提供一种温室电动卷膜机综合控制器及控制方法，但是没有涉及上通风口和下通风口协同打开的问题。专利号“cn201310416299”基于图像处理技术的智能卷帘机，提供了基于天气图像的智能天气识别系统，但是没有结合历史气象数据和天气预报信息，会出现判断滞后的问题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种基于智能预测的日光温室大棚卷帘通风系统和控制方法。

一种基于智能预测的日光温室大棚卷帘通风系统，包括动作执行机构、控制器和数据处理决策模块。

所述的动作执行机构，包括卷帘电机、卷膜电机、电机转轴、伸缩杆和限位保护装置。所述的卷帘电机一端连接所述的电机转轴，同步转动带动保温被完成卷放帘任务；卷帘电机另一端通过所述的伸缩杆跟所述的限位保护装置连接；所述的卷膜电机一端连接所述的电机转轴，同步转动带动薄膜完成通风任务；卷膜电机另一端通过所述的伸缩杆跟所述的限位保护装置连接。伸缩杆可以自由伸缩，用于支撑卷帘电机和卷膜电机；限位保护装置用于卷帘电机和卷膜电机行程限位保护；伸缩杆安装到温室东墙侧和西墙侧；限位保护装置安装到温室西墙偏北侧、温室东墙偏南侧和温室东墙偏北侧的地面上。所述的限位保护装置包括底座、轴承、t型支架、保护盖、螺丝、量角圆盘、形成力臂一、形成力臂二、螺丝柱、微动开关二、微动开关一和角度传感器。所述的底座一端固定到地面上；底座另一端通过所述的轴承跟所述的t型支架一端连接；t型支架另一端连接所述的伸缩管；所述的螺丝柱安装到t型支架一端轴心并能同步转动；所述的量角圆盘通过所述的螺丝固定到所述的螺丝柱上；所述的行程力臂一和所述的行程力臂二通过内六角螺丝固定到所述的螺丝柱上并能同步转动；所述的微动开关一和所述的微动开关二固定到底座上；行程力臂一可触碰微动开关一，用于卷帘电机和卷膜电机上行程限位保护；行程力臂二可触碰微动开关二，用于卷帘电机和卷膜电机下行程限位保护，结合量角圆盘，通过调节行程力臂一和行程力臂二的位置，调节卷帘电机和卷膜电机限位保护行程；所述的角度传感器的转轴固定到螺丝柱上，用于卷帘电机和卷膜电机位置定位；所述的保护盖扣到所述的底座上。所述的卷帘电机、所述的卷膜电机、所述的角度传感器、所述的微动开关一和所述的微动开关二通过导线连接所述的控制器。

所述的控制器包括单片机、环境传感器、内存卡、wifi模块、角度传感器和电机控制电路。所述的环境传感器用于测量温室内温度、湿度、室外温度、湿度、光照强度、风速、气压；所述的内存卡用于存储卷帘和卷膜运行参数数据；所述的wifi模块用于所述的单片机跟手机或平板电脑进行人机交互和用于所述的单片机跟所述的数据处理决策模块进行通信；所述的角度传感器安装到限位保护装置中，用于测量伸缩杆的移动角度，进而定位卷帘电机和卷膜电机的位置和确定保温被或薄膜开启或关闭范围；所述的电机控制电路包括三相电源、空气开关、熔断器、热继电器、中间继电器和交流接触器。所述的三相电源连接所述的空气开关；空气开关连接所述的熔断器；熔断器连接所述的交流接触器；交流接触器连接所述的动作执行机构中的卷帘电机；所述的中间继电器连接交流接触器和所述的动作执行机构中卷膜电机。单片机通过中间继电器和交流接触器控制卷帘电机和卷膜电机正转、反转和停止。控制器通过有线或无线网络连接所述的数据处理决策模块。

所述的数据处理决策模块包括历史数据查询系统、天气预报查询系统、实时气象数据采集系统和协同优化处理系统。所述的历史数据查询系统通过天气网站查询卷帘通风系统所在地区近三年的历史气象数据，并将数据传递给所述的协同优化处理系统；所述的天气预报查询系统，通过天气网站查询卷帘通风系统所在地区未来15天的天气预报数据，并将数据传递给所述的协同优化处理系统；所述的实时气象数据采集系统用于接收所述的环境传感器采集到的日光温室现场气象数据，并存储到云服务器；协同优化处理系统将三种数据协同处理，优化产生最佳的控制卷帘和通风方案，通过有线网络或无线网络将控制方案传递给控制器，控制器发出指令通过电机控制电路启动或关闭电机完成卷帘或通风任务。

本发明中所采用的控制方法：

数据处理决策模块将三种数据(当地历史气象数据、天气预报数据和实时日光温室气象数据)协同处理，优化产生最佳的控制卷帘和通风方案，通过有线网络或无线网络将控制方案传递控制器，控制器发出指令通过电机控制电路启动或关闭电机完成卷帘和卷膜任务，三种数据协同是采用eca规则处理机制。

定义一个eca规则是一个三元组，定义为r＝(e,c,a)。其中，e为激活该规则的事件；c为条件集，用以反映环境中的不同情况；a为操作集(或动作集合)。

c在这里通称为对象变量。对象变量是数据流中涉及的影响工作流路径选择的特性或参数，简称变量。变量以xi来表示，变量集合记为x＝{x1,x2,…,xk}。变量xi的取值范围为域，用符号di来表示。

定义x＝{x1,x2,x3}；x1为历史气象数据，x2为当地实时气象数据，x3为天气预报数据。

d1＝{本地区近3年的温度、湿度、光照、风速等数据}；

d2＝{环境传感器检测温室内温度、湿度、室外温度、湿度、光照强度、风速、气压}；

d3＝{本地区未来15天的天气预报温度、湿度、光照、风速、气压}；

a＝{卷帘电机正转、卷帘电机反转、卷膜电机正转、卷膜电机反转}

e＝{规则1，规则2}

规则1：根据植物生长发育期，通过卷放帘和卷膜调节温室内温度和湿度环境。

建立作物在不同生长发育期内适宜的温度和湿度表，数据处理决策模块通过查表，产生最佳的控制卷帘和通风方案，通过有线网络或无线网络将控制方案传递控制器，控制器发出指令通过电机控制电路启动或关闭电机完成卷帘和卷膜任务。所述的卷帘通风方案如下：

1)只有保温被打开后，才允许开启通风口；只有通风口关闭之后，才允许关闭保温被。早上，日出后，天气正常，光照强度达到预设定值l_up或达到预设时间time_up后，开启卷帘；当外界温度低于作物生长最低温度temp_low或达到预设时间time_down后，强制放帘。

2)当温室内外温度差δt≥δt1(温度差较大时)，温室内外湿度差δh>δh1(湿度差较大时)，打开顶通风口，通风口的大小跟湿度差成正相关。

通风口大小δv＝al＝a·θ·r＝k8·δh，其中a为温室长度，r为卷膜电机伸缩杆长度，θ为卷膜电机伸缩杆移动角度，k8为比例系数。

推出θ＝k5·δh，k5为比例系数

3)当温室内外温度差δt2<δt<δt1(温度差较小时)，温室内外湿度差δh>δh1(湿度差较大时)，打开顶通风口(公式如1)和底通风口。

当δh>δh1时，低通风口大小δv＝al＝a·θ·r＝k9/δh，其中a为温室长度，r为卷膜电机伸缩杆长度，θ为卷膜电机伸缩杆移动角度，k9为比例系数。

推出θ＝k6/δh，k6为比例系数，通风口的大小跟湿度差成反相关。

当δh2<δh<δh1时，通风口大小δv＝al＝a·θ·r＝k10·δh，k10为比例系数。

推出θ＝k7·δh，k7为比例系数，通风口的大小跟湿度差成正相关。

4)当温室内外温度差δt<δt2时，关闭底通风口和顶通风口。

规则2：天气突变处理：通风口强制关闭，卷帘电机反转，完全放下保温被。

天气突变判断方式：

近三年内同一时间内数据平均值温度t0、湿度h0、光照强度l0、风速v0；天气预报数据温度t2、风速v2、湿度h2、光照强度l2、气压p2；测得的实时参数温度t1、湿度h1、光照强度l1、风速v1、气压p1。按照如下公式

对测得的数据进行处理，其中k1为近三年内同一天有雨雪等情况加权值(取值范围1-10)，k2为天气预报有雨雪等情况加权值(取值范围1-10)，k3为历史数据加权值(1-10)，k4为天气预报数据加权值(取值范围1-10)。

设定判断天气突变的临界值s0。

当s<s0时，表示天气正常。

当s≥s0时，表示天气突变，通风口强制关闭，卷帘电机反转，完全放下保温被。

本发明具有的有益效果如下：

1、优化了机械结构：控制电机上行程和下行程的行程力臂和微动开关安装在一处，节省空间。

2、提高了限位保护行程准确度：行程力臂可配合量角圆盘通过内六角螺丝根据日光温室大棚实际情况进行机械调节。

3、日光温室卷帘通风采用当地历史气象数据、实时气象数据和天气预报数据协同处理，根据植物生长发育期对温度湿度的要求，优化产生最佳的控制卷帘和通风方案，启动电机完成卷帘和卷膜任务，天气突变时，提前预测并及时关闭通风口和放下保温被。

4、通风方案采取分段函数进行控制，避免了在温度差较大的情况下，打开底通风口造成靠近底通风处环境温度急剧变化，影响作物生长的情况。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为动作执行机构示意图

图3为限位保护装置示意图

图4为电机控制电路接线图

图中：1、卷帘电机2、电机转轴3、伸缩杆4、限位保护装置5、下通风口6、卷膜电机7、轴承8、底座9、t型支架10、保护盖11、螺丝12、量角圆盘13-1、行程力臂一13-2、行程力臂二15、螺丝柱16-1、微动开关一16-2、微动开关二18、角度传感器14、三相电源a相17、三相电源b相19、三相电源c相20、上通风口21、空气开关22、熔断器23-1、交流接触器一23-2交流接触器二25热继电器26-1、中间继电器一26-2、中间继电器二26-3、中间继电器三26-4、中间继电器四26-5、中间继电器五26-6、中间继电器六26-7、中间继电器七27、直流电源负极28、直流电源正极

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利的进行进一步描述。

一种基于智能预测的日光温室大棚卷帘通风系统所采用的方案，包括动作执行机构、控制器和数据处理决策模块。

所述的动作执行机构，包括卷帘电机1)、卷膜电机6)、电机转轴2)、伸缩杆3)和限位保护装置4)。所述的卷帘电机1)一端连接所述的电机转轴2)，同步转动带动保温被完成卷放帘任务；卷帘电机1)另一端通过所述的伸缩杆3)跟所述的限位保护装置4)连接；所述的卷膜电机6)一端连接所述的电机转轴2)，同步转动带动薄膜完成通风任务；卷膜电机6)另一端通过所述的伸缩杆3)跟所述的限位保护装置4)连接。伸缩杆3)可以自由伸缩，用于支撑卷帘电机1)和卷膜电机6)；限位保护装置4)用于卷帘电机1)和卷膜电机6)行程限位保护；伸缩杆3)安装到温室东墙侧和西墙侧；限位保护装置4)安装到温室西墙偏北侧、温室东墙偏南侧和温室东墙偏北侧的地面上。所述的限位保护装置包括底座8)、轴承7)、t型支架9)、保护盖10)、螺丝11)、量角圆盘12)、行程力臂一13-1、行程力臂二13-2、螺丝柱15、微动开关二16-2、微动开关一16-1和角度传感器18。所述的底座8用于地面固定；所述的t型支架9一端连接所述的伸缩管3；t型支架9另一端通过所述的轴承7与所述的底座8连接，可以转动；所述的螺丝柱15连接所述的t型支架9，可同步转动；所述的量角圆盘12通过所述的螺丝11固定到所述的螺丝柱15上；所述的行程力臂一13-1和所述的行程力臂二13-2通过内六角螺丝固定到所述的螺丝柱15上，可同步转动；所述的微动开关一16-1和所述的微动开关二16-2固定到底座8上；所述的行程力臂一13-1可触碰所述的微动开关一16-1，用于卷帘电机1和卷膜电机6上行程限位保护，所述的行程力臂二13-2可触碰所述的微动开关二16-2，用于卷帘电机1和卷膜电机6下行程限位保护，结合所述的量角圆盘18，通过调节所述的行程力臂一13-1和所述的行程力臂二13-2的位置，用来调节卷帘电机1和卷膜电机6限位保护行程；所述的角度传感器18的转轴固定到螺丝柱上，用于卷帘电机1和卷膜电机6位置定位；所述的保护盖18可以扣到所述的底座8上，将所述的螺丝柱15、所述的量角圆盘12、所述的螺丝11、所述的行程力臂一13-1、所述的行程力臂二13-2、所述的微动开关一16-1、所述的微动开关二16-2和所述的角度传感器18保护起来，防雨防晒。所述的卷帘电机1、所述的卷膜电机6、所述的角度传感器18、所述的微动开关一16-1和所述的微动开关二16-2通过导线连接所述的控制器。

所述的控制器包括单片机、环境传感器、内存卡、wifi模块、角度传感器18和电机控制电路。所述的环境传感器用于测量温室内温度、湿度、室外温度、湿度、光照强度、风速、气压；所述的内存卡用于存储卷帘和卷膜运行参数数据；所述的wifi模块用于所述的单片机跟手机或平板电脑进行人机交互和所述的单片机跟所述的数据处理决策模块进行通信；所述的角度传感器18,安装到限位保护装置4中，用于测量伸缩杆3的移动角度，进而定位卷帘电机1和卷膜电机6的位置并确定保温被或薄膜开启或关闭范围。所述的电机控制电路包括三相电源a相14、b相17和c相19、空气开关21、熔断器22、热继电器25、中间继电器一26-1、中间继电器二26-2、中间继电器三26-3、中间继电器四26-4、中间继电器五26-5、中间继电器六26-6、中间继电器七26-7、交流接触器一23-1和交流接触器二23-2。所述的卷帘电机1通过所述的热继电器25、所述的交流接触器一23-1的常开触点、所述的交流接触器二23-2的常开触点、所述的熔断器22和所述的空气开关21连接所述的三相电源a相14、b相17和c相19。所述的中间继电器二26-2的常开触点与所述的交流接触器一23-1的常开触点并联成一条支路1；支路1的一端通过所述的中间继电器三26-3的常闭触点、所述的微动开关一16-1位于温室西墙北侧的限位保护装置4的常闭触点、交流接触器一23-1的线圈连接三相电源b相17；支路1的另一端通过中间继电器一26-1的常闭触点和热继电器25的常闭触点连接三相电源a相14。所述的中间继电器三26-3的常开触点与所述的交流接触器二23-2的常开触点并联成一条支路2；支路2的一端通过所述的中间继电器二26-2的常闭触点、所述的微动开关二16-2位于温室西墙偏北侧的限位保护装置4的常闭触点和交流接触器二23-2的线圈连接三相电源b相17；支路2的另一端通过所述的中间继电器一26-1的常闭触点和热继电器25的常闭触点连接三相电源a相14。所述的中间继电器四26-4和中间继电器五26-5的公共触点连接所述的卷膜电机6位于温室上通风口20；中间继电器四26-4的常闭触点连接直流电源负极27；中间继电器四26-4的常开触点连接直流电源正极28；中间继电器四26-4的常闭触点通过所述的微动开关一16-1位于温室东墙偏北侧的限位保护装置4的常闭触点连接所述的中间继电器五26-5的常开触点；中间继电器四26-4的常开触点通过所述的微动开关二16-2位于温室东墙偏北侧的限位保护装置4的常闭触点连接所述的中间继电器五26-5的常闭触点。所述的中间继电器六26-6和中间继电器七26-7公共触点连接所述的卷膜电机6位于温室下通风口5；中间继电器六26-6的常闭触点连接直流电源负极27；中间继电器六26-6的常开触点连接直流电源正极28；中间继电器六26-6的常闭触点通过所述的微动开关一16-1位于温室东墙偏南侧的限位保护装置4的常闭触点连接所述的中间继电器七26-7的常开触点；中间继电器六26-6的常开触点通过所述的微动开关二16-2位于温室东墙偏南侧的限位保护装置4的常闭触点连接所述的中间继电器七26-7的常闭触点。中间继电器一26-1、中间继电器二26-2、中间继电器三26-3、中间继电器四26-4、中间继电器五26-5、中间继电器六26-6和中间继电器七26-7的线圈连接所述的单片机,由单片机通过中间继电器用于控制卷帘电机1和卷膜电机6正转、反转和停止。控制器通过有线或无线网络连接所述的数据处理决策模块。

所述的数据处理决策模块包括历史数据查询系统、天气预报查询系统和实时气象数据采集系统和协同优化处理系统。所述的历史数据查询系统通过天气网站查询卷帘通风系统所在地区近三年的历史气象数据，并将数据传递给所述的协同优化处理系统；所述的天气预报查询系统，通过天气网站查询卷帘通风系统所在地区未来15天的前天气象数据，并将数据传递给所述的协同优化处理系统；所述的实时气象数据采集系统用于将所述的环境传感器采集到的日光温室现场气象数据通过有线或者无线网络的形式传递给网络服务器，并存储到云服务器，当前时间的气象数据传递给系统优化处理系统；协同优化处理系统将三种数据协同处理，优化产生最佳的控制卷帘和通风方案，通过有线网络或无线网络将控制方案传递给控制器，控制器发出指令通过电机控制电路启动或关闭电机完成卷帘或通风任务。当出现雨雪或者大风等恶劣天气时，所述的数据处理决策模块提前查询本地区过去同一时间是否存在这种天气情况，查询本地区的天气预报情况，并根据实时监测到的本地区气象数据，协同优化，提前预测并及时关闭通风口和放下保温被。

现场调整限位保护装置4中的行程力臂一13-1和行程力臂二13-2的位置，用来调节卷帘电机和卷膜电机的限位保护行程。在服务器电脑端安装数据处理决策模块，用于自动搜集本地区近3年的温度、湿度、光照、风速和本地区未来天气预报温度、湿度、光照、风速数据等信息，设定l_up、time_up、temp_low、time_down、k1、k2、k3、k4、s0、v0、k5、k6、k7数值。现场测量β、t1、t2、t3、t4数值，通过手机app将数据以文本形式传递给单片机并存储到内存卡中。

以大棚葡萄的环境调控管理进行介绍卷帘通风系统的控制方法。

1)温度调控：

葡萄新梢的冬芽要经过自然休眠期，一般在7.2℃以下经过1200～1500小时才能通过自然休眠。因此，冬季要打开棚内所有通风口，盖上草帘，使葡萄较早的自然休眠。然后提高室温可提前萌芽，开花，结果。萌芽前最低温度控制在5℃以上，萌芽到开花期最低温度控制在10℃以上，28-32℃最适合新梢的生长和花芽的分化，升温要逐渐进行，升温过急，可能会造成果穗发育不良；花期最适合温度为18-28℃，低于14℃不利于开花授粉；浆果开始着色后夜间温度控制在15℃左右，白天温度在25-32℃，以利于浆果的着色和可容性固形物含量的提高。从一月下旬到2月上旬开始，上午9点左右揭开草帘，使棚内见光升温，下午4点左右再覆盖草帘保温，具体操作可以根据天气情况来调整；温度高时，打开通风口降低温度。

2)湿度调控：

发芽至花序伸出期，棚内温度控制在80％左右，开花期控制在50％左右，坐果后控制在60％左右，通过卷膜电机控制通风口的大小进行湿度调控。