专利名称：一种融入作物信息的温室环境控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及温室控制，为一种在现有温室环境因子控制基础上，包含作物信息的温室环境控制系统。
背景技术：
目前我国温室控制系统的设计，一般借鉴工业过程控制的理论与方法，但是温室环境远比一般工业环境复杂的多，主要原因是温室是一个小型的、相对独立的生态系统，具有生态系统固有的复杂性、多变性和不确定性；同时，温室环境控制对象是作物，各种环境因子只是表象而已，作物与环境因子存在着强耦合性以及对环境响应的严重滞后性、作物的各种生理机能均会对环境产生一定的反作用，这一点和一般工业系统明显不同，而目前控制系统设计中将环境与作物分隔开，无法得知环境控制是否能最大限度的满足作物生长的需求。因此为了提高温室作物的控制效果，需要全面了解作物对环境的适应度，不仅应包 含各种温度、湿度、CO2浓度、光照等表象的环境因子，还要包含作物叶面温度、茎流量、叶面湿度、冠层光合有效辐射等信息，只有这样才能将瞬时环境因子控制和作物信息结合起来，着眼于长期作物成长为实时环境因子的控制提供及时、准确、全面的依据。
发明内容本实用新型的目的是针对现有的温室环境控制系统，没有考虑的作物生理、生长的需求，不能从中长期角度实现温室生产的有效控制的问题，提出一种融入作物信息的温室环境控制系统。其中各传感器用于采集温室内外气象信息、作物生理信息和作物生长信息，通过接口电路将各种信息输入到现场现场ARM控制器之中，经过简单处理后通过串口继电器板动作，将信号发送给温室环境执行机构实现简单现场智能控制，同时将数据通过协议送给远程控制中心，实现各种参数的信息融合和数据挖掘，建立融合作物信息的温室环境系统平台，采用温室决策控制系统实现远程高级智能控制本实用新型的技术方案是一种融入作物信息的温室环境控制系统，它包括由室外气象参数采集模块、室内环境参数采集模块、作物参数采集模块构成的温室信息采集单元、现场ARM控制器和温室控制执行机构，所述的室外气象参数采集模块、室内环境参数采集模块和作物参数采集模块均作为温室环境控制系统的信息采集器采集相关数据，室外气象参数采集模块、室内环境参数采集模块和作物参数采集模块的信号输出端均与现场ARM控制器的对应信号输入端相连，现场ARM控制器的控制信号输出通过串口继电气控制板与被控的温室控制执行机构相连。所述串口继电器控制板包括232/485输出口、两路AD模拟量输入、12路光耦隔离开关量输入、12路光耦隔离继电器输出和12V电源(给单片机和继电器供电)。所述现场ARM控制器包括ARM Cortex -A8内核、430MHz_DSP核、网口、USB接口、串口、触摸屏接口、键盘接口、总线接口等；硬件有采用Linux系统，自行开发的QT监控软件，完成信号采集、数据处理、信息发送、现场控制和远程计算机通讯。本实用新型的室外气象参数采集模块包括室外温湿度传感器、室外太阳辐射传感器、风速传感器和风向传感器中的一个或多个。本实用新型的室内环境参数采集模块包括室内温湿度传感器、CO2浓度传感器、土壤湿度传感器、室内太阳辐射传感器和光照传感器中的一个或多个。本实用新型的作物参数采集模块包括作物叶面温度传感器、叶面湿度传感器、茎流量传感器和冠层辐射传感器中的一个或多个。本实用新型的温室控制执行机构包括通风系统、遮阳系统、湿帘系统、喷雾系统、加温系统、CO2加浓系统和滴灌淝水系统中的一个或多个。(具体包括外遮阳网开电机、夕卜遮阳网关电机、内遮阳网开电机、内遮阳网关电机、天窗开电机、天窗关电机、滴灌设备、通风设备、增温设备和喷淋设备)。本实用新型的现场ARM控制器连接一通讯模块，通过该通讯模块与远程控制中心进行通讯。所述远程控制中心通过数据库技术建立光合作用预测、蒸腾作用预测、呼吸作用预测、干物质积累预测等模型，完成包含作物信息的温室环境系统融合平台，在该平台基础上实现温室智能决策控制系统，并通过通讯手段与现场ARM控制器实现远程控制，在Window XP系统上采用C#软件编写实现相关功能。本实用新型的有益效果(I)本实用新型采用融入作物信息的温室参数采集模式提出将温室作物信息用于实时环境控制，及时预测作物生理、生长趋势，通过对融合模型的寻优，输出控制调控温室环境，降低由环境改变和作物自身的循环滞后性带来的生长时延，利于作物整个生长周期。(2)本实用新型采用基于温室环境融合平台的控制模式将温室内外气象信息、作物生理信息、作物生长信息进行多层次、分类别、综合化的融合，建立一个分层的、交互的、完整的温室信息融合平台，在此平台上实现控制系统，具有完整性和最优性。(3)本实用新型采用温室环境控制模式包含本地手动、现场简单智能控制和远程高级智能控制三种控制模式。本地手动为人工控制；现场由ARM控制器通过程序自动实现，为简单智能控制模式；远程控制在信息融合平台上，利用专家系统、自学习理论与模糊控制理论，通过预测模型进行计算，建立温室智能决策控制系统，为高级智能控制模式。这三种模式在结构上经过软硬件互斥设计，保障安全，便于工程人员根据自己需要，及时、方便、有效的实现温室环境控制。(4)本实用新型采用现场ARM系统与远程计算机系统的数据存贮在ARM中保存近期的、主要的温室运行参数；远程计算机系统中保存所有的温室数据，可实时显示温室中环境参数，同时设置各传感器信号采集频率，并将采集的各传感器数值保存到数据库中，以便后期的查询、分析和融合。
图I为本实用新型温室环境控制系统整体结构示意图。图2为本实用新型温室信息采集部分结构示意图。图3为本实用新型现场ARM控制原理示意图。[0021]图4为本实用新型远程控制中心原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。如图I所示，一种融入作物信息的温室环境控制系统，它包括由室外气象参数采集模块、室内环境参数采集模块、作物参数采集模块构成的温室信息采集单元、现场ARM控制器和温室控制执行机构，所述的室外气象参数采集模块、室内环境参数采集模块和作物参数采集模块均作为温室环境控制系统的信息采集器采集相关数据，室外气象参数采集模块、室内环境参数采集模块和作物参数采集模块的信号输出端均与现场ARM控制器的对应信号输入端相连，现场ARM控制器的控制信号输出通过串口继电气控制板(赛伟电子串口继电器板VI. 6)与被控的温室控制执行机构相连。本实用新型的室外气象参数采集模块包括室外温湿度传感器、室外太阳辐射传感器、风速传感器和风向传感器中的一个或多个。(传感器型号温湿度为RY-WS室外专用型、·太阳辐射为TBQ型、风速为RY-FSOl型、风向为RY-FXOl型)本实用新型的室内环境参数采集模块包括室内温湿度传感器、CO2浓度传感器、土壤湿度传感器、室内太阳辐射传感器和光照传感器中的一个或多个。(传感器型号温湿度为RY-WS室外专用型、光照为TBQ型、CO2浓度为VC1009型)本实用新型的作物参数采集模块包括作物叶面温度传感器、叶面湿度传感器、茎流量传感器和冠层辐射传感器中的一个或多个。(用的是Dynamax测量系统，里面包含有页面温度、茎流量、叶面湿度参数)本实用新型的温室控制执行机构包括通风系统、遮阳系统、湿帘系统、喷雾系统、加温系统、CO2加浓系统和滴灌淝水系统中的一个或多个。本实用新型的现场ARM控制器连接一通讯模块，通过该通讯模块与远程控制中心进行通讯。具体实施时如图I所示，融入作物信息的温室环境控制系统包含以下几个部分温室信息采集单元、本地手动控制、现场ARM控制器、远程控制中心、串口继电器板和温室控制执行机构。温室信息采集信息采集系统负责采集系统包含的室外气象参数、室内环境因子和作物信息，分别通过有线或无线形式进图到ARM系统中来。现场ARM控制器通过通讯接口和状态反馈判断目前的工作方式，或是由远程计算机实现高级智能控制，或是由本地手动实现控制，或是由现场ARM控制器实现简单智能控制。若是本地手动控制，则直接输出到温室控制执行机构，完成通风系统、遮阳系统、湿帘系统、喷雾系统、加温系统、CO2加浓系统、滴灌淝水系统等的动作；若是远程控制中心，在通过ARM与其通讯，直接接收远程发过来的控制信号，输出到串口继电器板驱动温室控制机构；若是现场ARM控制简单智能控制，则根据采集到的温室信息经过判断，输出信号给串口继电器板驱动温室控制执行机构，驱动温室控制机构。串口继电器板和现场ARM控制器之间，通过RS232方式进行通讯。控制指令格式为6个字节[OxAA OxBB设备号继电器号动作参数CRC]，其中OxAA OxBB为固定的两个字节的头字节，第3字节是设备的地址码(OxOf OxFE)，第4字节为继电器号(OxOf OxOC)，分别对应12组继电器，第5字节为动作参数，值为OxOl表示继电器闭合，值为0x00标志继电器断开；状态反馈指令为6个字节[OxAA OxBB设备号OxOD 0x01 CRC]，每个字节含义类冋控制指令。如图2，温室信息采集单元，主要包括室外气象参数、室内环境参数和作物参数三个部分。室外气象参数包括大气温度、湿度、风速、风向、太阳辐射等；室内环境参数包括温度、湿度、CO2浓度、土壤温度、土壤湿度、光照等，其中需要说明的是一般考虑到局部气候的差异，会布置多个温度、湿度传感器以全面了解温室环境状况；作物参数包括，叶面温度、叶面湿度、茎流量、冠层光和作用辐射等。将三类参数通过各种传感器采集并进行A/D转换，将模拟量转换为数字量输入到温室信息采集单元，进而输入到现场ARM控制器中，经过滤波处理输出到ARM嵌入式系统的液晶显示屏上，对相关数据进行简单存贮；同时利用与远程控制中心的通讯接口，将温室信息发送并显示在电脑屏幕上，并将数据存入数据库中，以备后期查询与分析。 如图3，现场ARM控制器原理图，其中通过输入通道，采集温室信息、执行机构状态、本地手自动状态、远程计算机控制状态，经过Linux+QT系统实现简单的现场温室智能控制。信息采集系统包括室外气象参数、室内环境参数和作物信息；执行机构状态包括通风机构状态、遮阳网状态、湿帘状态、喷雾状态、加温状态、CO2加浓执行器状态、滴灌淝水状态等，均是开关量形式，通过继电器板进行反馈；本地手自动状态反馈完成ARM控制与本地手动控制的互斥，若是在本地手动状态下则ARM控制器不能动作，反之ARM控制器才能动作，保障系统安全；远程计算机控制状态用于反馈完成ARM控制与远程控制的互斥，若是远程控制则ARM控制器不能动作，反之ARM控制器才能动作，保障系统安全。现场ARM控制器通过串口继电器板实现通风系统、遮阳系统、湿帘系统、喷雾系统、加温系统、CO2加浓系统、滴灌淝水系统等的动作，均为开关量形式，用于驱动对应的电机、阀门和开关。与远程控制中心之间采用无线通讯模式，实现信息的交互和传输。如图4，远程控制中心原理图，其中通过输入通道，通过现场ARM控制器采集温室信息、机构信息和设备状态信息，并借助信息融合理论、专家系统、预测理论等构建了基于Window XP+C#的温室远程控制中心,实现高级智能控制。温室综合信息融合平台采用数据库技术构建，通过建立室外气候模型、室内环境因子预测模型、作物预测模型实现，其中作物预测模型包括光合作用预测、蒸腾作用预测、呼吸作用预测、干物质积累预测等模型，在这些子模型基础上，采用数据融合和数据挖掘技术，实现综合的温室系统级融合模型。温室智能决策控制系统时在温室彳目息融合平台基础上，结合控制指标、能耗指标、经济指标等实现远程高级智能控制，通过计算机系统的通讯模块，将最终的执行机构动作要求发送给现场ARM控制器，借助串口继电器驱动通风系统、遮阳系统、湿帘系统、喷雾系统、加温系统、CO2加浓系统、滴灌淝水系统等的动作，完成融入作物信息的远程高级智能计算机控制。本实用新型综合考虑到温室作物的需求，结合园艺学、信息融合技术、数学建模和控制工程理论，建立了融入作物信息的温室环境控制系统，满足作物实时、短期和长期的生长要求。通过信息融合后建立起一个综合的、完整的温室环境评价系统，并在原环境因子约束、经济指标、能源消耗指标基础上，建立了融入作物信息的远程温室高级智能计算机控制系统，实时用于控制执行器动作，在满足实时环境因子控制基础上，减少由作物响应给自身带来的不利影响，实现利用作物信息来增强温室环境控制的有效性，提高温室生产效率，增加温室作物产量。 本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
权利要求1.一种融入作物信息的温室环境控制系统，其特征是它包括由室外气象参数采集模块、室内环境参数采集模块、作物参数采集模块构成的温室信息采集单元、现场ARM控制器和温室控制执行机构，所述的室外气象参数采集模块、室内环境参数采集模块和作物参数采集模块均作为温室环境控制系统的信息采集器采集相关数据，室外气象参数采集模块、室内环境参数采集模块和作物参数采集模块的信号输出端均与现场ARM控制器的对应信号输入端相连，现场ARM控制器的控制信号输出通过串口继电气控制板与被控的温室控制执行机构相连。
2.根据权利要求I所述的融入作物信息的温室环境控制系统，其特征是所述的室外气象参数采集模块包括室外温湿度传感器、室外太阳辐射传感器、风速传感器和风向传感器中的一个或多个。
3.根据权利要求I所述的融入作物信息的温室环境控制系统，其特征是所述的室内环境参数采集模块包括室内温湿度传感器、CO2浓度传感器、土壤湿度传感器、室内太阳辐射传感器和光照传感器中的一个或多个。
4.根据权利要求I所述的融入作物信息的温室环境控制系统，其特征是所述的作物参数采集模块包括作物叶面温度传感器、叶面湿度传感器、茎流量传感器和冠层辐射传感器中的一个或多个。
5.根据权利要求I所述的融入作物信息的温室环境控制系统，其特征是所述的温室控制执打机构包括通风系统、遮阳系统、湿市系统、嗔雾系统、加温系统、CO2加浓系统和滴灌淝水系统中的一个或多个。
6.根据权利要求I所述的融入作物信息的温室环境控制系统，其特征是所述的现场ARM控制器连接一通讯模块，通过该通讯模块与远程控制中心进行通讯。
专利摘要一种融入作物信息的温室环境控制系统，它包括由室外气象参数采集模块、室内环境参数采集模块、作物参数采集模块构成的温室信息采集单元、现场ARM控制器和温室控制执行机构，所述的温室信息采集单元作为温室环境控制系统的信息采集器采集相关数据，温室信息采集单元的信号输出端与现场ARM控制器的对应信号输入端相连，现场ARM控制器的控制信号输出通过串口继电气控制板与被控的温室控制执行机构相连。本实用新型提出将温室作物等信息用于实时环境控制，及时预测作物生理、生长趋势，通过对融合模型的寻优，输出控制调控温室环境，降低由环境改变和作物自身的循环滞后性带来的生长时延，利于作物整个生长周期。
文档编号G05B19/418GK202694113SQ20122030924
公开日2013年1月23日 申请日期2012年6月29日 优先权日2012年6月29日
发明者李永博, 汪小旵, 孙国祥, 桂启发, 楼恩平, 李鹏飞 申请人:南京农业大学