专利名称：温室led光源的智能控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种将LED光源调控技术应用到温室植物生产过程中的智能控制技术，尤其涉及一种能自动实现针对温室内环境参数及植物生长状况对光源进行调控的要求，使植物获得最佳的光配比，并且节约温室能源消耗的智能控制系统。
背景技术：
光照对于植物生长发育非常重要，作为一种自养生物，植物利用太阳光的能量进行光合作用，其中400 700nm波长的太阳光是植物光和活性的波长区间，也被称为光和活性光波。其中，光谱中红光和蓝光是植物叶绿素的主要反应区间，因此现在温室内的补光通常主要进行红光与蓝光的补充。Saebo等在1995年Plant Cell,Tissue and Organ Culture中指出红光在光合作用中对淀粉积累的作用。在1982年,Senger在Plant Physiology中强调蓝光对植物叶绿体的发展、叶绿体的形成和气孔的开闭有关。 光的质量对植物生长发育非常重要的同时，光照时间对于植物生长发育也有作用。在现在的反季节培育中，白天光照时间以及夜间灯光的补充对于调节(推迟或提早)花期非常重要。例如，长日照植物的开花光照条件就是形成一个短黑夜，既可以进行遮光处理，也能在黑夜中进行短期补光，从而打破植物的黑暗“感知”，从而实现反季节开花。也就是说，现代温室光照条件可以根据植物开花的时间需求进行适当的补光及遮光。现代温室不仅要能根据人们对于植物生长周期以及果实成熟、观赏性植物开花时间的调控，更要能够尽量减少能源的投入，从高耗能高产出逐步转变为低耗能高产出。将光照强度与周围的温度、二氧化碳浓度、湿度等相互协调，使得整体植物的光利用率(Lightuse efficiency, LUE)最大化,从而减少因过量提供某一生长条件(如过多充入二氧化碳，温室温度过高)导致的能源的浪费。然而这一切的互补及互作是需要复杂的运算和精确的计算的。综上所述，在温室植物种植中，构建一套智能的LED光源控制系统是必要的。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种面向温室植物生长照明的LED光源的智能控制系统，该系统能够实现对温室环境参数、植物生长信息的实时采集及计算，生成优化的作业计划，基于信息融合技术对LED光源进行自动控制，并提供可扩展的远程控制接口进行远程管理。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种温室LED光源的智能控制系统，包括环境监测模块，用于采集温室的环境参数；作业计划处理模块，用于接收用户输入的植物生长过程的控制计划信息，并采集植物的生长指标参数；控制中心模块，连接环境监测模块和作业计划处理模块，根据算法参数、参考表、接收自作业计划处理模块采集的生长指标参数和控制计划信息、以及接收自环境监测模块采集的环境参数，生成基于信息融合的控制信息；存储模块，连接控制中心模块，用于存储生成的控制信息、系统运行过程中所需的参考表、算法参数、采集到的生长指标参数、环境参数以及输入的控制计划信息；远程控制接口模块，用于进行远程在线监测和控制；输出模块，用于输出环境分析信息和控制过程信息；智能控制器，根据控制心中模块生成的控制信息对LED光源进行控制；通讯总线，连接控制中心模块、远程控制接口模块、输出模块和智能控制器。所述的环境监测模块包括供电单元以及由供电单元供电的中央控制单元、温度检测单元、湿度检测单元、二氧化碳检测单元、光照度检测单元、射频单元，所述的温度检测单 元、湿度检测单元、二氧化碳检测单元、光照度检测单元、射频单元均与中央控制单元连接，温度检测单元、湿度检测单元、二氧化碳检测单元和光照度检测单元分别采集温室的温度、湿度、二氧化碳和光照度的参数，发送至中央控制单元进行处理，处理结果通过射频单元发送至控制中心模块。所述的作业计划处理模块包括作业计划制定单元、温室区域规划单元、种植过程信息采集单元和输出单元，所述的作业计划制定单元和温室区域规划单元用于输入用户的控制计划信息，种植过程信息采集单元用于采集植物的生长指标参数，输出单元将控制计划信息和生长指标参数发送至控制中央模块。所述的控制中央单元包括参数信息输入单元、一级信息融合单元、二级信息融合单元、信息融合评估单元和控制信息输出单元，所述的参数信息输入单元接收来自环境监测模块采集的环境参数以及自作业计划处理模块采集的生长指标参数和控制计划信息，依次输入至一级信息融合单元和二级信息融合单元进行处理，同时调用算法参数和参考表生成控制信息，通过控制信息输出单元进行发送。所述的远程控制接口模块包括远程控制客户端、无线网关单元、无线网络和身份认证单元，所述的远程控制客户端、身份认证单元与无线网关单元之间通过无线网络进行数据传输，无线网关单元对传输的数据进行路由，并连接身份认证单元，由身份认证单元对智能控制器、远程控制客户端以及环境监测模块的传感器进行身份识别。所述的无线网络包括GSM网络、GPRS网络或Zigbee网络。 所述的通讯总线支持包括HTTP、M0DBUS和Zigbee在内的通讯协议，采用的通讯方式包括RS485总线、CAN总线和Zigbee无线方式。与现有技术相比，本发明具有以下优点I)本发明可以实时采集温室的环境参数并进行数字化预处理。2)本发明可以对生长中的植物体进行实时的非破坏性检测，并反馈给光源控制系统。3)本发明可以根据用户需要及存储单元中预置的植物生长历史数据，对植物生长过程控制计划进行定制。4)本发明可以将来自多个传感器及其他边界条件参考值的信息进行协调和综合处理，进行基于信息融合技术的控制策略生成及LED光源的自动调节。5)本发明可以提供基于开放网络的技术人员对LED光源的远程综合控制。6)本发明可以对温室及LED光源的完整智能控制过程进行可视化表达。
图I是温室LED光源智能控制系统的内部结构图；图2 (a)是环境监测模块的节点结构图；图2 (b)是环境监测模块的控制程序流程图；图3是作业计划优化模块的内部结构图；图4是控制中心模块的内部结构图；图5是远程控制接口模块的内部结构 图6是本发明实施例的温室区域划分图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例如图I所示，一种温室LED光源的智能控制系统，包括环境监测模块101、作业计划处理模块102、控制中心模块104、存储模块103、远程控制接口模块106、输出模块107、根据温室大小设置的N个智能控制器以及通讯总线105。其中，环境监测模块101用于采集温室的环境参数，例如光照、温度、相对湿度、二氧化碳及空气，这里采集的温室环境参数都需要按照预置在存储模块103中的阈值参考表及转换运算参考表进行数字化预处理。作业计划处理模块102用于接收用户输入的植物生长过程的控制计划信息，或根据预置在存储单元103中的生产安排进度计划及植物生长历史数据，对大规模连续生产提供最优的策略，并采集植物的生长指标参数。控制中心模块104用于将来自多个传感器及其他边界条件参考值的信息进行协调和综合处理，通过将其在论域上进行变换，使其模糊化，然后在模糊集合论的基础上，基于扩张原则进行决策级信息融合，并给出最优的控制策略。存储模块103连接控制中心模块104，用于存储生成的控制信息、系统运行过程中所需的参考表、算法参数、采集到的生长指标参数、环境参数以及输入的控制计划信息等。远程控制接口模块106用于进行远程在线监测和控制，提供基于TCP/IP网络协议的，采用外部数据访问和控制命令的接口功能，最终实现为用户提供基于开放网络的远程综合控制。该模块作为上层应用系统的一个元素，提高系统兼容性。输出单元107用于输出温室环境分析信息及控制过程信息，并进行可视化表示。智能控制器根据控制心中模块生成的控制信息对LED光源进行控制。通讯总线105包含多个通信管理单元。每个通信管理单元包含通信端口类型(例如RS485端口、CAN端口、ZigBee端口等)、通信端口参数、通讯模式(例如点对点模式、一对多模式)等，通讯总线105连接控制中心模块104、远程控制接口模块106、输出模块107和智能控制器，保证这些设备之间的信息通讯。图2(a)示出了本发明环境监测模块101的节点结构，采用无线传感器网络，具体包括中央控制单元、温度检测单元、湿度检测单元、二氧化碳检测单元、光照度检测单元、射频单元及供电单元。温度检测单元、湿度检测单元、二氧化碳检测单元和光照度检测单元分别采集温室的温度、湿度、二氧化碳和光照度的参数，发送至中央控制单元进行处理，处理结果通过射频单元发送至控制中心模块。图2(b)示出了本发明环境监测模块101的控制程序流程。如图2(b)所示，本发明中节点一开始完成硬件的初始化任务，包括设置各个参数、检测硬件是否正常工作、初始化存储器、RAM、通信速率、串口工作方式等；硬件设备初始化完成后开始对中间通信协议层进行初始化，之后定义注册端点、定义输入输出簇，然后主动扫描信道，选择适合的PAN，完成这些初始化任务后发出连接请求，等待网络协议的响应，如果此时网络协议给出连接应答信息，则完成节点的入网请求，采集节点进入任务循环。本发明在设计中充分考虑到能量消耗问题，除在硬件设计时要尽量减少能量消耗，最为主要的是在软件控制时不能让节点的各部分长时间处理工作状态，采集节点一般情况是周期性的被唤醒，唤醒后根据事件的不同类型做出不同的处理。本发明中的事件为分两种类型控制命令和采集命令，所以接收到命令以后首先要对命令的功能代码进行判断，如果是控制命令，则执行控制任务，如果是采集命令，则启动采集传感器完成环境数据的采集，采集到的数据经处理之后，调用协议层的API完成数据的发送。命令执行完毕后， 采集节点会迅速进入休眠状态以节省功耗。图3示出了本发明作业计划处理模块102的内部结构，包括作业计划制定单元201、温室区域规划单元202、种植过程信息采集单元203、输出单元204，其中，作业计划制定单元201用于接收用户输入的植物种植作业计划，包括详细的LED灯光补光、生长期间的日夜温度等的生长计划，该作业计划输入后存储在存储模块103中。以上海交通大学浦江基地现代温室所种植的多头菊(共9个品种)为例，在种植初期，根据生长计划，对菊花进行夜间补光。这时，夜间的灯光将根据系统发出的指令在每天夜间9点至次日早上2点准时开启，以满足植物推迟开花以及最后的四月底开花的生产计划。温室区域规划单元202用于接收用户输入的温室区域划分数据，本实施例中，根据灯光开关的布置以及灯光种类的不同，将2300平方米的温室划分成为10个区域，如图6所示，Al、A2、BI、B2、B3、B4分别对应不同灯光种类和光照时间。上述温室区域划分数据也将保存在存储模块103中，并自动生成模板，一遍用户在重复类似作业计划制定时供用户参考。种植过程信息采集单元203用于收集植物在生长过程中各项指标参数，经过结构化处理，并将上述数据输出到输出单元204中，作为控制中心模块104的一个输入源。图4示出了本发明控制中心模块104的内部结构，该模块包括参数信息输入单元301、一级信息融合单元302、二级信息融合单元303、信息融合评估单元304及控制信号输出单元305。其中，参数信息输入单元301用于接收从环境监测模块的传感器采集到的数据，该数据应该经过A/D转换及预处理。因为在一般情况下，多传感器往往从不同的坐标框架对环境中的同一特征进行描述，它们所表示的时间、空间和表达方式可能各不相同，必须将它们统一到一个共同的时空参考系中。数据的预处理完成了时间因素、空间因素和工作因素的全面协调管理，并对传感器进行选择，投入最合适和可靠的传感器组以适应不同的条件。其次，参数信息输入单元301还应接收从作业计划处理模块102的输出。由于传感器测量的数据中总是存在噪声，所以根据检测数据得到的估计值存在着估计误差，而该估计误差也是一个随机量，因此评价一个估计算法的好坏一般都以均方误差作为评价指标。对于多传感器的检测信息，由于各个传感器的测量精度和测量环境不同，测量的准确性必然存在差异，如果对多传感器一视同仁，不加区别地将检测数据加以处理利用，必然带来检测结果的不精确导致系统处理结果的误差，有时这个误差会很大。所以需要针对各个传感器在检测系统中所处的地位和检测的准确性，有选择地对传感器的重要性加以区别。这就是自适应加权数据融合算法的依据。一级信息融合单元302采用自适应加权数据融合方法主要用于监测系统底层传感器检测数据的一级融合，从而为二级融合提供更加准确的现场检测信息和系统状态信息。加权求和法的综合评价结果可表示为
权利要求
1.ー种温室LED光源的智能控制系统，其特征在于，包括 环境监测模块，用于采集温室的环境參数； 作业计划处理模块，用于接收用户输入的植物生长过程的控制计划信息，并采集植物的生长指标參数； 控制中心模块，连接环境监测模块和作业计划处理模块，根据算法參数、參考表、接收自作业计划处理模块采集的生长指标參数和控制计划信息、以及接收自环境监测模块采集的环境參数，生成基于信息融合的控制信息； 存储模块，连接控制中心模块，用于存储生成的控制信息、系统运行过程中所需的參考表、算法參数、采集到的生长指标參数、环境參数以及输入的控制计划信息； 远程控制接ロ模块，用于进行远程在线监测和控制； 输出模块，用于输出环境分析信息和控制过程信息； 智能控制器，根据控制心中模块生成的控制信息对LED光源进行控制； 通讯总线，连接控制中心模块、远程控制接ロ模块、输出模块和智能控制器。
2.根据权利要求I所述的温室LED光源的智能控制系统，其特征在于，所述的环境监测模块包括供电单元以及由供电单元供电的中央控制单元、温度检测单元、湿度检测单元、ニ氧化碳检测单元、光照度检测单元、射频单元，所述的温度检测单元、湿度检测单元、ニ氧化碳检测単元、光照度检测单元、射频单元均与中央控制单元连接，温度检测单元、湿度检测単元、ニ氧化碳检测单元和光照度检测单元分别采集温室的温度、湿度、ニ氧化碳和光照度的參数，发送至中央控制单元进行处理，处理结果通过射频单元发送至控制中心模块。
3.根据权利要求I所述的温室LED光源的智能控制系统，其特征在于，所述的作业计划处理模块包括作业计划制定単元、温室区域规划单元、种植过程信息采集单元和输出单元，所述的作业计划制定単元和温室区域规划单元用于输入用户的控制计划信息，种植过程信息采集单元用于采集植物的生长指标參数，输出单元将控制计划信息和生长指标參数发送至控制中央模块。
4.根据权利要求I所述的温室LED光源的智能控制系统，其特征在于，所述的控制中央単元包括參数信息输入单元、一级信息融合単元、ニ级信息融合単元、信息融合评估单元和控制信息输出单元，所述的參数信息输入单元接收来自环境监测模块采集的环境參数以及自作业计划处理模块采集的生长指标參数和控制计划信息，依次输入至一级信息融合単元和ニ级信息融合单元进行处理，同时调用算法參数和參考表生成控制信息，通过控制信息输出单元进行发送。
5.根据权利要求I所述的温室LED光源的智能控制系统，其特征在于，所述的远程控制接ロ模块包括远程控制客户端、无线网关单元、无线网络和身份认证単元，所述的远程控制客户端、身份认证単元与无线网关单元之间通过无线网络进行数据传输，无线网关单元对传输的数据进行路由，并连接身份认证単元，由身份认证单元对智能控制器、远程控制客户端以及环境监测模块的传感器进行身份识别。
6.根据权利要求5所述的温室LED光源的智能控制系统，其特征在于，所述的无线网络包括GSM网络、GPRS网络或Zigbee网络。
7.根据权利要求I所述的温室LED光源的智能控制系统，其特征在于，所述的通讯总线支持的通讯协议包括HTTP、MODBUS和Zigbee，采用的通讯方式包括RS485总线、CAN总线和Zigbee无线方 式。
全文摘要
本发明涉及一种温室LED光源的智能控制系统，包括用于采集温室的环境参数的环境监测模块，用于接收用户输入的植物生长过程的控制计划信息，并采集植物的生长指标参数的作业计划处理模块，用于生成控制信息的控制中心模块，用于存储数据的存储模块，用于进行远程在线监测和控制的远程控制接口模块，用于输出环境分析信息和控制过程信息的输出模块，用于根据控制信息对LED光源进行控制的智能控制器，以及用于提供通讯环境的通讯总线。与现有技术相比，本发明能自动实现针对温室内环境参数及植物生长状况对光源进行调控的要求，使植物获得最佳的光配比，节约温室能源消耗，而且可以对控制过程进行可视化表达。
文档编号H05B37/02GK102762013SQ20121014544
公开日2012年10月31日 申请日期2012年5月10日 优先权日2012年5月10日
发明者周培, 彭勇政, 徐宝树, 支月娥, 李强, 潘烨, 肖杭, 苏燕华, 蒋磷蕾, 詹学佳 申请人:上海交通大学