专利名称：基于多因子耦合的光环境智能调控系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于精细农业技术领域，特别涉及一种基于多因子耦合的光环境智能调控系统。
背景技术：
目前我国设施园艺面积超过250万公顷，居世界首位，但由于温室大棚等农业设施受覆盖材料、灰尘以及结构遮光等因素的影响，设施作物缺光现象普遍存在，光照不足已成为限制其发展的重要因素。以关中地区为例，其自然光照冬季光照1701-3780以上勒克斯光照时数仅有6-7小时，多数蔬菜要求12-14小时才能达到最佳产量状态，因此整体产量和品质不高。因此，对光环境研究与调控已成为时下研究的热点。近年来随着农业生产中温室大棚的大面积推广，市面上出现了许多专用农业补光系统，对应的控制算法也层出不穷。但是，大多数补光系统的控制算法缺乏精密性，多依靠单一的光强监测值调用算法进行需补光量的计算，未考虑光质对温室作物生长的影响。即使有小部分补光系统考虑了光质对作物生长的影响，但是其补光量均为固定值，这样就很容易造成补光不足和过度并存的现象，甚至造成光抑制和光破坏现象，未能解决作物补光过程中精准化的问题，而且耗能较大。可见，现有补光系统在光环境调控方面存在着较多的问题，未考虑环境中多因子间的相互关联以及对作物光环境的影响，极大地影响了设施光环境调控的实时性和精确性。
发明内容为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种基于多因子耦合的光环境智能调控系统，充分考虑了温度、光强、光质和光照累积时间等因子间的相互关系以及对作物光环境的影响，建立光照时间优先调控模式，保证作物有效光照累积时间。其次，根据温度与不同光质间光饱和点的动态关系，设计最优的光饱和点动态控制模型，从而完成不同温度下光饱和点的动态调整，最后，根据实时光饱和点，设计支持动态参数可调的多因子耦合反馈控制模型，实现基于多因子监测结果的作物生长光环境精确调控。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是:基于多因子耦合的光环境智能调控系统，包括:温度监测模块，用于监测环境内实时温度，并将监测值传输至单片机；光照监测模块，用于监测环境内实时总光强，并将监测值传输至单片机；人机交互模块，接单片机用于完成对当前环境内植物光照的累计时间以及起始时间的设定单片机，根据当前实时总光强与实时温度计算得到红蓝光的需补光量，根据红蓝光的需补光量，向补光模块输出补光控制信号，当实时温度在设定的光合作用有效温度阈值范围外，向调温模块输出调温控制信号； 调温模块，接单片机调温控制信号输出控制口，根据单片机所发送调温控制信号，实现调整当前温度在设定的光合作用有效温度阈值范围之内；补光模块，采用阵列式补光灯组，接单片机补光控制信号输出控制口，根据单片机所发送补光控制信号，打开红蓝光补光灯组阵列中相应数量的补光灯进行补光；时钟模块，接单片机用于向其提供系统时间和计时时间；电源模块，用于为整个系统供电，其中所述调温模块基于继电器工作原理，继电器接加热电阻，通过控制所述加热电阻上的电流大小实现温度调控。所述单片机预留有用以接入传感器模块的控制口。所述温度监测模块采用DB18B20温度传感器。所述光照监测模块采用植物生长光合有效辐射传感器(PAR)。与现有技术相比，本实用新型通过对植物生长环境中温度、光质和光强的监测，实现植物生长环境信息的实时捕捉；同时，基于用户设定的系统参数和捕捉的实时环境信息，通过调用多因子耦合光环境智能调控算法，完成对环境中温度和分波段光强的精确控制，实现对植物生长光环境的智能调控。经过对系统的实地部署实验，证明本系统具有较强的实时性和精确性， 可在最低耗能的基础上，通过PWM控制信号对调光量进行有效控制，同时通过加温设备对温室内温度进行实时调控，从而完成对植物生长环境中温度、分波段光强的最优调控，实现植物生长光环境的实时智能调控。
图1是本实用新型多因子耦合反馈控制机制原理示意图。图2是本实用新型温度-净光合速率拟合曲线示意图。图3是本实用新型净光合速率-光强拟合曲线示意图。图4是本实用新型温度-光强拟合曲线示意图。图5是本实用新型硬件结构框图。图6是本实用新型工作流程示意图。图7是本实用新型实施例的系统测试结果示意图。图8是本实用新型实施例的系统归一化节能直方图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明本实用新型的实施方式。如图1所示，本实用新型的原理是根据用户设定的补光开始时间和累积时间值，在保证光照累积时间的基础上，通过监测得到环境中红蓝光PFD值和不同温度条件下不同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，再与补光阵列最大补光量求商，得出红蓝光实时需调光量，进而完成所在环境有效光强的动态调整。同时针对低温情况，系统自动进行加温控制，完成对环境中温度的调整，实现植物生长光环境参数的精确智能调控。本实用新型通过设定光照累计时间，在累计光照的时间内，监测环境中实时的红蓝光光合有效辐射光量子通量密度(PFD)值和实时的温度值，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，并且，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；[0030]针对温度与环境光强的相关信息，经过实地部署实验，监测出温室长期温度与光
照强度关系数据如表1:表I
权利要求1.一种基于多因子耦合的光环境智能调控系统，其特征在于，包括: 温度监测模块，用于监测环境内实时温度，并将监测值传输至单片机； 光照监测模块，用于监测环境内实时总光强，并将监测值传输至单片机； 人机交互模块，接单片机用于完成对当前环境内植物光照的累计时间以及起始时间的设定， 单片机，根据当前实时总光强与实时温度计算得到红蓝光的需补光量，根据红蓝光的需补光量，向补光模块输出补光控制信号，当实时温度在设定的光合作用有效温度阈值范围外，向调温模块输出调温控制信号； 调温模块，接单片机调温控制信号输出控制口，根据单片机所发送调温控制信号，实现调整当前温度在设定的光合作用有效温度阈值范围之内，所述调温模块基于继电器工作原理，继电器接加热电阻，通过控制所述加热电阻上的电流大小实现温度调控； 补光模块，采用阵列式补光灯组，接单片机补光控制信号输出控制口，根据单片机所发送补光控制信号，打开红蓝光补光灯组阵列中相应数量的补光灯进行补光； 时钟模块，接单片机用于向其提供系统时间和计时时间； 电源模块，用于为整个系统供电。
2.根据权 利要求1所述的基于多因子耦合的光环境智能调控系统，其特征在于，所述单片机预留有用以接入传感器模块的控制口。
3.根据权利要求1所述的基于多因子耦合的光环境智能调控系统，其特征在于，所述温度监测模块采用DB18B20温度传感器。
4.根据权利要求1所述的基于多因子耦合的光环境智能调控系统，其特征在于，所述光照监测模块采用植物生长光合有效辐射传感器(PAR)。
专利摘要一种基于多因子耦合的光环境智能调控系统，包括温度监测模块、光照监测模块、人机交互模块、单片机、调温模块、补光模块、时钟模块以及电源模块，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光合有效辐射光量子通量密度值和实时温度值，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，本实用新型通过调用多因子耦合光环境智能调控算法，完成对环境中温度和分波段光强的精确控制，可在最低耗能的基础上，通过PWM控制信号对调光量进行有效控制，实现了对植物生长环境中温度、分波段光强的最优调控。
文档编号H05B37/02GK203136275SQ20132012087
公开日2013年8月14日 申请日期2013年3月15日 优先权日2013年3月15日
发明者胡瑾, 樊宏攀, 刘翔, 周庆珍, 张海辉, 梁岩, 刘正道, 乔俊枫, 贾金阳, 曹学君 申请人:西北农林科技大学