我國智能溫室的研究現(xiàn)狀

近期工作匯報指導(dǎo)老師：房建東學(xué)生：陳克忠日期：2015年10月26日——閱讀論文總結(jié)，課題初步方向點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本目錄溫室環(huán)境智能監(jiān)控研究現(xiàn)狀溫室環(huán)境智能監(jiān)控方案總結(jié)我國溫室農(nóng)業(yè)開展概況課題方向點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本1我國溫室農(nóng)業(yè)開展概況近年來我國溫室農(nóng)業(yè)得到了快速開展，截至2012年，面積已到達了362萬hm2占世界的89.3%；其中代表設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的玻璃溫室面積接近9000hm2，占世界玻璃溫室面積的22.5%。與此同時，隨著信息技術(shù)的開展，傳感器技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)、信息處理、決策效勞等智能化技術(shù)越來越多地應(yīng)用于溫室管理中，尤其是近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的開展和應(yīng)用，更加促進了溫室智能化管理技術(shù)的開展。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本溫室環(huán)境決策調(diào)控溫室環(huán)境數(shù)據(jù)處理溫室環(huán)境信息獲取2溫室環(huán)境智能監(jiān)控的研究現(xiàn)狀點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1溫室環(huán)境信息獲取

溫室環(huán)境信息獲取方面，研究初期主要采有線傳輸方式，如朱偉興等人設(shè)計了以計算機為上位機、MCS-51單片機為下位機的智能溫室群集散控制系統(tǒng)就是運用RS232/RS422有線傳輸環(huán)境信息。其設(shè)計整體框圖如圖1.圖1朱偉興等設(shè)計的硬件整體框圖點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本再如懂喬雪等人設(shè)計的“溫室計算機分布式自動控制系統(tǒng)”

采用總線式RS-485通信網(wǎng)絡(luò)和逐級驗證的通信算法進行數(shù)據(jù)傳輸，通信結(jié)構(gòu)圖及總體框圖如圖2、3。圖2懂喬雪等設(shè)計的通信硬件系統(tǒng)框圖圖3懂喬雪等設(shè)計的系統(tǒng)總體框圖點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本近年來國內(nèi)外在溫室環(huán)境無線測控技術(shù)方面開展了相關(guān)研究工作，主要是采用

2G、3G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、Zigbee、藍牙和Wi-Fi等方式進行信息的傳輸。其中2G、3G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)主要適用于遠距離信息傳輸，Zigbee、藍牙和Wi-Fi技術(shù)用于短距離信息傳輸領(lǐng)域。如張猛等設(shè)計的“基于ZigBee和Internet的溫室群環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)”就是運用了無線傳輸技術(shù)，其設(shè)計整體框圖如圖4。圖4張猛等設(shè)計的系統(tǒng)總體框圖點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本再如王斌等設(shè)計的“基于GPRS技術(shù)日光溫室綜合環(huán)境集散控制系統(tǒng)”該系統(tǒng)主要由３局部組成：溫室綜合環(huán)境監(jiān)控模塊、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊、基于WEB的溫室群監(jiān)控中心模塊。整體設(shè)計框圖如圖5所示。圖5王斌等設(shè)計的系統(tǒng)總體框圖點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.2溫室環(huán)境數(shù)據(jù)處理由于溫室測控系統(tǒng)效勞于多個溫室，范圍廣，環(huán)境參數(shù)復(fù)雜，為了提高采集數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性，大多數(shù)設(shè)計都采用了一定的方法將采集到的原始數(shù)據(jù)進行處理。如程曼等在“基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的溫室環(huán)境控制的研究”一文中描述的，在多傳感器采集數(shù)據(jù)根底上,利用最小距離聚類法確定各傳感器融合的次序,提高數(shù)據(jù)融合結(jié)果的客觀性。器設(shè)計的整體框圖如圖6。圖6程曼等設(shè)計的系統(tǒng)總體框圖點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本再如張韓飛等在“多傳感器信息融合在溫室濕度檢測中的應(yīng)用”一文中采用模糊C均值(FCM)聚類算法對溫室濕度進行數(shù)據(jù)融合,說明了FCM算法優(yōu)于平均值算法，提高了檢測的準(zhǔn)確性。其整體設(shè)計框圖如圖7所示。圖7張韓飛等設(shè)計的系統(tǒng)總體框圖點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.3溫室環(huán)境決策調(diào)控目前溫室環(huán)境優(yōu)化控制主要是依據(jù)植物生長最適宜條件或者依據(jù)環(huán)境控制本錢最低來優(yōu)化。在上述兩種優(yōu)化調(diào)控方法中，由于基于生長最優(yōu)往往不是經(jīng)濟效益最好，而基于本錢最低那么不能保證發(fā)揮溫室增產(chǎn)潛力，所以近年來開展了將作物生長和環(huán)境調(diào)控本錢相結(jié)合的控制方法研究。如朱丙坤等人在“基于節(jié)能偏好的沖突多目標(biāo)相容溫室環(huán)境控制”一文中利用多目標(biāo)相容算法對溫室大棚進行控制，并對遺傳算法進行了改進，把節(jié)能這一偏好引入到了優(yōu)化過程中。在多沖突目標(biāo)算法中，不在追求精確的點目標(biāo)，而是追求次優(yōu)的區(qū)間目標(biāo)，由于控制目標(biāo)的放寬，就可以有很大的余地來協(xié)調(diào)控制精度和能耗，從而到達節(jié)能降耗的目的。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本決策調(diào)控數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)獲取3溫室環(huán)境智能控制開展方向總結(jié)點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本3.1數(shù)據(jù)獲取方面由于總線方式布線復(fù)雜且有線線路在大棚內(nèi)溫?zé)岢睗竦沫h(huán)境下容易損壞等多方面原因，使用將越來越少，取而代之的將是無線通信，包括zigbee、藍牙、WiFi等短距離無線通信和GPRS、互聯(lián)網(wǎng)等遠程無線通信。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本3.2數(shù)據(jù)處理方面分布式處理將是未來的開展趨勢，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理往往是將所有原始數(shù)據(jù)都會聚到控終端進行統(tǒng)一處理，這樣既加大了數(shù)據(jù)處理的難度，又浪費了數(shù)據(jù)傳輸帶寬。所以將原始數(shù)據(jù)在采集端進行處理或者預(yù)處理是數(shù)據(jù)處理的前提，這就需要在數(shù)據(jù)采集端加適宜的數(shù)據(jù)處理硬件。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本傳統(tǒng)的溫室大棚控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理通常是將不同傳感器或者同一種類的不同傳感器獨立開來，或者只進行簡單的均值融合，這種方法不能從整體上把握溫室環(huán)境，并且存在數(shù)據(jù)冗余。多傳感器融合技術(shù)彌補了上述缺點，多傳感器信息融合是把多個相同類型或不同類型的傳感器所提供的局部觀察量加以綜合，消除信息之間的冗余和矛盾，利用信息互補，形成對環(huán)境的相對完整一致的感知描述，從而提高智能系統(tǒng)決策的快速性和正確性，以及規(guī)劃的科學(xué)性。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本現(xiàn)有的溫室監(jiān)控系統(tǒng)智能化程度較低,它們能夠自動采集溫室內(nèi)的小氣候數(shù)據(jù)，進行簡單的數(shù)據(jù)處理，并且利用直接監(jiān)測數(shù)據(jù)或者經(jīng)簡單處理后的數(shù)據(jù)進行溫室內(nèi)小氣候的調(diào)控,但是調(diào)控的機制一般是比較死板的程式化設(shè)置參數(shù),缺少基于專家知識的、針對具體作物生理特點和病蟲害發(fā)生規(guī)律的靈活調(diào)控機制。專家系統(tǒng)的融入能夠利用專家系統(tǒng)中的專家經(jīng)驗實時處理分析溫室監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從原始數(shù)據(jù)中挖掘出更為深層次的信息，例如什么環(huán)境條件下更容易產(chǎn)生病蟲害，什么條件下果實張的更快更好等等。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本3.2決策控制方面?zhèn)鹘y(tǒng)的設(shè)計一般只考慮使環(huán)境到達最優(yōu)即可，但是環(huán)境最優(yōu)必定是以犧牲能源為代價的，并且植物生長的適宜環(huán)境往往不是一個點，而是一個區(qū)間，只要能使環(huán)境在植物適宜生長的范圍之內(nèi)即可。所以如何在環(huán)境優(yōu)化與能源節(jié)約之間找到一個平衡點成為反響調(diào)控一個課題，無論以何種一句作為控制前提，最終的經(jīng)濟效益是控制的最終落腳點近所以近年來開展了將作物生長和環(huán)境調(diào)控本錢相結(jié)合的控制方法研究。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本綜上所述，無線通信、分布式處理、多傳感器融合、專家系統(tǒng)、作物生長環(huán)境和調(diào)控本錢結(jié)合控制是未來“溫室環(huán)境智能控制”的開展方向，也是課題研究的重點。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本4課題方向4.1總體概述課題方向初步定為運用無線通信、分布式處理、多傳感器融合、專家系統(tǒng)、作物生長環(huán)境和調(diào)控本錢結(jié)合控制方面的知識設(shè)計出一款“溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)”。課題創(chuàng)新點主要有，數(shù)據(jù)分析融入專家系統(tǒng)、病蟲害預(yù)防、適用于多種農(nóng)作物。該系統(tǒng)解決了目前溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)普遍存在的環(huán)境數(shù)據(jù)獲取后很少與具體作物健康發(fā)育的特殊需求相結(jié)合，也很少用于病蟲害的智能化防治等問題。系統(tǒng)總圖框圖如以下圖所示。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本4.2課題開展首先是數(shù)據(jù)采集端，選取對作物生長最為重要的溫度、濕度、CO2濃度、光照和作物圖像作為原始采集參數(shù)。傳感器選型如下表所示。傳感器溫度濕度光照CO2濃度作物圖像型號SHT11SHT11BL1750MG811待定點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本采集端的數(shù)據(jù)預(yù)處理，首先對采集到的原始數(shù)據(jù)進行濾波，以減少外界噪聲干擾。經(jīng)查閱資料，常用的濾波方法主要有十種〔見附錄1〕。①限幅濾波法〔又稱程序判斷濾波法〕②中位值濾波法③算術(shù)平均濾波法④遞推平均濾波法〔又稱滑動平均濾波法〕⑤中位值平均濾波法〔又稱防脈沖干擾平均濾波法〕⑥限幅平均濾波法⑦一階滯后濾波法⑧加權(quán)遞推平均濾波法⑨消抖濾波法⑩限幅消抖濾波法在宋慶恒的“基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的蔬菜大棚控制系統(tǒng)設(shè)計”一文中用到的是滑動平均窗濾波，器MALAB實現(xiàn)函數(shù)如下。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本function[output_A]=fifo_filter(input_A,fifo_size)%求數(shù)組的fifo_size個數(shù)據(jù)的滑動平均濾波值%對input_A的每一列進行滑動平均濾波fifo_size=floor(fifo_size);if(fifo_size<=1)output_A=input_A;return;endfifo_p=1;sa=size(input_A);line=sa(1);col=sa(2);fifo=zeros(fifo_size,col);fifo_sum=zeros(1,col);forn=1:line;fifo_sum=fifo_sum-fifo(fifo_p,:)+input_A(n,:);fifo(fifo_p,:)=input_A(n,:);fifo_p=fifo_p+1;if(fifo_p>fifo_size)fifo_p=1;endtemp_A(n,:)=fifo_sum/fifo_size;endoutput_A=temp_A;end點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本對數(shù)據(jù)進行濾波以后還需要提出數(shù)據(jù)的異常點，剔除異常點常用