标题:家庭园艺无土栽培多参数测控系统研究
家庭园艺无土栽培多参数测控系统研究

一、课题研究背景、目的和意义
1. 研究背景
影响作物生长的环境因子主要有空气温度、湿度、光照度,栽培土壤或基质的含水率和EC值等,在无土栽培的设施园艺或者一般室内环境下,这些环境因子往往不能始终完全满足作物生长需要,导致作物长势不佳,严重时甚至导致作物死亡。因此,非常需要采取必要的环境调节措施,在一定成本内尽可能把这些环境因子维持在适于作物生育的水平,以达到作物优质、观赏性好,测试系统效益高和低耗的目的。
目前,国内虽然也引进了一些国外的作物环境计算机智能控制系统[,如大型温室环境控制系统,设施园艺施肥灌溉控制系统,工厂化育苗智能控制系统等,这些系统实现了生长环境控制的智能化和自动化,但存在投资过大,系统维护不方便等问题,且适合家庭、办公室使用的作物环境自动测控系统或者装置缺乏。
2.研究目的和意义
课题通过研究和实践,将物联网技术应用到家庭园艺养护中,同时在智能家居系统中研发家庭园艺养护应用模块。运用物联网技术研发适合家庭园艺的便捷、智能、性价比高的养护管理控制系统,实现对湿度,光照,温度,景观灯的智能化管理和控制。制作系统,并且进行试用和完善。
据调查,随着社会发展和生活质量的提高,目前市场上迫切需要一种低成本、低能耗、自动化程度高、操作使用简便、实用性强的植物环境调控系统。
鉴于此,开发低价位、实用型的适合家庭、办公室等无土栽培环境多参数测控系统,其市场潜力巨大,对于推进我国家庭园艺行业快速、健康发展具有重要的意义。
二、国内外研究现状
1.家庭园艺无土栽培设施现状及发展趋势
家庭园艺智能测控系统的研究能为智能家居提供园艺养护新思路,新的应用领域。家庭园艺测控系统能够满足许多智能家居系 ……(快文网http://www.fanwy.cn省略1233字,正式会员可完整阅读)…… 
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制及专家系统。使用温室内多合一传感器、温室外小型气象站采集温室内外的各种环境因子的参数传输至与工控机直接相连的协调器模块。
光照、温度、湿度、CO2 等和土壤环境都对温室内的作物生长产生很大的影响。通过温室智能控制系统对这些环境参数进行调节,能够有效地改善作物生长的环境条件,使作物在适宜的温湿度等条件下生长,从而提高其产量和品质。
从这些文章中对环境多参数调节的方法进行了总结,如图1所示:

图1环境多参数调节的方法
目前常用的温室控制器仍然以结构通用、价格便宜的单片机为主,单片机负责接收数据采集系统采集的数据并上传到上位机,然后按照设定的控制策略实现对执行机构的控制动作。如王庆祝等开发的温室群测控系统,能够测控温度、湿度、CO2 浓度和土壤含水率等参数并进行 CO2 浓度的报警。齐云鹤等设计的新型准集散式温室控制系统,计算机进行上层的管理,并接收数据采集器采集的数据,实现对系统底层的控制。
可编程控制器(PLC)易于编程、可扩展性强、可靠性高,因此在温室控制的硬件设计中也被应用。如陈国辉等利用可编程控制器和工控组态王软件为黑龙江省森林植物园日光温室设计了一套控制系统软硬件方案。王志国等设计了一个使用PLC 作为_的智能温室环境控制系统,给出了系统的硬件和软件结构设计,使用了典型 PID控制算法,实现了由多传感器和多种控制设备组成的智能环境因子控制系统。但由于其价格较高,很难广泛应用于温室控制系统。
近年来,随着无线通信技术和网络的高速发展,Zigbee、GSM、GPRS、WEB、
Internet 等无线传输和远程监控技术广泛应用于温室控制系统的设计中。2009 年,韩华峰等基于ZigBee协议的传感器节点技术的开发,实现数据远程传输至指定数据库服务器[18]。达到了数据采集和传输等的设计要求,系统的工作性能也很稳定。对温室控制器适用特点总结如下,如表1所示:
表1 温室系统控制器的选型主要优缺点总结

3.温室控制系统的控制算法的研究现状
温室的硬件系统和控制算法都能够影响到系统的性能。控制算法是否合理,影响到温室综合环境因子的控制效果。合理的控制算法有利于温室的控制系统智能化。温室环境控制对象复杂,具有强耦合、时变、大滞后和大惯性等特点,传统的 PID方法的控制效果总是不太理想。PID 控制由于具有好的鲁棒性并且算法简单,在过程控制中的应用比较广泛,但是其参数整定的方法比较复杂,如果参数整定不良,则会影响系统的性能。传统的模糊控制器往往都是根据专家或操作者根据实际操作经验知识提供的含糊语义知识或者是根据系统运行过程中输入输出数据的关系统计来进行设计的。这种主观性和随意性对模糊控制器的控制品质有一定制约。因此将模糊控制和 PID、神经网络等结合起来设计温室控制器,比单独的使用其中一种算法将会取得更好的效果。
2006年,Rodrigo Castaneda-Miranda等设计了温室环境模糊控制系统,系统基于现场可编程门阵列,底层执行低级别的任务(监控环境变量和操作执行机构,如加热器及窗户来控制温室内温度),而需要计算能力的高级别任务如作物监控、控制作物生长、生产计划和灌溉系统控制等由主控制器来执行。采用VHDL(高速集成电路硬件描述语言)产生模糊控制器的隶属函数,提高了系统的效率。
2011年,Nachidi M.等设计了T-S模糊控制器,基于能解决一系列线性矩阵不等式的迭代法,确保了闭环的稳定性和性能]。2005年,Coelho J.P.等设计了粒子群优化温度预测控制器,并与遗传算法设计的控制器和逐步二次规划算法设计的控制器进行了仿真比较],结果表明粒子群优化温度控制器的预测效率更高。
Pinon S.等对温室的温度采用反馈线性化和标准线性模型预测融合的方法进行控制,并与非线性模型预测控制进行了比较。2006年,PUCHETA J.等设计了基于最优控制器的神经元动态程序,通过控制环境条件指导西红柿幼苗的生长。仿真结果表明控制器展现了很好的性能实现对西红柿幼苗温室系统的管理。2007年,Fathi Fourati等对温室进行了直接动力学仿真,结合了逆向神经网络和神经网络模型,训练了多层前馈神经网络,学习被控制过程的逆向动力学,是系统输出所需要的值,并用仿真结果验证了温室的控制性能。
2008年,Rodr′guez F.等对温室作物的生长进行分层控制实验研究。通过自适应和反馈算法及模型预测控制算法进行了两个实验,第一个实验结果显示控制温室性能良好,第二个实验为获得良好的跟踪性能并减小燃料的消耗费用对执行机构控制了控制。2014年,Fathi Fourati等训练多元前馈神经网络模拟温室子系统以获得温室的多元神经控制。同年,Al-Mahdouri A等 采用辐射单元法建立理论非灰动态机理模型,对不同覆盖材料温室的太阳能热性能进行理论和试验研究。结合作物生长需求、经济目标以及环境的控制目标,对进一步研究基于作物生长的环境控制是有利的。通过对相应的控制算法进行了总结,如表2所示:

表2 温室系统控制算法的主要优缺点总结

三、主要研究内容
本文以作物为栽培对象,将传统的温室大棚控制算法与现代家庭园艺相结合设计一套能传达健康生活理念、增添生活乐趣、适用于家庭及办公场所的作物环境测控系统。
1.无土栽培环境测控系统总体设计
通过对比几种短距离无线通信技术,Zigbee从功耗、传输距离、容量方面具有优势,同时也解决了传统单片机布线复杂,自动化程度低的问题。也完全符合对微环境参数进行监测和控制的要求。
整个测控系统由上位PC机和下位无线单片机zigbee组成,它的工作原理是:传感器对环境因子进行监测,终端节点完成数据采集和信号预处理,经ZigBee无线通信传给协调器,协调器以串行通信方式与上位机实现数据传输,并且接受上位机的命令,对继电器或电磁阀等驱动设备进行开关操作,控制现场水泵、风机、电热器、补光灯 ……(未完,全文共6658字,当前只显示3206字,请阅读下面提示信息。收藏家庭园艺无土栽培多参数测控系统研究

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