南方蓝莓智能温室促早熟生产多因子协调控制技术.pdf

2021 年12 月 第3 卷 第4 期 Dec 2021 Vol 3 No 4 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 南 方 蓝 莓 智 能 温 室 促 早 熟 生 产 多 因 子 协 调 控 制 技 术 徐 立 鸿 刘 辉 辉 徐 赫 蔚 瑞 华 蔡 文 韬 同 济 大 学 电 子 与 信 息 工 程 学 院 上 海 2 0 1 8 0 0 摘 要 为 达 到 蓝 莓 提 前 上 市 获 得 更 大 经 济 效 益 的 目 的 本 团 队 将 南 方 蓝 莓 移 至 环 境 可 控 型 智 能 温 室 中 试 验 生 产 探 索 研 究 出 南 方 蓝 莓 智 能 温 室 促 早 熟 生 产 控 制 技 术 首 先 从 蓝 莓 物 候 期 品 种 特 点 土 壤 p H 水 肥 灌 溉 方 式 小 气 候 环 境 区 间 等 方 面 进 行 了 较 为 详 细 全 面 的 调 研 与 总 结 明 确 了 无 土 栽 培 蓝 莓 全 周 期 管 理 要 点 和 环 境 调 控 范 围 接 着 基 于 V e n l o 型 温 室 对 蓝 莓 生 产 做 布 局 并 基 于 物 联 网 技 术 建 立 蓝 莓 植 物 工 厂 化 生 产 控 制 系 统 串 联 硬 件 层 软 件 层 和 云 端 实 现 现 场 端 环 境 检 测 调 控 数 据 云 存 储 与 远 程 控 制 等 技 术 在 温 室 环 境 多 因 子 协 调 控 制 模 型 基 础 上 针 对 蓝 莓 生 长 环 境 特 点 探 索 研 究 了 一 套 蓝 莓 温 室 多 因 子 协 调 控 制 算 法 用 于 环 境 调 控 试 验 温 室 位 于 江 苏 省 苏 州 市 昆 山 市 花 桥 镇 东 南 部 经 实 际 验 证 整 体 调 控 系 统 效 果 显 著 并 于 2 0 2 1 年 5 月 初 采 收 了 第 一 波 果 实 使 南 方 品 种 蓝 莓 提 早 近 一 个 月 进 入 果 实 采 摘 期 其 中 相 比 未 蓄 冷 的 蓝 莓 植 株 蓄 冷 后 的 明 星 绿 宝 石 蓝 美 1 号 海 岸 单 株 产 量 分 别 增 加 5 1 5 8 5 5 4 3 8 和 9 4 7 单 果 重 量 分 别 增 加 1 0 9 7 2 2 6 和 5 3 试 验 证 明 采 用 多 因 子 协 调 控 制 算 法 进 行 调 控 能 够 提 高 蓝 莓 的 产 量 和 品 质 取 得 显 著 经 济 效 益 为 南 方 温 室 蓝 莓 植 物 工 厂 化 促 早 熟 生 产 管 理 提 供 示 范 关 键 词 蓝 莓 栽 培 管 理 植 物 工 厂 促 早 熟 生 产 控 制 系 统 多 因 子 协 调 控 制 算 法 物 联 网 中 图 分 类 号 S 6 2 5 3 文 献 标 志 码 A 文 章 编 号 2 0 2 1 0 9 S A 0 0 7 引 用 格 式 徐 立 鸿 刘 辉 辉 徐 赫 蔚 瑞 华 蔡 文 韬 南 方 蓝 莓 智 能 温 室 促 早 熟 生 产 多 因 子 协 调 控 制 技 术 J 智 慧 农 业 中 英 文 2021 3 4 86 98 XU Lihong LIU Huihui XU He WEI Ruihua CAI Wentao Multi factor coordination control technology of pro motingearlymaturinginsouthernblueberryintelligentgreenhouse J SmartAgriculture 2021 3 4 86 98 inChi nesewithEnglishabstract 1 引 言 蓝 莓 又 名 越 橘 为 杜 鹃 花 科 越 桔 属 多 年 生 低 灌 木 被 联 合 国 粮 食 及 农 业 组 织 Food and Agriculture Organization of the United Nations FAO 评 为 人 类 五 大 健 康 食 品 之 一 1 作 为 一 种 附 加 价 值 很 高 的 鲜 果 作 物 近 些 年 来 随 着 市 场 的 扩 大 其 经 济 效 益 也 十 分 可 观 与 其 它 果 蔬 相 比 蓝 莓 种 植 不 仅 需 要 适 宜 的 温 度 湿 度 光 照 和CO 2 等 气 候 环 境 还 具 有 抗 旱 性 差 需 要 酸 性 土 壤 和 肥 水 环 境 低 温 积 累 光 饱 和 点 低 等 生 产 要 素 特 点 目 前 中 国 大 多 数 蓝 莓 生 产 基 地 都 采 用 露 天 土 培 或 是 简 单 的 陆 地 设 施 栽 培 无 法 达 到 植 物 工 厂 的 生 产 水 准 也 不 适 宜 形 成 规 模 化 的 智 能 种 植 基 地 2 这 使 得 蓝 莓 在 一 些 气 候 不 适 宜 的 区 域 引 种 困 难 重 重 且 少 有 文 献 或 报 道 提 及 高 端 温 室 种 植 生 产 蓝 莓 的 控 制 措 doi 10 12133 j smartag 2021 3 4 202109 SA007 收 稿 日 期 2021 09 17 修 订 日 期 2021 11 18 基 金 项 目 上 海 市 科 委 创 新 行 动 计 划 项 目 17391900900 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 61973337 通 信 作 者 徐 立 鸿 1960 博 士 教 授 研 究 方 向 为 温 室 环 境 建 模 与 控 制 预 测 控 制 和 智 能 控 制 电 话 17321126466 E mail xulihong 徐 立 鸿 等 南 方 蓝 莓 智 能 温 室 促 早 熟 生 产 多 因 子 协 调 控 制 技 术 Vol 3 No 4 施 在 上 海 地 区 土 壤 偏 碱 性 低 温 期 较 短 还 有 一 段 较 长 的 阴 雨 黄 梅 天 气 等 特 殊 气 候 这 些 问 题 都 制 约 着 上 海 的 蓝 莓 种 植 产 业 解 决 上 述 问 题 的 方 案 是 使 用 高 端 设 施 农 业 手 段 规 避 由 地 理 限 制 引 发 的 瓶 颈 植 物 工 厂 是 现 代 农 业 发 展 的 高 级 阶 段 它 通 过 计 算 机 控 制 系 统 对 设 施 内 植 物 生 长 发 育 过 程 的 温 度 湿 度 CO 2 浓 度 和 营 养 液 环 境 条 件 进 行 高 精 度 控 制 实 现 农 作 物 周 年 连 续 生 长 的 高 效 农 业 生 产 系 统 3 5 可 以 作 为 南 方 蓝 莓 规 模 化 生 产 的 方 式 另 外 上 海 及 周 边 地 区 陆 地 栽 培 蓝 莓 成 熟 期 大 致 在6 月 中 下 旬 至8 月 而 蓝 莓 植 物 工 厂 化 的 生 产 种 植 模 式 可 以 通 过 合 理 调 控 其 生 长 环 境 达 到 蓝 莓 提 前 上 市 增 加 其 市 场 经 济 价 值 的 目 的 近 年 来 温 室 栽 培 的 蓝 莓 果 实 单 价 可 高 达 150 200 元 kg 越 早 进 入 市 场 经 济 效 益 越 高 6 因 此 利 用 植 物 工 厂 化 调 控 手 段 进 行 调 控 提 早 上 海 地 区 蓝 莓 成 熟 时 间 具 有 重 要 意 义 为 达 到 蓝 莓 提 前 上 市 获 得 更 大 经 济 效 益 的 目 的 本 研 究 设 计 并 实 现 了 一 套 蓝 莓 智 能 温 室 物 联 网 调 控 系 统 将 南 方 蓝 莓 移 至 环 境 可 控 型 智 能 温 室 中 进 行 试 验 生 产 结 合 上 海 地 区 蓝 莓 种 植 经 验 从 物 候 期 品 种 特 点 土 壤pH 水 肥 灌 溉 方 式 小 气 候 环 境 区 间 等 方 面 进 行 调 研 与 总 结 为 后 续 蓝 莓 环 境 调 控 提 供 重 要 依 据 基 于 蓝 莓 物 候 期 环 境 特 点 在 温 室 环 境 多 因 子 协 调 控 制 模 型 基 础 上 7 研 究 了 一 套 蓝 莓 温 室 环 境 多 因 子 控 制 算 法 进 行 调 控 通 过 实 现 并 总 结 蓝 莓 全 周 期 植 物 工 厂 化 生 产 技 术 能 有 效 减 少 蓝 莓 种 植 过 程 中 的 病 虫 害 发 生 率 等 问 题 增 加 产 量 果 实 的 商 品 价 值 和 质 量 提 高 蓝 莓 种 植 的 地 域 适 应 性 解 决 区 域 地 理 条 件 对 蓝 莓 生 产 的 制 约 最 终 实 现 蓝 莓 提 前 上 市 提 高 蓝 莓 市 场 经 济 效 益 2 蓝 莓 智 能 温 室 总 体 设 计 概 要 2 1 蓝 莓 生 产 要 素 蓝 莓 是 一 种 对 生 长 气 候 环 境 如 温 度 湿 度 光 照 和CO 2 等 生 产 要 素 要 求 较 为 严 苛 的 周 年 生 作 物 且 通 常 具 有 抗 旱 性 差 需 要 酸 性 土 壤 和 肥 水 环 境 低 温 积 累 光 饱 和 点 低 等 生 产 要 素 特 点 不 同 品 种 的 蓝 莓 对 生 产 要 素 要 求 差 别 极 大 因 此 为 了 达 成 促 进 蓝 莓 提 早 成 熟 上 市 的 目 的 在 构 建 蓝 莓 植 物 工 厂 化 生 产 型 温 室 前 对 蓝 莓 物 候 期 品 种 土 壤 水 肥 气 候 要 素 等 进 行 充 分 调 研 是 必 要 的 蓝 莓 物 候 期 大 体 分 为 萌 芽 期 花 期 果 期 花 芽 分 化 期 及 休 眠 期 几 个 节 点 从 品 种 角 度 可 以 将 蓝 莓 大 致 分 为 四 类 分 别 为 抗 寒 性 强 需 冷 量 高 喜 欢 冰 凉 天 气 的 北 高 丛 蓝 莓 适 宜 在 南 方 种 植 需 冷 量 低 喜 欢 湿 润 温 暖 气 候 条 件 的 南 高 丛 蓝 莓 北 高 丛 蓝 莓 与 野 生 种 矮 丛 越 橘 杂 交 需 冷 量 很 高 抗 寒 力 极 强 的 半 高 丛 蓝 莓 以 及 树 体 高 大 寿 命 长 不 耐 寒 抗 湿 热 对 土 壤 酸 性 要 求 稍 低 需 冷 量 相 比 南 高 丛 蓝 莓 较 多 的 兔 眼 蓝 莓 蓝 莓 有 需 冷 量 的 要 求 需 冷 量 为 蓝 莓 正 常 开 花 结 果 需 要 的 有 效 低 温 0 7 2 累 积 时 间 一 般 以 小 时 为 单 位 8 当 环 境 未 达 到 蓝 莓 需 冷 量 时 蓝 莓 花 芽 分 化 会 受 到 很 大 影 响 导 致 开 花 坐 果 率 严 重 下 降 产 量 大 幅 降 低 9 严 重 影 响 经 济 效 益 上 海 市 属 亚 热 带 季 风 性 气 候 四 季 分 明 日 照 充 分 然 而 低 温 期 较 短 还 有 一 段 较 长 的 阴 雨 黄 梅 天 气 等 特 殊 气 候 自 然 条 件 下 能 满 足 蓝 莓 需 冷 量 的 时 间 短 10 因 此 应 该 选 取 需 冷 量 低 的 蓝 莓 品 种 在 上 海 地 区 栽 种 结 合 现 有 文 献 研 究 11 12 本 研 究 从 南 高 丛 中 选 取 具 有 代 表 性 的 品 种 并 考 虑 其 结 果 时 期 形 成 可 以 在 温 室 中 相 继 成 熟 的 种 植 组 合 进 行 实 际 生 产 所 选 品 种 分 别 为 明 星 绿 宝 石 海 岸 和 蓝 美1 号 土 壤 方 面 土 壤pH 是 蓝 莓 生 长 栽 培 的 最 大 限 制 因 素 13 土 壤pH 过 高 或 是 过 低 都 会 影 响 蓝 莓 的 正 常 生 长 发 育 及 其 生 理 代 谢 过 程 14 导 致 蓝 莓 在 生 长 过 程 中 对 水 分 营 养 吸 收 不 良 引 起 生 长 缓 慢 叶 片 发 黄 变 小 产 量 降 低 等 状 况 因 此 蓝 莓 种 植 土 壤pH 范 围 应 为4 5 5 5 此 外 蓝 8 7Vol 3 No 4 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 莓 根 系 大 多 分 布 于 浅 层 土 壤 中 15 土 壤 通 透 性 不 足 容 重 过 高 或 者 排 水 性 不 佳 对 蓝 莓 根 系 的 生 长 十 分 不 利 采 用 无 土 栽 培 技 术 16 营 造 蓝 莓 生 长 土 壤 微 环 境 可 以 有 效 解 决 土 壤 养 分 不 足 等 问 题 17 促 进 蓝 莓 呼 吸 和 吸 收 矿 物 元 素 18 并 且 有 利 于 精 准 化 管 理 不 受 地 域 土 地 状 况 的 限 制 促 进 蓝 莓 标 准 化 生 产 19 本 次 试 验 采 用 泥 炭 土 为 主 的 营 养 土 灌 溉 方 面 蓝 莓 的 根 系 喜 水 而 怕 涝 不 当 的 灌 溉 措 施 会 导 致 蓝 莓 植 株 干 旱 并 且 水 分 的 胁 迫 能 力 差 容 易 造 成 产 量 及 蓝 莓 生 长 过 程 中 不 可 逆 的 损 失 20 综 合 文 献 18 21 23 可 得 出 蓝 莓 灌 溉 规 律 为 休 眠 期 前 浇 灌 越 冬 水 期 间 降 低 灌 溉 频 率 催 芽 期 间 保 持 土 壤 湿 度 在60 70 避 免 灌 溉 次 数 过 多 花 果 期 少 量 多 次 灌 溉 防 止 延 长 花 期 且 膨 果 期 需 水 量 最 大 要 保 证 供 水 充 足 采 摘 后 土 壤 湿 度 在40 60 以 便 晚 秋 期 促 使 蓝 莓 重 新 进 入 休 眠 在 全 周 期 的 灌 溉 中 不 得 使 用 自 来 水 否 则 会 致 使 蓝 莓 氯 中 毒 无 法 正 常 生 长 在 灌 溉 方 式 上 不 宜 直 接 将 水 洒 在 花 期 叶 片 上 阻 碍 授 粉 和 坐 果 20 滴 灌 具 有 精 量 可 控 的 优 点 24 26 故 本 试 验 采 用 滴 灌 方 式 进 行 灌 溉 2 2 生 产 温 室 规 划 构 建 2 2 1 温 室 概 况 本 设 计 实 施 的 试 验 温 室 位 于 江 苏 省 苏 州 市 昆 山 市 花 桥 镇 东 南 部 121 11 E 31 33 N 处 于 苏 沪 交 界 地 段 东 边 接 壤 上 海 市 嘉 定 区 安 亭 镇 和 太 仓 市 城 厢 镇 南 邻 上 海 市 青 浦 区 试 验 温 室 所 处 地 域 属 于 北 亚 热 带 南 缘 盛 行 东 南 亚 季 风 气 候 温 和 湿 润 四 季 鲜 明 光 照 充 足 雨 量 充 沛 年 平 均 温 度 约16 7 试 验 温 室 为 典 型Venlo 型 小 玻 璃 温 室 结 构 如 图1 所 示 基 本 尺 寸 为 檐 口 高5 9 m 试 验 温 室 跨 度17 m 开 间17 5 m 脊 高7 2 m 檐 高 5 7m 温 室 总 体 积1918 875 m 3 该 温 室 的 调 控 设 备 主 要 有 1 天 窗 自 然 通 风 调 节 温 室 内 部 的 温 度 与 湿 度 2 侧 窗 自 然 通 风 调 节 温 室 内 部 的 温 度 与 湿 度 3 湿 帘 风 机 降 温 增 湿 4 内 保 温 网 保 温 防 止 春 寒 温 度 低 影 响 蓝 莓 生 长 5 内 遮 阳 网 调 节 光 照 与 室 内 温 度 6 空 调 降 温 升 温 调 节 室 内 温 湿 度 7 补 光 灯 增 加 蓝 莓 生 长 季 的 光 照 8 气 肥 施 放 增 加 二 氧 化 碳 浓 度 9 灌 溉 系 统 浇 水 施 肥 灌 酸 2 2 2 全 周 期 调 控 目 标 本 研 究 使 用 温 室 多 因 子 协 调 控 制 算 法 进 行 温 室 环 境 调 控 温 室 多 因 子 协 调 控 制 算 法 的 调 控 目 的 在 于 使 温 室 环 境 主 要 因 子 如 温 度 湿 度 光 照 强 度 和CO 2 浓 度 保 持 在 作 物 生 长 适 宜 范 围 内 根 据 上 海 某 合 作 社 多 年 生 产 蓝 莓 的 经 验 和 相 关 文 献 6 8 27 28 参 考 可 以 确 定 蓝 莓 全 周 期 生 长 的 适 宜 气 象 环 境 条 件 如 表1 所 示 此 处 以 南 高 丛 品 种 蓝 莓 种 植 为 例 蓝 莓 与 其 他 作 物 不 同 点 在 于 它 在 休 眠 期 需 要 保 障 充 足 的 需 冷 量 和 低 光 照 催 芽 期 作 为 休 眠 期 与 生 长 期 之 间 的 过 渡 阶 段 需 要 使 温 度 渐 进 升 高 在 整 个 蓝 莓 的 花 果 生 长 期 中 夜 间 需 要 维 持 在10 以 上 防 止 蓝 莓 因 为 温 度 过 低 停 止 生 长 耽 误 果 实 成 熟 的 时 期 此 外 也 应 保 持 花 果 期 的 昼 夜 温 差 增 加 果 实 甜 度 实 际 温 室 在 调 控 中 需 要 对 上 述 种 植 经 验 进 行 总 结 合 理 划 分 每 个 生 长 阶 段 每 日 的 温 度 区 图1 试 验 温 室 结 构 图 Fig 1 Structurediagramoftheexperimentalgreenhouse 8 8徐 立 鸿 等 南 方 蓝 莓 智 能 温 室 促 早 熟 生 产 多 因 子 协 调 控 制 技 术 Vol 3 No 4 间 由 于 蓝 莓 本 身 存 在 一 定 的 耐 高 温 性 结 合 节 能 因 素 与 温 室 设 施 结 构 可 以 在 不 超 过 临 界 温 度 的 前 提 下 适 当 扩 大 蓝 莓 适 宜 温 度 的 范 围 3 温 室 物 联 网 智 能 控 制 系 统 近 些 年 随 着 物 物 互 联 通 信 技 术 传 感 器 与 信 息 融 合 处 理 等 技 术 的 不 断 提 升 物 联 网 被 广 泛 应 用 在 各 个 领 域 中 在 农 业 领 域 随 着 智 慧 农 业 在 各 地 的 持 续 推 进 温 室 物 联 网 技 术 作 为 产 业 智 能 化 发 展 在 工 程 落 地 上 的 关 键 引 起 了 许 多 研 究 者 的 重 视 29 31 因 此 针 对 蓝 莓 工 厂 化 生 产 本 研 究 设 计 并 实 现 了 一 套 基 于 物 联 网 的 信 息 采 集 与 控 制 系 统 提 出 了 有 效 的 蓝 莓 温 室 环 境 多 因 子 协 调 控 制 算 法 并 分 别 从 整 体 系 统 架 构 系 统 硬 件 设 计 与 系 统 控 制 软 件 设 计 三 个 方 面 展 开 介 绍 3 1 系 统 架 构 概 述 根 据 蓝 莓 生 产 实 际 需 求 将 温 室 控 制 系 统 整 体 分 为 软 件 层 和 硬 件 层 两 部 分 其 总 体 架 构 如 图2 所 示 其 中 硬 件 端 主 要 由 环 境 数 字 传 感 器 节 点 和 执 行 机 构 控 制 器 组 成 由RS485 总 线 进 行 信 息 汇 总 软 件 端 则 由 三 部 分 组 成 分 别 是 现 场 控 制 基 站 端 上 位 机 汇 总 端 和 云 服 务 端 3 2 系 统 硬 件 设 计 系 统 硬 件 总 体 分 为 传 感 器 部 分 和 执 行 机 构 部 分 本 系 统 对 温 室 传 感 器 采 取 了 统 一 管 理 使 用 了Zigbee 数 据 采 集 网 关 对 传 感 器 进 行 节 点 组 网 节 点 现 场 端 汇 总 布 置 如 图3 所 示 主 要 包 含 数 据 采 集 柜 室 内 温 度 湿 度 光 照 CO 2 传 感 器 以 及 土 壤 温 度 湿 度 EC 值 pH 传 感 器 温 室 控 制 系 统 分 为 气 候 环 境 子 系 统 和 灌 溉 子 系 统 其 中 气 候 环 境 子 系 统 中 包 含 光 照 调 控 温 度 调 控 湿 度 调 控 CO 2 调 控 部 分 灌 溉 子 系 统 中 包 含 灌 水 灌 肥 和 灌 酸 本 研 究 所 用 的 温 室 执 行 机 构 从 运 行 状 态 可 以 分 为 两 类 分 别 是 二 态 执 行 机 构 与 三 态 执 行 机 构 二 态 执 行 机 构 只 有 开 和 关 两 种 状 态 其 主 要 以 继 电 器 为 控 制 器 比 如 补 表 1 南 高 丛 蓝 莓 全 周 期 生 长 适 宜 环 境 条 件 Table1 Optimalenvironmentalconditionsforthefull cyclegrowthofSouthernHighbushBlueberry 物 候 期 休 眠 期11 月 1 月 催 芽 期1 月 生 长 期1 月 2 月 开 花 期2 月 3 月 果 期4 月 7 月 花 芽 分 化 期8 月 10 月 温 度 要 求 日 间 8 10 10 15 22 13 20 湿 度 60 80 60 80 60 80 50 70 60 80 50 70 光 照 lux 3000 30 000 50 000 CO 2 浓 度 0 350 0 700 图2 温 室 控 制 系 统 整 体 架 构 Fig 2 Overallarchitectureofgreenhousecontrolsystem 8 9Vol 3 No 4 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 光 灯 管 湿 帘 风 机 等 三 态 执 行 机 构 具 有 开 关 停 三 种 工 作 状 态 分 别 对 应 执 行 电 机 的 正 转 反 转 和 停 止 比 如 内 遮 阳 网 内 保 温 网 天 窗 等 3 3 系 统 软 件 设 计 蓝 莓 生 产 温 室 控 制 系 统 软 件 部 分 共 分 为 三 部 分 分 别 是 现 场 控 制 基 站 端 上 位 机 汇 总 端 和 云 服 务 器 现 场 控 制 基 站 端 主 要 是 以ARM 系 列 芯 片 为 核 心 处 理 器 的 嵌 入 式 系 统 基 于MODBUS RTU 协 议 通 过RS485 接 口 连 接 现 场 执 行 机 构 控 制 继 电 器 口 与 分 布 式 传 感 器 节 点 上 位 机 汇 总 端 使 用C 编 写 对 下 通 过TCP 协 议 与 控 制 基 站 通 信 并 将 信 息 发 送 至 云 服 务 器 端 温 室 云 服 务 器 端 基 于Python 的Flask 框 架 通 过TCP IP 协 议 与 上 位 机 交 换 信 息 前 端 界 面 则 基 于JQuery 框 架 为 使 用 者 提 供 监 测 与 下 达 控 制 指 令 的 交 互 界 面 4 控 制 算 法 与 实 际 生 产 效 果 4 1 系 统 应 用 实 现 该 控 制 系 统 已 经 在 江 苏 昆 山 市 花 桥 镇 的 小 型 Venlo 型 温 室 内 成 功 运 行 近 两 年 系 统 软 件 与 硬 件 端 均 已 一 一 对 应 连 接 实 现 算 法 与 执 行 的 协 同 温 室 现 场 如 图4 所 示 分 别 为 温 室 强 电 控 制 柜 现 场 控 制 基 站 端 和 温 室 蓝 莓 实 际 生 产 园 区 本 研 究 基 于 物 联 网 的 蓝 莓 植 物 工 厂 化 生 产 控 制 系 统 不 仅 兼 容 了 手 动 控 制 还 可 以 正 常 运 行 其 核 心 的 多 因 子 协 调 控 制 算 法 对 蓝 莓 温 室 调 控 进 行 了 自 动 化 管 理 为 相 关 理 论 优 化 的 发 展 提 供 了 试 验 平 台 与 数 据 来 源 上 位 机 汇 总 端 的 界 面 主 要 包 含 主 页 面 节 点 数 据 显 示 数 据 通 信 界 面 和 算 法 参 数 设 置 页 面 使 用 者 可 以 较 为 详 细 地 查 看 试 验 温 室 内 的 环 境 数 据 与 执 行 机 构 状 态 数 据 并 灵 活 改 变 参 数 如 图5 所 示 4 2 多 因 子 协 调 控 制 算 法 4 2 1 算 法 基 本 原 理 和 思 想 温 室 环 境 具 有 温 光 湿 气 CO 2 多 个 环 境 因 子 耦 合 的 特 点 传 统 的 阈 值 控 制 都 是 基 于 a 数 据 采 集 柜 b 传 感 器 注 1 光 照 传 感 器 2 温 湿 度 传 感 器 3 CO 2 传 感 器 图3 蓝 莓 智 能 温 室 传 感 器 节 点 现 场 图 Fig 3 Fielddiagramofblueberryintelligentgreenhouse sensornodes a 现 场 基 站 b 蓝 莓 布 局 c 蓝 莓 补 光 图4 蓝 莓 种 植 试 验 温 室 现 场 布 局 Fig 4 Blueberryplantingexperimentalgreenhousesitelayout 9 0徐 立 鸿 等 南 方 蓝 莓 智 能 温 室 促 早 熟 生 产 多 因 子 协 调 控 制 技 术 Vol 3 No 4 单 因 子 的 阈 值 控 制 无 法 使 多 个 耦 合 的 环 境 因 子 同 时 被 调 控 到 适 宜 的 目 标 范 围 为 此 本 研 究 提 出 了 温 室 环 境 多 因 子 协 调 控 制 算 法 7 该 算 法 的 核 心 思 想 是 对 温 室 加 热 通 风 等 所 有 的 控 制 执 行 机 构 设 定 独 立 的 控 制 方 式 每 个 执 行 机 构 控 制 动 作 变 量 阈 值 以 温 度 为 主 要 环 境 因 子 而 确 定 其 他 环 境 因 子 如 光 湿 气 CO 2 根 据 协 调 模 型 与 温 度 主 环 境 因 子 进 行 协 调 以 此 对 温 度 阈 值 进 行 动 态 修 正 得 到 执 行 机 构 的 动 作 变 量 值 4 2 2 算 法 基 本 控 制 模 型 多 因 子 协 调 控 制 模 型 为 公 式 1 U X F T set H set R set P set G t in h in r in p in H t out h out r out p out W rain F v F d 1 其 中 U 为 各 执 行 机 构 动 作 的 调 控 变 量 X 为 与 环 境 目 标 设 定 值 室 内 气 候 环 境 等 相 关 的 变 量 等 式 右 边 为 三 类 协 调 函 数 为 其 对 应 权 值 F 为 温 室 环 境 目 标 设 定 值 的 函 数 其 中 T set 为 温 度 设 定 值 H set 为 湿 度 设 定 值 R set 为 光 照 设 定 值 lux P set 为 CO 2 浓 度 设 定 值 随 作 物 生 长 的 阶 段 不 同 每 天 时 间 段 的 不 同 而 变 化 G 为 室 内 气 候 环 境 状 态 的 函 数 表 征 室 内 气 候 环 境 因 子 的 协 调 作 用 其 中t in 为 室 内 温 度 h in 为 室 内 湿 度 r in 为 室 内 光 照 强 度 lux p in 为 室 内CO 2 浓 度 H 为 室 外 气 候 环 境 因 素 干 扰 的 函 数 表 征 室 外 气 象 环 境 因 子 的 协 调 作 用 其 中t out 为 室 外 温 度 h out 为 室 外 湿 度 r out 为 室 外 太 阳 光 照 强 度 lux p out 为 室 外CO 2 浓 度 W rain 为 雨 量 mm min F v 为 风 速 m s F d 为 风 向 以 上 公 式 1 等 式 右 边 的 环 境 或 气 象 因 子 间 的 协 调 函 数 的 确 定 以 实 际 温 室 作 物 生 产 的 经 验 为 依 据 通 过 实 际 数 据 的 挖 掘 建 模 得 到 下 面 以 蓝 莓 温 室 天 窗 启 闭 执 行 机 构 的 自 然 通 风 控 制 为 例 说 明 如 何 得 到 其 多 因 子 协 调 控 制 算 法 根 据 公 式 1 在 天 窗 通 风 控 制 中 以 通 风 温 度 为 主 要 环 境 因 子 来 考 虑 天 窗 控 制 的 阈 值 当 室 内 温 度 达 到 通 风 温 度 的 阈 值 时 开 启 天 窗 进 行 通 风 天 窗 开 度 的 大 小 随 着 室 内 外 温 度 值 的 增 大 而 变 大 直 至 全 开 根 据 多 因 子 协 调 控 制 模 型 通 风 温 度V t 按 公 式 2 计 算 V t Vt i Vt h Vt Rad Vt RadSum 2 其 中 V t 为 通 风 温 度 Vt i 为 各 时 段 的 初 始 通 风 温 度 Vt h 为 室 内 湿 度 修 正 Vt Rad 为 瞬 时 光 照 修 正 Vt RadSum 为 光 照 累 积 修 正 初 始 通 风 温 度Vt i 的 选 取 主 要 与 室 内 温 度 在 各 时 段 的 设 定 值 有 关 室 内 湿 度 光 照 光 照 累 积 作 为 次 要 环 境 因 子 对 初 始 通 风 温 度 进 行 修 正 修 正 量 Vt h Vt Rad Vt RadSum 均 按 公 式 3 a 上 位 机 界 面 b 远 程 云 终 端 界 面 图5 蓝 莓 智 能 温 室 软 件 界 面 Fig 5 Blueberryintelligentgreenhouseinterfaceofsoftware 9 1Vol 3 No 4 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 计 算 Vt x f x Max Vt x A x B Min Vt x x X High 3 其 中 自 变 量x 分 别 为 室 内 相 对 湿 度H in 光 照R Sun lux 以 及 累 积 光 照R SunSum J m 2 各 个 环 境 因 子 对 通 风 温 度 的 修 正 如 图6 所 示 图 6 a 为 湿 度 修 正 通 风 温 度 其 中 Max Vt h 为 低 湿 度 最 大 正 影 响 Min Vt h 为 高 湿 度 最 大 负 影 响 图6 b 为 光 照 修 正 通 风 温 度 其 中 Min Vt rad 为 光 照 最 大 负 影 响 图6 c 为 光 照 累 积 当 天 累 积 的 光 照 对 通 风 温 度 的 影 响 其 中Min Vt radsum 为 光 照 累 积 最 大 负 影 响 这 些 参 数 初 始 值 可 以 根 据 经 验 选 取 然 后 在 控 制 系 统 现 场 调 试 中 根 据 控 制 性 能 反 馈 最 后 确 定 也 可 以 考 虑 根 据 相 关 作 物 模 型 优 化 选 取 天 窗 开 度U roof 的 计 算 示 意 图 如 图7 所 示 图 7 中 温 度 带 T b 的 修 正 遵 循 公 式 4 T b T b0 T bTOut T bWind 4 其 中 T b 为 温 度 带 T b0 为 初 始 设 定 温 度 带 T bTOut 为 室 内 外 温 度 差 修 正 项 T bWind 为 室 外 风 速 修 正 项 T bTOut 和 T bWind 对 温 度 带 的 修 正 如 图 8 所 示 根 据 温 度 带T b 修 正 后 的 通 风 温 度V t 和 室 内 温 度V in 计 算 天 窗 开 度U roof U roof 10 V in V t 100 V in V t T b V in Vt T b 90 10 V t V in V t T b 5 当 天 窗 全 开 启 时 室 内 温 度 若 还 高 于 温 度 设 定 值 范 围 则 拉 上 遮 阳 网 开 启 侧 窗 予 以 加 大 通 风 对 流 力 度 如 果 通 风 仍 无 法 降 低 室 内 温 度 则 关 闭 温 室 所 有 的 天 窗 侧 窗 开 启 湿 帘 风 机 予 以 调 控 其 他 温 室 执 行 机 构 如 加 热 设 备 等 的 控 制 阈 值 变 量 计 算 仍 根 据 多 因 子 协 调 控 制 模 型 公 式 1 得 到 与 以 上 天 窗 的 通 风 控 制 阈 值 变 量 的 计 算 类 似 不 再 赘 述 详 见 文 献 7 控 制 算 法 的 调 控 流 程 如 图9 所 示 4 2 3 实 际 调 控 效 果 根 据 实 际 蓝 莓 温 室 生 产 经 验 制 定 相 应 的 控 a 湿 度H in 修 正 通 风 温 度 Vt rad R sun lux 0 Min Vt rad Min R sun Max R sun b 光 照R Sun 修 正 通 风 温 度 c 光 照 累 积R SunSum 修 正 通 风 温 度 图6 影 响 因 子 对 通 风 温 度 的 修 正 Fig 6 Correctionofinfluencefactorstoventilation temperature 9 2徐 立 鸿 等 南 方 蓝 莓 智 能 温 室 促 早 熟 生 产 多 因 子 协 调 控 制 技 术 Vol 3 No 4 制 策 略 通 过 设 定 室 内 外 环 境 数 据 的 报 警 上 下 限 实 现 对 异 常 天 气 进 行 监 测 根 据 蓝 莓 生 长 周 期 中 不 同 阶 段 的 生 长 需 求 设 定 对 应 的 调 控 参 数 通 过 对 温 室 内 不 同 执 行 机 构 的 状 态 协 调 达 到 理 想 的 小 气 候 环 境 范 围 根 据 蓝 莓 全 周 期 生 长 适 宜 环 境 条 件 得 出 蓝 莓 多 因 子 协 调 控 制 环 境 调 控 目 标 值 范 围 蓝 莓 多 因 子 协 调 控 制 系 统 设 定 参 数 如 表2 表4 所 示 以2021 年5 月 份 果 期 的 多 因 子 调 控 效 果 为 例 多 因 子 协 调 控 制 算 法 控 制 效 果 对 比 如 图10 95 页 所 示 5 月1 日 5 月7 日 为 采 用 多 因 子 协 调 控 制 算 法 进 行 控 制 该 阶 段 主 要 以 降 温 为 主 当 室 内 温 度 高 于35 时 会 开 启 风 机 进 行 降 温 经 调 控 该 阶 段 日 间 室 内 最 高 温 度 为 35 79 室 内 平 均 温 度 为31 36 夜 间 室 内 最 高 温 度 为31 18 平 均 温 度 为26 22 日 间 室 内 最 高 湿 度 为82 60 平 均 湿 度 为68 05 夜 间 室 内 最 高 湿 度 为 82 69 平 均 湿 度 为 77 41 该 阶 段 日 间 室 外 平 均 温 度 为28 46 为 了 对 比 多 因 子 协 调 控 制 的 调 控 效 果 选 取 气 候 相 似 的 未 调 控 日 期 进 行 对 比 5 月9 日 5 月10 日 为 未 经 调 控 的 温 室 环 境 数 据 日 间 室 外 平 均 温 度 为29 25 温 室