基于機(jī)器學(xué)習(xí)的有機(jī)聯(lián)動(dòng)溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的研究

楊睿 焦明晨 季蘇哲 顧僑樺

摘要：相較于現(xiàn)階段自動(dòng)化溫室中控制程序各自為戰(zhàn)、缺乏關(guān)聯(lián)的情況，本文提出的引入聯(lián)動(dòng)理論開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)，并利用數(shù)學(xué)工具實(shí)現(xiàn)參數(shù)自動(dòng)調(diào)整進(jìn)化的“智慧溫室”控制系統(tǒng)，能夠有效提高控制效率，適應(yīng)不同特點(diǎn)作物對(duì)種植環(huán)境的個(gè)性化需求。

關(guān)鍵詞：智慧溫室;聯(lián)動(dòng)控制;機(jī)器學(xué)習(xí);自主進(jìn)化

1 緒論

溫室的出現(xiàn)解決了長(zhǎng)期困擾人類(lèi)社會(huì)的“靠天吃飯”問(wèn)題，顯著提升了人們的生活質(zhì)量。

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制已被廣泛應(yīng)用在溫室生產(chǎn)過(guò)程中，解放大量人力的同時(shí)極大的提高了生產(chǎn)效率。美國(guó)、荷蘭等早在上世紀(jì)六十年代就開(kāi)啟了溫室環(huán)境自動(dòng)控制技術(shù)的研究工作，無(wú)論在環(huán)境控制技術(shù)，還是栽培技術(shù)方面都已達(dá)到較高的水平。21世紀(jì)，我國(guó)溫室環(huán)境控制技術(shù)呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，溫室面積已經(jīng)穩(wěn)居世界之首，成為了世界設(shè)施農(nóng)業(yè)大國(guó)。

然而，現(xiàn)階段溫室系統(tǒng)中各控制程序存在各自為戰(zhàn)、缺乏相互聯(lián)系的問(wèn)題，造成了控制滯后甚至失效。

2 智慧溫室控制系統(tǒng)功能研究

針對(duì)目前存在的控制滯后等問(wèn)題，在溫室控制過(guò)程中引入聯(lián)動(dòng)思想，將各控制模塊進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，一個(gè)參數(shù)的改變帶動(dòng)整個(gè)溫室系統(tǒng)隨之動(dòng)作，形成有機(jī)聯(lián)動(dòng)智能溫室控制系統(tǒng)。下面分別介紹各控制模塊及其相互之間的聯(lián)動(dòng)情況。

2.1 控制模塊介紹

（1）光照模塊

在農(nóng)業(yè)溫室內(nèi)，需要合理控制溫室內(nèi)部的光照強(qiáng)度，使作物生長(zhǎng)在適宜的環(huán)境中。在光照模塊中，光照傳感器測(cè)量溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度。光照過(guò)強(qiáng)時(shí)，利用電機(jī)降低遮陽(yáng)簾幕布，減少進(jìn)光量;光照過(guò)弱時(shí)，打開(kāi)遮陽(yáng)簾和燈光，進(jìn)行補(bǔ)光。

（2）室溫模塊

在室溫模塊中，溫度傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)溫室內(nèi)溫度變化。數(shù)據(jù)采集網(wǎng)點(diǎn)獲取到數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析，與設(shè)定的適植物生長(zhǎng)溫度范圍進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)設(shè)計(jì)算法，判斷出此時(shí)溫室內(nèi)溫度是否合適。溫度較高時(shí)，系統(tǒng)主要采用通風(fēng)降溫的方法;溫度較低時(shí)，需要采用供暖鍋爐進(jìn)行人工增加熱量。

（3）室內(nèi)濕度模塊

通過(guò)傳感器采集環(huán)境濕度參數(shù)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)采取合適的動(dòng)作：溫室內(nèi)濕度較低時(shí)，加濕器啟動(dòng)，為溫室內(nèi)濕使以達(dá)到植物適合的生長(zhǎng)環(huán)境，當(dāng)濕度達(dá)到系統(tǒng)預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，加濕器自動(dòng)關(guān)閉;室內(nèi)濕度過(guò)高時(shí)可能危害人員健康，系統(tǒng)開(kāi)啟排風(fēng)扇通風(fēng)除濕，當(dāng)濕度達(dá)到系統(tǒng)預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，排風(fēng)扇自動(dòng)關(guān)閉。

（4）土壤濕度模塊

利用土壤濕度傳感器收集土壤中的水分程度數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)通過(guò)智能分析做出判斷，當(dāng)土壤濕度偏高時(shí)，滴灌系統(tǒng)減少滴灌量并減慢滴灌速度，使土壤濕度降低到正常閾值;當(dāng)土壤濕度偏低時(shí)，滴灌系統(tǒng)增加滴灌量并加快滴灌速度，使土壤濕度達(dá)到植物生長(zhǎng)最適濕度。

（5）二氧化碳濃度模塊

使用傳感器檢測(cè)溫室內(nèi)二氧化碳濃度，通過(guò)分析數(shù)據(jù)判斷此時(shí)溫室空氣成分是否適合人員在內(nèi)工作。如在夜間，作物呼吸作用導(dǎo)致溫室內(nèi)二氧化碳濃度超過(guò)安全界限，又有工作需人工進(jìn)行，系統(tǒng)啟動(dòng)排風(fēng)扇通風(fēng)換氣，使空氣質(zhì)量滿(mǎn)足人類(lèi)正常需要。

2.2 聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)介紹

“智慧溫室”在最廣泛滿(mǎn)足溫室參數(shù)控制需求的同時(shí)，充分考慮了控制系統(tǒng)的整體性和聯(lián)動(dòng)能力。下面以“光照強(qiáng)度—土壤濕度/空氣溫濕度”、 “二氧化碳濃度—土壤濕度/空氣溫濕度”兩條聯(lián)動(dòng)聯(lián)為例，介紹溫室大棚智能控制模塊間聯(lián)動(dòng)情況。聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

（1）“光照強(qiáng)度—土壤濕度/空氣溫濕度”聯(lián)動(dòng)鏈

當(dāng)光照強(qiáng)度過(guò)高時(shí)，溫室內(nèi)溫度升高、土壤蒸發(fā)增強(qiáng)，導(dǎo)致土壤干燥、空氣濕度升高。此時(shí)光照控制系統(tǒng)就可以降低遮陽(yáng)簾幕布使光照強(qiáng)度降低，溫濕度控制系統(tǒng)啟動(dòng)排風(fēng)扇降低室內(nèi)溫度和空氣濕度，澆灌系統(tǒng)啟動(dòng)由于補(bǔ)充高溫和通風(fēng)造成的土壤水分過(guò)量蒸發(fā)。

（2）“二氧化碳濃度—土壤濕度/空氣溫濕度”聯(lián)動(dòng)鏈

當(dāng)植物進(jìn)入夜晚休眠狀態(tài)時(shí)會(huì)造成溫室二氧化碳濃度升高，二氧化碳濃度升高從而造成溫室溫度升高，所以智能控制系統(tǒng)自啟動(dòng)通風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)降溫，通風(fēng)降溫會(huì)帶走水蒸氣使環(huán)境水分智能控制系統(tǒng)判斷出濕度降低，則進(jìn)行自動(dòng)灌溉，濕度增加后，水蒸氣變多，水蒸氣慢慢蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致溫室溫度降低，然后對(duì)溫室進(jìn)行升溫，形成一個(gè)有機(jī)聯(lián)動(dòng)體系的循環(huán)。

3 聯(lián)動(dòng)參數(shù)智能進(jìn)化研究

引入聯(lián)動(dòng)理論可以有效提升溫室控制系統(tǒng)的效率，然而其中的聯(lián)動(dòng)參數(shù)若預(yù)先設(shè)定后就一成不變，該溫室就不能廣泛適用于不同作物的種植。因此需設(shè)計(jì)聯(lián)動(dòng)參數(shù)智能進(jìn)化程序，更好地適應(yīng)不同作物的需求。下面以光照強(qiáng)度異常增加、減少，與土壤濕度、環(huán)境濕度的聯(lián)動(dòng)為例介紹如何實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)參數(shù)的智能進(jìn)化。

（1）光照異常增加

根據(jù)植物的親水習(xí)性區(qū)別對(duì)待，通過(guò)智能算法調(diào)整裝置能夠?qū)Φ喂嗨俣冗M(jìn)行更精確的調(diào)整：對(duì)于需要喜濕植物，開(kāi)大排氣扇降溫時(shí)會(huì)增大土壤水分蒸發(fā)，需將滴灌速度增加;反之，對(duì)于耐旱植物，開(kāi)大排氣扇降溫時(shí)不需增加滴灌速度。

（2）光照異常減少

根據(jù)植物的耐寒習(xí)性區(qū)別對(duì)待，通過(guò)智能調(diào)整裝置對(duì)鍋爐溫度進(jìn)行更加精確的調(diào)整：對(duì)于喜溫植物，打開(kāi)供暖鍋爐，并將溫度閾值調(diào)至較高值，同時(shí)提高滴灌速度;反之，對(duì)于半耐寒植物，打開(kāi)供暖鍋爐，并將溫度閾值調(diào)至較低值，同時(shí)保持原來(lái)的滴灌速度。

利用過(guò)程數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)算法使“智慧溫室”中聯(lián)動(dòng)參數(shù)智能進(jìn)化，可以使種植過(guò)程更加合理。聯(lián)動(dòng)參數(shù)智能進(jìn)化具體工作流程如圖2。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)現(xiàn)階段自動(dòng)化溫室存在的控制滯后，控制失效的問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)高效快速的控制，我們依據(jù)聯(lián)動(dòng)思想將各獨(dú)立控制系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)融合，將溫室控制系統(tǒng)打造成為有機(jī)整體。通過(guò)智慧溫室的聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，有效解決了控制滯后甚至失效等問(wèn)題。并利用數(shù)學(xué)工具實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)關(guān)系參數(shù)自動(dòng)調(diào)整，使“智慧溫室”可以智能地適應(yīng)不同特點(diǎn)作物對(duì)種植環(huán)境的個(gè)性化需求，讓溫室控制系統(tǒng)“活”起來(lái)。

參考文獻(xiàn)：

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課題項(xiàng)目：本文為沈陽(yáng)師范大學(xué)校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目《基于機(jī)器學(xué)習(xí)的有機(jī)聯(lián)動(dòng)溫室環(huán)境控制系統(tǒng)——“智慧溫室”》（項(xiàng)目編號(hào)：202113070）成果。