开题报

番茄智能定量补光控制系统,专业：农业电气化与自动化,报告提纲,研究目的和意义,1,研究目的及意义,研究背景：近年来，中国设施农业以反季节、超时令的园艺作物生产为主迅猛发展，其中，番茄是中国设施生产中的主栽作物，栽培面积和市场销量均居于蔬菜之首。设施种植受玻璃、薄膜覆盖及温室结构的影响，其太阳辐射透过率在14%-80%之间，光照不足已成了阻碍设施种植发展的重要因素。相关研究表明，光质和光照量直接影响作物的产量及品质。在番茄的各个生长期，弱光环境都会对番茄的生长造成很大影响，所以需要对番茄的各个生长期进行补光。因此根据番茄的需光模型进行定光质定量补光可有效提高设施中番茄的产量。,研究目的和意义,目前我国在番茄光照环境控制方面，存在监控方法与技术单一、控制精确度差、可扩展性差、能耗高、部署维护困难等问题。另外，现有设施调光系统采用有线方式进行控制信号传输，存在部署维护困难、灵活性差等不足。研究目的：设计一套通用性强、稳定性高的基于番茄需光模型的设施番茄智能补光控制系统，实现对温室光环境因子的综合控制，为番茄提供最佳的生长环境。,研究意义：充分考虑了温室番茄光环境控制系统各环境因子间的强耦合性，环境参数的时变性，以及不同生长阶段不同环境条件下番茄需光量不同等特点，从而实现了对番茄光环境实时智能调控，提高了控制精度，为温室生产的普及创造了条件。2.另一方面，可靠稳定运行的温室番茄光环境智能控制系统能够很好地改善作物的生长环境，使作物能够在适宜的条件下生长，提高作物产量，真正意义上实现农业生产精准控制和科学管理。,研究目的和意义,国内外研究现状,番茄需光模型研究方面：孙忠富等初步建立了以太阳辐射为基本驱动因子的温室番茄生长发育模拟模型；侯加林等建立了以光合作用为基础的温室番茄光合生产动态模拟模型；倪纪恒等建立了以番茄的发育生理生态过程为基础、以作物生理发育时问为尺度的不同地点、播期和品种条件下温室番茄发育模拟模型；朱晋宇等采用源库生长单位的测定方法，将经典的单叶同化物生产模型与GreenLab模型相结合，构建了干物质向源库生长单位内茎节、叶片、果实分配的动态模型，并在越冬茬、早春茬和春夏茬温室番茄生产中进行了验证。,国内外研究现状,补光控制系统方面：北京华夏九州农业科技研究院承担“智能化立体补光系统项目”，依据植物光合作用只对特定波段光的吸收特性，采用同光合作用吸收谱相匹配的红橙绿蓝紫光LED的集成作为光照系统。德国欧司朗光电半导体公司开发LED温室补光光源发光波长达到660nm，满足植物光合作用需求，能将37%的输入电能转换为光能输出，红光、蓝光LED系统的发光效率比传统高压钠灯高60%，发光效率与传统温室补光源相比更为节能。,研究内容,具体研究内容如下：（1）番茄分阶段需光模型建立通过相关实验得到番茄不同生长阶段、不同温度下的光饱和点，并对数据进行处理，最终建立番茄分阶段需光模型。（2）分波段光强检测模型设计根据已有的光学研究成果，设计一种基于太阳高度角的快速分波段PFD检测算法，可通过检测实时总辐射量实现分波段PFD的快速检测。,研究内容,（3）控制系统搭建基于上述模型，设计一个设施基地光环境调控系统。开发PC端软件，通过接口连接平台获取数据，并通过串口连接Zigbee根节点，实现对补光设备的调控。系统主要包括环境信息获取、数据上传、智能决策及设备综合控制管理等功能。采用C#高级编程语言，以visualstudio2010为平台，实现上述各项功能。,研究方法和技术路线,系统整体架构：,图1控制系统模块图,研究方法和技术路线,1、番茄分阶段需光模型建立本设计选取番幼苗期、开花期和结果期作为研究对象。分别在以上三个生长阶段利用Li-6400 xt便携式光合作用测量系统控制温度及光强，从而得到不同温度下的光响应曲线。将实验测得的数据通过Matlab进行回归分析，从而建立了最优光饱和点模型。2、光强检测算法设计结合已有的实验数据拟合出红、蓝光单一波段光谱辐射通量密度占PAR比例与太阳高度角对应函数关系，结合太阳高度角计算公式及光子数与光谱辐射能关系，最终建立以日期、经度、纬度、北京时间、波段和实时总辐射量为变量的单波段光量子通量密度模型。,研究方法和技术路线,3、控制系统设计（1）管理控制模块设备控制分为手动控制与自动控制两种。手动控制通过选择相应区域的设备及设备的状态（开或关）,直接对设备进行控制；自动控制包括定时控制、阀值控制及智能决策。(2)界面编辑模块软件主要包括3个界面，主界面、管理控制界面和历史数据查询界面。主界面包括：标题、实时环境数据、当前生长阶段信息、当前设备状态信息以及控制环境可操作区域；,研究方法和技术路线,图2系统界面设计,研究方法和技术路线,管理控制界面包括：控制区域(自动、手动控制)、阈值设置区域以及番茄生长阶段设定区域；（3）信息监测显示模块信息检测模块以不同的方式主要显示两类数据：实时信息与历史信息。（4）网络通信模块本系统采用Zigbee无线通信方式，平台采集到的数据通过接口发送到控制系统，控制系统经过分析后下发相关命令，命令通过串口发送到协调器节点，协调器节点通过Zigbee无线网络发送至补光设备，实现对设备的调控。,研究方法和技术路线,4、运行环境操作系统：Windows2003/WindowsXP/Windows7数据库系统：SQLServer2008,图2网络通信模块,进度安排,表6-1进度安排,预期结果,项目预期技术成果包括：1、拟设计开发一套能满足温室番茄智能控制系统，且通过实际运行测试。2、拟在核心期刊发表学术论文一篇。3、拟申请国家专利一项。,技术难点及解决办法,1、如何设计合理的实验方案。拟解决方法：查阅相关专业资料，参考前人研究成果以及相关书籍，请教专家，与其他学生讨论交流,经过仔细考虑斟酌确定最终实验方案。2、如何实时有效获取平台的环境信息及控制命令的下发。拟解决方法：查阅Zigbee网络及PC机