一种融合光照频率与占空比的嵌入式设施光环境优化调控系统技术方案

本发明专利技术是一种融合光照频率与占空比的嵌入式植物光环境调控系统。本发明专利技术基于植物生理学特征，通过摄像头实时获取植物的生长状况，使系统根据植物当前状态来调用其对应的生长阶段最优的调控模型，同时调节光照频率对植物进行补光，以达到进一步提高补光效率的目的。首先获取大量的实验数据，归一化处理后使用matlab语言构建基于支持向量机(SVM)算法得到不同环境下的植物光合速率预测模型。根据所得预测模型基于matlab语言编写遗传算法构建补光目标值寻优模型，得到每条数据的曲率最大值所对应的光环境目标值，再基于python语言编写随机森林算法，最终构建出可移植于嵌入式设备的设施光环境优化调控模型。通过本发明专利技术系统，可以有效地提高植物光合作用效率，提高设施农业的经济效益。

【技术实现步骤摘要】
一种融合光照频率与占空比的嵌入式设施光环境优化调控系统
本专利技术属于智能农业
，涉及温室大棚内光环境的实时调控，特别涉及一种融合光照频率与占空比的嵌入式设施光环境优化调控系统。
技术介绍
光合作用是植物生理活动的重要环节，光照不仅是植物光合作用中一项不可或缺的环境因子，它还作为一种植物生理信号对植物的分化、生长和发育起着重要的调节作用，使其能够更好的适应外界的环境。随着我国现代设施农业的发展以及雾霾天气的日益增多，对植物光合作用的效率要求也在逐渐提高，如何科学、合理、高效的构建植物周边的光环境已经成为了亟待解决的重要问题。针对这种情况，相应的设施农业补光设备也应运而生。然而，现有的植物补光设备并不完善。现阶段的补光设备采用连续光照的方式进行补光，但是根据现有的研究发现，高频的间歇光不仅不会降低植物的产量，反而可以促进植物的生长，提高植物的光合荧光效率。例如，Brown和Escombe在不改变光质的条件下，使用旋转的圆盘使得光照强度减少25％，但是光合速率未下降；Warburg的研究发现在0.067～133Hz，占空比为50％的高光强下，小球藻的单位数量光氧气产量较连续光提高了10％～100％；在蔬菜方面的研究中，Mori等发现，平均光照强度为50μmol/(m2·s)、频率为2.5KHz间歇光下生菜的生长速率和光合速率较连续光下提高了20％以上；Tennessen等采用LED灯光对番茄植株进行培养时发现，当番茄叶接收占空比仅为1％的间歇光照时，其净光合速率却可以达到同等条件下连续光照的50％。以上研究说明，采用有别于传统连续补光方式的间歇补光方式可以提高植物的净光合速率，同时这种补光方式还可以减少能源消耗。由于植物自身光合作用具有一定的生理周期，当接受连续光照时，在反应周期之外的光子会和植物本身用于反应的光子产生光化学淬灭现象，导致实际参与反应的光子减少，植物净光合速率降低，同时多余的光照也产生了能源的浪费。综上所述，现阶段的连续光照补光方式的有效性和环境友好性还有可以进一步提升的空间。近年来的补光设备也在逐渐发展，陆续出现了许多自适应的智能补光系统，但是这些系统通常采用采用固定频率、占空比的补光方式进行补光，其补光能效的限制在于没有考虑补光设备产生光照的频率和占空比之间的组合关系对于植物的生长过程的影响，导致设备产生较高能耗的同时却难以再提高补光效率，并且这些设备采用的补光算法没有考虑到植物在不同生长阶段的光照需求，始终采用一套固定的算法进行补光。因此，如何专利技术一种不仅拥有精度高、智能化程度高、处理数据能力强、可移植性良好的补光方法，而且在节约补光能耗的前提下最大程度地提高补光效率的植物光环境调控算法就显得尤为重要。对以往的间歇补光的实验结论进行研究，并综合植物生理学的相关知识可以发现，植物在接受到光强较大的特定频率段、占空比小于100％时的光照时自身的净光合速率会有较大的提升。因此，寻找能够使植物获得最大净光合速率的频率和占空比组合，并根据植物周边的环境信息构建植物最优的光合速率模型成为了本专利技术的关键问题。随着智能物联网技术的不断发展，融合智能算法模型的高精度嵌入式自动调控系统成为了近些年农业物联网技术的发展热点。但是现有的补光设备没有考虑到植物在不同生长周期的光照需求，补光过程中自始至终采用同一种补光算法进行补光，不能根据植物的生长状态最优地确定补光的量；现在的补光设备大多忽略了对光照本身的控制，在同一个补光周期里采用静态的连续光照进行补光，这使得设备的补光效率难有较大的提升；现在的设备采用单片机实现设备的自动控制，但是没有考虑到单片机在添加外围电路后最后一级输出的准确性。由以上几点来看，现在补光设备的设计仍有许多不够完善的地方：首先，采用连续补光的方式没有考虑到光照的频率和占空比之间的组合关系对于提高补光效率的影响，这样使得在同样的能耗下，连续补光的方式不能进一步提高植物的净光合速率。其次，自动控制中所使用单片机的运算速度和运算精度都存在一定的上限，对于现代农业物联网中的大量交互数据处理效果不好，计算速度慢，并且单片机也不能很好的兼容智能算法，因此导致系统的数据处理的工作效率受到了很大的限制，不能实现更为智能的控制。最后，由于单片机作为控制端精度有限，再加入较多外围电路的情况下其最终的输出信号会存在较严重的失真，有时不能很好地达到精准控制的目，使得算法的优势不能很好地被体现出来。基于上述原因，当前补光系统的补光方式、调控模型以及硬件构成已经成为了限制设施农业补光设备发展的主要因素。综上所述，采用以智能算法为核心，运算速度快，控制精准的硬件设备为基础的高精度、低能耗、可移植性强的植物光环境调控设备就变得可行且必要。
技术实现思路
为了改进现阶段补光设备没有考虑的光照的频率、占空比以及植物阶段需求的缺点，本专利技术的目的在于提供一种融合光照频率与占空比的嵌入式设施光环境优化调控系统，本系统可以精确地根据植物周边的动态环境信息，通过摄像头获取的植物图像来判断植物当前的生长状态，调用针对植物不同生长阶段的光环境优化调控模型，实时地控制补光灯输出最优的频率和占空比组合，使植物长期处于最佳的光环境中，达到提高植物净光合速率，减少不必要的补光能耗的目的。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种融合光照频率与占空比的嵌入式设施光环境优化调控系统，包括：环境监测节点，包括温度传感器、光量子通量密度传感器和二氧化碳传感器，实时检测植物周边的温度、光照强度和二氧化碳浓度并发送；图像采集节点，包括用于采集植物图像的微型摄像头，采集植物当前的形态信息并发送；核心控制平台，接收环境监测节点和植物图像采集节点发送的数据，首先根据植物当前的形态信息判断当前植物的生长阶段，再调用符合该生长阶段的寻优模型，判断当前环境信息对应模型中的光环境目标值，进而得到当前环境信息下需提供的光照频率和占空比数据；补光灯控制节点，接收所述光照频率和占空比数据，以此为依据进行补光。所述环境监测节点与核心控制平台间的通信以CC2530芯片作为核心处理器，采用ZigBee技术作为主要通信方式，各传感器组成传感器网合布于被检测植物周边。所述微型摄像头为自带无线图传功能的图传一体摄像头。所述核心控制平台以树莓派系统作为主要操作系统，与补光灯控制节点之间采用nRF24L01P模块通信，与环境监测节点之间采用ZigBee通信，利用一个与树莓派系统通过Mini-USB串口连接的ZigBee协调器，接收环境监测节点发送的环境信息，通过串口发送到树莓派系统调用内嵌算法进行数据处理，之后ZigBee协调器再通过串口接收经过处理的数据并无线广播到网络中所有的节点中。所述补光灯控制节点主要由补光灯、补光灯驱动电路、微型信号发生器、nRF24L01P无线模块和Arduino单片机组成，nRF24L01P无线模块将接收到的数据通过SPI接口协议传输给基于ATmega328的ArduinoNano，经确认校验位无误后提取数据包中的调参命令段，处理后单片机通过串口向微型脉冲信号发生器发送命令使其准确的输出响应的频率和占空比信息，达到精准定量调节光照的目的。首先通过图传一体摄像头采集植物当前的图像信息，将其无线发送至核心控制节点，节点接收图像数据后根据系统中存储的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种融合光照频率与占空比的嵌入式设施光环境优化调控系统，其特征在于，包括：环境监测节点，包括温度传感器、光量子通量密度传感器和二氧化碳传感器，实时检测植物周边的温度、光照强度和二氧化碳浓度并发送；图像采集节点，包括用于采集植物图像的微型摄像头，采集植物当前的形态信息并发送；核心控制平台，接收环境监测节点和植物图像采集节点发送的数据，首先根据植物当前的形态信息判断当前植物的生长阶段，再调用符合该生长阶段的寻优模型，判断当前环境信息对应模型中的光环境目标值，进而得到当前环境信息下需提供的光照频率和占空比数据；补光灯控制节点，接收所述光照频率和占空比数据，以此为依据进行补光。

【技术特征摘要】
1.一种融合光照频率与占空比的嵌入式设施光环境优化调控系统，其特征在于，包括：环境监测节点，包括温度传感器、光量子通量密度传感器和二氧化碳传感器，实时检测植物周边的温度、光照强度和二氧化碳浓度并发送；图像采集节点，包括用于采集植物图像的微型摄像头，采集植物当前的形态信息并发送；核心控制平台，接收环境监测节点和植物图像采集节点发送的数据，首先根据植物当前的形态信息判断当前植物的生长阶段，再调用符合该生长阶段的寻优模型，判断当前环境信息对应模型中的光环境目标值，进而得到当前环境信息下需提供的光照频率和占空比数据；补光灯控制节点，接收所述光照频率和占空比数据，以此为依据进行补光。2.根据权利要求1所述融合光照频率与占空比的嵌入式设施光环境优化调控系统，其特征在于，所述环境监测节点与核心控制平台间的通信以CC2530芯片作为核心处理器，采用ZigBee技术作为主要通信方式，各传感器组成传感器网合布于被检测植物周边。3.根据权利要求1所述融合光照频率与占空比的嵌入式设施光环境优化调控系统，其特征在于，所述微型摄像头为自带无线图传功能的图传一体摄像头。4.根据权利要求1所述融合光照频率与占空比的嵌入式设施光环境优化调控系统，其特征在于，所述核心控制平台以树莓派系统作为主要操作系统，与补光灯控制节点之间采用nRF24L01P模块通信，与环境监测节点之间采用ZigBee通信，利用一个与树莓派系统通过Mini-USB串口连接的ZigBee协调器，接收环境监测节点发送的环境信息，通过串口发送到树莓派系统调用内嵌算法进行数据处理，之后ZigBee协调器再通过串口接收经过处理的数据并无线广播到网络中所有的节点中。5.根据权利要求1所述融合光照频率与占空比的嵌入式设施光环境优化调控系统，其特征在于，所述补光灯控制节点主要由补光灯、补光灯驱动电路、微型信号发生器、nRF24L01P无线模块和Arduino单片机组成，nRF24L01P无线模块将接收到的数据通过SPI接口协议传输给基于ATmega328的ArduinoNano，经确认校验位无误后提取数据包中的调参命令段，处理后单片机通过串口向微型脉冲信号发生器发送命令使其准确的输出响应的频率和占空比信息，达到精准定量调节光照的目的。...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡瑾，魏子朝，张仲雄，完香蓓，陈智维，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61