基于无线传感网的设施环境二氧化碳精准调控系统

设计了一套基于无线传感网的设施环境二氧化碳精准调控系统,包括主控节点、监测节点及补施节点,通过Zig Bee协议实现节点间信息交互。监测节点实时获取设施内多点二氧化碳浓度、温度、光照数据;主控节点根据作物各阶段最适生长环境,结合温度与光照阈值,动态计算二氧化碳浓度目标值与实时值之间的差值作为调控参数,采用反馈控制实现二氧化碳动态调控;为改善以往设施二氧化碳补施不均的普遍现象,设施中气体扩散管道采取双M型布置方式,设计开孔大小不同的二氧化碳扩散孔,由补施节点配合对流装置控制各小区域的二氧化碳排放量,达到均匀和定量补施的目的。实地布置和试验表明基于无线传感网的设施环境二氧化碳调控系统可实现稳定可靠运行,以设施番茄为研究对象,在面积36.66 m~2日光温室内补施目标值与实时值的相对误差小于3.5%,在面积27.74 m~2玻璃温室内验证监测节点间二氧化碳浓度变异系数小于2.93%,证明本系统可实现二氧化碳精准及均匀补充。     

设施农业可调光质精确补光系统

针对环境温度、光质和光强对农作物光合作用的影响,提出结合实时环境检测、特定波段补光与定量决策的精确补光方法,设计了基于反馈控制机制的定量决策算法。以单片机为核心控制器件,设计了可调光质的精准补光系统,可根据温度及红蓝光目标光强与实时光强的差值精确计算补光量,通过PWM占空比调整LED输出光强。实验结果证明系统可实现按需补光;采用的LED光源较白炽灯节能54%,较荧光灯节能83%;在相同LED光源时,较常规LED补光系统的节能率在不同光质阈值和气候条件下具有一定波动,平均节能在30%以上。     

基于电阻抗的苹果干燥过程含水率实时检测及动力学分析

为了找到一种经济便捷的苹果片干燥过程含水率实时检测方法,分析热风温度和风速对干燥过程的影响,该研究实时检测了不同风速和热风温度下苹果片的电阻抗和含水率并分析了其随时间变化的规律。结果表明,干燥过程中苹果片电阻抗随干燥时间的增加而增大,含水率随干燥时间而减小,两者线性负相关(R2≥9.3),因此可以通过电阻抗的变化实时检测苹果干燥过程。苹果片电阻抗和含水率随干燥时间的变化均符合薄层干燥Logarithmic模型;基于电阻抗和含水率分别拟合得出不同条件下的干燥速率,并利用阿伦尼乌斯公式求出苹果试样干燥过程活化能,当风速为0.5和1.0 m/s时,依据电阻抗计算所得活化能分别为32.447和23.212 k J/mol,含水率计算所得活化能为27.320和22.947 k J/mol,依据电阻抗计算所得活化能与前人研究活化能值更一致。研究结果可为苹果片干燥过程在线检测和分析提供参考。     

果园风送喷雾精准控制方法研究进展

果园风送喷雾技术与装备正在朝着精准化和智能化方向发展。果园喷雾控制对象主要为喷施药量和风力供给量,二者需要协同精准调控,其按需调控的前提是果园靶标精准探测。该文从果园靶标探测方法、喷施药量控制方法、风力调控方法 3个方面对现有研究进展进行综述,阐述了基于光电感知、超声波传感、激光雷达、图像、光谱和电子鼻技术探测果树位置、冠层外形轮廓、冠层体积、冠层内部结构、枝叶稠密程度、病虫害程度等特征信息的技术方法;分析了喷施药量调控方法中管道总药量控制方法在管道设计、混药方式、药液流量控制策略方面技术和产品化上取得的巨大突破,以及喷头药量独立控制方法研究方面获得的大量成果;综述了果园风送喷雾风速风量需求理论原则、风场雾场建模方法、风力调控方法与调控装备研究进展,指出了其基本理论原则、建模调控方法等科学问题还有待深入探索。同时,还分析了目前研究在果园靶标探测方法、喷施药量调控方法和风送喷雾风力调控方法中面临的困难和挑战,主要包括冠层稠密程度和病虫害程度高效感知方法探索、靶标风力需求普适模型构建、风场建模风力按需调控方法研究和精准喷雾技术与系统集成开发。最后指出了果园风送喷雾精准控制方法未来发展方向:1)果园靶标冠层枝叶稠密程度和病虫害程度在线探测方法将成为新的研究热点;2)果园风送喷雾风速风量供给需求理论原则、风场快速模拟仿真和风力调控方法与装备是未来重要研究方向;3)随着高新科技的涌现,科研院所和公司有望在果园喷雾药量和风力调控系统优化设计及精准喷雾机系统集成研发方面获得更大发展。     

基于无线传感器网络的温室光环境调控系统设计

为了解决现有光环境调控系统存在光照度不可调、能耗高、部署困难等问题,该文设计基于无线传感器网络的光环境调控系统。该光环境调控系统以CC2530处理器为核心设计中央控制节点、监测节点、调光节点,采用ZigBee协议实现自组网络、监测数据和控制信号传输。监测节点通过周期监测光合有效辐射值,利用自然光中太阳高度角与红蓝光比例关系,计算当前红蓝光光量子通量密度;利用智能中央控制节点计算其与作物所需目标量的差值,并将其转换为脉宽调制控制信号,通过调光节点控制LED输出亮度,实现LED调光灯输出光量的动态、精确、无线调控。试验检验表明,该系统红蓝光光量子通量密度监测误差小于6%,调控输出光照度相对误差小于3%,可满足多个温室实时、按需、定量光环境调控的需求,具有部署灵活、易扩展、低能耗的特点。     

基于GSM无线传输的温室环境因子监测系统设计

针对传统温室环境因子监测系统实时性差,缺少预警功能等问题,设计基于无线传感器的温室环境因子监测系统。系统将传感器采集到的环境数据经过单片机处理后通过GSM模块进行无线传输,实现对温室环境的远程监测。传感器采用通用多针数据接口模式,可根据需要检测不同的环境因子,具有很强的通用性。系统采用GSM短消息的方式将信息发送给用户,有较高的实时性。     

基于植株需光差异特性的设施黄瓜立体光环境智能调控系统

光是植物进行光合作用的主要能量来源,光照好坏直接影响作物的产量和品质。本研究针对现有植物补光系统多以功能叶光合能力为基准进行冠层补光,导致冠层新生叶光抑制、株间功能叶位补光不足以及补光位置不能适应作物生长进行动态调整的问题,以黄瓜为研究对象,设计了一种基于植株需光差异特性的设施黄瓜立体光环境智能调控系统。该系统由智能控制子系统、冠层-株间LED补光子系统、冠层-株间环境监测子系统和补光灯升降子系统组成,通过ZigBee技术实现各子系统间无线通信。其中冠层-株间环境监测子系统分别获取冠层和株间环境信息并发送至智能控制子系统,智能控制子系统根据环境实时信息调用冠层调控模型和株间适宜叶位调控模型获得相应调控目标值,并将其下发至冠层-株间补光灯,实现冠层与株间补光灯的动态实时调控。在陕西省泾阳县蔬菜产业综合服务区蔬菜基地分别部署立体补光设备和传统冠层补光设备,并进行系统调控效果验证试验。结果表明,立体补光区黄瓜植株的株高和茎粗显著增长,其中相比传统冠层补光区平均株高、茎粗分别增长了8.03%和7.24%,相比自然处理区平均株高、茎粗分别增长了26.51%和36.03%;在一个月的采摘期内,立体补光区相比传统冠层补光区和自然处理区产量分别提升了0.28和1.39 kg/m²,经济效益分别增加了2.82和4.88 CNY/m²,说明立体光环境调控系统能够提高经济效益,具有应用推广价值。     

融合叶位光合差异的设施黄瓜立体光环境优化调控模型

黄瓜整株光合积累不仅与温度、CO2浓度、光照强度有关,而且与不同叶位的光合特性显著相关,实现不同叶位需光参数动态获取,是设施黄瓜立体光环境优化调控亟待解决的问题。本文提出了融合多智能算法的黄瓜立体光环境优化调控模型,设计了多因素嵌套实验获取多维样本数据,构建耦合叶位、温度、光照强度、CO2浓度的回归型支持向量机光合速率预测模型;基于粒子群算法进行光饱和点寻优,获取不同环境条件下不同叶位的目标光照强度;采用回归型支持向量机算法,针对目标光照强度构建立体光环境优化调控模型。结果表明,本文所提方法可动态计算作物整株不同叶位不同环境因子作用下的目标光照强度,模型决定系数为0. 999 3,均方根误差为2. 349μmol/(m~2·s),进一步分析不同叶位叶绿素含量与光合特性关系,证明两者具有强关联性,研究对提高设施藤蔓类作物立体光环境调控效率具有重要意义。     

基于ZigBee的温室自动灌溉系统设计与实现

针对我国水资源紧缺及温室大棚节水灌溉的迫切需求,研究设计了一套基于ZigBee的温室自动灌溉系统。该系统由太阳能供电,可以现场为用户提供直观的系统管理平台来完成节点管理和数据处理功能,开发了服务器端温室信息管理系统软件,实现了Web方式下的信息实时监控和远程监控报警,并且有效简化了现场设备安装与拆移等过程,使之更适合不便直接连线的一般监控场合应用。初步试验表明:把土壤湿度提高30%所需的时间在50～60 min之内,系统的控制误差在4%以内;系统运行稳定,操作简单,准确性和快速性等指标能满足农业技术要求,具有一定的推广应用价值。系统的研制和使用可为建立大型远程智能灌溉系统提供经验和技术支持。     

基于离散曲率的温室CO2优化调控模型研究

提出了基于离散曲率算法的温室CO_2优化调控模型,通过设计嵌套试验采集温室不同温度、光照强度、CO_2浓度组合下的番茄光合速率,利用支持向量机回归算法(Support vector regression algorithm,SVR)构建光合速率预测模型;以预测模型网络为目标函数,采用L弦长曲率算法实现CO_2响应曲线离散曲率的计算,利用爬山法获得不同温度、光照强度组合条件的CO_2响应曲线曲率最大点,以此作为效益最优的调控目标值,进而基于SVR构建CO_2优化调控模型。结果表明,调控模型的决定系数为0. 99、均方根误差为4. 42μmol/mol、平均绝对误差为3. 17μmol/mol,拟合效果良好。与CO_2饱和点目标值的调控效果对比发现,理论上CO_2供需量平均下降61. 81%,光合速率平均减少15. 58%;验证试验中,相较饱和点调控下光合速率平均下降15. 14%,CO_2供需量下降57. 61%,相较自然条件下光合速率升高26. 70%。说明此温室CO_2优化调控模型具有高效节能特点,为设施作物CO_2高效精准调控和节本增效提供了理论基础。