一种植物生长控制策略优化方法、系统及植物生长室与流程

1.本发明涉及智能控制技术领域，更具体地说，它涉及一种植物生长控制策略优化方法、系统及植物生长室。


背景技术：

2.植物生长过程中的光照强度、温度、水分、氧气等环境参数对植物生长发育有着重大影响，且在不同生长周期对各个环境参数有着不同的要求，为了缩短植物生长周期以及反季节种植，室内人工种植技术得以推广应用。
3.现有的植物生长控制技术主要有通过实时调控环境参数的值处于稳定范围的实时控制策略，而实时控制策略实现过程中需要配置大量的传感器进行监测，且调控环境参数的执行设备调控频次高，例如加热件、空调和洒水设备，不仅存在能耗大的问题，长时间的高频调控缩短了执行设备和传感器的使用寿命。此外，现有的植物生长控制技术还有以固定周期为时间间隔对植物生长的环境参数进行定时调控，而受植物生长、热传导、水蒸发等因素影响，温度、水分和氧气的值在固定周期内存在明显的变化，而固定的光照强度在无法使植物生长处于较佳的状态时存在一定的资源浪费，同时固定周期内存在变化的温度、水分和氧气将在一定程度上降低了室内植物的生长发育速度。
4.因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的植物生长控制策略优化方法、系统及植物生长室是我们目前急需解决的问题。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种植物生长控制策略优化方法、系统及植物生长室，考虑了氧含量、空气温度、水含量三种环境参数在控制周期内的变化情况，且结合变化后的氧含量、空气温度和水含量对植物生长的共同影响，为植物生长配置动态控制的光照强度控制值，有效降低了光照强度调控的能耗，并以灵活的控制周期、起始空气温度、起始水含量和起始氧含量降低了植物生长控制的调控频次，且有效提高了植物生长发育的速度。
6.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：第一方面，提供了一种植物生长控制策略优化方法，包括以下步骤：预测分析标准环境下固定周期内的水分变化曲线、氧气变化曲线以及温度变化曲线；以水分变化曲线、氧气变化曲线和温度变化曲线均满足参数约束条件时所对应的最长时段确定控制周期；模拟构建氧含量与光照强度、空气温度与光照强度以及水含量与光照强度之间的生长因子分布图；将同一光照强度下氧含量、空气温度、水含量所对应的生长因子叠加处理后得到融合因子；
以控制周期内融合因子之和最大为优化目标，求解得到包含控制周期内的起始空气温度、起始水含量、起始氧含量以及光照强度控制值的控制优化策略。
7.进一步的，所述标准环境的环境参数包括：以上一个控制周期内氧含量均值所确定的标准氧含量；以上一个控制周期内空气温度均值所确定的标准空气温度；以上一个控制周期内水含量均值所确定的标准水含量；以及，以上一个控制周期内光照强度均值所确定的标准光照强度。
8.进一步的，所述固定周期大于所有的控制周期。
9.进一步的，所述氧含量、空气温度和水含量均为变化因素，变化因素与光照强度之间的生长因子分布图构建过程具体为：获取在同一光照强度下，以唯一一个变化因素为变量所模拟分析得到的多个植物生长量；依据多个植物生长量计算同一光照强度下单个变化因素变化过程中的植物生长量均值；以单个植物生长量与植物生长量均值的比值作为相应变化因素与对应光照强度之间的生长因子；通过调整光照强度的值，多次分析后得到光照强度与变化因素之间的生长因子分布图。
10.进一步的，该方法还包括：获取不同光照强度下单个变化因素变化过程的植物生长量总量；依据单个植物生长量总量在所有植物生长量总量中的占比为相应的光照强度分配修正系数；以生长因子与修正系数之积作为修正后的生长因子；依据修正后的生长因子模拟构建修正后的生长因子分布图。
11.进一步的，所述融合因子与氧含量、空气温度和水含量所对应生长因子之和呈正相关。
12.进一步的，所述融合因子与氧含量、空气温度和水含量所对应生长因子之积呈正相关。
13.进一步的，所述参数约束条件包括：氧含量不小于当前生长周期所对应的氧含量下限值以及不大于当前生长周期所对应的氧含量上限值；空气温度不小于当前生长周期所对应的空气温度下限值以及不大于当前生长周期所对应的空气温度上限值；以及，水含量不小于当前生长周期所对应的水含量下限值以及不大于当前生长周期所对应的水含量上限值。
14.第二方面，提供了一种植物生长控制策略优化系统，包括：趋势分析模块，用于预测分析标准环境下固定周期内的水分变化曲线、氧气变化曲线以及温度变化曲线；周期分析模块，用于以水分变化曲线、氧气变化曲线和温度变化曲线均满足参数
约束条件时所对应的最长时段确定控制周期；因子确定模块，用于模拟构建氧含量与光照强度、空气温度与光照强度以及水含量与光照强度之间的生长因子分布图；因子融合模块，用于将同一光照强度下氧含量、空气温度、水含量所对应的生长因子叠加处理后得到融合因子；策略优化模块，用于以控制周期内融合因子之和最大为优化目标，求解得到包含控制周期内的起始空气温度、起始水含量、起始氧含量以及光照强度控制值的控制优化策略。
15.第三方面，提供了一种植物生长室，所述植物生长室配置有温度调控组件、水分调控件、氧含量调控件以及如第一方面中所述的一种植物生长控制策略优化系统；其中，所述温度调控组件、水分调控件和氧含量调控件依据控制优化策略对植物生长室内的环境参数进行周期调控。
16.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1、本发明提供的一种植物生长控制策略优化方法，考虑了氧含量、空气温度、水含量三种环境参数在控制周期内的变化情况，且结合变化后的氧含量、空气温度和水含量对植物生长的共同影响，为植物生长配置动态控制的光照强度控制值，有效降低了光照强度调控的能耗，并以灵活的控制周期、起始空气温度、起始水含量和起始氧含量降低了植物生长控制的调控频次，且有效提高了植物生长发育的速度；2、本发明以上一个控制周期内环境参数的均值构成下一个控制周期确定时的标准环境，使得预测分析得到的水分变化曲线、氧气变化曲线以及温度变化曲线更加符合实际情况，能够有效降低热传导、水蒸发等因素对预测结果的影响；3、本发明通过实验统计和/或植物生长模型来获得不同的变化因素的值在不同光照强度下的植物生长量，以此确定表示对植物生长发育促进效果的生长因子，方便直观体现氧含量、空气温度和水含量对植物生长的共同影响；4、本发明从水分变化曲线、氧气变化曲线以及温度变化曲线中筛选出同时满足参数约束条件的最长时段作为控制周期，在降低植物生长控制调控频次时，避免了控制优化策略运行时存在环境参数较长时间超出变化因素的正常范围，使得控制优化策略更加可靠。
附图说明
17.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：图1是本发明实施例1中的流程图；图2是本发明实施例2中的系统框图。
具体实施方式
18.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
19.实施例1：一种植物生长控制策略优化方法，如图1所示，包括以下步骤：步骤s1：预测分析标准环境下固定周期内的水分变化曲线、氧气变化曲线以及温度变化曲线；水分变化曲线、氧气变化曲线以及温度变化曲线的预测分析既可以采用模拟实验获取相关数据，也可以通过仿真软件进行仿真分析获取数据，在此不受限制；此外，固定周期大于所有的控制周期；步骤s2：以水分变化曲线、氧气变化曲线和温度变化曲线均满足参数约束条件时所对应的最长时段确定控制周期；例如，水分变化曲线满足水分正常范围所对应时长为t1、氧气变化曲线满足氧含量正常范围所对应时长为t2、温度变化曲线满足温度正常范围所对应时长为t3，则控制周期可以取t1、t2和t3中的最小值；步骤s3：模拟构建氧含量与光照强度、空气温度与光照强度以及水含量与光照强度之间的生长因子分布图；步骤s4：将同一光照强度下氧含量、空气温度、水含量所对应的生长因子叠加处理后得到融合因子；步骤s5：以控制周期内融合因子之和最大为优化目标，求解得到包含控制周期内的起始空气温度、起始水含量、起始氧含量以及光照强度控制值的控制优化策略。
20.标准环境的环境参数可以采用固定的环境参数。而为了使得预测分析得到的水分变化曲线、氧气变化曲线以及温度变化曲线更加符合实际情况，达到修正热传导、水蒸发等因素对预测结果的影响，以上一个控制周期内环境参数的均值构成下一个控制周期确定时的标准环境。
21.具体的，标准环境的环境参数包括：以上一个控制周期内氧含量均值所确定的标准氧含量；以上一个控制周期内空气温度均值所确定的标准空气温度；以上一个控制周期内水含量均值所确定的标准水含量；以及，以上一个控制周期内光照强度均值所确定的标准光照强度。
22.作为一种可选的实施方式，氧含量、空气温度和水含量均为变化因素，变化因素与光照强度之间的生长因子分布图构建过程具体为：获取在同一光照强度下，以唯一一个变化因素为变量所模拟分析得到的多个植物生长量；依据多个植物生长量计算同一光照强度下单个变化因素变化过程中的植物生长量均值；以单个植物生长量与植物生长量均值的比值作为相应变化因素与对应光照强度之间的生长因子；通过调整光照强度的值，多次分析后得到光照强度与变化因素之间的生长因子分布图。
23.此外，在上述可选的实施方式基础上，为了使得生长因子分布图中生长因子的分布误差较小，该方法还包括：获取不同光照强度下单个变化因素变化过程的植物生长量总量；依据单个植物生长量总量在所有植物生长量总量中的占比为相应的光照强度分配修正系数；以生长因子与修正系数之积作为修正后的生长因子；依据修正后的生长因子模拟构建修正后的生长因子分布图。
24.作为一种可选的实施方式，融合因子与氧含量、空气温度和水含量所对应生长因子之和呈正相关。例如，融合因子直接取值为氧含量、空气温度和水含量所对应生长因子之和。
25.作为另一种可选的实施方式，融合因子与氧含量、空气温度和水含量所对应生长因子之积呈正相关。例如，融合因子直接取值为氧含量、空气温度和水含量所对应生长因子
之积。
26.在本实施例中，参数约束条件包括：氧含量不小于当前生长周期所对应的氧含量下限值以及不大于当前生长周期所对应的氧含量上限值；空气温度不小于当前生长周期所对应的空气温度下限值以及不大于当前生长周期所对应的空气温度上限值；以及，水含量不小于当前生长周期所对应的水含量下限值以及不大于当前生长周期所对应的水含量上限值。
27.实施例2：一种植物生长控制策略优化系统，该系统用于实现实施例1中所记载的一种植物生长控制策略优化方法，如图2所示，包括趋势分析模块、周期分析模块、因子确定模块、因子融合模块和策略优化模块。
28.其中，趋势分析模块，用于预测分析标准环境下固定周期内的水分变化曲线、氧气变化曲线以及温度变化曲线；周期分析模块，用于以水分变化曲线、氧气变化曲线和温度变化曲线均满足参数约束条件时所对应的最长时段确定控制周期；因子确定模块，用于模拟构建氧含量与光照强度、空气温度与光照强度以及水含量与光照强度之间的生长因子分布图；因子融合模块，用于将同一光照强度下氧含量、空气温度、水含量所对应的生长因子叠加处理后得到融合因子；策略优化模块，用于以控制周期内融合因子之和最大为优化目标，求解得到包含控制周期内的起始空气温度、起始水含量、起始氧含量以及光照强度控制值的控制优化策略。
29.此外，本发明中的植物生长控制策略优化系统可应用于配置有温度调控组件、水分调控件、氧含量调控件的植物生长室。温度调控组件、水分调控件和氧含量调控件依据控制优化策略对植物生长室内的环境参数进行周期调控。其中，植物生长室包括但不限于实验生长室和温室大棚。
30.工作原理：本发明考虑了氧含量、空气温度、水含量三种环境参数在控制周期内的变化情况，且结合变化后的氧含量、空气温度和水含量对植物生长的共同影响，为植物生长配置动态控制的光照强度控制值，有效降低了光照强度调控的能耗，并以灵活的控制周期、起始空气温度、起始水含量和起始氧含量降低了植物生长控制的调控频次，且有效提高了植物生长发育的速度。
31.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
32.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
33.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指
令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
34.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
35.以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种植物生长控制策略优化方法，其特征是，包括以下步骤：预测分析标准环境下固定周期内的水分变化曲线、氧气变化曲线以及温度变化曲线；以水分变化曲线、氧气变化曲线和温度变化曲线均满足参数约束条件时所对应的最长时段确定控制周期；模拟构建氧含量与光照强度、空气温度与光照强度以及水含量与光照强度之间的生长因子分布图；将同一光照强度下氧含量、空气温度、水含量所对应的生长因子叠加处理后得到融合因子；以控制周期内融合因子之和最大为优化目标，求解得到包含控制周期内的起始空气温度、起始水含量、起始氧含量以及光照强度控制值的控制优化策略。2.根据权利要求1所述的一种植物生长控制策略优化方法，其特征是，所述标准环境的环境参数包括：以上一个控制周期内氧含量均值所确定的标准氧含量；以上一个控制周期内空气温度均值所确定的标准空气温度；以上一个控制周期内水含量均值所确定的标准水含量；以及，以上一个控制周期内光照强度均值所确定的标准光照强度。3.根据权利要求1所述的一种植物生长控制策略优化方法，其特征是，所述固定周期大于所有的控制周期。4.根据权利要求1所述的一种植物生长控制策略优化方法，其特征是，所述氧含量、空气温度和水含量均为变化因素，变化因素与光照强度之间的生长因子分布图构建过程具体为：获取在同一光照强度下，以唯一一个变化因素为变量所模拟分析得到的多个植物生长量；依据多个植物生长量计算同一光照强度下单个变化因素变化过程中的植物生长量均值；以单个植物生长量与植物生长量均值的比值作为相应变化因素与对应光照强度之间的生长因子；通过调整光照强度的值，多次分析后得到光照强度与变化因素之间的生长因子分布图。5.根据权利要求4所述的一种植物生长控制策略优化方法，其特征是，该方法还包括：获取不同光照强度下单个变化因素变化过程的植物生长量总量；依据单个植物生长量总量在所有植物生长量总量中的占比为相应的光照强度分配修正系数；以生长因子与修正系数之积作为修正后的生长因子；依据修正后的生长因子模拟构建修正后的生长因子分布图。6.根据权利要求1所述的一种植物生长控制策略优化方法，其特征是，所述融合因子与氧含量、空气温度和水含量所对应生长因子之和呈正相关。7.根据权利要求1所述的一种植物生长控制策略优化方法，其特征是，所述融合因子与氧含量、空气温度和水含量所对应生长因子之积呈正相关。
8.根据权利要求1所述的一种植物生长控制策略优化方法，其特征是，所述参数约束条件包括：氧含量不小于当前生长周期所对应的氧含量下限值以及不大于当前生长周期所对应的氧含量上限值；空气温度不小于当前生长周期所对应的空气温度下限值以及不大于当前生长周期所对应的空气温度上限值；以及，水含量不小于当前生长周期所对应的水含量下限值以及不大于当前生长周期所对应的水含量上限值。9.一种植物生长控制策略优化系统，其特征是，包括：趋势分析模块，用于预测分析标准环境下固定周期内的水分变化曲线、氧气变化曲线以及温度变化曲线；周期分析模块，用于以水分变化曲线、氧气变化曲线和温度变化曲线均满足参数约束条件时所对应的最长时段确定控制周期；因子确定模块，用于模拟构建氧含量与光照强度、空气温度与光照强度以及水含量与光照强度之间的生长因子分布图；因子融合模块，用于将同一光照强度下氧含量、空气温度、水含量所对应的生长因子叠加处理后得到融合因子；策略优化模块，用于以控制周期内融合因子之和最大为优化目标，求解得到包含控制周期内的起始空气温度、起始水含量、起始氧含量以及光照强度控制值的控制优化策略。10.一种植物生长室，其特征是，所述植物生长室配置有温度调控组件、水分调控件、氧含量调控件以及如权利要求9所述的一种植物生长控制策略优化系统；其中，所述温度调控组件、水分调控件和氧含量调控件依据控制优化策略对植物生长室内的环境参数进行周期调控。

技术总结
本发明公开了一种植物生长控制策略优化方法、系统及植物生长室，涉及智能控制技术领域，其技术方案要点是：考虑了氧含量、空气温度、水含量三种环境参数在控制周期内的变化情况，且结合变化后的氧含量、空气温度和水含量对植物生长的共同影响，以控制周期内融合因子之和最大为优化目标，求解得到包含控制周期内的起始空气温度、起始水含量、起始氧含量以及光照强度控制值的控制优化策略，通过为植物生长配置动态控制的光照强度控制值，有效降低了光照强度调控的能耗，并以灵活的控制周期、起始空气温度、起始水含量和起始氧含量降低了植物生长控制的调控频次，且有效提高了植物生长发育的速度。发育的速度。发育的速度。


技术研发人员：丁敏 毛朝明 姚宏 蒋灵华 朱强根 潘建林 李新星
受保护的技术使用者：丽水市农林科学研究院
技术研发日：2023.07.20
技术公布日：2023/10/5