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基于云平台的棚室环境远程监控系统的设计与实现(开题报告)

发布时间:2018-07-18 02:06
一、选题依据
1.1选题的缘由
设施农业是中国农业现代化发展的重要方向之一,改善温室环境、为农作物的生长发育提供有利条件、实现温室的高产高效与可持续发展是温室监控的主要目的,对温室产业发展乃至中国的整体农业现代化进程都具有深远的影响[3-5]。美国、荷兰等发达国家的温室监控技术发展较早,技术较为先进[6-8]。近些年来,通过对发达国家先进温室监控技术消化吸收和发展,国产自主研发温室监控系统逐步发展起来[9-11],但是从总体来看,中国的温室监控技术水平较这些发达国家仍存在差距,主要表现在投入控制系统成本较大温室环境因子调控程度不高,不能充分适应温室控制的要求[12-14]等。
信息技术的发展,尤其是计算机技术和互联网技术的快速发展,很大程度上改变了人们的工作和生活方式,世界各国在基础设施建设方面也投入了巨额资金,互联网的带宽速度和可靠性有了极大提高。互联网的普及和信息化的建设,使得需要处理的数据量不断增加,网络上每天处理的数据达到了海量级的,2010年仅全球手机网络的每天数据流量就已经达到了 4300万G。而当前,百度技术委员会理事长陈尚义透露:“百度每天处理的数据量将近100个PB,1PB就等于100万个G,相当于5000个国家图书馆的信息量的总和。” [1-2]
如此大数据量的处理,使得以往的一台或几台服务器对数据的运算和存储已经很难满足人们的需求,于是分布式计算、并行计算、网格计算以及云计算等技术相继出现。在Google、IBM等公司的推动和引领下,各大网络公司及IT企业始推出自己基于云计算平台的云计算服务,云服务的出现,使人们可以获取到近乎无限的计算资源及存储空间,而不必关心服务的实现方式。
目前,云计算平台已经运用到日常生活以及大型科研项目等很多领域,通过这项技术,云计算平台服务供应商能够在几秒钟内完成数量巨大的数据处理操作,可以实现和巨型机甚至超级计算机同样强大的网络性能和服务性能。云计算平台己经应用于分析DNA结构、绘制基因图谱、解析癌症细胞特征等运算量巨大的科学计算中。
结合云计算平台技术,本文提出了基于云平台的棚室环境远程监控系统,当棚室中的环境超出作物的适宜生长范围后,系统会立即给用户发送告警信息,提示用户棚室内的环境情况,用户根据告警信息实现对棚室内相关设施的远程监控。
1.2 研究内容的应用价值
随着经济的增长,建筑物占地面积正在不断扩大,而耕地面积正日趋减少。在我国这样一个人口大国,粮食供给不足问题亟待解决。温室系统作为一个人为建造的半放的环境空间,给作物提供了相对合理的生长环境,使作物不再受自然条件和地域的影响,从而实现全天候、反季节生产。它不仅能够优化作物生长环境,带来很好的经济效益,而且对环境保护做出很大的贡献。
温室环境为作物生长提供了适宜的条件,由于温室是一个半 放的系统,它实时和外界发生着物质和能量的交换,如果没有相应的控制手段,环境参数的变化很难满足周年作物生长的需要,因此对温室环境进行合理地控制是提高作物产量和品质的关键。温室环境中的可控因子有温度、湿度、二氧化碳浓度及土壤水分等,温室环境控制指以提高作物的产量和质量为目的,对以上环境因子进行合理地控制[2]。主要通过控制温室内的一些环境设施来改变上述的环境因素,温室内的环境设施主要有遮阳系统、天窗系统、喷雾系统、滴灌系统、补光系统以及湿帘风机系统等。
上述情况表明,只有采用合适的控制技术,才可以有效地保证温室内的环境满足作物需求,保证作物的产量和质量,从根本上解决粮食紧缺的问题。
云计算平台的出现和快速发展为监控技术的发展提供了新的机遇,本系统利用云平台的分布式计算及分布式存储的技术特点,结合现有的监控技术,实现对棚室环境的远程监控,有效并综合的处理棚室的各项环境温度,尽可能的为促进棚室中农作物的生长提供优良环境,以实现农作物的质量和产量得到进一步的提高。
1.3国内外研究动态和趋势
1.3.1 国外研究现状
国外对温室系统的研究开始的比较早,早在70年代初,包括荷兰、美国、英国、日本、以色列及韩国在内的一些国家便着手对温室控制系统进行了研究,但因为当时的技术不够先进,对温室控制系统的研究大多还是停留在机械化和单因子的控制,即只通过改变温度、湿度或二氧化碳浓度等其中之一的温室环境因素去改变温室环境。但温室内的环境会一直受到外界环境的影响,而且环境中的多个因子彼此之间也会互相影响[15],要想实现温室环境的优化控制是一个极其复杂的过程,只对单个因子进行控制,不足以满足作物生长需求。随着计算机技术的发展,越来越多的专家学者开始利用计算机控制温室环境系统。荷兰早在20世纪70年代初就将计算机应用到了温室的控制中,日本在20世纪70年代末将微机系统应用在温室控制中。许多发达国家甚至实现了依据专家系统提供的作物生长特点去对作物进行控制[16]
1991年,DAVIS和H00PER[17]在基于自动控制的基础上,对温室内的加热系统引进软控制,改善管道的加热和冷却速率进而控制温室内的环境温度。1992年,Ivanova[18]等人介绍了 一个小维度空间的温室,该系统通过微型计算机实现了温室内动作机构的全自动控制。1994年,TURKAY[19]提出了基于有规则的专家系统对温室内外的温湿度进行控制,此外这篇文章还首次通过实验验证了基于回归分析的标准湿度图对湿度进行控制。由于温室是一个非线性的环境,单靠传统的控制方式和控制模型很难满足温室控制的要求,因此,对温室环境的控制不再基于单因子控制。1996年,Gonzalez和Leyris[20]采用了广义预测控制,对多输入多输出的温室模型进了分析。2000年,Caponetto和Sigrimis[21-22]等人,提出利用人工智能(AI)去建模和控制温室,为有效整合专家系统做研究。2003年,Capdla[l4]等人提出了基于神经网络和专家系统方法的智能温室控制系统设计,可以实现温室内的最佳小气候,并取得了令人满意的效果。2005年,E1 Ghoumari. MY和Tantau. HJ[23]等人,研究了模型预测控制(MPC)在温室控制系统中的应用,另外,该模型预测控制应用了 PID控制。MPC算法的主要优势在于可以提高系统性能和节约能源,且可以实现软件的最优控制。2009年,Janos.Simon和Martinovic.Goran[24]提出了基于互联网和无线数据米集模块实现温室系统的远程监控。该系统在web平台上提供了包含传感器的釆集数据、执行器件的用户界面及温室环境的日志事件,并通过摄像头将温室内的环境远程传输到电脑上。无线数据釆集模块主要是基于无线传感器网络实现的温室环境监测,实现了温室监控环境的自动化、无人化及智能化管理。
综上所述,国外的温室研究已经比较成熟,逐渐形成了有效的专家系统,实现了温室的多因子控制。而且随着国外对温室控制方面研究的不断提出,出现像神经网络、遗传算法、人工智能及模糊算法等先进的温室控制算法,逐渐实现了温室控制的无人化、自动化及智能化。
1.3.2 国内研究现状
我国温室环境控制的研究起步比较晚,20世纪80年代,我国才在温室建筑结构、环境调控以及作物种植等方面进行了相关改进,在寒冷的天气下可以实现不添加任何加热设备进行喜温作物的种植,虽然在温室环境技术的控制上有所改进,但产量较低。在20世纪90年代,我国开始从国外引进比较先进的温室设施和控制设备[15]。虽然国外的这些设施和设备都比较先进,但它们大多存在价格高、不符合国内温室控制要求以及缺乏相关控制人才等问题。目前,我国已经出现了很多对温室控制方面的研究。从通信介质上来分类,可以分为总线式和无线式两种。
总线在温室控制系统中的应用较广泛,国内有较多的专家学者对这种控制方法进行了研究,总线式主要有RS485总线、CAN总线和Lonworks总线这几种典型的总线连接方式。早在2003年,杜尚丰和赵兴炳[26]等人就将RS-485总线应用到温室环境的控制中通过传感器获得温室内的环境数据,将这些数据通过485总线传入到上位机,上位机通过控制算法发出控制信号,实现了对环境的控制。2004年,尚明华和房毅等人将LonWorks总线技术应用到温室智能控制中,并提出LonWorks总线技术具有容错性强、布线简单、易于扩展、成本低廉以及多种网络拓扑结构等诸多优点。2006年,杨明[28]等人将CAN总线作为通信方式应用于智能温控系统中,数据采集和控制信号都通过智能节点进行操作,实现了温室控制的智能化和分布化的管理。
随着无线网络技术的不断发展,温室环境的控制正在从有线转向无线,而且由于3G技术的成熟,无线网络的数据传输速率也变得很快,并且逐渐达到可以和有线网络相媳美的水平。温室环境控制对机构的动作实时性要求比较高,而管理人员并不能保证在环境急剧变化时到达温室现场去实现控制,无线控制便可以较好地解决这个问题。无线控制方式还具有成本低、适用于远程控制以及分布范围大的环境控制等优点[29]。因此,目前大多数研究者将无线通讯技术应用于温室环境的控制方面实现了远程控制,常用的无线通讯技术有ZigBee、GPRS及WiFi等。2006年,陈祥等人将ZigBee传输协议应用到了温室环境监控中实现了无线测控,此系统的采集节点均采用的是单片机、传感器以及无线模块的结合模式,将节点上釆集的数据通过ZigBee协议发送到了远程路由,将该系统在实际中进行了试验,试验结果表明对温室内温湿度的控制效果较好。随着无线通信技术的不断发展,2011年,马增炜等人将Win与嵌入式技术相结合应用到了温室环境的智能控制中,在此系统中利用Win技术对多种环境数据进行了远程监控,该系统实现起来成本低廉、操作方便,但存在传输距离有限的缺点。2011年,蒋鼎国[30]等人将GPRS技术应用到温室的远程监控中,该系统通过GPRS网络实现数据的远程传输与实时的短信报警功能,具有制成成本低、实时性好、控制简单方便、控制距离远等显著的优点,拥有很好的经济效益。
1.3.3发展趋势
随着科学技术的发展,大棚环境远程监控技术正向智能化、信息化、精确化等方向发展,以下三个方面将是大棚环境远程监控研究的几个重要方向:
(1)作物模型的研究
作物模型用于描述作物生长发育情况与作物生长环境因素之间的关系,它是实现精准农业的基础,也是实现自动化农业生产的关键技术。大棚控制系统需要建立用环境参数描述的作物模型,并与作物的生长模型相结合,根据农业品种提供相应的控制策略,实现全自动的智能大棚。现有的作物模型由于其复杂性和描述方式的不兼容,很难直接与大棚控制系统相结合,形成完整的控制策略。
(2)基于嵌入式系统和工业以太网的大棚监控系统
工业以太网具有和Internet相兼容的结构和协议,因此通过工业以太网接入Internet将节省软硬件的开发,大大提高系统的稳定性并降低维护成本。随着电子技术的发展,嵌入式系统功能越来越强大,不但能实现设备控制和通用网络的功能,而且还能在其内部集成网络服务器功能。用嵌入式系统取代一般的PC机,实现对各种传感器和控制设备的监控,并开发自动化、网络化、无线化的通用控制器是网络控制系统发展的重要研究方向。
(3)与云计算技术和Internet相结合的远程监控系统。
针对农业对象的多样性、地域广阔、偏僻分散、远离都市社区等特点,把Internet和移动通信技术引入到花卉大棚远程监控系统,利用Internet和云计算技术来解决花卉大棚远程监控系统的通讯问题将是一种很好的解决方案,这将会在实际应用中有着长远的重要的意义,也是今后控制系统发展的一个重要方向。
1.4参考文献
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