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基于多传感器融合的温室环境智能控制系统研究与实现

王东  
【摘要】:温室智能监控技术是近年发展起来的一种集约型高效农业控制技术,目前所采用的温室控制方法大多是单因子开关量的阈值控制方式,而由于温室自身的特点,因此已有的监控方式不能满足温室的大量密集监控需求。本文针对设施农业中温室监控的应用需求,将多传感器融合技术引入到温室智能监控系统中,建立了基于支持向量机的温室环境多因子监控系统,并设计了基于ZigBee协议的温室无线监控节点,为温室环境的无线监控和智能控制提供技术支持。 本文的主要研究内容及成果如下: (1)在分析现有温室环境远程监控系统不足的基础上,结合设施农业中温室环境监控的具体应用需求,以TI公司的CC2530为微处理芯片设计了无线监控节点,每个监控节点可通过I2C总线和模拟量采集多路环境因子信息,并可通过电磁继电器控制最多四路设备。 (2)分析各种融合方法的优缺点,针对温室黄瓜的实际环境需求,研究了温室环境控制设备状态组合类的识别方法。建立了基于支持向量机的设备状态组合类分类模型,根据实际需求将设备状态组合分为9类,分别以不同的环境参数组合作为输入,每类参数选取28组数据(共252组数据)作为样本空间,用于模型的训练与测试。利用SVM的3种核函数对样本进行测试。将温室控制问题转换为依据不同环境参数组合的控制设备开关状态组合的分类问题。结果表明:当训练样本为180、测试样本为72时线性核函数的分类识别率最高,可达98.61%,满足温室环境智能控制需求。 (3)对现有温室大棚群环境监控系统的体系结构进行了优化,将原有的三层结构简化为两层,将控制算法放到基地管理层,由PC机进行控制。控制中心接收监测数据,做出决策,并将控制指令下发到监控节点,实测无线传输距离可达150m,系统可单独作为温室环境监控系统管理基地,也可加入到已有系统中作为子系统使用。 (4)开展了WSN优化设计,采用ZigBee2007作为网络的无线传输协议,根据温室应用特征,从设备类型、网络信道、PANID、网络拓扑结构、数据发送模式OSAL任务等六个方面对ZigBee2007进行了优化配置,实现了WSN监控节点和根节点的通讯;设计实现了监测数据和控制信息的无线传输,使得监测和控制设备布点更加灵活,降低投入成本,提高了WSN的稳定性和可靠性。 (5)以Matlab(R2010a)为平台,开发了面向实际温室生产需求的多因子温室环境控制系统。测试表明:系统可以依据不同环境参数组合准确对温室控制设备状态组合进行分类,分类正确率最高可达98.61%,满足温室环境控制需求。


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