使用圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)新穎的便攜式智能溫室

　　便攜式智能型溫室簡介

　　溫室的結(jié)構(gòu)被分為三部分：耕種區(qū)，供電系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)。作物被種植于耕種區(qū)，里面有養(yǎng)分槽、輸送系統(tǒng)與一個(gè)用于控制耕種區(qū)溫度的水槽。我們將智能控制系統(tǒng)中的所有傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)都放置在耕種區(qū)中，并在耕種區(qū)外圍覆蓋了密封的塑料膜。

　　供電系統(tǒng)是便攜式智能型溫室的第二個(gè)重要部件。這里，我們采用了一個(gè)供電電路為所有的電力、電子裝置供電。為了開發(fā)可持續(xù)使用的溫室，我們運(yùn)用了綠色工程的技術(shù)，采用了一個(gè)400W風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)與一塊60W光電電池，即時(shí)在環(huán)境狀況不佳時(shí)，每天也可為系統(tǒng)提供 3.3 kWh的電力。這一系統(tǒng)包括了變頻器與蓄電池。

　　第三個(gè)部件是智能控制系統(tǒng)，我們可以將之細(xì)分為傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)組、供電用開關(guān)控制器、智能型核心控制器，以及硬件接口電路。

　　智能溫室的監(jiān)控

　　溫室的幾項(xiàng)變量會(huì)影響作物的數(shù)量與質(zhì)量。便攜式智能型溫室可以控制養(yǎng)料的用量、光照強(qiáng)度、溫度以及耕種區(qū)內(nèi)的濕度，另一個(gè)重要的變量則是供電控制。我們使用一組傳感器來偵測(cè)變量，一組執(zhí)行機(jī)構(gòu)來進(jìn)行控制。

　　NI USB-6211 M系列多功能DAQ模塊可以采集光照強(qiáng)度、溫度、濕度和養(yǎng)料等變量并產(chǎn)生信號(hào)。我們同時(shí)還使用了擁有128 MB DRAM、2 GB硬盤的cRIO-9014 實(shí)時(shí)控制器， NI 9265模擬輸出模塊與 NI 9215模擬輸入模塊，以監(jiān)控供電系統(tǒng)。最后，我們對(duì)智能型核心控制器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出合理的響應(yīng)并輸出，以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制。

　　智能型核心控制器

　　便攜式智能型溫室的主要組件是基于AI技術(shù)的智能型核心控制器?？刂破魇怯蓴?shù)個(gè)模糊控制器(Fuzzy control)和類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Neural network)所組成的，模糊控制器會(huì)控制光照強(qiáng)度并管理養(yǎng)料，而類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則用于開發(fā)溫度、濕度和供電等控制器。在開發(fā)核心控制器時(shí)，我們還采用了本校于2008年開發(fā)的LabVIEW下的智能控制工具包(Intelligent Control Toolkit for LabVIEW)，這一工具包正在專利申請(qǐng)中。

　　我們用模糊控制器來控制光照強(qiáng)度并管理養(yǎng)料。智能型核心控制器需要測(cè)量濕度、光照強(qiáng)度與溫度的值。我們針對(duì)每輸入端子的三個(gè)隸屬函數(shù)(Membership function)提出27條模糊規(guī)則(Fuzzy rule)，以取得合理響應(yīng)。這些規(guī)則參考了農(nóng)業(yè)專家的意見、書籍、研究論文與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在提出每個(gè)輸入端子的隸屬函數(shù)后，我們也針對(duì)光照強(qiáng)度與養(yǎng)料管理的輸出隸屬函數(shù)提出報(bào)告。

　　我們使用類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了溫度、濕度和供電控制器。使用USB-6211來測(cè)定溫室內(nèi)外的溫度，以獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了采用動(dòng)態(tài)類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)系統(tǒng)模型，我們使用了2880個(gè)樣本與后向傳播訓(xùn)練 (Backpropagation training)表達(dá)式，找出系統(tǒng)的溫度類神經(jīng)模型。然后我們執(zhí)行了模糊控制及經(jīng)典的比例-積分-微分(PID)控制。最后，我們以動(dòng)態(tài)類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了整個(gè)控制器模型，這是由于使用經(jīng)典 PID只能用于單個(gè)設(shè)定點(diǎn)，但是這一控制器卻可以用于所有的設(shè)定點(diǎn)。

　　我們利用三種不同的知識(shí)庫(真實(shí)數(shù)據(jù)、發(fā)電機(jī)和光伏電池系統(tǒng)的神經(jīng)模型以及數(shù)學(xué)方程式)，以動(dòng)態(tài)類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)了電源控制器模型。我們根據(jù)輻射和風(fēng)速變量與供電量的比較值，按照和室內(nèi)溫度溫室模型一樣的方式建構(gòu)發(fā)電機(jī)和光伏電池的神經(jīng)模型。控制器通過預(yù)測(cè)最大供電，在兩個(gè)電源系統(tǒng)之間切換。