基于智能农业理念的草莓立体栽培生产管控大系统构建

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1、基于智能农业理念的草莓立体栽培生产管控大系统构建摘要：基于智能农业理念构建农业大系统其最终目的是对农业大系统应用智能控制技术进行调控，同时强调智能控制对农业整体系统带来的巨大作用。构建以大系统控制为目的智能农业系统先要从微观智能系统开始，根据复杂大系统的建模要求及本系统的划分构建出与农业体系各个层面相对应的管控子系统，同时基于通讯网络再构建广义智能农业系统，这其中更强调智能控制的作用。本文以草莓种植和管控体系为对象构建智能农业大系统控制体系，分别在微观智能、中观智能、宏观智能三个层次上阐述了农业大系统智能控制的特点，同时论述了智能控制系统中的智能协调控制器的功能。关键词：草莓智能农业控

2、制系统协调控制器0前言草莓种植和加工是目前果蔬农业中比喜爱吃的肉质和味道、以及市场的经济收益很高，已经使草莓的种植和生产越来越受到重视，并且有逐年扩大种植、生产的趋势。作为草莓生长的环境载体大部分是温室生产，因此可以实现可控的参数和可控的目标相互结合并构建草莓智能控制系统，这便是以往温室环境控制的独立控制模式。而基于复杂农业大系统控制的智能农业理念[1]，我们认为这种独立、单体温室控制模式虽然有其自身的优点，如对象单一、可控，容易实现单体温室的一个或几个控制目标[2]，但是更突出的不足是没有形成大系统控制观念，即温室与温室之间的协调控制、区域型10万栋级别温室的大系统协调控制、以及该领

3、域的农作物预报控制和决策最优控制等都没有体现出来。随着当今互联网技术、物联网技术、传感网技术的蓬勃发展，为实现上述农业大系统的智能控制系统提供了可能。同时，农业科技的进步需求和农业智能化目标的给出也迫切使科技人员要研究智能农业大系统控制理论，并开发出针对农业整体大系统的智能控制系统，而不是单一的、局部的、仅仅解决某个问题的小系统。当然，这一新兴的观点还有很多需要解决的理论问题和系统集成技术问题[3]，但是我们可以先从农业的某一局部系统开始做起。本文基于智能农业理念，研究以某大区草莓种植和生产为控制管理对象的广义智能农业系统。在充分体现智能控制的特点前提下，构建大系统智能控制体系，并阐述

4、了与以往单体、独立的温室控制系统不同之处，在更高的广义层面上分析了控制系统构建要素，对分散控制-集中控制-阶梯控制网络，按照微观智能、中观智能和宏观智能分析了协调控制器模型以及智能网络控制规则。1基于智能农业理念的广义农业控制系统智能农业理念强调将农业系统视为反馈的复杂大系统，这与控制理论奠基人维纳的思想：一切有生命和无生命的系统都是反馈系统是相吻合的[4]。对于这样一个多参数、多目标、强耦合、大尺度的非线性系统，以往很少研究其大系统的整体控制问题。目前有关农业智能化的研究和应用基本上是集中在农业信息处理方面，即：将人工智能技术应用于农业知识获取、表达和加工推理、以及对行业的农业专家决

5、策系统软件的开发与研究上[5]。智能农业的一个根本理念是视农业大系统为可控的反馈系统，同时将大系统控制概念引入农业系统中，利用有效的智能控制手段对农业系统进行整体的优化调控[1][3]。基于此，我们综合了闭环控制和智能控制的特点提出了一个完整的农业控制大系统应该是如图1所示的架构的设想[6]。图1.农业某一领域智能控制大系统架构基于控制的任何一个智能控制系统均可以表示为“控制者+被控对象”、“调控+反馈”的组合。在分析智能农业大系统时，我们根据这些组合的不同划分，设计了这个闭环控制的智能农业系统。图中各个子系统in对应农业某一领域中的不同控制对象，而综合反馈和自适应调控则体现出该领域

6、的智能化。这其中，我们设定的宏观智能调控器则是体现大系统智能控制的一个关键点，同时在系统的协调控制中起到了至关重要的作用。如果将这个系统按照系统规模和递阶角度划分，我们进一步给出了农业某一领域基于微观级、中观级、宏观级划分的广义大系统控制架构，如图2所示。图2.递阶式广义农业大系统智能控制体系架构这个从系统递阶角度给出的智能农业的广义大系统控制架构，是基于农业某一领域的智能控制为基本点，通过各级局部智能协调器以达到农业系统整体控制目标。其中，从微观级到中观级则是对应图1的架构，而宏观级的智能协调器和智能决策系统则体现在农业系统的整体智能决策及调控方面。同时，在这个广义智能农业大系统中，

7、传感网、物联网、互联网是该系统的通讯神经，其管理数据流和控制数据流共享网络资源、且含有双向信息流也是智能农业的另一个显著特点。2草莓种植和管理控制系统2.1单体温室栽培的草莓管控体系构建本文所涉及的草莓温室种植是针对北京市第七届世界草莓大会示范大棚的草莓立体栽培种植模式为对象。其中单体温室的调控框图如图3所示。这里除了一般作物的温室控制目标，如土壤温度控制、两种营养液混合的滴灌控制、室外卷帘控制、通风控制外，我们还开发了草莓立体栽培控制系统的草