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微型植物工厂智能控制系统!

农业机械学报 2013年第S2期44卷 198-204页

作者：艾海波魏晋宏邱权郑文刚太原理工大学机械电子工程研究所太原030024 北京农业智能装备技术研究中心北京100097

利用嵌入式技术,设计了一种基于STM32的微型植物工厂智能控制系统。该系统以STM32微处理器为硬件核心,结合μC/OS-Ⅱ操作系统,实现了微型植物工厂内部温湿度、光照等多个环境因子的实时显示和精确控制,提出了温湿度模糊解耦方法并采用... 详细信息

利用嵌入式技术,设计了一种基于STM32的微型植物工厂智能控制系统。该系统以STM32微处理器为硬件核心,结合μC/OS-Ⅱ操作系统,实现了微型植物工厂内部温湿度、光照等多个环境因子的实时显示和精确控制,提出了温湿度模糊解耦方法并采用模糊控制算法进行温度和湿度控制,有效解决了温度和湿度控制存在大滞后、强耦合的问题。微型植物工厂智能控制系统具有较高的实用性。

关键词：微型植物工厂智能控制模糊控制解耦

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微型植物工厂温湿度场分析与传感器优化布局

森林工程 2019年第2期35卷 61-68页

作者：赵国强贾鹤鸣张森彭晓旭李金夺马军东北林业大学机电工程学院哈尔滨150040

微型植物工厂在温湿度变化的过程中,温湿度场分布存在差异性,传感器所采集的数据会随着传感器的位置改变而变化,影响数据采集准确度。针对上述问题,本文提出一种传感器布置方案,利用计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)仿真... 详细信息

微型植物工厂在温湿度变化的过程中,温湿度场分布存在差异性,传感器所采集的数据会随着传感器的位置改变而变化,影响数据采集准确度。针对上述问题,本文提出一种传感器布置方案,利用计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)仿真软件FLUENT对不同方案下的温湿度场进行模拟仿真,分析不同传感器布局与植物生长区温湿度变化的关系,找到传感器最佳布局方案并进行验证试验。仿真结果表明:借助计算流体力学仿真,通过比较不同布置方案的温湿度数据拟合优度等参数,可以直观分析数据采集差异性,便于最佳方案的比较和筛选。试验结果表明:温湿度实测数据同模拟数据相对误差分别保持在5. 6%和3. 2%以下,模拟效果与实验效果吻合较好,筛选出的方案能够准确跟踪植物生长区温湿度变化,验证模型的有效性。该研究对提高植物工厂的控制精度和减少作物生长的差异性具有一定参考价值。

关键词：微型植物工厂温湿度传感器流体力学组分守恒湍流模型

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微型植物工厂环境控制参数优化试验研究

农机化研究 2020年第12期42卷 150-155页

作者：左志宇徐超毛罕平张晓东杨俊杰江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室江苏镇江212013

为了提高微型植物工厂内部温度分布均匀性和作物净光合速率,提出采用试验研究和CFD仿真相结合的方法对其环境控制参数进行优化设计。以生菜为例,通过多因素耦合试验,探索了温度、湿度和循环风速3种因素对生菜净光合速率和蒸腾速率的影响... 详细信息

为了提高微型植物工厂内部温度分布均匀性和作物净光合速率,提出采用试验研究和CFD仿真相结合的方法对其环境控制参数进行优化设计。以生菜为例,通过多因素耦合试验,探索了温度、湿度和循环风速3种因素对生菜净光合速率和蒸腾速率的影响,并对不同风速控制策略下植物工厂内气流场和温度场进行了CFD数值仿真分析。试验结果表明:风速对生菜的净光合速率和蒸腾速率均有显著影响;微型植物工厂内采用上层低循环风速、下层高循环风速模式,有利于保证内部温度的均匀性,生菜的净光合速率也处于较高水平,有利于其生长。

关键词：环境控制微型植物工厂净光合速率蒸腾速率 CFD

微型植物工厂LED多光谱补光系统的设计与应用

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吉林农业大学学报 2020年第1期42卷 113-118页

作者：鞠红艳李季孙艺哲宫鹤李士军吉林农业大学信息技术学院长春130118

不同的光谱、光强和光照周期对植物的影响不同。为了深入研究植物与光照的关系,设计一种微型植物工厂LED多光谱补光系统的可控光源。基于嵌入式系统,对微型植物工厂所需补光进行分析,通过控制不同波长的LED产生不同光强,使其接近所需光... 详细信息

不同的光谱、光强和光照周期对植物的影响不同。为了深入研究植物与光照的关系,设计一种微型植物工厂LED多光谱补光系统的可控光源。基于嵌入式系统,对微型植物工厂所需补光进行分析,通过控制不同波长的LED产生不同光强,使其接近所需光谱。该补光系统可从365~940 nm的25种不同波段的光谱自由选择,实现大功率LED光谱自由拟合、光照强度连续可调、光照周期自由设定的功能,同时可根据不同植物种类的适宜光环境需求进行“量身定做”,进而实现精确补光。该系统成本低、效率高、精确性高、针对性强,更利于对光与植物关系的研究。

关键词：微型植物工厂 LED多光谱嵌入式系统驱动电路

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微型植物工厂智能控制系统研究

微型植物工厂智能控制系统研究

作者：卓敏敏江苏大学

学位级别：硕士

为了给微型植物工厂内部作物提供适宜的生长环境,本文对其在不同环境温度和设定温度条件下的温度响应特性进行了试验研究,并且设计了环境信息采集模块、生长状态监控模块、人机交互模块、执行驱动模块、数据存储模块、信息交互模块以及... 详细信息

为了给微型植物工厂内部作物提供适宜的生长环境,本文对其在不同环境温度和设定温度条件下的温度响应特性进行了试验研究,并且设计了环境信息采集模块、生长状态监控模块、人机交互模块、执行驱动模块、数据存储模块、信息交互模块以及无线网络通信模块等,并制定了环境因子控制策略,最终搭建了微型植物工厂智能控制系统,并进行了生菜种植试验,验证了系统的可应用性。具体研究工作如下:(1)微型植物工厂温度响应特性的研究。环境因子对作物生长有很大的影响,温度作为影响因素之一,对作物的呼吸作用和光和作用均有显著的作用,影响作物干物质的积累和分配。本文对微型植物工厂在不同环境温度以及设定温度条件下的温度响应特性进行了试验研究,详细分析了微型植物工厂温度响应特性,为微型植物工厂内温度控制策略的制定以及作物生长与环境之间的关系分析提供理论依据。试验分为升温试验和降温试验。(2)微型植物工厂控制系统硬件设计。首先根据微型植物工厂中各环境参数变化特点,制定出相应的调控策略,并依据系统的功能需求和调控策略,完成了控制系统元器件的选型、原理图设计、PCB板绘制、电路焊接以及电路调试。该控制系统包括主控单元和执行单元两部分。主控单元主要包括温度、湿度、液位等主要因素的采集、人机交互设计、时钟模块、存储模块、报警模块、摄像头模块、通信模块以及网络模块等,执行单元主要用来实现与主控单元之间的信息交互以及对各执行机构的控制。(3)微型植物工厂控制系统控制策略和软件设计。根据系统功能需求、硬件设计以及温度响应特性的试验研究结果分析,制定出微型植物工厂环境控制策略,并进行各功能的软件设计。其中主控单元主要用来实现系统设定参数、作物信息、环境检测信息以及系统工作状态的显示功能、基本参数信息的设置功能、温度采集功能和控制算法设计、营养液循环控制算法设计、作物生长状态图片采集功能、数据存储功能以及ESP8266串口转WIFI网络通信功能等。执行单元主要用来实现对微型植物工厂内部各执行机构的软件控制。主控单元和执行单元之间的信息交互采用基于RS485总线的ModbusRTU协议。(4)微型植物工厂性能验证试验。在微型植物工厂内进行生菜种植试验,测试系统整体工作性能,验证系统的控制效果,并记录实验过程发现的问题,完善控制系统,同时在试验过程中记录生菜的长势信息,并对各层作物的生长情况进行分析,通过试验验证微型植物工厂环境控制器和控制策略的有效性。试验结果表明:系统控制误差均在合理范围内并且运行稳定可靠,能够长时间的为作物生长提供适宜的温度、湿度、光照、营养液条件等,具有较高的实用性。

关键词：微型植物工厂温度响应特性控制策略控制系统性能测试

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微型植物工厂隔热材料及微环境优化

微型植物工厂隔热材料及微环境优化

作者：徐超江苏大学

学位级别：硕士

为提高微型植物工厂内部温度分布均匀性、降低隔热材料成本,对隔热材料的保温性能和微型植物工厂微环境进行仿真和试验研究,提出了优化隔热材料和提高温度均匀性的方法。本文对微型植物工厂的热平衡进行了分析;研究了植物工厂中微环境... 详细信息

为提高微型植物工厂内部温度分布均匀性、降低隔热材料成本,对隔热材料的保温性能和微型植物工厂微环境进行仿真和试验研究,提出了优化隔热材料和提高温度均匀性的方法。本文对微型植物工厂的热平衡进行了分析;研究了植物工厂中微环境与生菜生长的相互影响;利用ANSYS软件对隔热材料进行了仿真和优选;通过计算流体力学(CFD)技术模拟不同循环风速下微型植物工厂内部速度场和温度场分布情况,确定了最优的循环风速组合模式,并在微型植物工厂种植生菜进行了试验验证。具体研究工作如下:(1)微型植物工厂热平衡及其数值分析模型。以江苏大学MPF-700型微型植物工厂为研究对象,对微型植物工厂的热源进行了分析,根据微型植物工厂各部分热量表达式及热量平衡方程建立了微型植物工厂的动态热量模型,并对其气流流动控制方程和湍流输运方程进行了选用,为微型植物工厂内部流场的分析提供理论依据。(2)植物工厂中微环境与生菜生长的相互影响。设置温度为T(18℃)、T(22℃)、T(26℃)3个水平,湿度为H(40%)、H(60%)、H(80%)3个水平,循环风速为W(0 m?s)、W(0.6 m?s)、W(1.2 m?s)、W(1.8 m?s)4个水平,研究了生菜不同生长时期在不同温度、湿度和循环风速条件对生菜净光合速率和蒸腾速率的影响。试验结果表明,温度、湿度和循环风速对生菜的光合特性具有显著影响,考虑温度、湿度和循环风速的耦合作用,苗期、生长发育期和收获期最大净光合速率的处理分别为WHT、WHT和WHT,最大蒸腾速率的处理分别为WHT、WHT和WHT。(3)微型植物工厂隔热材料的优化设计。通过ANSYS有限元分析,模拟了冬季热量通过隔热材料向室外传递和和夏季热量通过隔热材料向室内传递情况下,不同厚度的单层隔热材料的温度场分布和热通量。根据微型植物工厂的隔热需求函数确定了各自的适用厚度范围,结合节能指标确定了最佳单层隔热材料。通过单因素仿真试验和均匀试验研究了总厚度、材料顺序、组合方式以及两材料厚度比值对隔热材料隔热性能的影响。确定了两材料厚度比例为0.8,外侧材料为岩棉保温板,内侧材料为酚醛保温板,总厚度为20mm是MPF-700型微型植物工厂的最佳隔热材料,其隔热性能满足微型植物工厂隔热要求,且成本要低于单层材料和其他双层材料组合。(4)微型植物工厂的微环境优化设计。建立了微型植物工厂三维模型并通过CFD技术进行了模拟计算。设置上高下低(上层风速V=1.88)?,中层风速V=1.2 m?s,下层风速V=0.6 m?s)、下高上低(V=1.8 m?s,V=1.2 m?s,V=0.6 m?s)和等速(V=V=V=1.2 m?s)3种气流循环方式进行模拟仿真,分析了微型植物工厂在上、中、下三层设置为不同循环风速条件下的气流场和温度场,发现上低下高的气流和温度均匀性最好。对3种气流循环方式的进行了试验验证,试验结果表明微型植物工厂内部的最优气流循环方式为上低下高,微型植物工厂内部3层温度更均匀。

关键词：微型植物工厂热平衡相互影响隔热材料微环境优化

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微型植物工厂结构及配套设备设计与实验研究

微型植物工厂结构及配套设备设计与实验研究

作者：魏轶凡江苏大学

学位级别：硕士

现今世界由于人口不断增加,导致全球气候变化、耕地面积日益减少、自然灾害频发、环境污染等问题日益突显。市场对食品的数量和品质要求日益提高,传统农业已不能完全满足人类日益增长的需求。作为设施农业发展最高阶段的植物工厂具有环... 详细信息

现今世界由于人口不断增加,导致全球气候变化、耕地面积日益减少、自然灾害频发、环境污染等问题日益突显。市场对食品的数量和品质要求日益提高,传统农业已不能完全满足人类日益增长的需求。作为设施农业发展最高阶段的植物工厂具有环境污染小、资源利用率高、环境可控性好、产量稳定且品质高等优点,其多层次立体栽培,大规模生产高品质,无污染作物的生产方式是解决上述矛盾的重要途径。本文以植物生长环境为核心,适合家庭使用为原则设计了一台微型植物工厂。按照功能需求对各子系统进行了设计和研究并制成样机。本文主要研究的内容如下:(1)通过功能性分析将植物工厂划分为若干子系统,方便模块化分析设计研究。并根据功能需求详细设计了营养液循环,空气循环,温湿度控制的工作方式及配套设备构成。(2)针对微型植物工厂中的温度环境进行了研究,在优化微型植物工厂保温性能的基础上进行节能分析,计算了温湿度控制部件的功率需求,并通过实验测试了温控部件性能和温控效果。(3)分析了人工光源的需求并进行选型,优化光源布置,并验证光源的适用性。对本设计制作的样机测试样机性能,进行生菜种植实验。同时以光照和温度循环方式为变量对生菜的生长情况进行了研究,总结了一些环境因素与生菜生长因素之间的关系。(4)在经过理论计算的基础上,对营养液循环部件进行了选型。进行了营养液循环实验,探讨了不同温度对营养液各参数的影响,研究了营养液的最佳循环方案,为制定更佳的营养液循环方案提供了基础.(5)对两次栽培实验的数据进行分析,以第一次实验数据建立以生菜叶片叶长宽为基础的总叶面积模型,希望以其预测生菜生长情况。以第二次次实验的数据,建立了以有效积温为变量的作物系数模型,以此模型预测微型植物工厂营养液消耗量。

关键词：微型植物工厂结构温控光环境营养循环模型

基于计算流体力学的微型植物工厂温湿度环境模拟及优化方案

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林业工程学报 2019年第6期4卷 136-142页

作者：韩骏骋贾鹤鸣李瑶孙康健康立飞李金夺东北林业大学机电工程学院

为研究微型植物工厂内温度场和湿度场的分布情况并对其进行优化,通过Gambit将建于东北林业大学内的微型植物工厂进行3D建模,采用计算流体力学软件,引入混合了空气和水蒸气的组分运输模型和替代植物的多孔介质模型对工厂内温湿度的分布... 详细信息

为研究微型植物工厂内温度场和湿度场的分布情况并对其进行优化,通过Gambit将建于东北林业大学内的微型植物工厂进行3D建模,采用计算流体力学软件,引入混合了空气和水蒸气的组分运输模型和替代植物的多孔介质模型对工厂内温湿度的分布情况进行数值模拟计算,同时设计2种拥有不同回风口和通风机的位置或数量的优化方案。模拟计算的结果与实际监测值进行对比发现,相对湿度的平均相对误差为0.385%,温度的平均相对误差为1.10%,温湿度的最大误差分别不超过0.9℃和1.5%,模拟情况与实际情况吻合度较好,使得模型的可行性和准确性得以验证。在对2种优化方案进行模拟并与初始方案比较后,得出如下结论:工厂内部气流流动对温湿度的分布有较为明显的影响,2种优化方案的温度分布均匀性均优于初始方案,其中,方案2的温湿度分布均匀性最好,相对湿度和温度的标准偏差分别为0.60%和0.08℃,相对湿度范围为76.4%~79.4%,最高温度和最低温度分别为25.4和25.0℃,平均温湿度分别为25.2℃和77.9%,温湿度的分布均匀性较好,没有抑制植物生长的因素存在,因此方案2,即将通风机分别置于工厂西墙离地0.3和1.0m处,回风口分别离地0.6和1.3m,为工程设计优化的最优方案。最后,对最优方案进行了试验验证,认定最优方案中温湿度的模拟情况可以真实反映温室中的实际环境。

关键词：微型植物工厂湿度场模拟计算计算流体力学均匀性结构优化

基于风扇差速调节的微型植物工厂温度精准控制

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江苏农业学报 2020年第6期36卷 1543-1550页

作者：高菊玲刘永华江苏农林职业技术学院机电工程学院江苏句容212400 江苏省现代农业装备工程中心江苏句容212400

微型植物工厂环境的精准调控是实现其智能化控制的前提,但是已有的环境调控方式存在各栽培层温度差异较大的问题。本研究提出在微型植物工厂内部加入混风通道并采用风扇差速调节的方式,在计算流体动力学(Computational fluid dynamics,C... 详细信息

微型植物工厂环境的精准调控是实现其智能化控制的前提,但是已有的环境调控方式存在各栽培层温度差异较大的问题。本研究提出在微型植物工厂内部加入混风通道并采用风扇差速调节的方式,在计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)模拟仿真中设定目标温度为20℃,通过软件计算得到各栽培层的进风量分别为0.0189 m3/s、0.0236 m3/s、0.0281 m3/s。通过风速调节旋钮对进风量进行调节,通过各层风扇的差速调节来实现各栽培层的均匀调温。结果表明,在目标温度为20℃的条件下,控温设备持续工作60 min后,未使用混风通道和风速差速调节控温方式的传统微型植物工厂内第1、第2栽培层的温度为19℃,而第3栽培层的温度为24℃,温差达到了5℃;使用混风通道和风速差速调节控温方式下的微型植物工厂,各栽培层的温度均为20.5℃左右。由结果可知,在加入混风通道并且进行风扇差速调节后,各栽培层的环境温差得到了有效改善。

关键词：微型植物工厂 CFD模拟仿真风扇差速调节混风通道精准控制