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申请/专利权人：淮阴工学院

摘要：本发明公开了一种多功能绿色智能大棚系统，包括供电单元、环境感知单元、生长环境调节单元和中央控制模块。供电单元用来为传感器、调节器供电；环境感知单元中传感器用来实时监测温度、湿度、光照、氮磷钾含量关键参数；中央控制模块通过对传感器模块采集到的温度、湿度、光照和氮磷钾含量利用生物量过程模拟模型预测作物的生长，生长环境调节单元根据ISWO算法提供给中央控制模块的指令，自动调节作物生长环境所需要的参数，使得作物生长在更适宜的环境中，从而产生更高的经济效益。与传统大棚相比，本发明可为种植者提供科学的决策支持和精细化的生长管理，提高作物的产量和质量，降低生产成本，具有广泛的应用前景。

主权项：1.一种多功能绿色智能大棚系统，其特征在于，包括供电单元、环境感知单元、生长环境调节单元和中央控制模块；所述供电单元为所述绿色智能大棚系统提供电能，所述环境感知单元包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器、土壤氮磷钾传感器、摄像头；生长环境调节单元包括加热器、加湿器、调光器和氮、磷、钾肥补充装置；所述环境感知单元采集作物生长环境的温度、湿度、光照强度、土壤氮磷钾含量以及作物绿叶面积；所述生长环境调节单元用于调节作物生长环境的温度、湿度、光照强度以及氮磷钾浓度；所述中央控制模块基于环境感知单元采集的数据构建生物量过程模拟模型进行作物生长的预测，并基于采集的实时数据利用蜘蛛蜂算法优化所述生物量过程模拟模型，根据优化后的生物量过程模拟模型的作物生长的预测结果确定其需要的温度、湿度、光照和氮磷钾含量，根据中央控制模块中预存的温度、湿度、光照和氮磷钾含量给出最优的设备运行策略，控制所述生长环境调节单元对温度、湿度、光照强度、土壤氮磷钾含量进行调节；所述生物量过程模拟模型预测作物生长，所述生物量过程模拟模型具体如下：经过光合作用产生的有机物的总量称为生物量，生物量的公式如下： 式中，AGBWi为第i天作物积累的生物量；ΔAGBWi为第i天生物量的增量，k为作物生长的总天数；ΔAGBWi＝ΔDPAWi-RGi-RMi式中，ΔDPAWi为第i天作物光合作用产生的有机物总量；RGi为第i天作物生长呼吸对有机物的消耗量；RMi为第i天作物维持呼吸对有机物的消耗量；RGi＝Gr·ΔDPAWi 式中，Gr为作物生长呼吸系数，Mr为作物维持呼吸系数，Q为呼吸作用的温度系数，均为模型系数；T为日平均气温；DPARi＝0.475DRi·1-α式中，DPARi为作物每日对太阳辐射的有效使用量通过日光合有效辐射量；DRi为单位面积每日太阳总辐射量；α为作物的群体反射率； 式中，K为群体消光系数；A、B为模型参数；LAIi为叶面积指数；FN、FP、FK、FW分别为氮素、磷素、钾素、水分影响因子； 式中，DL为日长；为地球纬度；β为太阳赤纬；利用生物量过程模拟模型进行作物生长的预测，根据预测作物积累的生物量的结果进一步确定需要的参数：作物生长呼吸系数Gr、作物维持呼吸系数Mr、呼吸作用的温度系数Q、群体消光系数K、模型参数A、B、叶面积指数LAIi、氮素、磷素、钾素、水分影响因子FN、FP、FK、FW；利用蜘蛛蜂算法以最小误差为优化目标对生物量过程模拟模型进行优化，具体实现过程如下：1初始化种群和参数：种群和参数生物量过程模拟模型中的参数数据，包括作物生长呼吸系数Gr、作物维持呼吸系数Mr、呼吸作用的温度系数Q、群体消光系数K、模型参数A、B、叶面积指数LAIi、氮素、磷素、钾素、水分影响因子FN、FP、FK、FW，种群矩阵如下： 式中，X为蜘蛛蜂种群；Xi为第i只蜘蛛蜂；xij为第i只蜘蛛蜂提出的第j个问题变量的值；N为蜘蛛蜂种群成员的全部数量；m是决策变量的个数；2将随机生成的粒子位置带入目标函数进行评估，使每个粒子都生成一组对应的参数，目标函数公式如下： 式中，f为目标函数值，代表最小误差；n为样本总数；xt为生物量真实值；ht为生物量预测值；3选择搜索空间，定位最有希望的区域，位置更新公式如下： 式中，为蜘蛛蜂的最新位置；为第i只蜘蛛蜂的位置；分别为第a、b只蜘蛛蜂的位置，a、b是从种群中随机选取的两个指标用来确定搜索方向；rn是符合正态分布的随机数；r1、r2、r3、r4是均匀分布于[0,1]之间的随机数；为第c只蜘蛛蜂的位置，c是种群中随机选取的指标；l是均匀分布于[-2,1]之间的随机数；H、L分别为求解问题的上下限；4搜索并跟踪猎物，在优化开始时，所有蜘蛛蜂在优化问题的域内进行全局搜索，寻找可能包含最优解的区域，位置更新公式如下： 式中，t为当前迭代次数；tmax为最大迭代次数；r5、r6是均匀分布于[0,1]之间的随机数；vc是正态分布于[-k,k]之间的随机数，5捕获猎物并筑巢，蜘蛛蜂追捕蜘蛛，并将被麻痹的蜘蛛拉向包含最优解的区域，并认为它是建造巢穴的最佳地点，模拟筑巢行为的公式如下： 式中，X*为目前最佳的解决方案；γ为蜘蛛蜂飞行中产生的一个数；U是一个二进制数，按下式分配：6判定是否满足终止条件，若不满足终止条件，则返回步骤2；若满足约束条件，则转至步骤7；7输出得到最优的生物量过程模拟模型参数。

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