基于云平臺(tái)的棚室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（開題報(bào)告）

一、選題理由1.1設(shè)施農(nóng)業(yè)是我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要方向之一。改善溫室環(huán)境，為作物生長發(fā)育提供有利條件，實(shí)現(xiàn)溫室高產(chǎn)、高效、可持續(xù)發(fā)展是溫室監(jiān)測的主要目的，對(duì)溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展乃至我國整體農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[3-5] 美國、荷蘭等發(fā)達(dá)國家的溫室監(jiān)測技術(shù)發(fā)展較早，技術(shù)較為先進(jìn)[6-8] 近年來，通過對(duì)發(fā)達(dá)國家先進(jìn)溫室監(jiān)測技術(shù)的消化、吸收和發(fā)展，國內(nèi)自主研發(fā)的溫室監(jiān)測系統(tǒng)逐步發(fā)展起來[9-11]，但總體來看，我國溫室監(jiān)測技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國家相比仍有差距，主要表現(xiàn)在投入控制系統(tǒng)成本高、溫室環(huán)境因素調(diào)控程度低，不能完全滿足溫室控制要求[12-14]。 信息技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，極大地改變了人們的工作和生活方式。世界各國也在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)上投入了巨額資金，互聯(lián)網(wǎng)的帶寬速度和可靠性都得到了極大的提升。 隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和信息技術(shù)的建設(shè)，需要處理的數(shù)據(jù)量不斷增加，每天在網(wǎng)絡(luò)上處理的數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)巨大的水平。2010年，僅全球手機(jī)網(wǎng)絡(luò)的日數(shù)據(jù)流量就達(dá)到了4300萬g。 目前，百度技術(shù)委員會(huì)陳尚義透露:“百度每天處理近100 PB的數(shù)據(jù)，1 PB等于100萬G，相當(dāng)于5000個(gè)國家圖書館的總信息量。 [1-2]隨著如此大量數(shù)據(jù)的處理，過去一臺(tái)或幾臺(tái)服務(wù)器很難操作和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)來滿足人們的需求，因此分布式計(jì)算、并行計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算和云計(jì)算等技術(shù)相繼出現(xiàn)。 在谷歌、IBM等公司的推動(dòng)和引導(dǎo)下，各大網(wǎng)絡(luò)公司和IT公司開始推出自己基于云計(jì)算平臺(tái)的云計(jì)算服務(wù)。云服務(wù)的出現(xiàn)使人們可以獲得幾乎無限的計(jì)算資源和存儲(chǔ)空房間，而不必關(guān)心服務(wù)的實(shí)現(xiàn)。 目前，云計(jì)算平臺(tái)已經(jīng)應(yīng)用于日常生活、大型科研項(xiàng)目等多個(gè)領(lǐng)域。通過這項(xiàng)技術(shù)，云計(jì)算平臺(tái)服務(wù)商可以在幾秒鐘內(nèi)完成海量的數(shù)據(jù)處理操作，可以實(shí)現(xiàn)與超級(jí)計(jì)算機(jī)甚至超級(jí)計(jì)算機(jī)同樣強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)性能和服務(wù)性能。 云計(jì)算平臺(tái)已經(jīng)應(yīng)用于計(jì)算量巨大的科學(xué)計(jì)算，如分析DNA結(jié)構(gòu)、繪制基因圖譜、分析癌細(xì)胞特征等。 結(jié)合云計(jì)算平臺(tái)技術(shù)，提出了一種基于云平臺(tái)的溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)溫室內(nèi)的環(huán)境超過作物的適宜生長范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即向用戶發(fā)送報(bào)警信息，提醒用戶溫室內(nèi)的環(huán)境，用戶可以根據(jù)報(bào)警信息遠(yuǎn)程監(jiān)控溫室內(nèi)的相關(guān)設(shè)施。 1.2研究內(nèi)容的應(yīng)用價(jià)值隨著經(jīng)濟(jì)的增長，建筑面積不斷擴(kuò)大，而耕地面積卻日益減少。 在中國這個(gè)人口大國，糧食供給不足的問題亟待解決。 溫室系統(tǒng)作為人工半開放環(huán)境空房間，為作物提供相對(duì)合理的生長環(huán)境，使作物不再受自然條件和地域的影響，從而實(shí)現(xiàn)全天候、反季節(jié)生產(chǎn)。 它不僅可以優(yōu)化作物的生長環(huán)境，帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益，而且對(duì)環(huán)境保護(hù)也有很大的貢獻(xiàn)。 溫室環(huán)境為作物生長提供了適宜的條件。因?yàn)闇厥沂且粋€(gè)半開放的系統(tǒng)，它與外界實(shí)時(shí)交換物質(zhì)和能量。沒有相應(yīng)的控制措施，環(huán)境參數(shù)的變化很難滿足一年生作物生長的需要。因此，合理控制溫室環(huán)境是提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量的關(guān)鍵。 溫室環(huán)境中的可控因素包括溫度、濕度、二氧化碳濃度和土壤濕度等。溫室環(huán)境控制是指以提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量為目的，對(duì)上述環(huán)境因素的合理控制[2] 上述環(huán)境因素主要是通過控制溫室內(nèi)的一些環(huán)境設(shè)施來改變的。溫室內(nèi)的環(huán)境設(shè)施主要包括遮陽系統(tǒng)、天窗系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、滴灌系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)和濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。 以上情況說明，只有采用合適的控制技術(shù)，才能有效保證溫室內(nèi)的環(huán)境能夠滿足作物的需求，保證作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，從根本上解決糧食短缺問題。 云計(jì)算平臺(tái)的出現(xiàn)和快速發(fā)展為監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。該系統(tǒng)利用云平臺(tái)分布式計(jì)算、分布式存儲(chǔ)的技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有的監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控，有效、全面地應(yīng)對(duì)溫室內(nèi)的各種環(huán)境溫度，為盡可能促進(jìn)溫室內(nèi)作物生長提供優(yōu)良的環(huán)境，從而進(jìn)一步提高作物的品質(zhì)和產(chǎn)量。 1.3國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)與趨勢1.3.1國外研究現(xiàn)狀國外對(duì)溫室系統(tǒng)的研究起步較早。早在20世紀(jì)70年代初，包括荷蘭、美國、英國、日本、以色列和韓國在內(nèi)的一些國家就開始研究溫室控制系統(tǒng)。但由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)還不夠先進(jìn)，對(duì)溫室控制系統(tǒng)的研究大多停留在機(jī)械化和單因素控制上，即只通過改變溫度、濕度或二氧化碳濃度等溫室環(huán)境之一。 然而，溫室內(nèi)的環(huán)境總會(huì)受到外界環(huán)境的影響，環(huán)境中的諸多因素也會(huì)相互影響[15]。實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的優(yōu)化控制是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，僅控制一個(gè)因素不足以滿足作物生長的需求。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的專家學(xué)者開始使用計(jì)算機(jī)來控制溫室環(huán)境系統(tǒng)。 荷蘭早在20世紀(jì)70年代初就將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于溫室控制，日本在20世紀(jì)70年代末將微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用于溫室控制。 許多發(fā)達(dá)國家甚至根據(jù)專家系統(tǒng)提供的作物生長特征來控制作物[16] 1991年，DAVIS和H000 per [17]在自動(dòng)控制的基礎(chǔ)上，將軟控制引入溫室內(nèi)的加熱系統(tǒng)，提高了管道的加熱和冷卻速度，進(jìn)而控制溫室內(nèi)的環(huán)境溫度。 1992年，Ivanova[18]和其他人引進(jìn)了一種小尺寸的溫室空。該系統(tǒng)通過微機(jī)實(shí)現(xiàn)了溫室內(nèi)動(dòng)作機(jī)構(gòu)的全自動(dòng)控制。 1994年，TURKAY[19]提出了一個(gè)基于規(guī)則的專家系統(tǒng)來控制溫室內(nèi)外的溫度和濕度。此外，本文還通過實(shí)驗(yàn)首次驗(yàn)證了基于回歸分析的標(biāo)準(zhǔn)濕度圖對(duì)濕度的控制。 由于溫室是一個(gè)非線性環(huán)境，僅靠傳統(tǒng)的控制方法和控制模型很難滿足溫室控制的要求，因此對(duì)溫室環(huán)境的控制不再基于單因素控制。 1996年，Gonzalez和Leyris[20]采用廣義預(yù)測控制來分析多輸入多輸出溫室模型。 2000年，Caponetto和Sigrimis[21-22]等人提出利用人工智能(AI)對(duì)溫室進(jìn)行建模和控制，從而研究專家系統(tǒng)的有效集成。 2003年，Capdla[l4]等人提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)方法的智能溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)溫室內(nèi)最佳的小氣候，并取得令人滿意的效果。 2005年，E1·古馬里。我和坦托。HJ[23]等人研究了模型預(yù)測控制(MPC)在溫室控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。此外，模型預(yù)測控制應(yīng)用了PID控制。 MPC算法的主要優(yōu)點(diǎn)是可以提高系統(tǒng)性能和節(jié)能，并且可以實(shí)現(xiàn)軟件的最優(yōu)控制。 2009年，賈諾斯。西蒙和馬丁諾維奇。Goran[24]提出了基于互聯(lián)網(wǎng)和無線數(shù)表模塊的溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。 該系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上提供傳感器采集的數(shù)據(jù)、執(zhí)行器的用戶界面和溫室環(huán)境的日志事件，并通過攝像頭將溫室環(huán)境遠(yuǎn)程傳輸給計(jì)算機(jī)。 無線數(shù)據(jù)采集模塊主要基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)溫室監(jiān)測環(huán)境的自動(dòng)化、無人化和智能化管理。 綜上所述，國外溫室研究已經(jīng)比較成熟，逐漸形成了有效的專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了溫室的多因子控制。 此外，隨著國外對(duì)溫室控制的不斷研究，出現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、人工智能和模糊算法等先進(jìn)的溫室控制算法，逐步實(shí)現(xiàn)了溫室控制的無人化、自動(dòng)化和智能化。 1.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀:我國溫室環(huán)境控制研究起步較晚。20世紀(jì)80年代，我國在溫室建筑結(jié)構(gòu)、環(huán)境調(diào)控和作物種植等方面進(jìn)行了相關(guān)改進(jìn)，在寒冷天氣下無需增加任何取暖設(shè)備就可以種植喜溫作物。雖然提高了溫室環(huán)境技術(shù)的控制，但產(chǎn)量很低。 20世紀(jì)90年代，中國開始從國外引進(jìn)先進(jìn)的溫室設(shè)施和控制設(shè)備[15] 國外這些設(shè)施設(shè)備雖然比較先進(jìn)，但大多存在價(jià)格高、不符合國內(nèi)溫室控制要求、缺乏相關(guān)控制人才等問題。 目前，我國對(duì)溫室控制的研究很多。 從通信介質(zhì)分類，可分為總線型和無線型。 總線在溫室控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，國內(nèi)許多專家學(xué)者對(duì)這種控制方法進(jìn)行了研究。有RS485總線、CAN總線、Lonworks總線等幾種典型的總線連接方式。 早在2003年，杜尚峰、趙興兵[26]等人就將RS-485總線應(yīng)用于溫室環(huán)境的控制，通過傳感器獲取溫室內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過485總線傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)通過控制算法發(fā)送控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的控制。 2004年，尚明華、方毅等人將LonWorks總線技術(shù)應(yīng)用于溫室智能控制，提出LonWorks總線技術(shù)具有容錯(cuò)性強(qiáng)、布線簡單、易擴(kuò)展、成本低、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠鄻拥戎T多優(yōu)點(diǎn)。 2006年，楊明[28]等人將CAN總線作為一種通信方式應(yīng)用到智能溫控系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)采集和控制信號(hào)由智能節(jié)點(diǎn)操作，實(shí)現(xiàn)了溫室控制的智能化和分布式管理。 隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，溫室環(huán)境的控制正從有線轉(zhuǎn)向無線。而且，由于3G技術(shù)的成熟，無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率變得非?？?，逐漸達(dá)到了與有線網(wǎng)絡(luò)相媲美的水平。 溫室環(huán)境控制對(duì)機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)動(dòng)作要求較高，在環(huán)境快速變化時(shí)，管理者無法保證到達(dá)溫室現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)控制，因此無線控制可以較好地解決這一問題。 無線控制方式還具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，適用于遠(yuǎn)程控制和分布范圍廣的環(huán)境控制[29] 因此，目前大多數(shù)研究者已經(jīng)將無線通信技術(shù)應(yīng)用于溫室環(huán)境的控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。常用的無線通信技術(shù)包括ZigBee、GPRS和WiFi。 2006年，陳翔等人將ZigBee傳輸協(xié)議應(yīng)用于溫室環(huán)境監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)無線測控。該系統(tǒng)的采集節(jié)點(diǎn)均采用單片機(jī)、傳感器和無線模塊相結(jié)合的方式，節(jié)點(diǎn)上采集的數(shù)據(jù)通過紫蜂協(xié)議發(fā)送到遠(yuǎn)程路由。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測試，測試結(jié)果表明，溫室溫濕度控制效果良好。 隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，2011年，馬增偉等人將Win和嵌入式技術(shù)應(yīng)用于溫室環(huán)境的智能控制。在該系統(tǒng)中，Win技術(shù)被用于遠(yuǎn)程監(jiān)控各種環(huán)境數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)成本低，操作方便，但存在傳輸距離有限的缺點(diǎn)。 2011年，蔣定國[30]等人將GPRS技術(shù)應(yīng)用于溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和實(shí)時(shí)短信報(bào)警功能。它具有成本低、實(shí)時(shí)性好、控制簡便、控制距離遠(yuǎn)等顯著優(yōu)點(diǎn)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。 1.3.3發(fā)展趨勢隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)正在向智能化、信息化、精準(zhǔn)化方向發(fā)展。以下三個(gè)方面將是溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測研究的幾個(gè)重要方向:(1)作物模型研究作物模型是用來描述作物生長與作物生長的環(huán)境因素之間的關(guān)系，是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。 溫室控制系統(tǒng)需要建立由環(huán)境參數(shù)描述的作物模型，并結(jié)合作物生長模型，根據(jù)農(nóng)業(yè)品種提供相應(yīng)的控制策略，從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)智能溫室。 現(xiàn)有的作物模型由于其復(fù)雜性和描述方法的不兼容性，很難與溫室控制系統(tǒng)直接結(jié)合形成完整的控制策略。 (2)基于嵌入式系統(tǒng)和工業(yè)以太網(wǎng)的溫室監(jiān)控系統(tǒng)具有與互聯(lián)網(wǎng)兼容的結(jié)構(gòu)和協(xié)議，因此通過工業(yè)以太網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)將節(jié)省軟硬件的開發(fā)，大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低維護(hù)成本。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)變得越來越強(qiáng)大。它不僅可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制和通用網(wǎng)絡(luò)的功能，還可以集成內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的功能。 用嵌入式系統(tǒng)代替通用pc機(jī)監(jiān)控各種傳感器和控制設(shè)備，開發(fā)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、無線化的通用控制器，是網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要研究方向。 (3)結(jié)合云計(jì)算技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。 根據(jù)農(nóng)業(yè)對(duì)象多樣性、地域廣闊性、遠(yuǎn)程分散性、遠(yuǎn)離城市社區(qū)等特點(diǎn)，將互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信技術(shù)引入花卉大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，利用互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)解決花卉大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的通信問題，將是一個(gè)很好的解決方案，在實(shí)際應(yīng)用中具有長遠(yuǎn)意義，也是未來控制系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。 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