本發(fā)明涉及藥用植物智能化種植，特別涉及一種天麻蜜環(huán)菌智能化生長(zhǎng)環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、天麻?gastrodia?elata?blume?為蘭科天麻屬，是多年生異養(yǎng)型草本植物，含有天麻多糖、天麻素、對(duì)羥基苯甲醇、巴利森苷類(lèi)等化合物，具有延緩衰老、抗氧化、抗炎、降壓、鎮(zhèn)痛等作用，兼具藥用價(jià)值和藥膳保健食用價(jià)值，是藥食同源中藥材之一，市場(chǎng)需求量大，應(yīng)用前景廣闊。天麻屬于無(wú)葉綠素的真菌異養(yǎng)型植物，其種子細(xì)小且發(fā)育不全，自身貯存的營(yíng)養(yǎng)不能滿足種子的萌發(fā)和生長(zhǎng)的需要，因此在天麻有性繁殖過(guò)程中必須先通過(guò)小菇屬真菌侵染其種胚細(xì)胞，為種子萌發(fā)提供必要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，種子萌發(fā)后又需要依靠蜜環(huán)菌的侵入為其繼續(xù)生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)，建立營(yíng)養(yǎng)共生體系完成生活史。

2、然而當(dāng)前人工栽培體系存在顯著技術(shù)瓶頸：在環(huán)境參數(shù)匹配等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，仍普遍采用人工經(jīng)驗(yàn)判斷與單一環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的粗放管理模式。這種基于表象觀察的管控方式難以實(shí)現(xiàn)菌-植互作動(dòng)態(tài)的精準(zhǔn)解析，且缺乏多維度生理生態(tài)數(shù)據(jù)的融合分析，導(dǎo)致共生系統(tǒng)失衡、萌發(fā)率波動(dòng)及次生代謝物積累異常等問(wèn)題頻發(fā)，嚴(yán)重制約了天麻藥材品質(zhì)穩(wěn)定性與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)程。為解決上述問(wèn)題，公開(kāi)號(hào)為cn114967798a的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的天麻種植管理控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)采集土壤數(shù)據(jù)對(duì)土壤進(jìn)行分級(jí)，并根據(jù)采集的環(huán)境溫度、濕度等對(duì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)控；該方案雖然解決了天麻生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)調(diào)控的問(wèn)題，但是調(diào)控都在檢測(cè)到溫度、濕度等超過(guò)最佳生長(zhǎng)閾值后再進(jìn)行調(diào)控，采用此方式進(jìn)行調(diào)控使得天麻已處于不適環(huán)境中后再調(diào)控，對(duì)天麻的生長(zhǎng)造成影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種天麻蜜環(huán)菌智能化生長(zhǎng)環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)，解決現(xiàn)有天麻伴蜜環(huán)菌種植方式中主要采用人工經(jīng)驗(yàn)判斷與單一環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測(cè)相結(jié)合進(jìn)行環(huán)境調(diào)控，導(dǎo)致環(huán)境調(diào)整準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度低，造成天麻產(chǎn)量和天麻品質(zhì)均偏低的問(wèn)題。

2、為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:?一種天麻蜜環(huán)菌智能化生長(zhǎng)環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)，包括環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、預(yù)調(diào)控模塊和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)模塊；以及環(huán)境調(diào)控設(shè)備，環(huán)境調(diào)控設(shè)備包括分別與生長(zhǎng)調(diào)節(jié)模塊電連接的電動(dòng)遮陽(yáng)網(wǎng)、澆灌系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)；

3、所述環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊用于采集天麻種植大棚環(huán)境中的環(huán)境數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)，環(huán)境數(shù)據(jù)包括棚內(nèi)溫度、棚內(nèi)濕度、棚內(nèi)光照強(qiáng)度；土壤數(shù)據(jù)包括單位區(qū)域的土壤透氣率、土壤濕度；

4、所述數(shù)據(jù)分析模塊用于獲取環(huán)境數(shù)據(jù)并生成環(huán)境系數(shù)，以及獲取土壤數(shù)據(jù)并生成土壤系數(shù)，并在環(huán)境系數(shù)或土壤系數(shù)大于設(shè)定閾值時(shí)生成第一環(huán)境調(diào)控指令并發(fā)送至生長(zhǎng)調(diào)節(jié)模塊；環(huán)境系數(shù)e和土壤系數(shù)s通過(guò)如下公式進(jìn)行計(jì)算；

5、

6、其中t、h、l分別表示當(dāng)前的溫度值、濕度值和光照強(qiáng)度值，、、分別為天麻蜜環(huán)菌生長(zhǎng)的最適合溫度值、濕度值和光照強(qiáng)度；、、各環(huán)境參數(shù)的權(quán)重系數(shù)；

7、

8、其中，、分別表示當(dāng)前土壤濕度值、土壤透氣率值，、分別為天麻蜜環(huán)菌生長(zhǎng)的最佳土壤濕度值、最佳土壤透氣率值；、為各土壤參數(shù)的權(quán)重系數(shù)；

9、所述預(yù)調(diào)控模塊保護(hù)數(shù)據(jù)獲取單元，預(yù)測(cè)單元和調(diào)控單元，所述數(shù)據(jù)獲取單元用于獲取未來(lái)設(shè)定時(shí)間段內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)單元用于將獲取的氣象數(shù)據(jù)輸入預(yù)訓(xùn)練好的預(yù)測(cè)模型內(nèi)得到未來(lái)設(shè)定時(shí)間段內(nèi)的環(huán)境變化的參數(shù)預(yù)測(cè)值，所述參數(shù)預(yù)測(cè)值包括預(yù)測(cè)棚內(nèi)溫度值、預(yù)測(cè)棚內(nèi)濕度值、預(yù)測(cè)棚內(nèi)光照強(qiáng)度值和預(yù)測(cè)土壤濕度值；所述調(diào)控單元在參數(shù)預(yù)測(cè)值超出參數(shù)設(shè)定閾值范圍時(shí)將該參數(shù)標(biāo)記為需調(diào)控參數(shù)；并判斷需調(diào)控參數(shù)類(lèi)型是否為棚內(nèi)濕度值或棚內(nèi)溫度值；判斷為否，則根據(jù)需調(diào)控參數(shù)生成第二環(huán)境調(diào)控指令并發(fā)送至生長(zhǎng)調(diào)節(jié)模塊；判斷為是，則獲取需調(diào)控參數(shù)超出參數(shù)設(shè)定閾值范圍的變化時(shí)間點(diǎn)，獲取變化時(shí)間點(diǎn)至未來(lái)設(shè)定時(shí)間起始點(diǎn)之間的室外環(huán)境參數(shù)，計(jì)算室外環(huán)境參數(shù)與需調(diào)控參數(shù)之間的差值最大化的窗口時(shí)間點(diǎn)，并生成第三環(huán)境調(diào)控指令并發(fā)送至生長(zhǎng)調(diào)節(jié)模塊；

10、所述生長(zhǎng)調(diào)節(jié)模塊用于根據(jù)第一環(huán)境調(diào)控指令、第二環(huán)境調(diào)控指令、第三環(huán)境調(diào)控指令中任意一個(gè)或多個(gè)調(diào)控指令控制環(huán)境調(diào)控設(shè)備工作。

11、本方案產(chǎn)生的有益效果是：通過(guò)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊對(duì)天麻種植大棚環(huán)境中的環(huán)境數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并獲取環(huán)境系數(shù)和土壤系數(shù)，在系數(shù)超設(shè)定閾值時(shí)通過(guò)第一調(diào)控指令進(jìn)行調(diào)控；同時(shí)通過(guò)采集氣象數(shù)據(jù)得到未來(lái)設(shè)定時(shí)段內(nèi)的預(yù)測(cè)環(huán)境參數(shù)和土壤參數(shù)，從而在預(yù)測(cè)值超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)進(jìn)行提前調(diào)控，而非在環(huán)境參數(shù)或土壤參數(shù)設(shè)定值已超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)才進(jìn)行調(diào)控，避免環(huán)境參數(shù)和土壤參數(shù)超限對(duì)天麻生長(zhǎng)造成影響。當(dāng)需調(diào)控參數(shù)為棚內(nèi)濕度或溫度時(shí)，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)室外環(huán)境參數(shù)與需調(diào)控參數(shù)與差值最大化窗口時(shí)間點(diǎn)，從而精準(zhǔn)捕捉室外溫、濕度與棚內(nèi)需求的最佳匹配時(shí)段，動(dòng)態(tài)生成第三環(huán)境調(diào)控指令，利用室外環(huán)境對(duì)棚內(nèi)環(huán)境進(jìn)行預(yù)調(diào)控，例如利用凌晨低溫時(shí)段通風(fēng)蓄冷、午間室外干燥時(shí)自然除濕；顯著提升能源利用效率。室外溫度與棚內(nèi)目標(biāo)溫差最大時(shí)，例如夏季夜間室外22℃，且棚內(nèi)需降溫至25℃時(shí)，主動(dòng)開(kāi)啟通風(fēng)系統(tǒng)引入冷空氣，減少空調(diào)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，節(jié)省電能；當(dāng)室外濕度低于棚內(nèi)設(shè)定值且預(yù)測(cè)無(wú)降雨時(shí)，優(yōu)先通過(guò)自然通風(fēng)降濕，較傳統(tǒng)除濕方案更加節(jié)能；結(jié)合室外光照強(qiáng)度預(yù)測(cè)，在強(qiáng)光時(shí)段且滿足光照范圍閾值時(shí)提前展開(kāi)遮陽(yáng)網(wǎng)并儲(chǔ)存富余光照熱能，用于夜間低溫補(bǔ)償，降低加熱能耗。

12、進(jìn)一步，所述預(yù)測(cè)單元通過(guò)如下公式進(jìn)行棚內(nèi)溫度值預(yù)測(cè)和棚內(nèi)濕度值預(yù)測(cè)，

13、

14、其中,為經(jīng)過(guò)時(shí)刻后的預(yù)測(cè)棚內(nèi)濕度值，表示預(yù)測(cè)的未來(lái)時(shí)間跨度，當(dāng)前為室內(nèi)溫度，為當(dāng)前室外溫度；為太陽(yáng)輻射量，為透光率，為光照輻射面積；為大棚熱損失系數(shù)，為大棚與外部的整體熱傳導(dǎo)面積，為空氣熱容,為大棚空氣體積；

15、

16、其中，為經(jīng)過(guò)時(shí)刻后的預(yù)測(cè)棚內(nèi)溫度值，預(yù)測(cè)的未來(lái)時(shí)間跨度，為當(dāng)前室內(nèi)濕度，為當(dāng)前室外濕度；為蒸騰速率；為土壤蒸發(fā)量，為通風(fēng)速率，為大棚空氣體積；

17、所述調(diào)控單元通過(guò)如下公式計(jì)算室外環(huán)境溫度、濕度與棚內(nèi)需求的差值最大化窗口；

18、

19、其中，為天麻生長(zhǎng)的最低耐受溫度，表示天麻生長(zhǎng)的最高耐受溫度；

20、

21、其中，為天麻生長(zhǎng)的最低耐受濕度，表示天麻生長(zhǎng)的最高耐受濕度；

22、為室外溫度與棚內(nèi)需求溫度之間的最大相對(duì)偏差，用于量化自然溫差可利用程度；獲取最大的時(shí)間點(diǎn)，并生成通風(fēng)調(diào)控指令或遮陽(yáng)調(diào)控指令對(duì)溫度參數(shù)進(jìn)行調(diào)控；同理，為室外濕與棚內(nèi)需求濕度之間的最大相對(duì)偏差，用于量化自然濕度差可利用程度；獲取最大的時(shí)間點(diǎn)并生成通風(fēng)調(diào)控指令對(duì)濕度參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。

23、通過(guò)、公式量化室外與棚內(nèi)的溫差潛力和濕度差潛力，并選擇最大偏差時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行調(diào)控，可顯著提升能源利用效率。當(dāng)室外溫度高于下限閾值時(shí)，表示可通過(guò)通風(fēng)引入外部熱量，減少加熱需求。當(dāng)室外溫度低于上限閾值時(shí)，表示可通過(guò)通風(fēng)引入冷空氣，減少制冷需求；從而降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。當(dāng)>0?時(shí)，存在可利用的自然溫差，選擇低溫側(cè)或高溫側(cè)偏差的最大值時(shí)刻，代表此時(shí)室外溫度與棚內(nèi)需求溫差最大，調(diào)控效率最高。同理，當(dāng)室外濕度高于濕度下限閾值時(shí)，表示可通過(guò)通風(fēng)引入外部濕氣，減少加濕需求。

24、進(jìn)一步，所述數(shù)據(jù)分析模塊還包括生長(zhǎng)期標(biāo)記單元和動(dòng)態(tài)調(diào)參單元，生長(zhǎng)期標(biāo)記單元用于根據(jù)種植日期和當(dāng)?shù)貧v史氣候數(shù)據(jù)推測(cè)生成萌發(fā)期時(shí)間段和膨大期時(shí)間段，并標(biāo)記當(dāng)前天麻生長(zhǎng)所處生長(zhǎng)期；所述動(dòng)態(tài)調(diào)參單元用于在生長(zhǎng)期為萌發(fā)期時(shí)設(shè)定環(huán)境參數(shù)的權(quán)重系數(shù)、、分別為0.4、0.5、0.1，設(shè)定土壤參數(shù)的權(quán)重系數(shù)、分別為0.6、0.4；在生長(zhǎng)期為膨大期時(shí)設(shè)定環(huán)境參數(shù)的權(quán)重系數(shù)、、分別為0.5、0.3、0.2，設(shè)定土壤參數(shù)的權(quán)重系數(shù)、分別為0.5、0.5。

25、膨大期天麻塊莖的淀粉合成酶活性在20-22℃時(shí)最高，溫度波動(dòng)超過(guò)±3℃會(huì)導(dǎo)致酶活性下降30%以上，蜜環(huán)菌在15-25℃時(shí)木質(zhì)素分解效率最高，低溫或高溫均會(huì)抑制共生關(guān)系，因此在膨大期提高溫度權(quán)重；膨大期土壤氧氣需求增加，透氣率<0.4?cm3/s時(shí)，塊莖生長(zhǎng)速率下降，膨大期土壤氧氣需求增加，透氣率<0.4?cm3/s時(shí)，塊莖生長(zhǎng)速率下降40%。因此在膨大期提高透氣率權(quán)重。

26、進(jìn)一步，所述動(dòng)態(tài)調(diào)參單元采用線性插值法逐步調(diào)整各參數(shù)，調(diào)整公式如下；

27、

28、其中，表示任意需調(diào)整參數(shù)，表示該參數(shù)調(diào)整前數(shù)值，表示該參數(shù)調(diào)整目標(biāo)值，為階段切換起始時(shí)間，為階段切換完成時(shí)間。

29、通過(guò)實(shí)時(shí)比對(duì)目標(biāo)光照強(qiáng)度與實(shí)際值的偏差，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)遮陽(yáng)網(wǎng)開(kāi)合度，在復(fù)雜天氣條件下實(shí)現(xiàn)平滑穩(wěn)定的光照調(diào)節(jié)，避免傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)式控制導(dǎo)致的頻繁啟停或超調(diào)問(wèn)題，既減少遮陽(yáng)網(wǎng)機(jī)械磨損，又能精準(zhǔn)維持天麻生長(zhǎng)所需的弱光環(huán)境，同時(shí)通過(guò)最小化電機(jī)動(dòng)作頻率降低能耗，并適應(yīng)不同季節(jié)或生長(zhǎng)期的光照需求變化，例如萌發(fā)期全遮光、膨大期半透光，最終提升蜜環(huán)菌與天麻共生效率及藥材品質(zhì)一致性。

30、進(jìn)一步，所述電動(dòng)遮陽(yáng)網(wǎng)采用pid算法進(jìn)行控制，通過(guò)如下公式進(jìn)行計(jì)算；

31、

32、光照偏差值，即需求光照值與當(dāng)前實(shí)際光照值的差值；權(quán)重參數(shù)。

33、進(jìn)一步，所述澆灌系統(tǒng)根據(jù)土壤濕度偏差計(jì)算總灌溉量，公式如下；

34、

35、為土壤體積；為土壤最佳濕度；為土壤當(dāng)前濕度。

36、澆灌系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤濕度偏差并結(jié)合滲透速率精準(zhǔn)計(jì)算灌溉量，能夠動(dòng)態(tài)匹配天麻不同生長(zhǎng)階段的需水特性，避免傳統(tǒng)灌溉中因過(guò)量或不足導(dǎo)致的水資源浪費(fèi)及根系環(huán)境惡化；同時(shí)根據(jù)土壤滲透能力調(diào)整灌溉策略，既能維持蜜環(huán)菌共生所需的最佳濕度范圍，此外還可聯(lián)動(dòng)氣象預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)主動(dòng)應(yīng)對(duì)降雨或高溫，穩(wěn)定塊莖膨大期干物質(zhì)積累。