【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及设施农业植物工厂自动化和智能化，特别是涉及一种苗草工厂智能化主控系统及其方法。
技术介绍
1、现有的苗草工厂控制系统多采用手工操作或简单的流程自动化，如水肥的定时施加，补光的定时施加，温湿度的固定目标值控制，缺乏新型垂直农业种植设备的自动化运行控制，缺乏对生产过程的实时数据采集、模型计算和精准调控能力，严重影响了苗草工厂的生产效率和所产出苗草的品种，无法适应生产更大产量和更高品质饲草的实际需求，制约了苗草工厂的产业化扩张和对畜牧业优质饲草需求的支撑。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种苗草工厂智能化主控系统及其方法，用以解决现有苗草工厂控制系统自动化、智能化水平不足的问题，实现对苗草生产过程的精准动态调控。
2、一方面，为实现上述对苗草工厂中苗草生产过程的精准动态调控，本专利技术提供一种苗草工厂智能化主控系统，所述主控系统通过对苗草工厂中苗草长势的分析数据、各环境变量的采集数据、设备运行状态变量的采集数据，经智能控制策略最优化计算模块的实时计算，得出最优化控制策略，并进一步通过plc控制模块，驱动或控制相应执行单元，调控目标包括水肥控制、补光控制、环控控制、苗草种植设备运行控制。
3、本专利技术提供一种苗草工厂智能化主控系统，所述苗草工厂智能化主控系统包括：远程更新模块、参数设置模块、视频及图像数据处理模块、plc控制模块、传感器数据处理模块、智能控制策略最优化计算模块。
4、所述主控系统的远程更新模块用于更新主系统软件和参数文件
5、进一步的，远程更新模块还可以对主控系统的plc控制模块的运行程序进行验证符效校验和新版本更新。
6、所述主控系统的参数设置模块用于配置主控系统所需的启动参数、运行时参数及算法模型参数。在主控系统上电并完成远程更新后，主控系统的参数设置模块读取预存在存储器中的启动参数和运行时参数，并通过串口发送基于modbus协议的系统参数设置指令至所有plc控制模块，plc控制模块接收到指令后更新其作业参数，并返回相同的指令到参数设置模块；参数设置模块接收到返回指令后验证是否与发送的系统参数设置指令相同，如果相同则表示参数设置成功，如果不同则重新发送一次系统参数设置指令。
7、进一步的，主控系统的参数设置模块读取预存在存储器中的算法模型参数，以内部接口方式提供给主控系统的智能控制策略最优化计算模块初始化使用。
8、所述主控系统的视频及图像数据处理模块用于采集苗草种植设备关键位置的图像及视频信息，并通过内部接口提供给智能控制策略最优化计算模块，用以计算苗草长势状态的评估值。
9、进一步的，视频及图像数据处理模块还可以对苗草种植设备的种植托盘进行基于图像识别的计数，计数值用于修正苗草种植设备的红外计数传感器和霍尔接近开关传感器的计数误差。
10、进一步的，视频及图像数据处理模块还可以通过海康视频录像机，将实时获取的相机视频显示到主控系统的相关展示窗口界面上，并进一步通过以太网，将视频流数据发送至远程服务器，供远程端监控调用。
11、所述主控系统的plc控制模块用于苗草工厂内各传感器的数据采集及各设备的运行控制。其中plc控制模块连接的设备包括变频高功率电机、led补光设备、紫外杀菌设备、喷淋设备、清洗设备、托盘翻转设备、环控设备；plc控制模块连接的传感器包括苗草工厂环境测量所需的温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器、光照强度传感器，设备状态监控所需的变频器扭矩反馈传感器、红外计数装置、霍尔接近开关、水压计、气压计等。上述设备和传感器由plc控制模块按照设定的运行参数和作业逻辑控制，从而实现苗草工厂的自动化生产。
12、进一步的，所述主控系统的plc控制模块还可以根据各设备的启停状态，记录其总运行时长，同时根据各设备运行电流和电压值，计算并记录其实际功率，并进一步供主控系统的传感器数据处理模块使用。
13、所述主控系统的传感器数据处理模块用于将plc控制模块采集的苗草工厂环境测量数据、苗草工厂设备运行参数进行预处理，预处理过程包括卡尔曼滤波、数据归一化、数据压缩，形成带有时间戳的苗草工厂环境状态和设备运行状态。
14、进一步的，传感器数据处理模块还可包括数据前处理过程，比如针对光照强度传感器数据零漂误差的校正和温度补偿。
15、所述主控系统的智能控制策略最优化计算模块用于实现智能控制策略最优化方法的模型部署、参数读取、实时计算和结果输出。其在主控系统开机时调取模型配置文件完成部署，并接收参数设置模块提供的模型参数接口；运行时，其以传感器数据处理模块和视频及图像数据处理模块的处理结果为输入，输入值包括苗草工厂环境状态和设备运行状态以及苗草表观状态，输出值包括水肥策略参数、补光策略参数、环控策略参数、苗草种植设备控制策略参数。上述输出值中的参数由主控系统经串口发送基于modbus协议的控制指令，更新plc控制模块作业逻辑中的运行参数。
16、一方面，为实现对苗草工厂中苗草生产过程的精准动态调控，本专利技术还提供一种苗草工厂智能化主控系统的方法，采用人工智能深度强化学习理论建立智能控制策略最优化模型，包括以下步骤：
17、步骤s001：初始化参数。根据苗草培育的专家知识，将苗草的生长周期分为多个阶段，并初始化每个生长阶段苗草的生长条件参数，具体表示为水肥、温度、湿度、补光的初始控制参数。
18、步骤s002：获取训练样本数据集。对任意一个生长阶段，其输入为当前苗草工厂环境状态、设备运行状态以及苗草表观状态；在固定其他控制参数的基础上，对待优化参数实施x的扰动并作为动作输入,x在[-10%,+10%]区间内随机取值，在下一个生长阶段观测苗草的表观状态作为输出，以此作为一组训练数据。
19、步骤s003：训练智能控制策略最优化模型。基于步骤s002所述训练样本数据集，采用人工智能深度强化学习理论建立智能控制策略最优化模型，确定强化学习智能体的奖惩值和状态转移信息、动作空间和对应动作的价值；采用离线训练学习的方式，得到训练好的智能控制策略最优化模型。
20、步骤s004：计算并输出控制策略。根据当前苗草工厂环境状态、设备运行状态、苗草表观状态，利用训练好的智能控制策略最优化模型输出水肥策略、补光策略、环控策略和设备运行策略，并控制执行机构完成相应动作。
21、优选的，步骤s002和步骤s004中所述苗草表观状态由本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种苗草工厂智能化主控系统，其特征在于，系统包括：远程更新模块、参数设置模块、视频及图像数据处理模块、PLC控制模块、传感器数据处理模块、智能控制策略最优化计算模块；通过对苗草工厂中苗草长势的分析数据、各环境变量的采集数据、设备运行状态变量的采集数据，经智能控制策略最优化计算模块的实时计算，得出最优化控制策略，并进一步通过PLC控制模块，驱动或控制相应执行单元，调控目标包括水肥控制、补光控制、环控控制、苗草种植设备运行控制。
2.如权利要求1所述的一种苗草工厂智能化主控系统，其特征在于，所述主控系统的视频及图像数据处理模块用于采集苗草种植设备关键位置的图像及视频信息，并通过内部接口提供给智能控制策略最优化计算模块，用以计算苗草长势状态的评估值；
3.如权利要求1所述的一种苗草工厂智能化主控系统，其特征在于，所述主控系统的智能控制策略最优化计算模块用于实现智能控制策略最优化方法的模型部署、参数读取、实时计算和结果输出。其在主控系统开机时调取模型配置文件完成部署，并接收参数设置模块提供的模型参数接口；运行时，其以传感器数据处理模块和视频及图像数据处理模块的
4.如权利要求1所述的一种苗草工厂智能化主控系统的方法，其特征在于，采用人工智能深度强化学习理论建立智能控制策略最优化模型，包括以下步骤：
5.如权利要求4所述的一种苗草工厂智能化主控系统的方法，其特征在于，苗草表观状态由苗草视觉表观模型分析得出，其步骤如下：
6.如权利要求4所述的一种苗草工厂智能化主控系统的方法，其特征在于，所述设备运行状态由设备运行状态模型分析得出，设备主要包括水肥设备、补光设备、环控设备、种植设备，其步骤如下：
7.如权利要求4所述的一种苗草工厂智能化主控系统的方法，所述人工智能深度强化学习理论建立智能控制策略最优化模型，包括：动作空间、动作价值函数、状态转移模块、奖励函数；
8.如权利要求7所述的一种苗草工厂智能化主控系统的方法，所述方法采用深度卷积神经网络作为苗草视觉表观模型的基础模型，输入采集的苗草图像数据可得到苗草表观特性的特征向量描述；然后将苗草表观特征向量与苗草工厂环境状态特征向量、设备运行状态特征向量作为输入，CER预测值作为输出，训练基于DDPG（deep deterministic policygradient）强化学习算法的最优控制策略模型。选取300次模型迭代中CER值最小的动作策略为最优控制策略。
...【技术特征摘要】
1.一种苗草工厂智能化主控系统，其特征在于，系统包括：远程更新模块、参数设置模块、视频及图像数据处理模块、plc控制模块、传感器数据处理模块、智能控制策略最优化计算模块；通过对苗草工厂中苗草长势的分析数据、各环境变量的采集数据、设备运行状态变量的采集数据，经智能控制策略最优化计算模块的实时计算，得出最优化控制策略，并进一步通过plc控制模块，驱动或控制相应执行单元，调控目标包括水肥控制、补光控制、环控控制、苗草种植设备运行控制。
2.如权利要求1所述的一种苗草工厂智能化主控系统，其特征在于，所述主控系统的视频及图像数据处理模块用于采集苗草种植设备关键位置的图像及视频信息，并通过内部接口提供给智能控制策略最优化计算模块，用以计算苗草长势状态的评估值；
3.如权利要求1所述的一种苗草工厂智能化主控系统，其特征在于，所述主控系统的智能控制策略最优化计算模块用于实现智能控制策略最优化方法的模型部署、参数读取、实时计算和结果输出。其在主控系统开机时调取模型配置文件完成部署，并接收参数设置模块提供的模型参数接口；运行时，其以传感器数据处理模块和视频及图像数据处理模块的处理结果为输入，输入值包括苗草工厂环境状态和设备运行状态以及苗草表观状态，输出值包括水肥策略参数、补光策略参数、环控策略参数、苗草种植设备控制策略参数。上述输出值中的参数由主控系统经串口发送基于m...
【专利技术属性】
技术研发人员：向廷，朱承飞，李政霖，李福，杨敬兴，李贤，王国海，
申请(专利权)人：北京中科睿禾农业科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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