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、對羥基苯甲醇、巴利森苷類等化合物，具有延緩衰老、抗氧化、抗炎、降壓、鎮(zhèn)痛等作用，兼具藥用價值和藥膳保健食用價值，是藥食同源中藥材之一，市場需求量大，應(yīng)用前景廣闊。天麻屬于無葉綠素的真菌異養(yǎng)型植物，其種子細小且發(fā)育不全，自身貯存的營養(yǎng)不能滿足種子的萌發(fā)和生長的需要，因此在天麻有性繁殖過程中必須先通過小菇屬真菌侵染其種胚細胞，為種子萌發(fā)提供必要的營養(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)生長提供營養(yǎng)，建立營養(yǎng)共生體系完成生活史。

2、然而當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)驗判斷與單一環(huán)境指標監(jiān)測相結(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現(xiàn)菌-植互作動態(tài)的精準解析，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)率波動及次生代謝物積累異常等問題頻發(fā)，嚴重制約了天麻藥材品質(zhì)穩(wěn)定性與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進程。為解決上述問題，公開號為cn114967798a的中國專利公開了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的天麻種植管理控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過監(jiān)測采集土壤數(shù)據(jù)對土壤進行分級，并根據(jù)采集的環(huán)境溫度、濕度等對環(huán)境進行調(diào)控；該方案雖然解決了天麻生長環(huán)境參數(shù)調(diào)控的問題，但是調(diào)控都在檢測到溫度、濕度等超過最佳生長閾值后再進行調(diào)控，采用此方式進行調(diào)控使得天麻已處于不適環(huán)境中后再調(diào)控，對天麻的生長造成影響。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種天麻蜜環(huán)菌智能化生長環(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)驗判斷與單一環(huán)境指標監(jiān)測相結(jié)合進行環(huán)境調(diào)控，導(dǎo)致環(huán)境調(diào)整準確性和響應(yīng)速度低，造成天麻產(chǎn)量和天麻品質(zhì)均偏低的問題。

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

3、所述環(huán)境監(jiān)測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)定閾值時生成第一環(huán)境調(diào)控指令并發(fā)送至生長調(diào)節(jié)模塊；環(huán)境系數(shù)e和土壤系數(shù)s通過如下公式進行計算；

5、

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

7、

8、其中，、分別表示當前土壤濕度值、土壤透氣率值，、分別為天麻蜜環(huán)菌生長的最佳土壤濕度值、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)控模塊保護數(shù)據(jù)獲取單元，預(yù)測單元和調(diào)控單元，所述數(shù)據(jù)獲取單元用于獲取未來設(shè)定時間段內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)，預(yù)測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)測模型內(nèi)得到未來設(shè)定時間段內(nèi)的環(huán)境變化的參數(shù)預(yù)測值，所述參數(shù)預(yù)測值包括預(yù)測棚內(nèi)溫度值、預(yù)測棚內(nèi)濕度值、預(yù)測棚內(nèi)光照強度值和預(yù)測土壤濕度值；所述調(diào)控單元在參數(shù)預(yù)測值超出參數(shù)設(shè)定閾值范圍時將該參數(shù)標記為需調(diào)控參數(shù)；并判斷需調(diào)控參數(shù)類型是否為棚內(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間點，獲取變化時間點至未來設(shè)定時間起始點之間的室外環(huán)境參數(shù)，計算室外環(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間點，并生成第三環(huán)境調(diào)控指令并發(fā)送至生長調(diào)節(jié)模塊；

10、所述生長調(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)控指令中任意一個或多個調(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：通過環(huán)境監(jiān)測模塊對天麻種植大棚環(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)定閾值時通過第一調(diào)控指令進行調(diào)控；同時通過采集氣象數(shù)據(jù)得到未來設(shè)定時段內(nèi)的預(yù)測環(huán)境參數(shù)和土壤參數(shù)，從而在預(yù)測值超過設(shè)定范圍時進行提前調(diào)控，而非在環(huán)境參數(shù)或土壤參數(shù)設(shè)定值已超過設(shè)定范圍時才進行調(diào)控，避免環(huán)境參數(shù)和土壤參數(shù)超限對天麻生長造成影響。當需調(diào)控參數(shù)為棚內(nèi)濕度或溫度時，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)預(yù)測室外環(huán)境參數(shù)與需調(diào)控參數(shù)與差值最大化窗口時間點，從而精準捕捉室外溫、濕度與棚內(nèi)需求的最佳匹配時段，動態(tài)生成第三環(huán)境調(diào)控指令，利用室外環(huán)境對棚內(nèi)環(huán)境進行預(yù)調(diào)控，例如利用凌晨低溫時段通風(fēng)蓄冷、午間室外干燥時自然除濕；顯著提升能源利用效率。室外溫度與棚內(nèi)目標溫差最大時，例如夏季夜間室外22℃，且棚內(nèi)需降溫至25℃時，主動開啟通風(fēng)系統(tǒng)引入冷空氣，減少空調(diào)運行時長，節(jié)省電能；當室外濕度低于棚內(nèi)設(shè)定值且預(yù)測無降雨時，優(yōu)先通過自然通風(fēng)降濕，較傳統(tǒng)除濕方案更加節(jié)能；結(jié)合室外光照強度預(yù)測，在強光時段且滿足光照范圍閾值時提前展開遮陽網(wǎng)并儲存富余光照熱能，用于夜間低溫補償，降低加熱能耗。

12、進一步，所述預(yù)測單元通過如下公式進行棚內(nèi)溫度值預(yù)測和棚內(nèi)濕度值預(yù)測，

13、

14、其中,為經(jīng)過時刻后的預(yù)測棚內(nèi)濕度值，表示預(yù)測的未來時間跨度，當前為室內(nèi)溫度，為當前室外溫度；為太陽輻射量，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)過時刻后的預(yù)測棚內(nèi)溫度值，預(yù)測的未來時間跨度，為當前室內(nèi)濕度，為當前室外濕度；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)控單元通過如下公式計算室外環(huán)境溫度、濕度與棚內(nèi)需求的差值最大化窗口；

18、

19、其中，為天麻生長的最低耐受溫度，表示天麻生長的最高耐受溫度；

20、

21、其中，為天麻生長的最低耐受濕度，表示天麻生長的最高耐受濕度；

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

23、通過、公式量化室外與棚內(nèi)的溫差潛力和濕度差潛力，并選擇最大偏差時間點進行調(diào)控，可顯著提升能源利用效率。當室外溫度高于下限閾值時，表示可通過通風(fēng)引入外部熱量，減少加熱需求。當室外溫度低于上限閾值時，表示可通過通風(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>0?時，存在可利用的自然溫差，選擇低溫側(cè)或高溫側(cè)偏差的最大值時刻，代表此時室外溫度與棚內(nèi)需求溫差最大，調(diào)控效率最高。同理，當室外濕度高于濕度下限閾值時，表示可通過通風(fēng)引入外部濕氣，減少加濕需求。

24、進一步，所述數(shù)據(jù)分析模塊還包括生長期標記單元和動態(tài)調(diào)參單元，生長期標記單元用于根據(jù)種植日期和當?shù)貧v史氣候數(shù)據(jù)推測生成萌發(fā)期時間段和膨大期時間段，并標記當前天麻生長所處生長期；所述動態(tài)調(diào)參單元用于在生長期為萌發(fā)期時設(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；在生長期為膨大期時設(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℃時最高，溫度波動超過±3℃會導(dǎo)致酶活性下降30%以上，蜜環(huán)菌在15-25℃時木質(zhì)素分解效率最高，低溫或高溫均會抑制共生關(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，塊莖生長速率下降，膨大期土壤氧氣需求增加，透氣率<0.4?cm3/s時，塊莖生長速率下降40%。因此在膨大期提高透氣率權(quán)重。

26、進一步，所述動態(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)整目標值，為階段切換起始時間，為階段切換完成時間。

29、通過實時比對目標光照強度與實際值的偏差，動態(tài)調(diào)節(jié)遮陽網(wǎng)開合度，在復(fù)雜天氣條件下實現(xiàn)平滑穩(wěn)定的光照調(diào)節(jié)，避免傳統(tǒng)開關(guān)式控制導(dǎo)致的頻繁啟?；虺{(diào)問題，既減少遮陽網(wǎng)機械磨損，又能精準維持天麻生長所需的弱光環(huán)境，同時通過最小化電機動作頻率降低能耗，并適應(yīng)不同季節(jié)或生長期的光照需求變化，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、進一步，所述電動遮陽網(wǎng)采用pid算法進行控制，通過如下公式進行計算；

31、

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

33、進一步，所述澆灌系統(tǒng)根據(jù)土壤濕度偏差計算總灌溉量，公式如下；

34、

35、為土壤體積；為土壤最佳濕度；為土壤當前濕度。

36、澆灌系統(tǒng)通過實時監(jiān)測土壤濕度偏差并結(jié)合滲透速率精準計算灌溉量，能夠動態(tài)匹配天麻不同生長階段的需水特性，避免傳統(tǒng)灌溉中因過量或不足導(dǎo)致的水資源浪費及根系環(huán)境惡化；同時根據(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)動氣象預(yù)測數(shù)據(jù)主動應(yīng)對降雨或高溫，穩(wěn)定塊莖膨大期干物質(zhì)積累。