CN101663991B - 植物生长检测及营养液控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种植物生长检测及营养液控制系统及其控制方法，该系统包括用于检测植物的生长营养状态的植物根系水份检测传感器(1)、植物根系EC值检测传感器(2)及PH值检测传感器(3)，用于检测植物生长外部环境的温度传感器(4)、湿度传感器(5)及光线传感器(6)，用于对本系统核心进行管理和控制的单片机控制单元(7)，负责实现整个植物生长区域相关数据通信的通信单元(9)及用于对执行单片机控制单元(7)控制信号的营养液控制单元(10)。本发明极大程度上提高植物栽培技术检测精度与效率，通过网络化监测，植物生长状态显示和报警模块，以提供给管理人员更直观的对本植物生长环境的了解。

Description

植物生长检测及营养液控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及植物生长检测及营养控制领域，特别涉及一种由传感器检测植物生长环境并自动控制营养液的植物生长检测及营养液控制系统及其控制方法。

背景技术

植物营养液栽培是一种人为创造植物根际生长环境的无土栽培技术，它可代替天然土壤并通过向作物提供水份、养份、氧气、以及其它植物所需的生长成份。植物营养液栽培已在世界范围内有一定的发展和应用，植物所需的水分和营养可以在自动可控的条件下进行。

国外对于营养液的供给系统主要有两种方法，一种方法是营养液供给系统采用双罐的形式，在灌溉前先将营养液按照一定的比例配方配置好，通过控制PH值等方法来供给植物营养液，并定期取作物的叶片来进行分析，从而调整营养液的配方比。这种方案也是我国较多应用的方案，在本方案中，对植物的生长判断主要由人工的化学分析方法完成，营养液的配比主要由人工方式来完成，这种方法对于植物的精细生长和自动控制存在一定不足。

另一是将每种化合物单独装在一个营养液罐内，按照不同的比例在计算机统一指挥下控制植物的营养配比，再输送到植物植床。在这种方式下，营养液的调整方式是：抽取回流的营养液进行分析，然后根据分析结果，计算机下达新的营养液配比方法混合新的营养液。这种方法主要原理是根据太阳辐射强度而改变营养液的配比，在夜间时没有太阳辐射，则营养液的配比方案就不变了。

在我国，也开发出一些植物生长营养控制系统，一般通过基于PWM原理或PID算法，以单片机为核心，实现植物生长营养液的自动控制。

从国内外对植物对营养液的控制检测来看，主要根据营养液的电导率(Ec值)和酸碱度(PH值)进行营养液的管理。实际上由于植物对营养液的吸收，营养液中的离子成份会随着时间的推移而发生变化，有必要进行动态的检测和调整；同样，在营养液循环系统中，可能会导致营养液成分失去平衡，造成营养液中某些成份的不足或过剩，有必要对营养液的成份配比进行有效控制。

无土栽培环境中，植物的生长受自然环境(如光照、温度、湿度、空气等)的影响，植物的生长状况往往在一小片区域内具有相似性，如喜阳植物在阳光充足的地方的植物往往都生长得比较好，而光线是一种区域性的.室内温度和湿度对比较适应植物生长的地方多数植物生长的比较好，温度和湿度也是一种区域性的参数，两个相临的植物的这些参数变化不大。这些外界参数在现有的植物生长检测中没有很好地体现，而现有的植物生长检测主要集中于单根植物的生长状况，而没有考虑到植物生长的区域性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种面向生长区域的植物生长检测及营养液控制系统及其控制方法，并通过营养液控制器控制植物的营养液的给送。本发明通过网络化区域的环境监测实现植物生长环境的检测，极大程度上提高检测植物生长的检测有效性。

本方案的目的通过下述技术方案来实现：一种植物生长检测及营养液控制系统，其包括植物根系水份检测传感器、植物根系EC值检测传感器、PH值检测传感器、温度传感器、湿度传感器、光线传感器、单片机控制单元、网络通信单元及营养液控制单元；

所述植物根系水份检测传感器、植物根系EC值检测传感器、PH值检测传感器分别用于检测植物的生长营养情况，并向营养液控制单元提供直接的植物营养检测数据；

所述温度传感器、湿度传感器、光线传感器用于检测植物生长的外部环境，并向单片机控制单元和营养液控制单元提供该外部环境数据，以利其进行外部决策，进行植物营养程度推理和判断

所述单片机控制单元用于营养检测数据及外部环境数据的计算、网络数据的收发、植物生长状态的推理及营养液控制单元的控制；

所述网络通信单元负责实现整个系统相关数据的通信，并将本植物位置和生长状况的相关数据传输给其它植物的单片机控制单元；

所述营养液控制单元用于对执行单片机控制单元的控制信号，实现植物营养液的供给。

所述系统还包括与单片机控制单元连接的显示单元，用于显示当前植物的生长状况数据和环境数据，包括植物的EC值、PH值、水份值、当前的光线强度、温度及湿度。

所述系统还包括与单片机控制单元连接的报警电路单元，其根据植物生长状况缺陷、营养液不足及网络不能连接的状况进行报警。

系统将单个植物生长状况检测数据通过无线蓝牙方式传输给整个植物生长环境中的其它植物控制系统，传送的数据包括本植物所处的环境数据及营养数据。

所述单片机控制单元包括单片机，及与单片机连接的扩展闪存FLASH模块、内存RAM模块、晶振模块、蓝牙通信模块。

所述单片机型号为AT89C2051。

所述蓝牙通信模块型号为ROK101008，与单片机的UART1相连。

所述所述显示单元为自带汉字字库的KS0108控制芯片的液晶显示器。

所述温度传感器和湿度传感器为集成的OM287935，其与单片机控制单元的UART2相连。

本发明还提供了一种植物生长检测及营养液控制系统的控制方法，其包括以下步骤：

a.系统初始化，设定植物初始营养液配比、报警参数、网络参数、系统模型参数、定时参数；

b.采集本节点及其它植物控制系统节点植物的水份、EC值、PH值，并采集现场温度、湿度、光线强度值；

c.根据设定的水份、EC及PH参数与其它附近节点的环境参数，判断所需的营养液配比；

d.通过营养液控制单元控制植物营养液供给开关时延，判断参数是否达到警戒值，是则报警，并显示现场状况和采集值；否则返回步骤b。

本发明方案与现有技术相比具有以下优点和有益效果：

首先，本发明通过检测植物生长环境，如光照、温度、湿度等，并通过对植物区域的判断与推理，实现作物生物状况的检测。

其次，通过网络化的监测，将离散的单个植物生长数据提供给其它植物控制系统，以利对整个植物环境进行总体监控，并根据大环境的数据进行更有效的植物生长状况的推导。

第三，本系统设置了植物生长状态显示和报警模块，以提供给管理人员更直观的对本生长环境的了解，以利更好的管理和对营养液配比的优化。

附图说明

图1是本发明植物生长检测及营养液控制系统原理框图；

图2是本发明中单片机控制单元的原理图；

图3是本发明的采集与控制执行流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，一种植物生长检测及营养液控制装置与系统，系统包括植物根系水份检测传感器1、植物根系EC值检测传感器2、PH值检测传感器3、温度传感器4、湿度传感器5、光线传感器6、单片机控制单元7，显示单元8、网络通信单元9、营养液控制单元10、报警电路单元11。

植物根系水份检测传感器1、植物根系EC值检测传感器2、PH值检测传感器3分别用于检测植物的生长营养，用于向营养液控制单元10提供直接的植物营养检测数据；

温度传感器4、湿度传感器5、光线传感器6用于植物生长的外部环境，用于向单片机控制单元7和营养液控制单元10提供区域性的外部数据，以利其进行外部决策；

单片机控制单元7用于对本系统核心进行管理和控制，包括数据的计算、网络数据的收发、植物生长状态的推理、控制营养液单元、显示的控制、报警的控制等；

显示单元8用于显示当前的生长状况数据和环境数据，如植物的EC值、PH值、水份值、当前的光线强度、温度、湿度、以及所给的营养液值等；

系统中网络通信单元9负责实现整个植物生长区域的相关数据的通信，用于将本植物位置和生长状况的相关数据传输给其它植物的单片机控制单元7；网络通信中采用蓝牙通信方式实现，一是蓝牙通信具有高效、安全、成本低的特点，另外，蓝牙通讯距离在20米范围左右，当一块植物生长区域超距离时，它的数据由其它与之附近的节点进行转发，从而利用这种转发机制实现任何大小的区域的数据通信功能。

营养液控制单元10用于执行单片机控制单元7的营养液供给控制信号，实现植物营养液的定量供给。营养液的速度是固定的，因此，系统对营养液的控制量的给定是通过打开营养液开关的时间来给定的，打开时间与营养液给定量是一种线性关系。

报警单元11实现对系统的报警，包括植物生长状况缺陷、营养液不足、网络不能连接等。报警单元可以由蓝牙网络传输给远程的人工用户，也可以在LCD显示出突出的标记，以利人工查看。

该系统中单片机控制单元7是核心控制和管理模块，用于控制和管理系统的初始化、检测、通信、采集、计算等功能，并负责进行显示。所述单片机是AT89C2051，具有两个串口UART。所述蓝牙模块是ROK101008，与单片机7a的UART1相连；述的温度传感器和湿度传感器是OM287935，与单片机的UART2相连。扩展闪存FLASH模块7b中存放系统的监控程序和系统初始参数，以及蓝牙通信、传感器检测与整合、计算植物生长与营养液的控制代码。

如图3所示，存储于扩展闪存FLASH模块7b中的代码由单片机7a执行。系统在加电后，首先进行初始化，包括检测设备状况、检测通信链路、设置系统的初始参数、主要包括设定植物初始营养液配比、报警参数、网络参数、系统模型参数、定时参数等。

系统在初始化完成后主要进行两个方面的监控，一是对网络接收数据的监控，当有其它节点传输过来的数据后，进行接收，并向其它附近节点转发，以实现每个节点的数据能在整个植物全部环境中传输，同时该节点检测此时生长数据和环境数据，并向其它节点传输。本系统的第二个监控是定时器数据处理，根据系统设置的定时器，当定时时间到达时，周期性地进行节点的植物生长数据检测，包括EC值、PH值、水份干湿度值等，同时也检测生长环境数据，如光照强度值、温度值、湿度值等，将这些值根据系统的控制计算模型进行推导，以确定植物的生长状况。当植物生长出现营养不足时，通过控制营养液控制装置开关，对该植物添加营养液。此次检测的环境数据和生长状况数据通过蓝牙通信装置传输给附近区域(蓝牙可识别的范围)植物控制节点，同时对本植物的生长数据、采集的环境数据和营养液的给定数据在LCD显示器上进行显示。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，要此描述的本方案可有较多的变化，这种变化不能认为偏离本方案的范围，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，本领域普通技术人员根据上述实施方案通过各种等同替换、组合或简化所得到的技术方案，都包含在本发明所要求的保护及等同范围之内。

Claims (10)

1.一种植物生长检测及营养液控制系统，其特征在于，其包括植物根系水分检测传感器(1)、植物根系EC值检测传感器(2)、pH值检测传感器(3)、温度传感器(4)、湿度传感器(5)、光线传感器(6)、单片机控制单元(7)、网络通信单元(9)及营养液控制单元(10)；

所述植物根系水分检测传感器(1)、植物根系EC值检测传感器(2)、pH值检测传感器(3)分别用于检测植物的生长营养情况，并向单片机控制单元(7)传输植物营养检测数据；

所述温度传感器(4)、湿度传感器(5)、光线传感器(6)用于检测植物生长的外部环境，并向单片机控制单元(7)提供该外部环境数据，以利其进行外部决策，进行植物营养程度推理和判断；

所述单片机控制单元(7)用于营养检测数据及外部环境数据的计算、网络数据的收发、植物生长状态的推理及营养液控制单元(10)的控制；

所述网络通信单元(9)负责实现整个系统相关数据的通信，并将本植物位置和生长状况的相关数据传输给其它植物的单片机控制单元；

所述营养液控制单元(10)用于执行单片机控制单元(7)的控制信号，实现植物营养液的供给，营养液的供给速度是固定的，系统对营养液的控制量的给定是通过打开营养液开关的时间来给定，打开时间与营养液给定量是一种线性关系。

2.根据权利要求1所述的植物生长检测及营养液控制系统，其特征在于，所述系统还包括与单片机控制单元(7)连接的显示单元(8)，用于显示当前植物的生长状况数据和环境数据，包括植物的EC值、pH值、水分值、当前的光线强度、温度及湿度。

3.根据权利要求2所述的植物生长检测及营养液控制系统，其特征在于，所述系统还包括与单片机控制单元(7)连接的报警电路单元(11)，其根据植物生长状况缺陷、营养液不足及网络不能连接的状况进行报警。

4.根据权利要求3所述的植物生长检测及营养液控制系统，其特征在于，系统将单个植物生长状况检测数据通过无线蓝牙方式传输给整个植物生长环境中的其它植物控制系统，传送的数据包括本植物所处的环境数据及营养数据。

5.根据权利要求4所述的植物生长检测及营养液控制系统，其特征在于，所述单片机控制单元(7)包括单片机(7a)，及与单片机(7a)连接的扩展闪存FLASH模块(7b)、内存RAM模块(7c)、晶振模块(7d)、蓝牙通信模块(7e)。

6.根据权利要求5所述的植物生长检测及营养液控制系统，其特征在于，所述单片机(7a)型号为AT89C2051。

7.根据权利要求6所述的植物生长检测及营养液控制系统，其特征在于，所述蓝牙通信模块(7e)型号为ROK101008，与单片机(7a)的UART1相连。

8.根据权利要求5所述的植物生长检测及营养液控制系统，其特征在于，所述所述显示单元(8)为自带汉字字库的KS0108控制芯片的液晶显示器。

9.根据权利要求5所述的植物生长检测及营养液控制系统，其特征在于，所述温度传感器(4)和湿度传感器(5)为集成的OM287935，其与单片机控制单元(7)的UART2相连。

10.一种植物生长检测及营养液控制系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

a.系统初始化，设定植物初始营养液配比、报警参数、网络参数、系统模型参数、定时参数；

b.采集本节点及其它植物控制系统节点植物的水分、EC值、pH值，并采集现场温度、湿度、光线强度值；

c.根据设定的水分、EC及pH参数与其它附近节点的环境参数，判断所需的营养液配比；

d.通过营养液控制单元(10)控制植物营养液供给开关时延，判断参数是否达到警戒值，是则报警，并显示现场状况和采集值；否则返回步骤b。