CN102012698A - 智能高效温室农业生产自动控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种智能高效温室农业生产自动控制系统，包括中央处理模块及与其相连的检测模块、键盘输入模块、显示模块、通讯模块和执行模块，检测模块包括设于大棚内的温度传感器、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、氧气浓度传感器和沉淀池水量传感器以及设于大棚外的风速传感器、雨雪传感器和棚外温、湿度传感器，执行模块包括降温单元、升温单元、通风单元、补光单元及深井泵，通讯模块通过通讯电缆和远离大棚的上位机相连。本发明能对大棚内生长环境进行实时检测，植物所需的水分、其他养分及生长环境都实行智能化供给和调控，使动植物能够在一个理想的环境中高效、快速、高营养地生长，降低人工成本，提高产出效率。
Description
智能高效温室农业生产自动控制系统
技术领域
[0001] 本发明涉及农业生产自动化领域，尤其涉及一种能对温室大棚内的动植物生长 环境、生长条件进行智能化、集成化、自动化调控，使动植物能高效、快速、高营养地 生长的智能高效温室农业生产自动控制系统。
背景技术
[0002] 自古以来，农业生产就有“靠天吃饭”这种残酷的事实存在，那是因为传统农 业生产方式对自然环境的过度依赖而又无奈的结果。虽然，后来出现了塑料大棚，但这 种农业大棚的保温效果不好，对温度的控制仍然受自然环境的影响，补水、施肥、调温 也仍然依靠人工操作，劳动强度大，效率低。由于大棚通风设施不完善，大棚里面的空 气不能满足动植物生长所需的理想比例。在夜晚的时候不能提供光照，故而不能缩短动 植物的生长周期，进而影响作物的产量和效率，土地也得不到高效率的利用。而且目前 的农业大棚一般都没有温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、氧气浓度及动植物生长所 需的养分等生长要素的检测装置，全凭人为的感知及经验进行判断，极为不准确，不能 有效地调控大棚的环境，对作物的生长控制相当有限。
发明内容
[0003] 本发明主要解决传统农业大棚仍然受自然环境的影响，调温效果不理想，通风 设施不完善，不能调控光照度，大棚内的空气不能满足动植物生长所需的理想比例，不 能缩短动植物的生长周期，进而影响作物的产量和效率，而且没有动植物生长所需要素 的检测装置，全凭人为的感知及经验进行判断，极为不准确，不能有效地调控大棚的环 境，对作物的生长控制相当有限的技术问题；提供一种能对大棚内动植物生长所需要素 进行实时检测，智能化、自动化地调控大棚内的温度、湿度、光照度、空气、水份等动 植物生长所需的生长环境、生长条件，把普通的大棚改造成四季如春的恒温农业棚，不 受季节的限制，优化了生态环境，使动植物能快速生长，提高产出效率的智能高效温室 农业生产自动控制系统。
[0004] 本发明同时解决传统农业大棚对作物的补水、施肥、调温仍然依靠人工操作， 劳动强度大，效率低的技术问题；提供一种对作物的补水、施肥、调温等都通过由计 算机智能控制的机电设备自动完成，省时省力，有效减少了劳动力的配备，降低劳动强 度，提高生产效率的智能高效温室农业生产自动控制系统。
[0005] 本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括中央 处理模块及与中央处理模块相连的检测模块、键盘输入模块、显示模块和执行模块，所 述的检测模块包括设于大棚内的若干温度传感器、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳 浓度传感器、氧气浓度传感器和沉淀池水量传感器，所述的执行模块包括降温单元、升 温单元、通风单元、补光单元及深井泵。本发明的检测模块完成对温度、湿度、光照 度、二氧化碳浓度、氧气浓度、水份等动植物生长要素的检测，检测到的数据送中央处理模块，中央处理模块经内部程序处理，一方面发出控制信号给执行模块进行降温、升 温、通风、补光、灌溉等操作，另一方面相关数据送显示模块显示。实现大棚内生长环 境、生长条件的智能化控制，便于工作人员做出准确的判断和操作。其中，传感器的数 量和种类，可以根据实际需要增加或减少。它们立体分布于大棚内的不同区域，构成一 个立体的检测系统，为中央处理模块提供数据依据。
[0006] 作为优选，所述的降温单元包括设于大棚内的S型循环水管和钢结构循环水 管，S型循环水管上连接有S型循环水管水泵，钢结构循环水管上连接有钢结构循环水管 水泵，S型循环水管水泵、钢结构循环水管水泵均通过管路和所述的深井泵相连。S型循 环水管和钢结构循环水管构成大棚内的热交换管道系统，通过启动S型循环水管水泵、 钢结构循环水管水泵及深井泵，使这些管道内流动着从深井中打上来的深井水，再与大 棚内的空气接触，完成热交换，实现降温功能。S型循环水管系统和钢结构循环水管系 统既可独立运行，也可协作运行，充分利用大棚周围现有的水资源、地热资源，让它们 在本系统的控制下得到循环高效利用。
[0007] 作为优选，所述的降温单元包括设于大棚顶部的喷淋管道，喷淋管道上连接有 高压水泵，高压水泵通过管路和所述的深井泵相连。通过深井泵将低温的深井水抽上 来，通过高压水泵，把水加压后通过屋顶的喷淋管道喷射出来，形成水雾，喷洒在大棚 屋顶表面，形成水幕，完成热交换，实现降温。大棚内也可装上这种喷射管道，喷出来 的水雾与大棚内的热空气充分混合、搅拌，从而带走空气中的热量，达到降温的目的。
[0008] 作为优选，所述的升温单元包括电加热器，电加热器的供电线路和继电器Jl的 常开端相连，继电器JI的驱动端和所述的中央处理模块的输出端相连。当温度传感器检 测到棚内温度不够时，中央处理模块会输出信号驱动连在电加热器供电线路上的继电器 Jl,使其常开端吸合，则电加热器通电，开始加热，达到升温的目的。
[0009] 作为优选，所述的升温单元包括设于大棚内的空化机，空化机通过管路和所述 的深井泵相连。利用地下水冬天温暖的特性，由深井泵抽上来温暖的水，送给空化机， 空化机因其独特的结构，可以把大分子水打碎成小分子水，同时给水增加了热量，并且 避免了大分子水容易形成水垢的缺点，从而实现对大棚的升温控制，以提供动植物所需 的热量。
[0010] 作为优选，所述的通风单元包括设于大棚上的电动天窗，电动天窗上设有天窗 传感器，天窗传感器和所述的中央处理模块的输入端相连，中央处理模块的输出端和电 动天窗的控制电机相连。天窗传感器检测天窗的开闭状态，中央处理模块根据接收到的 大棚内的温度值、二氧化碳浓度值和氧气浓度值，进行分析、处理，判断为不够通风时 会输出控制信号给电动天窗的控制电机，打开天窗进行通风。
[0011] 作为优选，所述的通风单元包括设于大棚上的水暖风机，水暖风机的风叶电机 和所述的中央处理模块的输出端相连，水暖风机的供水泵通过管路和所述的深井泵相 连。中央处理模块发现大棚不够通风时还会输出控制信号给水暖风机的风叶电机，完成 大棚的通风、换气操作。当需要时可启动深井泵及水暖风机的供水泵，对大棚进行补水 或升温，确保动植物生长发育的基本自然条件得以科学有效保障。
[0012] 作为优选，所述的补光单元包括设于大棚内的若干红光LED和蓝光LED，红光 LED和蓝光LED分别通过继电器和所述的中央处理模块相连。针对农作物的生长特性，专门设计了在夜间进行补光控制的补光单元。根据农作物的生长发育只对红光、蓝光敏 感的特性，采用了特定波长的红光LED和蓝光LED作为光源来为蔬菜、花果提供光照， 让它得以夜以继日的生长，这是传统农业无法达到的独特优点。同时，LED灯具有发光 效率高、节能等优点。
[0013] 作为优选，所述的中央处理模块上还连接有通讯模块，所述的通讯模块通过通 讯电缆和远离大棚的上位机相连。通讯模块可采用RS232或RS485通讯接口电路，能 够使本系统与上位机建立双向通讯，通过各传感器采集到的各种实时数据可以传到上位 机，并且上位机的指令也可以传递到本系统。上位机可选用优质工控电脑，通过专用的 应用程序完成人机交换界面和通讯功能。
[0014] 作为优选，所述的检测模块包括设于大棚外的风速传感器、雨雪传感器及棚外 温度传感器、棚外湿度传感器。本发明还辅助有一个大棚外的传感器系统，通过风速传 感器、雨雪传感器、棚外温度传感器、棚外湿度传感器等对棚外的风速、雨水、温度、 湿度等气候条件进行检测，并把信息显示在本地显示屏上和上位机显示屏上，告知工作 人员，根据天气的变化，做出相应的防护措施。
[0015] 本发明的有益效果是：打破了传统大棚对自然条件的依赖，把普通的大棚改造 成四季如春的恒温农业棚，使其不受季节的限制。能对大棚内动植物生长所需要素进行 实时检测，植物所需的水分、其他养分及生长环境都实行智能化供给和调控，优化了生 长环境，使动植物能够在一个理想的环境中高效、快速、高营养地生长。可以使大棚内 的作物一年365天、每天24小时不停地生产，实现农业的自动化、工厂化、流水线式的 生产。同时降低了人工成本，提高了产出效率。
附图说明
[0016] 图1是本发明的一种系统连接框图。
[0017] 图2是本发明中中央处理模块及执行模块的一种电路原理图。
[0018] 图3是本发明中检测模块的一种电路原理图。
[0019] 图中1.中央处理模块，2.检测模块，3.键盘输入模块，4.显示模块，5.执行模 块，6.通讯模块，7.上位机，21.温度传感器，22.湿度传感器，23.光照传感器，24. 二氧 化碳浓度传感器，25.氧气浓度传感器，26.沉淀池水量传感器，27.天窗传感器，28.风 速传感器，29.雨雪传感器，30.棚外温度传感器，31.棚外湿度传感器，51.深井泵， 52.S型循环水管水泵，53.钢结构循环水管水泵，54.高压水泵，55.电加热器，56.空化 机，57.电动天窗的控制电机，58.水暖风机的风叶电机，59.水暖风机的供水泵，60.红光 LED, 61.蓝光 LFD。
具体实施方式
[0020] 下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0021] 实施例：本实施例的智能高效温室农业生产自动控制系统，如图1所示，包括 中央处理模块1及与中央处理模块1相连的检测模块2、键盘输入模块3、显示模块4、执 行模块5和通讯模块6。通讯模块6通过通讯电缆和远离大棚的上位机7相连。检测模 块2包括安装于大棚内的温度传感器21、湿度传感器22、光照传感器23、二氧化碳浓度传感器24、氧气浓度传感器25、沉淀池水量传感器26及安装于大棚外的风速传感器28、 雨雪传感器29、棚外温度传感器30、棚外湿度传感器31。执行模块5包括降温单元、 升温单元、通风单元、补光单元及可抽取深井水的深井泵51。降温单元包括安装于大棚 内的S型循环水管、钢结构循环水管和安装于大棚顶部的喷淋管道，S型循环水管上连接 有S型循环水管水泵52，钢结构循环水管上连接有钢结构循环水管水泵53，喷淋管道上 连接有高压水泵54，S型循环水管水泵52、钢结构循环水管水泵53和高压水泵54分别 通过管路和深井泵51相连。升温单元包括安装于大棚内的空化机56和电加热器55，空 化机56通过管路和深井泵51相连，电加热器55的供电线路和继电器Jl的常开端相连， 继电器Jl的驱动端和中央处理模块1的输出端相连。通风单元包括安装于大棚上的电动 天窗和水暖风机，电动天窗上安装有天窗传感器27，天窗传感器27和中央处理模块1的 输入端相连，中央处理模块1的输出端和电动天窗的控制电机57相连，水暖风机的风叶 电机58和中央处理模块1的输出端相连，水暖风机的供水泵59通过管路和深井泵51相 连。补光单元包括安装于大棚内的多个红光LED60和蓝光LED61，红光LED60和蓝光 LED61分别通过继电器J2、继电器J3和中央处理模块1相连。
[0022] 本实施例具体的电路图如图2、图3所示，系统的核心部件——中央处理模 块1，即U1，采用HW-S322220R可编程控制器，另配备有8路模拟输入扩展模块 HW-S08A1024N,即图2中的U2和图3中的U3、U4，U2、U3、U4通过RS485总线和 Ul相连，操作简单，功能强大。
[0023] 一 .温、湿度检测及控制
[0024] 本实施例中温度传感器21、湿度传感器22及棚外温度传感器30、棚外湿度传感 器31采用JCJ100S集成式一体化温湿度变送器，JCJ100S集成式一体化温湿度变送器为壁 挂式安装，湿度传感器采用具有专利技术的固态聚合物结构的湿敏电容元件，温度敏感 元件采用进口高精度钼电阻Ptioo作为感温元件。该温湿度变送器采用科学、合理的电路 设计，能够把采集到的温度、湿度信号，经过转换、放大，最后转换成标准的电压信号 和标准的电流信号输出。本实施例选择其电流输出形式，作为温湿度检测信号的传输方 式，更好地防止了各种干扰，保证了温湿度检测的可靠性。本实施例中一共有四个温湿 度检测器，即图2中的sensor6、sensor8、sensor9、sensorlO,立体分布于大棚的空间内， 保证了检测信号的全面性和科学性。其中三个温湿度检测器sensor8、sensor9、sensorlO 的输出信号和扩展模块U4相连，另一个温湿度检测器sensor^的输出信号和扩展模块U3 相连，U3、U4经过内部数模转换后，数据通过RS485总线传到可编程控制器U1，可编 程控制器Ul经内部程序的处理、比较判断，然后输出对应的控制信号，控制S型循环水 管水泵M52、钢结构循环水管水泵M53、高压水泵M54、深井泵M51、电加热器M55、 空化机M56的启动与停止，以达到升温或降温的目的。
[0025] 二 .光照度检测与控制
[0026] 本实施例中的光照传感器23，即图2中的SenSOr7，采用集成式一体化光照度 变送器RY-G/N，光照传感器SenSor7的输出信号和扩展模块U3相连。光照度变送器 RY-G/N能够把光照状况转换为电信号，经内部电路放大变换，然后输出标准的电流信 号，传递给扩展模块U3，进行再次转换，转换成数据后，传给可编程控制器Ul，可编程 控制器Ul经内部程序的处理、比较判断，然后输出对应的控制信号，通过扩展模块U2
6控制补光单元中的继电器J2、继电器J3，从而开启或关闭红光LED、蓝光LED灯组，即 图2中的蓝光发光二极管Dl、D2和红光发光二极管D3、D4，以达到调节光照的目的。 具体的补光时间及时长，又可以通过上位机进行设定，上位机通过通讯电缆发指令给可 编程控制器U1，各传感器检测到的数据经可编程控制器Ul的处理后又可以通过通讯电 缆上传给上位机。
[0027] 三.二氧化碳浓度检测与控制
[0028] 本实施例中的二氧化碳浓度传感器24，即图2中的sensorl，采用集成式一体化 二氧化碳浓度变送器VC1009，二氧化碳浓度变送器VC1009的输出信号和扩展模块U3相 连。二氧化碳浓度变送器VC1009能够把二氧化碳浓度状况转换为电信号，经内部电路 放大变换，然后输出标准的电压电流信号，传递给扩展模块U3，进行再次转换，转换成 数据后，传给可编程控制器U1，可编程控制器Ul经内部程序的处理、比较判断，然后 输出对应的控制信号，再通过扩展模块U2打开二氧化碳浓度电磁阀J4，进行二氧化碳施 肥。
[0029] 四.通风控制
[0030] 本实施例中，氧气浓度传感器25，即图2中的SenSOr5，该传感器和扩展模块 U3相连。可编程控制器Ul根据接收到的大棚内的温度值、二氧化碳浓度值和氧气浓度 值，天窗传感器sensorll的输出信号直接输送给可编程控制器U1，由可编程控制器的内 部程序进行综合分析、处理和判断，输出相应的控制信号给水暖风机的风叶电机M58、 水暖风机的供水泵M59及电动天窗的控制电机M57，或者通过程序的定时设定，对水暖 风机的风叶电机、水暖风机的供水泵及电动天窗的控制电机进行定时控制，完成大棚的 通风、换气散热操作。
[0031] 五.沉淀池水量检测与控制
[0032] 本实施例中的沉淀池水量传感器26，即图2中的SenSOrl2，采用浮球触发式传感 器，该传感器的输出信号直接和可编程控制器Ul相连，完成沉淀池水量检测，可编程控 制器Ul经内部程序的处理、比较判断，然后输出对应的控制信号给深井泵M51和喷灌电 机M60，对大棚内作物进行补水和灌溉，从而实现大棚内作物所需用水量的自动补给控 制。
[0033] 六.本实施例中的安装于大棚外的风速传感器28、雨雪传感器29，即图2中的 sensor2、sensor3,分别采用KAll风速传感器和RY-G/W雨雪传感器，完成对室外风 速、雨雪等自然气象进行检测，sensor^、SenSOr3和扩展模块U3相连，测得的风速、雨 雪信号经扩展模块U3传给可编程控制器U1，再由可编程控制器进行处理，输出相关信 号给显示模块及经通讯模块上传给上位机，提醒工作人员注意防范自然灾害。
[0034] 另外，大棚内的补水管道、喷灌管道、喷淋管道、S型循环水管和钢结构循环水 管上分别安装有补水电磁阀J5、J6、喷灌电磁阀J7、J8、喷淋电磁阀J9〜J12、S型循环 水管电磁阀J13〜J16、钢结构循环水管电磁阀J17〜J20，这些电磁阀中一部分电磁阀的 控制端直接和可编程控制器Ul相连，另一部分电磁阀的控制端和扩展模块U2相连。这 些电磁阀的开闭状态都由可编程控制器进行自动控制。
[0035] 总之，本发明的智能高效温室农业生产自动控制系统，一经启动，即进入工作 状态，不停扫描各传感器的信号和设定的数据。
7[0036] 1)当任意一个温度传感器检测到的温度高于设定范围时，则系统启动降温单 元。启动降温单元的顺序是：第一，启动天窗通风系统；第二，启动S型循环水管系 统，此系统又分4个分系统，每个分系统间隔15分钟轮流启停；第三，启动喷淋管道系 统，此系统又分4个分系统，每个分系统间隔15分钟轮流启停；第四，启动钢结构循环 水管、雾化水系统，此系统又分4个分系统，每个分系统间隔15分钟轮流启停；第五， 启动水暖风机，从大棚的底部进行进风循环。每种系统启动间隔时间可通过键盘任意设 定。
[0037] 2)当任意一个温度传感器检测到的温度低于设定范围时，则系统启动升温单 元。启动升温单元的顺序是：第一，启动空化机；第二，启动水暖风机的供水泵；第 三，启动水暖风机的风叶电机；第四，启动电加热器。每种启动间隔时间可通过键盘任 意设定。
[0038] 3)当任意一个湿度传感器检测到的湿度低于设定值时，则启动补水单元，如 启动深井泵、喷灌电机等，也可通过键盘设定为定时启动方式，两种启动方式可同时存 在。
[0039] 4)当任意一个光照传感器检测到光照不足时，则开启补光单元，开启顺序和开 启时间可通过键盘调整，默认补光两个小时，也可通过键盘设定为定时启动补光单元， 两种启动方式可同时存在。
[0040] 5)当沉淀池水量传感器检测到蓄水池水量不足时，则启动深井泵、喷灌电机等 进行补水及灌溉。
[0041] 6)其中，水暖风机的风叶电机的启动，可独立设定启动、关闭周期，以便于调 节大棚内的温度、湿度的均勻性。该项设定的启动级别优于其他设定。
[0042] 另外，本发明中的上位机通过专用的应用程序完成人机交换界面和通讯功能：
[0043] (1)以数据和曲线形式实时显示大棚内外的环境参数，并可查询历史记录；
[0044] (2)实现对温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度、pH值、EC值、液位等24 路模拟量的数据存储，以及天窗、遮阳网、通风机、补光灯等21路开关量的状态显示， 并将24小时数据存入数据库；
[0045] (3)工作人员通过上位机上的人机交互界面实现“软开关”开闭各执行机构；
[0046] (4)具有较完备的大棚作物知识库和专家系统；
[0047] (5)具有开放式的设计平台，实时查询、修改、增加和删除大棚作物知识库内 容；
[0048] (6)依据大棚作物知识库内容实行大棚的智能化管理和控制；
[0049] (7)通过人机交互界面设定各设备开闭时间，对大棚内部设备实施自动控制。
8
Claims (10)
1. 一种智能高效温室农业生产自动控制系统，其特征在于包括中央处理模块（1)及 与中央处理模块（1)相连的检测模块（2)、键盘输入模块（3)、显示模块（4)和执行模块 (5)，所述的检测模块（2)包括设于大棚内的若干温度传感器（21)、湿度传感器（22)、 光照传感器（23)、二氧化碳浓度传感器（24)、氧气浓度传感器（25)和沉淀池水量传感 器（26)，所述的执行模块（5)包括降温单元、升温单元、通风单元、补光单元及深井泵 (51)。
2.根据权利要求1所述的智能高效温室农业生产自动控制系统，其特征在于所述的降 温单元包括设于大棚内的S型循环水管和钢结构循环水管，S型循环水管上连接有S型循 环水管水泵（52)，钢结构循环水管上连接有钢结构循环水管水泵（53)，S型循环水管水 泵（52)、钢结构循环水管水泵（53)均通过管路和所述的深井泵（51)相连。
3.根据权利要求1或2所述的智能高效温室农业生产自动控制系统，其特征在于所述 的降温单元包括设于大棚顶部的喷淋管道，喷淋管道上连接有高压水泵（54)，高压水泵 (54)通过管路和所述的深井泵（51)相连。
4.根据权利要求1所述的智能高效温室农业生产自动控制系统，其特征在于所述的升 温单元包括电加热器（55)，电加热器（55)的供电线路和继电器Jl的常开端相连，继电器 Jl的驱动端和所述的中央处理模块（1)的输出端相连。
5.根据权利要求1或4所述的智能高效温室农业生产自动控制系统，其特征在于所述 的升温单元包括设于大棚内的空化机（56)，空化机（56)通过管路和所述的深井泵（51)相 连。
6.根据权利要求1所述的智能高效温室农业生产自动控制系统，其特征在于所述的通 风单元包括设于大棚上的电动天窗，电动天窗上设有天窗传感器（27)，天窗传感器（27) 和所述的中央处理模块⑴的输入端相连，中央处理模块⑴的输出端和电动天窗的控制 电机(57)相连。
7.根据权利要求1或6所述的智能高效温室农业生产自动控制系统，其特征在于所述 的通风单元包括设于大棚上的水暖风机，水暖风机的风叶电机（58)和所述的中央处理模 块（1)的输出端相连，水暖风机的供水泵（59)通过管路和所述的深井泵（51)相连。
8.根据权利要求1所述的智能高效温室农业生产自动控制系统，其特征在于所述的 补光单元包括设于大棚内的若干红光LED (60)和蓝光LED (61)，红光LED (60)和蓝光 LED(61)分别通过继电器J2、继电器J3和所述的中央处理模块（1)相连。
9.根据权利要求1或2或4或6或8所述的智能高效温室农业生产自动控制系统，其 特征在于所述的中央处理模块（1)上还连接有通讯模块（6)，所述的通讯模块（6)通过通 讯电缆和远离大棚的上位机（7)相连。
10.根据权利要求1或2或4或6或8所述的智能高效温室农业生产自动控制系统， 其特征在于所述的检测模块（2)包括设于大棚外的风速传感器（28)、雨雪传感器（29)及 棚外温度传感器（30)、棚外湿度传感器（31)。
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