CN103135540A - 一种植物组培环境信息监测与模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植物组培环境信息监测与模拟系统，包括组培箱和由采集模块、无线传输模块和显示处理模块组成的监测单元以及模拟单元；其中：采集模块采集组培箱中植物组培环境信息，并将该环境信息发送至传输模块，无线传输模块将接收到的环境信息上传给显示处理模块，显示处理模块对环境信息进行存储、处理、显示和索引；模拟单元对组培箱的植物组培环境信息进行人工模拟。本发明操作方便、功能全、针对性强且具扩展性，可实现对温室环境中光照、温度、CO₂等信息智能控制，适用于温室植物组培、植物组培箱、光照培养箱、人工气候室、设施农业等多种场所。

Description

一种植物组培环境信息监测与模拟系统

技术领域

本发明属于植物组培系统技术领域，具体涉及一种应用于组培箱的植物组培环境信息监测与模拟系统。

背景技术

我国是农业大国，设施农业发展迅速，温室种植已成为农村新的经济增长点，是解决“三农”问题重要举措之一, 也是实现农村城镇化、农业产业化的必然需要。而植物组培是设施农业产业链中的重要节点。目前，我国已经成为全球规模最大的组培苗生产基地和出口基地，并成为最大的组培苗消费市场。据2005年农业部统计，组培实验室和组培工厂的面积为100万m²，约有1万多家。据估计，植物组培苗的贸易额约占总额的10%，即150亿美元，并以每年15%速度递增。

伴随着传感技术、单片机技术、无线传输、物联网等技术的发展，利用新技术、新材料和新能源对其光照、温湿度、CO₂浓度等环境信息进行实时、精细、智能、远程监测，提高控制精确度，降低生产能耗、提高效率，人为地创造适宜植物组培的最佳环境，实现高质、高产，已成为科学工作者竞相研究的热点。

现有的温湿度监测系统分为有线监测和无线监测两种，大多数是基于集中式计算机控制和现场总线技术建立起来的。监测现场多采用有线的连接方式将采样点的传感器与控制器的采集模块相连接，存在的共同问题是：安装与布线繁琐、采样点布置不灵活、传输距离受限、容易出现监测盲区，移动性差，可靠性差，检查维护成本高、组网复杂等。随着无线数字传感器件的出现和应用，基于GPRS与ZigBee技术、GSM技术和CAN总线的温湿度监测单元相继出现，但也存在重检测轻控制、监测因子单一、传输距离短、扩展性差、无数据库存储数据和测控软件等缺陷。

“光”是植物光合作用和获取能量的主要环境因子，人工光源在植物组培中起着非常重要的作用。传统的植物组培所采用的光源（如白炽灯、日光灯、钠灯、高压汞灯等）多为荧光灯，但荧光灯以人眼的视觉效应最高为设计原则，且为线状光源，其发射光谱与植物选择性吸收光谱不完全匹配，用于植物组培育苗补光，针对性差、光效低，镇流器用量大，发热量大，导致环境温度升高，反而需空调降温，能耗成本约占其运行费用的40-50%。研发新型节能光源，减少能耗一直是植物组培与快繁育苗的一大热点。而LED以其多色、窄带、冷光、可调制、节能环保等特点被认为是21世纪最有发展前景的新型光源，但目前LED组培光源多数由小功率的LED组成，与植物生长所需光照强度还有一定的差距，且为连续照射，而有针对性的搭配光谱、提高光照均匀度、制定光照控制管理系统的研究与开发一直是科研工作者研究的重点。中国发明专利（申请号201010121695.0）公开了一种基于ZIGBEE无线控制网络的植物组培LED光源控制系统，该系统能对大范围场地内的LED光源进行集中控制，使LED光源的控制变得智能化，以更高效的提高光源对植物的光合作用，控制植物的生长周期，但是没有可视化监测平台，也没有温度、湿度和CO₂控制装置，更没有无线远程上位控制。

组培室温度调控包括加热设备、通风设备、降温设备和遮荫保温设备等，其中，加温主要采用暖气和电加热方式，降温主要用风扇和制冷机。而电加热元件多为旁热式，存在热惯性大、转化效率低、储能高等不足，而能源问题已成为一个令人关注的社会问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种植物组培环境信息监测与模拟系统，具有操作方便、功能全、针对性强、扩展性好的特点，可实现对组培环境中光照、温度、CO₂浓度等信息的智能控制。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种植物组培环境信息监测与模拟系统，包括组培箱；其特征在于：所述系统还包括由采集模块、无线传输模块和显示处理模块组成的监测单元以及模拟单元；其中：采集模块采集组培箱中植物组培环境信息，并将该环境信息发送至传输模块，无线传输模块将接收到的环境信息上传给显示处理模块，显示处理模块对环境信息进行存储、处理、显示和索引；模拟单元对组培箱的植物组培环境信息进行人工模拟。

其中，所述组培箱的顶部设有主控箱，主控箱由侧面板、底板和顶盖组成，并且主控箱中设有器件安装板。

其中，所述采集模块包括第一单片机、光照传感器、温湿度传感器、CO₂传感器、GSM模块和摄像头；光照传感器、温湿度传感器、CO₂传感器和摄像头均安装在组培箱的内壁上；光照传感器、温湿度传感器和摄像头分别将各自测量得到的光照、温度、湿度和植物长势图像数据输入第一单片机中，CO₂传感器将测量得到的CO₂浓度模拟信号经A/D转换器转换成数字信号后输入第一单片机中，GSM模块用于向第一单片机中输入对模拟单元的远程上位控制信号；所述无线传输模块包括无线发射模块、无线接收模块和第二单片机；第一单片机将收到的植物组培环境数据打包后，利用无线发射模块和无线接收模块发送至第二单片机，第二单片机将接收的数据包解译后传送给显示处理模块；所述显示处理模块为上位机；第一单片机、GSM模块和无线发射模块均设在主控箱中的器件安装板上。

其中，所述模拟单元包括光照/温度/CO₂控制器、LED光照装置、低温电热膜升温装置、半导体制冷片降温装置和CO₂补充控制装置；所述光照/温度/CO₂控制器包括光控制器、CO₂控制器、降温控制器和升温控制器；光控制器、CO₂控制器、降温控制器和升温控制器分别接收所述第一单片机发送来的光照控制、CO₂补充控制、降温控制和升温控制信号，并分别控制LED光照装置、CO₂补充控制装置、半导体制冷片降温装置和低温电热膜升温装置。

其中，所述低温电热膜升温装置包括两个并联连接的加温基元，两个加温基元分别套装在组培箱左右两侧的箱体框内，加温基元包括直热式电热膜元件和反射保温层；220V电源经升温控制器接在直热式电热膜元件的两端电极上，两端电极上各设有一个电极绝缘保护片，直热式电热膜元件与组培箱之间设有可导热保护栅网，直热式电热膜元件的外侧依次为反射保温层和组培箱的侧面箱体盖板。

其中，所述半导体制冷片降温装置包括套装在组培箱背面箱体框内的四个制冷基元；制冷基元包括导冷块、半导体双制冷片、保护层、导热块和散热风扇；12V电源经降温控制器接在半导体双制冷片的输入端上，导冷块的内侧贴紧在组培箱的背面板上，其外侧向外依次贴合半导体双制冷片、导热块和散热风扇，保护层设在半导体双制冷片的外围四周。

其中，所述CO₂补充控制装置包括CO₂气罐、调压阀和电磁阀；CO₂气罐的出气口经调压阀与电磁阀的进气口连通，电磁阀的出气口通过施放软管与组培箱连通；所述CO₂控制器包括继电器驱动电路和控制电磁阀开关的固态继电器。

其中，所述LED光照装置包括设在器件安装板上的LED调光主控器和LED驱动器以及安装在组培箱的顶部中央的LED组合灯具；LED调光主控器包括第三单片机、实时时钟、LCD显示器和键盘；实时时钟、LCD显示器和键盘的输出端分别接第三单片机的相应输入端；所述LED驱动器由I/O接口电路和多路LED驱动电路组成，LED驱动电路采用降压型电感电流连续模式，驱动芯片为SN3352；第三单片机发出的串行数据经I/O接口电路转换成8路并行数据，分别施加于驱动芯片SN3352的ADJI引脚，实现对LED组合灯具的光质、光强、工作频率、工作时段和时长光照参数的调控；驱动芯片SN3352的输入电压引脚的通断由光控制器控制。

其中，所述LED组合灯具由LED灯组和LED散热模块组成；LED灯组由6蓝、5白、10红、4远红共25只1瓦LED灯珠组成，采用5*5阵列式排列，排列次序为：第一、五行为：蓝-红-远红-红-蓝，第二、四行为：红-白-红-白-红，第三行为：远红-蓝-白-蓝-远红；每行的5个LED灯珠分别串联连接在相应的驱动芯片SN3352的输出引脚上；所述LED灯珠的主波长为：红色为650±10nm，蓝色为450±10nm，远红为840±10nm，白色为主峰420～490 nm和510～710nm，半值角为60度；所述LED散热模块由主动散热器和被动散热器组成，主动散热器包括铝基PCB板和铝质顶齿灯板，被动散热器包括轴流风扇；铝质顶齿灯板套装在主控箱的底板上，且位于器件安装板的下方，铝质顶齿灯板下面用导热硅胶粘贴铝基PCB板，铝基PCB板上焊接LED灯组；主控箱的左右两侧面板上各安装两个轴流风扇。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明实现了组培箱的多采样点、多环境因子采集，无线发射、接收；新型组培LED光照装置，其发射光谱与植物选择性光谱相匹配，光质、光强、频率可调，连续、间断、闪烁工作方式可选择，针对性强，光效高；温湿度调节装置，高效、节能环保；VB可视化监测平台，界面友好，功能全；且实现了组培室环境信息控制装置的智能下位和无线远程上位控制。

本发明用来实现对植物组培环境的温度、湿度、光照、CO₂、植物长势信息的采集、传输和显示处理，同时利用LED、电热膜和半导体制冷片实现光照、温度、湿度控制，实现对植物组培环境信息的人工模拟。

本系统的创新点：

LED光照装置：采用点阵式设计，由8只红色、7只远红、6只蓝色、4只白色1W LED组成5*5“基元模块”，再由多个基元模块组成的LED光照装置，其光质、光强、频率可调，连续、间断、闪烁工作方式可选择。

监测平台：以数字时钟为时间坐标，可任意设定温湿度采样方式，采集信息的多方式（指针、数字、曲线、图像）同步显示和定时备份、处理和索引。

温湿度调节装置：本发明利用低温电热膜、半导体制冷片和风扇设计了加温和降温装置。

本发明利用预置固化程序方式和短信指令方式，实现了组培室环境信息“控制装置”的智能下位控制和人工交互无线远程上位控制。

本监测和模拟系统操作方便、功能全、针对性强、且具扩展性，可实现对温室环境中光照、温度、CO₂等信息智能控制；利用键盘及上位机软件平台实现了人机交互，大大提高了用户的效率；整个系统可专业用于植物组培育苗，也可用于植物光反应、光合作用研究，并可在光照培养箱、人工气候室、设施农业、设施园艺及植物工厂等方面进行科学研究和推广应用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的整机结构示意图；

图2是本发明的主控箱内模块器件排布图；

图3是本发明的整机电路原理示意图；

图4是本发明的数据采集及发送流程图；

图5是本发明的电热膜安装连接示意图；

图6是图5中的加温基元的结构示意图；

图7是本发明的半导体制冷基元结构示意图；

图8是本发明的LED组培光源的灯珠排列示意图；

图9是本发明的LED组培光源的安装示意图；

图10是本发明的CO₂补充控制装置的结构示意图；

图11是本发明的LED调光程序软件工作流程图；

图中：1、采集模块，1-1、第一单片机，1-2、光照传感器，1-3、温湿度传感器，1-4、CO₂传感器，1-5、GSM模块，1-6、摄像头，2、无线传输模块，2-1、无线发射模块，2-2、无线接收模块，2-3、第二单片机，3、显示处理模块，4、LED光照装置，5、光照/温度/CO₂控制器，5-1、光控制器，5-2、CO₂控制器，5-3、降温控制器，5-4、升温控制器，6、LED调光主控器，6-1、第三单片机，6-2、实时时钟，6-3、LCD显示器，6-4、键盘，7、LED驱动器，8、LED组合灯具，8-1、LED灯珠，8-2、铝基PCB板，8-3、铝质顶齿灯板，9、低温电热膜升温装置，9-1、直热式电热膜元件，9-2、电极绝缘保护片，9-3、反射保温层，9-4、加温基元，9-5、可导热保护栅网，10、半导体制冷片降温装置，10-1、导冷块，10-2、半导体双制冷片，10-3、保护层，10-4、导热块，10-5、散热风扇，11、CO₂补充控制装置，11-1、CO₂气罐，11-2、调压阀，11-3、电磁阀，13、组培箱，14、主控箱，14-1、底板，14-2、器件安装板，14-3、顶盖，15、带观察窗的门。

具体实施方式

如图1所示为本发明的整体结构示意图。本发明的植物组培环境信息监测与模拟系统包括组培箱13，组培箱13的正面设有带有观察窗的门15；系统还包括由采集模块1、无线传输模块2和显示处理模块3组成的监测单元以及模拟单元；其中：采集模块1采集组培箱13中植物组培温度、湿度、光照、CO2和植物长势环境信息，并将该环境信息发送至传输模块，无线传输模块2将接收到的环境信息上传给显示处理模块3，显示处理模块3对环境信息进行存储、处理、显示和索引；模拟单元对组培箱13的植物组培环境信息进行人工模拟。

如图2所示为本发明的主控箱内模块器件排布图。本发明采用箱体结构，组培箱13的顶部设有主控箱14，主控箱14由侧面板、底板14-1和顶盖14-3组成，并且主控箱14中设有器件安装板14-2。另外,主控箱14的外部还配有一个副控制箱，用于实现与主控箱13之间的无线数据传输及连接上位机，无线接收模块2-2及连接上位机的串口设备安装在副控制箱中。

如图3所示，采集模块1包括第一单片机1-1、光照传感器1-2、温湿度传感器1-3、CO₂传感器1-4和GSM模块1-5以及摄像头1-6；无线传输模块2包括无线发射模块2-1、无线接收模块2-2和第二单片机2-3。光照传感器1-2、温湿度传感器1-3和CO₂传感器1-4以及摄像头1-6均安装在组培箱13的内壁上；光照传感器1-2为光敏电阻，用于采集组培箱13中的光照信息，温湿度传感器1-3的型号为DHT21，用于采集组培箱13中的温度和湿度数据，CO₂传感器1-4的型号为TGS4161，用于采集组培箱13中的CO₂浓度数据，摄像头1-6用于采集作物长势图像信息；上述光照和温度、湿度数据分别从光照传感器1-2和温湿度传感器1-3的输出端送入第一单片机1-1的相应输入端，GSM模块1-5接收外界的短信指令，并将其中的控制信号经其输出端送入第一单片机1-1的相应输入端，CO₂浓度数据从CO₂传感器1-4的输出端经A/D转换器送入第一单片机1-1的第四个输入端，摄像头1-6通过USB接口将作物长势图像信息直接传送到上位机上，并经上位机上的可视化监测平台进行监控。

第一单片机1-1将采集打包后的植物组培环境数据（包括光照、温湿度和CO₂浓度数据）利用无线发射模块2-1和无线接收模块2-2发送至第二单片机2-3，第二单片机2-3将接收的数据包解译后传送给显示处理模块3；显示处理模块3为上位机，上位机上安装可视化监测平台；第一单片机1-1和第二单片机2-3均采用STC89C52单片机，无线发射模块2-1和无线接收模块2-2均采用NRF905单片无线收发器，第一单片机1-1、GSM模块1-5和无线发射模块2-1均设在主控箱14中的器件安装板14-2上。

如图4所示，数据采集及发送流程为：首先第一单片机1-1进行系统初始化，主要包括串口波特率设定，波特率定时器设置及采集端口的设定，然后依据任务轮换原理进行数据（温湿度、光照、二氧化碳）的采集和处理：对于温湿度数据，先是进行校验，再提取出温湿度部分并将其转换为四位有效数据进行记录；当采集CO₂浓度数据时，第一单片机1-1先在内部进行A/D转换，再将转换完的数据进行记录；而对于光照的采集，由于是数字信号，便将其直接进行记录。最后系统将记录的数据进行打包。

采集打包后的数据，利用无线发射模块2-1、无线接收模块2-2，通过SPI接口，编写发送/接收程序和串口通讯系统软件，在程序软件控制下，第一单片机1-1将接收到的数据打包发送，第二单片机2-3接收数据包，解译后通过串口通讯，以一定的速率把数据传送给上位机。

发送数据的过程是：当第一单片机1-1要发送数据时，将第二单片机2-3的地址和发送数据通过SPI接口传输给无线发射模块2-1；射频寄存器开启，数据打包（加字头和CRC 校验码），数据包发送。接收数据流程是：首先是无线接收模块2-2进入接收模式一段时间（大约几百个微妙）后，无线接收模块2-2监测空中的信息，等待接收数据；当无线接收模块2-2检测到与接收频率相同的载波时，设置载波检测管脚（CD 管脚）为高电平；当无线接收模块2-2接收到有效的地址时，设置地址匹配管脚（AM 管脚）为高电平；当一个正确的数据包接收完毕后，无线接收模块2-2自动去掉数据包的字头、地址和CRC 校验码，然后将数据接受完成管脚置为高电平；第二单片机2-3通过SPI 接口以一定的速率提取数据包中的有效接收数据。

第二单片机2-3与上位机的串口通讯：包括硬件接口电路和通讯软件的设计，采用MAX232芯片，通过连接TXD、RXD、GND三根线，完成第二单片机2-3与上位机的RS232串口通讯的硬件接口设计；串口通信程序设计是首先对产生波特率的定时器T1进行初始化设置，然后确定T1的工作方式，计算T1的初值，装载TH1、TL1，启动T1确定串行口控制。

上位机内装有基于VB和Access数据库设计的可视化监测平台应用程序，由系统时间、环境信息、图像信息及功能选项卡四部分组成，实现对数据的显示、存储、处理和索引。其中，可视化监测平台的系统时间，用Morph display控件完成时间的数值显示，一是为用户提供当前实时时间，二是为系统采集、存储信息提供时间坐标；环境信息模组，包括温度、湿度及CO₂浓度的数值显示，功能按钮，打开串口、停止检测、结束，显示指示灯：当温度或湿度不满足设定的阈值时，对应的指示灯会变红进行指示报警；图像信息模组，通过调用capcreat capture window建立捕获窗口，利用Picture控件载入实时视频信息，可以采集摄像头采集来的图像，以采集监测点植物长势视频信息；功能选项卡模组，由温湿度/CO₂曲线图，数据记录、分析、存储，参数设置选项卡组成。

通过可视化监测平台，监测组培箱13的环境信息：组培箱13正常工作，启动上位机上的可视化监测平台应用程序，首先通过参数设置子选项卡进行基本参数和采样点参数的设定；然后，打开“打开串口”功能按钮，监测单元开始工作。

功能选项卡模组的温湿度/CO₂曲线图，数据记录、分析和存储：用DataGrid、Adodc和ucHistogram控件进行数据的采集记录、分析、存储以及实时绘制二维数据图形。数据记录图表列分为采样序号、时间、温度、湿度以及备注五栏；数据分析选项卡包括数据表、索引条件、数据分析结果和温湿度曲线栏四部分。系统依据用户选择的索引条件，显示对应的数据表单、分析结果和温湿度曲线；参数设置：通过ComboBox、TextBox和Mscomm控件完成参数设置和串口通信。

对模拟单元的智能下位控制和远程上位控制：通过可视化监测平台设定组培环境信息控制阈值，第一单片机1-1将对监测信号进行判定，当满足阈值条件时，发出驱动信号，通过温湿度传感器1-3、光照传感器1-2、CO₂传感器1-4，实现模拟单元的智能下位控制；基于GSM模块1-5，利用短信指令方式，通过GSM网实现模拟单元的远程上位控制。

如图3所示，模拟单元包括光照/温度/CO₂控制器5、LED光照装置4、低温电热膜升温装置9、半导体制冷片降温装置10和CO₂补充控制装置11；所述光照/温度/CO₂控制器5包括光控制器5-1、CO₂控制器5-2、降温控制器5-3和升温控制器5-4；光控制器5-1、CO₂控制器5-2、降温控制器5-3和升温控制器5-4分别接收所述第一单片机1-1发送来的光照控制、CO₂补充控制、降温控制和升温控制信号，并分别控制LED光照装置4、CO₂补充控制装置11、半导体制冷片降温装置10和低温电热膜升温装置9。其中，光控制器5-1可以是固态继电器，降温控制器5-3和升温控制器5-4均为温度控制器。低温电热膜升温装置9安装在组培箱13的左右两内侧面，半导体制冷片降温装置10安装在组培箱13的内后面，LED光照装置4安装在组培箱13的内顶面中央，CO₂控制装置11控制执行机构进行CO₂施放。

图3中，LED光照装置4包括设在器件安装板14-2上的LED调光主控器6和LED驱动器7以及安装在组培箱13的顶部中央的LED组合灯具8；LED调光主控器6包括第三单片机6-1、实时时钟6-2、LCD显示器6-3和键盘6-4；实时时钟6-2、LCD显示器6-3和键盘6-4的各输出端分别接第三单片机6-1的相应输入端；第三单片机6-1内固化有调光系统软件。LED调光主控器6的核心第三单片机6-1为STC89C54RD+单片机，内固化有系统软件，用C语言编程，采用模块化程序设计，主要包括时钟模式、光质模式、人机接口模块、LED控制模块和参数存储模块；依据调控方法，通过输出可调制的PWM信号，作用在SN3352芯片的ADJI引脚，实现对LED光照参数（光质、光强、工作频率、工作时段和时长）的调控，以满足植物组培对光的需要。先通过人机接口模块对时钟模式、光质模式进行选择和设定，设定参数存储到参数存储模块，然后软件根据相应模式调用相应的函数，对LED控制模块进行调控。

上述LED驱动器7由I/O接口电路和多路LED驱动电路组成，LED驱动电路采用降压型电感电流连续模式，驱动芯片为SN3352，输入电压范围为6V至40V，输出电流750mA，输出功率30W。第三单片机6-1发出的串行数据经I/O接口电路转换成8路并行数据，分别施加于驱动芯片SN3352的ADJI引脚，驱动芯片SN3352的输出引脚分别与LED组合灯具8的对应支路连接，实现LED的恒流驱动、开关和调光功能，实现对LED组合灯具8的光质、光强、工作频率、工作时段和时长光照参数的调控。驱动芯片SN3352的V_N输入电压引脚1脚的通断由光控制器（5-1）控制，可以采用固态继电器实现。

上述LED组合灯具8由LED灯组8-1和LED散热模块组成；如图8所示，LED灯组8-1由6蓝、5白、10红、4远红共25只1瓦LED灯珠组成，采用5*5阵列式排列，排列次序为：第一、五行为：蓝-红-远红-红-蓝，第二、四行为：红-白-红-白-红，第三行为：远红-蓝-白-蓝-远红；每行的5个LED灯珠分别串联连接在相应的驱动芯片SN3352的输出引脚上；所述LED灯珠的主波长为：红色为650±10nm，蓝色为450±10nm，远红为840±10nm，白色为主峰420～490 nm和510～710nm，半值角为60度。

如图9所示，LED散热模块由主动散热器和被动散热器组成，主动散热器包括铝基PCB板8-2和铝质顶齿灯板8-3，被动散热器包括轴流风扇；同时在铝基PCB板8-2和铝质顶齿灯板8-3上涂覆一层高辐射的红外涂料—二氧化钛，把热量快速散出。铝质顶齿灯板8-3套装在主控箱14的底板14-1上，且位于器件安装板14-2的下方，铝质顶齿灯板8-3下面用导热硅胶粘贴铝基PCB板8-2，铝基PCB板8-2上焊接LED灯组8-1；主控箱14的左右两侧面板上各安装两个轴流风扇。

如图5所示，低温电热膜升温装置9包括两个并联连接的加温基元9-4，两个加温基元9-4分别套装在组培箱13左右两侧的箱体框内，内侧是可导热保护栅网9-5，最外侧是侧面箱体盖板；如图6所示为加温基元9-4的结构示意图，加温基元9-4包括直热式电热膜元件9-1和反射保温层9-3；220V电源经升温控制器5-4接在直热式电热膜元件9-1的两端电极上，两端电极上各设有一个电极绝缘保护片9-2，直热式电热膜元件9-1与组培箱13之间设有可导热保护栅网9-5，直热式电热膜元件9-1的外侧依次为反射保温层9-3和组培箱13的侧面箱体盖板。

如图7所示，半导体制冷片降温装置10包括套装在组培箱13背面箱体框内的四个制冷基元；制冷基元包括导冷块10-1、半导体双制冷片10-2、保护层10-3、导热块10-4和散热风扇10-5；12V电源经降温控制器5-3接在半导体双制冷片10-2的输入端上，导冷块10-1的内侧贴紧在组培箱13的背面板上，其外侧向外依次贴合半导体双制冷片10-2、导热块10-4和散热风扇10-5，保护层10-3设在半导体双制冷片10-2的外围四周。

如图11所示的LED调光程序工作流程图，第三单片机6-1内固化有调光系统软件。LED调光程序软件采用C语言编程，主要包括时钟模式、键盘模块、光质模式、LED驱动控制模块和参数存储模块。键盘6-4为一组微动开关，通过总线与第三单片机6-1相连。进入调光模式后，LCD显示器6-3首先显示欢迎界面，然后进入时间设定；通过键盘6-4上的按键，按菜单键进入模式选择界面，选择组培光源的工作模式1、2、3（分别对应推荐模式、远程模式、人工交互模式），在推荐模式和远程模式下无需人为干预，系统会自动运行，选择“人工交互模式”后，可分别对系统时间、通道、色质、光强、照射间隔、频闪参数进行自主选择和设定，设定参数存储到参数存储模块，然后依据调控方法，通过输出可调制的PWM信号，作用在SN3352芯片的ADJI引脚，实现对LED光照参数的调控，以满足植物组培对光的需要。

如图10所示，CO₂补充控制装置11包括CO₂气罐11-1、调压阀11-2和电磁阀11-3；CO₂气罐11-1的出气口经调压阀11-2与电磁阀11-3的进气口连通，电磁阀11-3的出气口通过施放软管与组培箱13连通；所述CO₂控制器5-2包括继电器驱动电路和控制电磁阀11-3开关的固态继电器。当CO₂传感器1-4检测到组培箱13中的CO₂浓度参数越限时，第一单片机1-1输出控制信号，通过继电器驱动电路和固态继电器打开电磁阀11-3，直到CO₂传感器1-4检测到组培箱13中的CO₂浓度恢复到期望的范围时，第一单片机1-1发出控制信号，通过固态继电器关断电磁阀11-3。

Claims (9)

1.一种植物组培环境信息监测与模拟系统，包括组培箱（13）；其特征在于：所述系统还包括由采集模块（1）、无线传输模块（2）和显示处理模块（3）组成的监测单元以及模拟单元；其中：

采集模块（1）采集组培箱（13）中植物组培环境信息，并将该环境信息发送至传输模块，无线传输模块（2）将接收到的环境信息上传给显示处理模块（3），显示处理模块（3）对环境信息进行存储、处理、显示和索引；

模拟单元对组培箱（13）的植物组培环境信息进行人工模拟。

2.根据权利要求1所述的一种植物组培环境信息监测与模拟系统，其特征在于：所述组培箱（13）的顶部设有主控箱（14），主控箱（14）由侧面板、底板（14-1）和顶盖（14-3）组成，并且主控箱（14）中设有器件安装板（14-2）。

3.根据权利要求2所述的一种植物组培环境信息监测与模拟系统，其特征在于：所述采集模块（1）包括第一单片机（1-1）、光照传感器（1-2）、温湿度传感器（1-3）、CO₂传感器（1-4）、GSM模块（1-5）和摄像头（1-6）；光照传感器（1-2）、温湿度传感器（1-3）、CO₂传感器（1-4）和摄像头（1-6）均安装在组培箱（13）的内壁上；光照传感器（1-2）、温湿度传感器（1-3）和摄像头（1-6）分别将各自测量得到的光照、温度、湿度和植物长势图像数据输入第一单片机（1-1）中，CO₂传感器（1-4）将测量得到的CO₂浓度模拟信号经A/D转换器转换成数字信号后输入第一单片机（1-1）中，GSM模块（1-5）用于向第一单片机（1-1）中输入对模拟单元的远程上位控制信号；

所述无线传输模块（2）包括无线发射模块（2-1）、无线接收模块（2-2）和第二单片机（2-3）；第一单片机（1-1）将收到的植物组培环境数据打包后，利用无线发射模块（2-1）和无线接收模块（2-2）发送至第二单片机（2-3），第二单片机（2-3）将接收的数据包解译后传送给显示处理模块（3）；

所述显示处理模块（3）为上位机；第一单片机（1-1）、GSM模块（1-5）和无线发射模块（2-1）均设在主控箱（14）中的器件安装板（14-2）上。

4.根据权利要求3所述的一种植物组培环境信息监测与模拟系统，其特征在于：所述模拟单元包括光照/温度/CO₂控制器（5）、LED光照装置（4）、低温电热膜升温装置（9）、半导体制冷片降温装置（10）和CO₂补充控制装置（11）；

所述光照/温度/CO₂控制器（5）包括光控制器（5-1）、CO₂控制器（5-2）、降温控制器（5-3）和升温控制器（5-4）；光控制器（5-1）、CO₂控制器（5-2）、降温控制器（5-3）和升温控制器（5-4）分别接收所述第一单片机（1-1）发送来的光照控制、CO₂补充控制、降温控制和升温控制信号，并分别控制LED光照装置（4）、CO₂补充控制装置（11）、半导体制冷片降温装置（10）和低温电热膜升温装置（9）。

5.根据权利要求4所述的一种植物组培环境信息监测与模拟系统，其特征在于：所述低温电热膜升温装置（9）包括两个并联连接的加温基元（9-4），两个加温基元（9-4）分别套装在组培箱（13）左右两侧的箱体框内，加温基元（9-4）包括直热式电热膜元件（9-1）和反射保温层（9-3）；

220V电源经升温控制器（5-4）接在直热式电热膜元件（9-1）的两端电极上，两端电极上各设有一个电极绝缘保护片（9-2），直热式电热膜元件（9-1）与组培箱（13）之间设有可导热保护栅网（9-5），直热式电热膜元件（9-1）的外侧依次为反射保温层（9-3）和组培箱（13）的侧面箱体盖板。

6.根据权利要求4所述的一种植物组培环境信息监测与模拟系统，其特征在于：所述半导体制冷片降温装置（10）包括套装在组培箱（13）背面箱体框内的四个制冷基元；制冷基元包括导冷块（10-1）、半导体双制冷片（10-2）、保护层（10-3）、导热块（10-4）和散热风扇（10-5）；12V电源经降温控制器（5-3）接在半导体双制冷片（10-2）的输入端上，导冷块（10-1）的内侧贴紧在组培箱（13）的背面板上，其外侧向外依次贴合半导体双制冷片（10-2）、导热块（10-4）和散热风扇（10-5），保护层（10-3）设在半导体双制冷片（10-2）的外围四周。

7.根据权利要求4所述的一种植物组培环境信息监测与模拟系统，其特征在于：所述CO₂补充控制装置（11）包括CO₂气罐（11-1）、调压阀（11-2）和电磁阀（11-3）；CO₂气罐（11-1）的出气口经调压阀（11-2）与电磁阀（11-3）的进气口连通，电磁阀（11-3）的出气口通过施放软管与组培箱（13）连通；所述CO₂控制器（5-2）包括继电器驱动电路和控制电磁阀（11-3）开关的固态继电器。

8.根据权利要求4所述的一种植物组培环境信息监测与模拟系统，其特征在于：所述LED光照装置（4）包括设在器件安装板（14-2）上的LED调光主控器（6）和LED驱动器（7）以及安装在组培箱（13）的顶部中央的LED组合灯具（8）；LED调光主控器（6）包括第三单片机（6-1）、实时时钟（6-2）、LCD显示器（6-3）和键盘（6-4）；实时时钟（6-2）、LCD显示器（6-3）和键盘（6-4）的输出端分别接第三单片机（6-1）的相应输入端；

所述LED驱动器（7）由I/O接口电路和多路LED驱动电路组成，LED驱动电路采用降压型电感电流连续模式，驱动芯片为SN3352；第三单片机（6-1）发出的串行数据经I/O接口电路转换成8路并行数据，分别施加于驱动芯片SN3352的ADJI引脚，实现对LED组合灯具（8）的光质、光强、工作频率、工作时段和时长光照参数的调控；驱动芯片SN3352的输入电压引脚的通断由光控制器（5-1）控制。

9.根据权利要求8所述的一种植物组培环境信息监测与模拟系统，其特征在于：所述LED组合灯具（8）由LED灯组（8-1）和LED散热模块组成；LED灯组（8-1）由6蓝、5白、10红、4远红共25只1瓦LED灯珠组成，采用5*5阵列式排列，排列次序为：第一、五行为：蓝-红-远红-红-蓝，第二、四行为：红-白-红-白-红，第三行为：远红-蓝-白-蓝-远红；每行的5个LED灯珠分别串联连接在相应的驱动芯片SN3352的输出引脚上；

所述LED灯珠的主波长为：红色为650±10nm，蓝色为450±10nm，远红为840±10nm，白色为主峰420～490 nm和510～710nm，半值角为60度；

所述LED散热模块由主动散热器和被动散热器组成，主动散热器包括铝基PCB板（8-2）和铝质顶齿灯板（8-3），被动散热器包括轴流风扇；铝质顶齿灯板（8-3）套装在主控箱（14）的底板（14-1）上，且位于器件安装板（14-2）的下方，铝质顶齿灯板（8-3）下面用导热硅胶粘贴铝基PCB板（8-2），铝基PCB板（8-2）上焊接LED灯组（8-1）；主控箱（14）的左右两侧面板上各安装两个轴流风扇。

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