CN104181887A - 一种用于温室的物联网智能控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于温室的物联网智能控制系统，包括室内环境监测控制部分和远程视频监控部分；所述室内环境监测控制部分包括依次连接的ZigBee协调器、主控制器和单片机，所述主控制器连接有本地USB摄像头和报警器，所述单片机连接卷帘机、电磁水阀、顶盖电机和照明灯，所述ZigBee协调器连接有若干ZigBee节点，每个ZigBee节点连接有若干测定环境参数的传感器；所述远程视频监控部分包括依次连接的远程USB摄像头、MjpegStreamer服务器及Boaweb服务器，所述Boaweb服务器通过Internet与客户端进行网络连接。本发明控制系统的集成度和自动化程度高，可实现多参数的智能控制管理。

Description

一种用于温室的物联网智能控制系统及方法

技术领域

本发明属于自动化控制技术领域，涉及一种用于温室的物联网智能控制系统及利用该系统的控制方法。

背景技术

   近几年来以室内种植业和养殖业为代表的设施农业得到迅速发展，设施农业对环境的要求如温度、光照、湿度等比较高。如果单纯采用人工管理，则费时费力，而且效率不高，参数控制精确度低。

   目前，国内针对设施农业也开发了一系列的智能控制系统，但现有控制系统的控制内容较为单一，或者为温度控制，或者为湿度控制，控制系统均各成体系，没有达到集成化管理，给管理者的管理带来了一定的难度，而且增加了控制成本。也有一部分可实现集成化管理的温室控制系统，但这些控制系统都具有一定的局限性，表现在不同企业都在使用自己组装形成的设备，而各个企业的设备不尽相同，这些都不利于系统的维护和改进，而且现有控制系统难以在不同类型的温室系统如种植业温室系统和养殖业温室系统之间进行转化使用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种集成度和自动化程度高的用于温室的物联网智能控制系统。

为此，本发明采用如下技术方案：

一种用于温室的物联网智能控制系统，包括室内环境监测控制部分和远程视频监控部分；所述温室内设有电磁水阀和照明灯，温室顶部设有卷帘机和通风口，通风口上部设有活动顶盖，卷帘机的卷轴上卷绕有遮阳卷帘，活动顶盖由电机支架、顶盖电机、牵引绳和盖板构成，所述所述顶盖电机固定于电机支架上，牵引绳一端连接盖板、另一端连接顶盖电机的转轴；

所述室内环境监测控制部分包括依次连接的ZigBee协调器、主控制器和单片机，所述主控制器连接有本地USB摄像头和报警器，所述单片机连接卷帘机、电磁水阀、顶盖电机和照明灯，所述ZigBee协调器连接有若干ZigBee节点，每个ZigBee节点分别连接有温度传感器、湿度传感器和光照度传感器；所述本地USB摄像头、温度传感器、湿度传感器和光照度传感器均位于温室内，且不同的ZigBee节点采集温室内不同区域的环境参数；

所述远程视频监控部分包括依次连接的远程USB摄像头、Mjpeg Streamer服务器及Boa web服务器，所述远程USB摄像头设在温室内，所述Boa web服务器通过Internet与客户端进行网络连接。

进一步地，所述主控制器还连接有GSM通信模块，所述GSM通信模块通过GPRS网络与管理者手机相连接。

进一步地，所述主控制器内设有累加器。

进一步地，所述单片机上还连接有扩展传感器，所述扩展传感器包括氧气浓度传感器、二氧化碳浓度传感器和水温传感器，且所述氧气浓度传感器、二氧化碳浓度传感器位于温室内，所述水温传感器设于温室供水管道内。

进一步地，所述客户端包括安装有网络浏览器的PC机和手机。

进一步地，所述单片机还连接有风扇，所述风扇位于温室内。

一种用于温室的物联网智能控制方法，采用上述物联网智能控制系统，包括如下控制步骤：

（1）设定温室内最高温度值、最低温度值、最低湿度值、最高光照度值和最低光照度值，设定温度传感器、湿度传感器和光照度传感器的监测间隔时间，设定累加器越界最大次数；

（2）通过ZigBee节点获取温室内包括温度、湿度和光照度在内的环境参数，由主控制器判断环境参数是否正常，即是否超出设定的该参数最高或最低值，如参数判断为不正常，则继续判断对应ZigBee节点是否发生掉线；

（3）如判断为ZigBee节点掉线，则主控制器控制报警器报警，提醒工作人员查看；如判断为ZigBee节点未发生掉线，则由累加器累计该参数超过设定阈值的次数，如果连续超过阈值即越界的次数超出设定的越界最大次数，则由主控制器向单片机发出指令，由单片机控制相应设备开启或关闭，同时，主控制器通过GSM通信模块向管理者手机发送报警短信；操作完成后累加器清零。

进一步地，步骤（3）中，单片机的具体控制方式包括：

（1）温度控制：如温度连续超过设定最高温度值的次数超出设定越界最大次数，则单片机控制顶盖电机开启，使活动盖板打开，对温室进行通风降温；如温度仍然连续超过设定最高温度值，则单片机控制风扇启动，加速温室内的通风降温；

     如温度连续超过设定最低温度值的次数超出设定越界次数，则单片机控制活动盖板关闭，如风扇开启，同时控制风扇关闭；

（2）湿度控制：如湿度连续超过设定最低湿度值的次数超出设定越界最大次数，则单片机控制电磁水阀开启，且每次电磁水阀开启的时间一定；

（3）光照度控制：如光照度连续超过设定最高光照度值的次数超出设定越界最大次数，则单片机控制卷帘机开启，使遮阳卷帘整个覆盖温室顶部；如光照度连续超过设定最低光照度值的次数超出设定越界最大次数，则单片机控制卷帘机开启，使遮阳卷帘整个收回；如光照度连续超过设定最低光照度值的次数仍然超出设定越界最大次数，则单片机控制照明灯开启，对温室内作物进行补光。

    本发明物联网智能控制系统既可应用于种植业的温室，也可应用于养殖业的温室。对于种植业温室，只要控制温度、湿度和光照度使处于设定阈值范围内既可满足温室基本管理需求；而对于养殖业温室，除温度、湿度和光照度的控制外，可通过扩展连接氧气浓度传感器、二氧化碳浓度传感器和水温传感器，同时对温室内氧气浓度水平、二氧化碳浓度水平和供水管道内的水温进行监测，而在控制方法上，对于监测到的氧气浓度值、二氧化碳浓度值和供水管道水温定期反馈主控制器即可。   

本发明的有益效果在于：（1）集成度高，可实现多参数的智能控制管理，大大节省了管理者的管理时间投入，有效降低了温室智能控制的成本；（2）自动化程度高，系统能够自动判断温室内环境变化情况并作出相应调整，使温室内部环境保持最佳状态；（3）系统判断准确性高，只有确定是环境参数发生变化，且环境参数只有在超出阈值达一定次数后才作出反应，避免了系统不恰当响应对温室造成的影响；（4）管理者可以网址访问的形式，远程监控温室内的图像信息，增加了管理的便利性；（5）本发明系统还具有安装简易、设备维修费用低、可升级空间大、与其他设备兼容性好等特点，其使用规模可大可小且不额外土地面积，具有极好的市场适应性。

附图说明

图1为本发明实施例1室内环境监测控制部分的结构示意图；

图2为本发明实施例1远程视频监控部分的结构示意图；

图3为本发明实施例1温室不包括活动盖板情况下的外部结构示意图；

图4为本发明实施例1温室的整体外部结构示意图；

图5为本发明实施例1控制方法的流程图；

图中，1-主控制器，2-单片机，3-ZigBee协调器，4-ZigBee节点，5-传感器，6-顶盖电机，7-卷帘机，8-照明灯，9-电磁水阀，10-本地USB摄像头，11-报警器，12-GSM通信模块，13-管理者手机，14-远程USB摄像头，15-Mjpeg Streamer服务器，16-Boa web服务器，17-无线网卡，18-客户端，19-温室，20-通风口，21-卷帘机卷轴，22-遮阳卷帘，23-盖板，24-电机支架，25-牵引绳。

具体实施方式

    实施例1

如图1-4所示，一种应用于种植业温室的物联网智能控制系统，包括室内环境监测控制部分和远程视频监控部分；温室19内设有电磁水阀9、照明灯8和风扇，温室19顶部设有卷帘机7和通风口20，通风口20上部设有活动顶盖，卷帘机的卷轴21上卷绕有遮阳卷帘22，活动顶盖由电机支架24、顶盖电机6、牵引绳25和盖板23构成，顶盖电机6固定于电机支架24上，牵引绳25一端连接盖板23、另一端连接顶盖电机6的转轴；卷帘机卷轴21沿温室顶部边缘卷动行进过程中，可将遮阳卷帘22收起或展开；顶盖电机6转动过程中，可通过绕动牵引绳25将盖板23打开或放下；

所述室内环境监测控制部分包括依次连接的ZigBee协调器3、主控制器1和单片机2，主控制器1连接有本地USB摄像头10和报警器11，单片机2连接卷帘机7、电磁水阀9、顶盖电机6、照明灯8和风扇（图中未示出）， ZigBee协调器3连接有若干ZigBee节点4，每个ZigBee节点分别连接有传感器5，传感器5包括温度传感器、湿度传感器和光照度传感器；本地USB摄像头10、温度传感器、湿度传感器和光照度传感器均位于温室19内，且不同的ZigBee节点用于采集温室内不同区域的环境参数；本发明中，主控制器1选用arm6410开发板，单片机2的型号选用MCS 51，GSM通信模块12的型号选用sim300s；

所述远程视频监控部分包括依次连接的远程USB摄像头14、Mjpeg Streamer服务器15及Boa web服务器16，Boa web服务器16通过Internet与客户端进行网络连接，客户端包括安装有网络浏览器的PC机和手机；本发明中，Boa web服务器16的硬件平台为arm2410开发板， Mjpeg Streamer服务器15的硬件平台为arm2440，远程USB摄像头14设在温室19内， Mjpeg Streamer服务器15可将远程USB摄像头14的图像信息采集后将视频文件传输到Boa web服务器16，Boa web服务器连接有无线网卡17，可接入Internet网络，管理者可在任意有网络覆盖的地方使用客户端，在浏览器中输入访问网址，便可以B/S的模式对Boa web服务器16中的视频文件进行查看，从而实现远程视频监控。

一种采用上述物联网智能控制系统对种植业温室进行智能控制的方法，包括如下控制步骤：

（1）设定温室内最高温度值、最低温度值、最低湿度值、最高光照度值和最低光照度值，设定温度传感器、湿度传感器和光照度传感器的监测间隔时间，设定累加器越界最大次数；本发明中，各传感器的监测间隔时间设置为10min，设置累加器越界最大次数为10次；

（2）如图5所示，通过各ZigBee节点获取温室内包括温度、湿度和光照度在内的环境参数，由主控制器判断环境参数是否正常，即是否超出设定的该参数最高或最低值，如参数判断为不正常，则继续判断对应ZigBee节点是否发生掉线；

（3）如判断为ZigBee节点掉线，则主控制器控制报警器报警，提醒工作人员查看；如判断为ZigBee节点未发生掉线，则由累加器累计该参数超过设定阈值的次数，如果连续超过阈值即越界的次数超出设定的越界次数（本实施例设定为10次），则由主控制器向单片机发出指令，由单片机控制相应设备开启或关闭，同时，主控制器通过GSM通信模块向管理者手机发送报警短信；操作完成后累加器清零，以便完成下次累计操作。

进一步地，步骤（3）中，单片机的具体控制方式包括：

（1）温度控制：如温度连续超过设定最高温度值的次数超出设定越界最大次数，则单片机控制顶盖电机开启，使活动盖板打开，对温室进行通风降温；如温度仍然连续超过设定最高温度值，则单片机控制风扇启动，加速温室内的通风降温；

     如温度连续超过设定最低温度值的次数超出设定越界次数，则单片机控制活动盖板关闭，如风扇开启，同时控制风扇关闭；

（2）湿度控制：如湿度连续超过设定最低湿度值的次数超出设定越界最大次数，则单片机控制电磁水阀开启，且每次电磁水阀开启的时间一定；

（3）光照度控制：如光照度连续超过设定最高光照度值的次数超出设定越界最大次数，则单片机控制卷帘机开启，使遮阳卷帘整个覆盖温室顶部，对温室进行遮光；如光照度连续超过设定最低光照度值的次数超出设定越界最大次数，则单片机控制卷帘机开启，使遮阳卷帘整个收回；如光照度连续超过设定最低光照度值的次数仍然超出设定越界最大次数，则单片机控制照明灯开启，对温室内作物进行补光。

     上述控制方法为基于本发明物联网智能控制系统的智能控制方法，属于自动控制范畴，使用者也可完全采用手动方式进行控制，例如根据各ZigBee节点获取的环境参数，使用者可据此通过操作单片机手动控制卷帘机、电磁水阀、照明灯和风扇和活动顶盖的启闭，以此实现系统的手动控制。

     实施例2

     一种应用于养殖业温室的物联网智能控制系统，其是在实施例1控制系统的基础上，在单片机上还连接了用于进一步扩展系统监测功能的氧气浓度传感器、二氧化碳浓度传感器和水温传感器，所述氧气浓度传感器、二氧化碳浓度传感器位于温室内，所述水温传感器设于温室供水管道内。氧气浓度传感器和二氧化碳浓度传感器可对温室内的氧气浓度水平、二氧化碳浓度水平进行监测，以判断是否需要对温室进行通风透气，使所养殖动物获得适宜的空气环境；水温传感器可对温室内供水管道内的水温进行监测，以判断水温是否适宜所养殖动物饮用。

     采用该物联网智能控制系统对养殖业温室进行智能控制的方法，是在实施例1控制方法的基础上增加了如下内容：将氧气浓度传感器、二氧化碳浓度传感器和水温传感器定期反馈至主控制器，定期反馈时间可设置为10min，管理卡人员对反馈的上述数据信息进行分析，判断是否打开活动盖板以开启通风口或对供水管道内水源进行加热。活动盖板的打开一般采用手动控制进行。

Claims (10)

1. 一种用于温室的物联网智能控制系统，其特征在于，包括室内环境监测控制部分和远程视频监控部分；所述温室内设有电磁水阀和照明灯，温室顶部设有卷帘机和通风口，通风口上部设有活动顶盖，卷帘机的卷轴上卷绕有遮阳卷帘，活动顶盖由电机支架、顶盖电机、牵引绳和盖板构成，所述顶盖电机固定于电机支架上，牵引绳一端连接盖板、另一端连接顶盖电机的转轴；

所述室内环境监测控制部分包括依次连接的ZigBee协调器、主控制器和单片机，所述主控制器连接有本地USB摄像头和报警器，所述单片机连接卷帘机、电磁水阀、顶盖电机和照明灯，所述ZigBee协调器连接有若干ZigBee节点，每个ZigBee节点分别连接有温度传感器、湿度传感器和光照度传感器；所述本地USB摄像头、温度传感器、湿度传感器和光照度传感器均位于温室内，且不同的ZigBee节点采集温室内不同区域的环境参数；

所述远程视频监控部分包括依次连接的远程USB摄像头、Mjpeg Streamer服务器及Boa web服务器，所述远程USB摄像头设在温室内，所述Boa web服务器通过Internet与客户端进行网络连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于温室的物联网智能控制系统，其特征在于，所述主控制器还连接有GSM通信模块，所述GSM通信模块通过GSM移动通信网络与管理者手机相连接。

3. 根据权利要求1所述的一种用于温室的物联网智能控制系统，其特征在于，所述主控制器上设有累加器。

4. 根据权利要求1所述的一种用于温室的物联网智能控制系统，其特征在于，所述单片机上还连接有扩展传感器，所述扩展传感器包括氧气浓度传感器、二氧化碳浓度传感器和水温传感器，且所述氧气浓度传感器、二氧化碳浓度传感器位于温室内，所述水温传感器设于温室供水管道内。

5. 根据权利要求1所述的一种用于温室的物联网智能控制系统，其特征在于，所述客户端包括安装有网络浏览器的PC机和手机。

6. 根据权利要求1所述的一种用于温室的物联网智能控制系统，其特征在于，所述单片机还连接有风扇，所述风扇位于温室内。

7. 一种用于温室的物联网智能控制方法，采用权利要求2所述物联网智能控制系统，其特征在于，包括如下控制步骤：

（1）设定温室内最高温度值、最低温度值、最低湿度值、最高光照度值和最低光照度值，设定温度传感器、湿度传感器和光照度传感器的监测间隔时间，设定累加器越界最大次数；

（2）通过ZigBee节点获取温室内包括温度、湿度和光照度在内的环境参数，由主控制器判断环境参数是否正常，即是否超出设定的该参数最高或最低值，如参数判断为不正常，则继续判断对应ZigBee节点是否发生掉线；

（3）如判断为ZigBee节点掉线，则主控制器控制报警器报警，提醒工作人员查看；如判断为ZigBee节点未发生掉线，则由累加器累计该参数超过设定阈值的次数，如果连续超过阈值即越界的次数超出设定的越界次数，则由主控制器向单片机发出指令，由单片机控制相应设备开启或关闭，同时，主控制器通过GSM通信模块向管理者手机发送报警短信；上述操作完成后累加器清零。

8.根据权利要求7所述的一种用于温室的物联网智能控制方法，其特征在于，步骤（3）中，单片机的具体控制方式包括：

（1）温度控制：如温度连续超过设定最高温度值的次数超出设定越界次数，则单片机控制顶盖电机开启，使活动盖板打开，对温室进行通风降温；如温度仍然连续超过设定最高温度值，则单片机控制风扇启动，加速温室内的通风降温；

     如温度连续超过设定最低温度值的次数超出设定越界最大次数，则单片机控制活动盖板关闭，如风扇开启，同时控制风扇关闭；

（2）湿度控制：如湿度连续超过设定最低湿度值的次数超出设定越界最大次数，则单片机控制电磁水阀开启，且每次电磁水阀开启的时间一定；

（3）光照度控制：如光照度连续超过设定最高光照度值的次数超出设定越界次数，则单片机控制卷帘机开启，使遮阳卷帘整个覆盖温室顶部；如光照度连续超过设定最低光照度值的次数超出设定越界最大次数，则单片机控制卷帘机开启，使遮阳卷帘整个收回；如光照度连续超过设定最低光照度值的次数仍然超出设定越界最大次数，则单片机控制照明灯开启，对温室内作物进行补光。

9. 权利要求1所述物联网智能控制系统在种植业温室上的应用。

10.权利要求4所述物联网智能控制系统在养殖业温室上的应用。