CN104503411A - 一种用于苗圃的智能控制一体化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于苗圃的智能控制一体化系统，包括：多组智能控制子系统，其中，每组智能控制子系统应用于一个消防灌溉区域，每组智能控制子系统包括：传感器模块；数据采集器；可编程控制器通过通信接口接收由数据采集器转发的多项环境因子实时数据，并将每项环境因子实时数据与对应的环境因子阈值进行比较，统计超过环境因子阈值的环境因子实时数据，根据统计结果生成执行指令；被控设备电路；执行器；通信模块；中心控制平台通过通信模块接收来自可编程控制器的多项环境因子实时数据，并将通过可视化界面将项环境因子实时数据呈现给用户查看，以对每个消防灌溉区域的状态进行监控。本发明可以实现对灌溉、防火喷淋一体化设备的智能控制。
Description
技术领域
本发明涉及苗圃管理和智能控制技术领域，特别涉及一种用于苗圃的智能控制一体化系统。
背景技术
苗圃是各类乔木、花灌木、地被植物的种植场所，因为占地面积较大，林木种植密度高，所以大面积灌溉成为主要成本之一，主要体现在以下两个方面：
第一，传统采用人工移动消防水带的方式进行苗圃灌溉，造成人工成本增加；
第二，浇灌方式粗放，仅凭经验判断浇灌水量是否合理，为保证苗木浇透水，往往采用过量浇灌方式，造成用水量的浪费。
同时，火灾是最为突出的苗圃安全隐患之一，主要体现在：在大风干燥、杂草枯枝落叶较多且尚未及时清理的秋季，极易诱发火灾；在杂草枯枝落叶沤肥的重点区域，物料腐熟过程中产生大量热，也成为苗圃火灾的多发地段。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种用于苗圃的智能控制一体化系统，该系统可以实现对灌溉、防火喷淋一体化设备的智能控制。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种用于苗圃的智能控制一体化系统，包括：多组智能控制子系统，其中，每组智能控制子系统应用于一个消防灌溉区域，所述苗圃划分为多个消防灌溉区域，其中，每组智能控制子系统包括：传感器模块，用于采集所在消防灌溉区域的多项环境因子实时数据；数据采集器，所述数据采集器的输入端与所述传感器模块的输出端相连，用于接收所述多项环境因子实时数据；可编程控制器，所述可编程控制器通过通信接口接收由所述数据采集器转发的所述多项环境因子实时数据，并将每项环境因子实时数据与对应的环境因子阈值进行比较，统计超过所述环境因子阈值的环境因子实时数据，根据统计结果生成执行指令；被控设备电路，所述被控设备电路通过所述通信接口接收所述执行指令，并解析所述执行指令以设置执行器的作业内容，并向所述执行器发送作业指令，其中，所述作业指令包括对应执行器的作业内容；执行器，所述执行器接收来自所述被控设备电路的作业指令，并根据所述作业指令完成对应的作业内容；通信模块，所述通信模块与所述可编程控制器进行通信；中心控制平台，所述中心控制平台与每组智能控制子系统的通信模块进行通信，用于预设多项环境状态的环境因子阈值，将所述多项环境状态的环境因子阈值通过所述通信模块发送至所述可编程控制器，以及通过所述通信模块接收来自所述可编程控制器的多项环境因子实时数据，并将通过可视化界面将所述项环境因子实时数据呈现给用户查看，以对每个所述消防灌溉区域的状态进行监控。
在本发明的一个实施例中，所述传感器模块包括：土壤水分传感器，用于检测所在消防灌溉区域的土壤含水量；土壤温度传感器，用于检测所在消防灌溉区域的土壤温度；红外/温度传感器，用于生成环境温度模拟信号输出电压，所述环境温度模拟信号输出电压用于表征所在消防灌溉区域的环境温度；烟雾传感器，用于生成烟雾浓度模拟信号输出电压，所述烟雾浓度模拟信号输出电压用于表征所在消防灌溉区域的烟雾浓度。
在本发明的又一个实施例中，所述传感器模块块中各传感器均采用太阳能电池板供电。
在本发明的再一个实施例中，所述多项环境状态的环境因子阈值包括：土壤含水量下限值、所述土壤温度上限值、环境温度上限值、各个消防灌溉区域间温差阈值和烟雾浓度上限值。
在本发明的一个实施例中，所述可编程控制器根据接收到的各消防灌溉区域土壤含水量和土壤温度，当判断某一区域土壤含水量低于设定该区域土壤含水量下限值，且该区域土壤温度低于所述土壤温度上限值时，判断所在消防灌溉区域处于缺水状态且适宜灌溉，且苗圃所在区域24小时内无中到大雨时，生成实施供水的执行指令。
在本发明的另一个实施例中，所述可编程控制器根据接收到的环境温度模拟信号输出电压，当判断所述环境温度模拟信号输出电压超过所述环境温度上限值时，则环境温度超过上限值，判断所在消防灌溉区域存在火患，生成启动灭火的执行指令。
在本发明的再一个实施例中，所述可编程控制器还用于通过所述通信模块接收由所述中心控制平台转发的其他消防灌溉区域的环境温度，当判断所在消防灌溉区域的环境温度与其他消防灌溉区域的环境温度的差值大于所述各消防灌溉区域间温差阈值时，判断所在消防灌溉区域存在火患，生成启动灭火的执行指令。
在本发明的另一个实施例中，所述可编程控制器根据接收到的烟雾浓度模拟信号输出电压，当判断所述烟雾浓度模拟信号输出电压超过所述烟雾浓度模拟信号输出电压临界值时，则烟雾浓度超过上限值，判断所在消防灌溉区域存在火患，生成启动灭火的执行指令。
在本发明的一个实施例中，所述通信模块采用GPRS无线传输技术与所述中心控制平台和所述可编程控制器进行通信。
在本发明的另一个实施例中，所述中心控制平台还用于获取所述苗圃所在区域的公共气象预报信息，并将所述公共气象预报信息通过所述通信模块发送给所述可编程控制器，所述可编程控制器在统计超过所述环境因子阈值的环境因子实时数据之后，根据所述统计结果和所述公共气象预报信息生成执行指令。
根据本发明实施例的用于苗圃的智能控制一体化系统，以苗圃主要环境因子传感器、执行器和自动控制技术为核心，构建智能灌溉、防火喷淋一体化系统。利用红外/温度传感器采集苗圃空气温度、负压式土壤水分传感器采集土壤含水量、土壤温度传感器，通过自动控制算法用程序实现控制喷灌系统，达到自动(含手动)灌溉、防火的目的。本发明可以实现对灌溉、防火喷淋一体化设备的智能控制，使同一执行器既能在土壤墒情不足时自动化的合理用水、补充水分，又能在火灾隐患发生初期自动启动灌溉设备，将火情消灭在初始状态。即，本发明实现灌溉、防火喷淋一体化设备，采用一个执行器即实现灌溉功能、又具备消防条件。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的用于苗圃的智能控制一体化系统的示意图；
图2为根据本发明实施例的传感器模块的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例提供一种应用苗圃的智能控制一体化系统，该系统集成有智能控制灌溉、防火喷淋等功能。
首先，本发明根据保证运输车辆、耕作机具、作业人员的正常通行以及苗圃排水、灌溉的考虑，将苗圃划分为多个消防灌溉区域，每个消防灌溉区域对应为将苗圃道路系统及排水灌溉系统划分出的区块。
如图1所示，本发明实施例的用于苗圃的智能控制一体化系统，包括：多组智能控制子系统1和中心控制平台2。
每组智能控制子系统1应用于一个消防灌溉区域，用于完成所在消防灌溉区域内环境因子的监控及环境状态的改变，并与中心控制平台2进行信息交互，最终实现中心控制平台2对各个消防灌溉区域的监控。
具体地，每组智能控制子系统1包括：传感器模块11、数据采集器12、可编程控制器13、被控设备电路14、执行器15和通信模块16。
传感器模块11用于采集所在消防灌溉区域的多项环境因子实时数据，例如，土壤环境数据、温度环境数据等。
在本发明的一个实施例中，如图2所示，传感器模块11包括：土壤水分传感器111、土壤温度传感器112、红外/温度传感器113和烟雾传感器114。其中，传感器模块11中各传感器块均采用太阳能电池板供电.
具体地，土壤水分传感器111用于检测所在消防灌溉区域的土壤含水量。其中，土壤水分传感器111采用负压式土壤水分传感器，其输入电压为5V，可以采用太阳能电池板供电。负压式土壤水分传感器用土壤吸力与土壤水分成反比的关系，对土壤含水量进行检测。
土壤温度传感器112用于检测所在消防灌溉区域的土壤温度。具体地，土壤温度传感器112利用铂电阻的阻值随温度变化而变化，并呈一定函数关系的特性来进行测温，从而获得土壤温度。
红外/温度传感器113用于生成环境温度模拟信号输出电压，其中该环境温度模拟信号输出电压用于表征所在消防灌溉区域的环境温度。具体地，红外/温度传感器113是利用辐射热效应，探测器件接收辐射能后引起温度升高，再由接触型测温元件测量温度改变量，输出模拟信号输出电压，从而测定所在消防灌溉区域的环境温度。
烟雾传感器114用于生成烟雾浓度模拟信号输出电压，其中该烟雾浓度模拟信号输出电压用于表征所在消防灌溉区域的烟雾浓度。其中，烟雾传感器114的输入电压为5v，可采用太阳能电池板供电，具有TTL、模拟信号双路输出，当检测到烟雾浓度超过设定值时，TTL输出低电平，模拟信号在工作时输出0-5V电压，烟雾浓度越高，模拟信号输出电压越大。
数据采集器12的输入端与传感器模块11的输出端相连，用于接收来自传感器模块11的多项环境因子实时数据。具体地，数据采集器12接收传感器模块11中各个传感器单元发送来的环境因子实时数据，并将上述环境因子实时数据通过通信接口17传输给可编程控制器13，以作为可编程控制器13操作执行器15的依据。
可编程控制器13通过通信接口17接收由数据采集器12转发的多项环境因子实时数据，并将每项环境因子实时数据与对应的环境因子阈值进行比较，统计超过环境因子阈值的环境因子实时数据，根据统计结果生成执行指令。
需要说明的是，上述环境因子阈值是由用户通过中心控制平台2预设后，由中心控制平台2通过通信模块16发送至可编程控制器13。
在本发明的一个实施例中，多项环境状态的环境因子阈值包括：土壤含水量下限值、土壤温度上限值、环境温度上限值、各个消防灌溉区域间温差阈值和烟雾浓度模拟信号输出电压临界值。
需要说明的是，上述环境因子阈值根据苗圃大田内苗木品种的不同，其数值也相应不同。
可编程控制器13可通过对软件参数的设定自动控制算法，当环境状态无法满足上述参环境因子阈值时，实现对执行器15的控制，起到改善土壤墒情或灭火的作用。
被控设备电路14通过通信接口17接收来自可编程控制器13的执行指令，并解析该执行指令以设置执行器15的作业内容，并向执行器15发送作业指令。其中，作业指令包括对应执行器的作业内容。即，被控设备电路14在接收到执行指令后，首先分析出需要执行该指令的相关的执行器和执行器的作业内容，然后将上述作业内容以作业指令形式发送给相关的执行器15。即，被控设备电路14可以按照可编程控制器13的执行指令，实现执行器15按设定要求作业。
进一步可知，通信接口17可以实现可编程控制器13与数据采集器12、被控设备电路14的线路连接与通信。其中，通信接口17可以采用GPRS通信技术。
本发明通过太阳能板对传感器模块11的实时供电、利用GPRS技术进行传感器模块1采集数据的信号传输，实现了在基础设施尚不完善的远郊信号的远距离传输，并节省了综合布线费用。
执行器15接收来自被控设备电路14的作业指令，并根据作业指令完成对应的作业内容，从而改变当前消防灌溉区域的环境状态。
下面针对不同环境因子下，对可编程控制器13生成相应的执行指令，控制执行器15作业的过程分别进行说明。
(1)土壤含水量和土壤温度
可编程控制器13可以根据预设的各个消防灌溉区域需水状态对应的土壤含水量下限值及土壤温度上限值，实现执行器15对土壤的按需供水。
具体地，可编程控制器13根据接收到的各个消防灌溉区域土壤含水量和土壤温度，当当判断某一区域土壤含水量低于设定该区域土壤含水量下限值，且该区域土壤温度低于土壤温度上限值时，判断所在消防灌溉区域处于缺水状态且适宜灌溉，且苗圃所在区域24小时内无中到大雨时，即土壤墒情不足，生成实施供水的执行指令。被控设备电路14根据该执行指令，向对应的执行器15发送作业指令，执行器15在收到作业指令后启动实施供水，启动对苗圃大田实施灌溉。
如果土壤含水量低，而土壤温度较高时，即时浇水会迅速降低土壤温度，反不利于水份吸收。以银杏种植区域为例，土壤温度、湿度传感器埋深30cm处，当土壤含水量为田间最大持水量50％时，且土壤温度低于28℃时，执行器15启动，实施供水。
进一步，可编程控制器13可以根据设定不同品种苗木种植区域需水状态对应的土壤水吸力范围，实现执行器15对土壤的按需供水。
(2)本区域环境温度
可编程控制器13根据接收到的环境温度模拟信号输出电压，当判断温度模拟信号输出电压超过环境温度上限值时，则环境温度超过上限值，判断所在消防灌溉区域存在火，，生成启动灭火的执行指令。被控设备电路14根据该执行指令，向对应的执行器15发送作业指令，执行器15在收到作业指令后启动灭火。
(3)区域间温度差值
可编程控制器13还用于通过通信模块16接收由中心控制平台2转发的其他消防灌溉区域的环境温度，当判断所在消防灌溉区域的环境温度与其他消防灌溉区域的环境温度的差值大于各消防灌溉区域间温差阈值时，判断所在消防灌溉区域存在火患，生成启动灭火的执行指令。被控设备电路14根据该执行指令，向对应的执行器15发送作业指令，执行器15在收到作业指令后启动灭火。即，由高温区域的执行器启动灭火。
例如，当某一消防灌溉区气温超过80摄氏度，该区域的执行器启动灭火；当不同消防灌溉区气温温差超过30摄氏度时，高温区域执行器启动灭火。
(4)烟雾浓度
可编程控制器13根据接收到的烟雾浓度模拟信号输出电压，当判断烟雾浓度模拟信号输出电压超过烟雾浓度模拟信号输出电压临界值时，则烟雾浓度超过上限值，判断所在消防灌溉区域存在火患，生成启动灭火的执行指令。被控设备电路14根据该执行指令，向对应的执行器15发送作业指令，执行器15在收到作业指令后启动灭火。
在本发明的实施例中，执行器15可以为喷灌设备。即，当需要对苗圃大田进行灌溉供水和灭火时，启动喷灌设备进行供水。
可选择地，所述喷灌设备，采用全塑节水灌溉系统，根据不同消防灌溉区域不同植被需求，确定灌溉量，然后控制信号输出，结合中心控制平台的指令，控制电磁阀的开关，即可实现自动灌溉。亦可在某一消防灌溉区域发现火患后，电磁阀自动全面开启，即可实现自动灭火。
通信模块16与可编程控制器13进行通信。在本发明的一个实施例中，通信模块16采用GPRS无线传输技术与中心控制平台2和可编程控制器13进行通信，从而实现中心控制平台2与每个消防灌溉区域内的智能控制子系统1的交互。
中心控制平台2对来自每组智能控制子系统1的数据进行数据存储、数据处理、数据控制、数据分析、数据管理，最终实现系统自动化。
中心控制平台2与每组智能控制子系统1的通信模块16通过互联网(Internet)进行通信，用于预设多项环境状态的环境因子阈值，将上述多项环境状态的环境因子阈值通过通信模块16发送至可编程控制器13，以及通过通信模块16接收对应权限内的来自可编程控制器13的多项环境因子实时数据，并将通过可视化界面将项环境因子实时数据呈现给用户查看，以对每个消防灌溉区域的状态进行监控。
进一步，中心控制平台2还用于获取苗圃所在区域的公共气象预报信息，并将该公共气象预报信息通过通信模块16发送给可编程控制器13。可编程控制器13在统计超过环境因子阈值的环境因子实时数据之后，根据统计结果和公共气象预报信息生成执行指令。即，可编程控制器13将传感器模块11采集的数据结合气象资料综合决定对执行器15发出指令。例如，苗圃所在区域24小时之内有中到大雨，则即使土壤水含量低于限定值，执行器15也不实施灌溉作业。
根据本发明实施例的用于苗圃的智能控制一体化系统，以苗圃主要环境因子传感器、执行器和自动控制技术为核心，构建智能灌溉、防火喷淋一体化系统。利用红外/温度传感器采集苗圃空气温度、负压式土壤水分传感器采集土壤含水量、土壤温度传感器，通过自动控制算法用程序实现控制喷灌系统，达到自动(含手动)灌溉、防火的目的。本发明可以实现对灌溉、防火喷淋一体化设备的智能控制，使同一执行器既能在土壤墒情不足时自动化的合理用水、补充水分，又能在火灾隐患发生初期自动启动灌溉设备，将火情消灭在初始状态。即，本发明实现灌溉、防火喷淋一体化设备，采用一个执行器即实现灌溉功能、又具备消防条件。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。
Claims (10)
1.一种用于苗圃的智能控制一体化系统，其特征在于，包括：
多组智能控制子系统，其中，每组智能控制子系统应用于一个消防灌溉区域，所述苗圃划分为多个消防灌溉区域，其中，每组智能控制子系统包括：
传感器模块，用于采集所在消防灌溉区域的多项环境因子实时数据；
数据采集器，所述数据采集器的输入端与所述传感器模块的输出端相连，用于接收所述多项环境因子实时数据；
可编程控制器，所述可编程控制器通过通信接口接收由所述数据采集器转发的所述多项环境因子实时数据，并将每项环境因子实时数据与对应的环境因子阈值进行比较，统计超过所述环境因子阈值的环境因子实时数据，根据统计结果生成执行指令；
被控设备电路，所述被控设备电路通过所述通信接口接收所述执行指令，并解析所述执行指令以设置执行器的作业内容，并向所述执行器发送作业指令，其中，所述作业指令包括对应执行器的作业内容；
执行器，所述执行器接收来自所述被控设备电路的作业指令，并根据所述作业指令完成对应的作业内容；
通信模块，所述通信模块与所述可编程控制器进行通信；
中心控制平台，所述中心控制平台与每组智能控制子系统的通信模块进行通信，用于预设多项环境状态的环境因子阈值，将所述多项环境状态的环境因子阈值通过所述通信模块发送至所述可编程控制器，以及通过所述通信模块接收来自所述可编程控制器的多项环境因子实时数据，并将通过可视化界面将所述项环境因子实时数据呈现给用户查看，以对每个所述消防灌溉区域的状态进行监控。
2.如权利要求1所述的用于苗圃的智能控制一体化系统，其特征在于，所述传感器模块包括：
土壤水分传感器，用于检测所在消防灌溉区域的土壤含水量；
土壤温度传感器，用于检测所在消防灌溉区域的土壤温度；
红外/温度传感器，用于生成环境温度模拟信号输出电压，所述环境温度模拟信号输出电压用于表征所在消防灌溉区域的环境温度；
烟雾传感器，用于生成烟雾浓度模拟信号输出电压，所述烟雾浓度模拟信号输出电压用于表征所在消防灌溉区域的烟雾浓度。
3.如权利要求2所述的用于苗圃的智能控制一体化系统，其特征在于，所述传感器模块中各传感器块均采用太阳能电池板供电。
4.如权利要求2所述的用于苗圃的智能控制一体化系统，其特征在于，所述多项环境状态的环境因子阈值包括：土壤含水量下限值、所述土壤温度上限值、环境温度上限值、各个消防灌溉区域间温差阈值和烟雾浓度模拟信号输出电压临界值。
5.如权利要求4所述的用于苗圃的智能控制一体化系统，其特征在于，所述可编程控制器根据接收到的各消防灌溉区域土壤含水量和土壤温度，当判断某一区域土壤含水量低于设定该区域土壤含水量下限值，且该区域土壤温度低于所述土壤温度上限值时，判断所在消防灌溉区域处于缺水状态且适宜灌溉，且苗圃所在区域24小时内无中到大雨时，生成实施供水的执行指令。
6.如权利要求4所述的用于苗圃的智能控制一体化系统，其特征在于，所述可编程控制器根据接收到的环境温度模拟信号输出电压，当判断所述环境温度模拟信号输出电压超过所述环境温度上限值时，则环境温度超过上限值，判断所在消防灌溉区域存在火患，生成启动灭火的执行指令。
7.如权利要求4所述的用于苗圃的智能控制一体化系统，其特征在于，所述可编程控制器还用于通过所述通信模块接收由所述中心控制平台转发的其他消防灌溉区域的环境温度，当判断所在消防灌溉区域的环境温度与其他消防灌溉区域的环境温度的差值大于所述各个消防灌溉区域间温差阈值时，判断所在消防灌溉区域存在火患，生成启动灭火的执行指令。
8.如权利要求4所述的用于苗圃的智能控制一体化系统，其特征在于，所述可编程控制器根据接收到的烟雾浓度模拟信号输出电压，当判断所述烟雾浓度模拟信号输出电压超过所述烟雾浓度模拟信号输出电压临界值时，则烟雾浓度超过上限值，判断所在消防灌溉区域存在火患，生成启动灭火的执行指令。
9.如权利要求1所述的用于苗圃的智能控制一体化系统，其特征在于，所述通信模块采用GPRS无线传输技术与所述中心控制平台和所述可编程控制器进行通信。
10.如权利要求1所述的用于苗圃的智能控制一体化系统，其特征在于，所述中心控制平台还用于获取所述苗圃所在区域的公共气象预报信息，并将所述公共气象预报信息通过所述通信模块发送给所述可编程控制器，
所述可编程控制器在统计超过所述环境因子阈值的环境因子实时数据之后，根据所述统计结果和所述公共气象预报信息生成执行指令。
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