CN104731139A - 一种家庭菜园智能控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种家庭菜园智能控制系统及控制方法，包括本地培育模块、数据采集与通信模块、数据处理模块、控制模块和显示与管理模块，数据采集与通信模块和控制模块与本地培育模块连接，且两者均与数据处理模块无线连接，数据处理模块分别和控制模块以及显示与管理模块连接，数据处理模块包括大数据服务器。本发明可以同时收集多个参数信息的功能，提高了对植物的数据分析和培育的全面性，采用大数据服务器增大了数据存储量和数据处理速度，同时根据给出的控制信息进行智能控制，不需要人工辅助，实现了完全智能、自动化检测与管理的效果；对检测到的数据进行智能化管理和分析，提高了植物的存活率和控制系统的可靠性，切实满足了用户的需求。

Description

一种家庭菜园智能控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及智能控制技术领域，具体涉及一种家庭菜园智能控制系统及其控制方法。

背景技术

随着信息技术的发展，菜园智能控制系统的使用越来越广泛，其中涉及到Wi-Fi技术、自动控制理论、大数据理论和传感器产品等技术领域。

Wi-Fi是一种无线局域网技术，它通过无线网卡和无线接入点构成无线网络，其中，无线网卡负责接收信号。目前，Wi-Fi技术主要包括IEEE802.11a与IEEE802.11b两个可使用的标准，在开放性区域内，Wi-Fi通信距离能够达到305m左右，而在封闭区域内，则在76到122m左右。Wi-Fi技术能够与现有有线网络实现有效整合，其组网成本较低，其不需要布线，因而不会受到布线条件的各种限制，十分适合家庭与移动办公的需要。目前自动控制技术已广泛应用于制造业、农业、交通、航空及航天等众多产业部门，尤其是工业控制自动化技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的。大数据技术将给各行各业带来变革性机会，但真正的大数据运用仍处于发展初级阶段。目前我国在公共领域对大数据的运用主要集中在电力行业、智能交通、电子政务、司法系统等四个方面。大数据分析在互联网上的一个重要应用就是基于用户的各种海量在线行为来分析用户的兴趣和需求。传感器在国内的发展已经经历了50多个春秋，20世纪80年代，改革开放给传感器行业带来了生机与活力。从当前现状来看，传感器的应用已经遍及到工业生产、海洋探测、环境保护、医学诊断、生物工程等多方面的领域，几乎所有的现代化的项目都离不开传感器的应用。

国外对菜园智能控制技术的研究较早，始于20世纪70年代，当前正朝着多因子综合控制技术方向发展。其中园艺强国荷兰，其鲜花玻璃温室全部由计算机操作；而日本研制的蔬菜塑料大棚在播种、间苗、运苗、灌水、喷药等作业的自动化方面都有应用。其主要是将各种作物不同生长发育阶段所需要的环境条件输入计算机程序，当某一环境因素发生改变时，其他因素将会自动做出相应修正或调整，通常情况下，以光照条件为始变因素，而温度、湿度和CO₂浓度为随变因素，使该四个主要环境因素随时处于最佳协同状态。

我国对于菜园控制技术的研究较晚。我国工程技术人员在20世纪80年代吸收发达国家自动化控制技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机控制技术，然而该技术仅限于对温度、湿度和CO₂浓度等单项环境因子的控制。

目前，国内外已经广泛将自动化控制技术应用于大型的温室种植领域。开发了许多植物管家控制系统，其中，日本推出了一个Plants Care Mon植物管家：用于提醒用户浇水时间。当植物花盆中水分适宜的时候LED灯熄灭，进入水分监测模式，且植物管家将会每三小时检测一次，当盆内水分不足时候植物管家进入通知模式，LED灯闪烁，并播放提示音，提醒用户浇水时间到了。此外，Parrot公司推出了另一款植物生长状态的检测设备——花园管家(Flower Power)。Flower Power可以完成土壤湿度测量、温度测量、光照测量、土壤导电率测量，可以对植物实时进行数据分析，让用户随时了解植物的健康状态，并进行下一刻护理时间预测。同时，用户可以在Flower Power应用中建立日程表，便可在其中显示出未来一段时间需要完成的浇水、添加肥料等任务的时刻表。

然而目前已有的菜园控制系统依然存在以下几方面的问题：1)对植物、花园、菜园管家检测的参数有限，未能实现同时收集多个参数信息的功能，因此对植物的数据分析和培育有一定的局限性；2)智能性不够高，仅仅在于检测当前状态，并给出相应的方案，而不能智能完成相关操作，需要人工辅助，不能实现完全智能、自动化检测与管理的效果；3)缺乏对检测到的数据进行智能化管理和分析，给用户提供合理的管理建议，降低了植物的存活率和控制系统的可靠性，未能满足实际需求。

发明内容

本发明为了克服以上不足，提供了一种有效提高系统数据收集功能、智能性和可靠性的家庭菜园智能控制系统及其控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种家庭菜园智能控制系统，包括本地培育模块、数据采集与通信模块、数据处理模块、控制模块和显示与管理模块，所述数据采集与通信模块和控制模块与所述本地培育模块连接，且两者均与所述数据处理模块无线连接，所述数据处理模块分别和控制模块以及显示与管理模块连接，数据处理模块包括大数据服务器。

进一步的，所述本地培育模块由上至下设有若干培养层和育苗层，所述每个培养层包括培养槽和设于培养槽上的培养管道，所述育苗层包括水槽和育苗槽；所述培养层和育苗层还包括滴灌单元、传感器单元和照明单元，所述滴灌单元设于所述培养槽和育苗槽内，所述照明单元设于培养槽和育苗槽上方；滴灌单元与所述水槽连接，所述控制模块分别与滴灌单元和照明单元连接，所述数据采集与通信模块与所述传感器单元连接。

进一步的，所述照明单元为LED照明灯管。

进一步的，所述传感器单元包括温湿度传感器、光照传感器和水位传感器。

进一步的，所述数据采集与通信模块包括数据采集单元和第一通信单元，所述数据采集单元包括图像采集模块和ESP8266最小系统，用于采集本地培育模块的数据信息；所述第一通信单元为ESP8266无线模块，用于将所述数据信息上传至数据处理模块。

进一步的，所述大数据服务器包括第二通信单元、中央处理单元和存储单元，所述第二通信单元分别和数据采集与通信模块、控制模块以及显示与管理模块连接，所述中央处理单元分别与第二通信单元和存储单元连接。

进一步的，所述显示与管理模块包括数据显示单元和人工管理单元。

本发明还提供了一种家庭菜园智能控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：所述数据采集与通信模块实时采集所述本地培育模块内植物生长环境的数据信息，并将所述数据信息上传至所述数据处理模块中的大数据服务器；

S2：大数据服务器对接收的数据信息进行处理得到控制信息，将所述控制信息分别发送至所述控制模块和显示与管理模块；

S3：控制模块根据接收的控制信息对本地培育模块内植物生长环境进行控制；

S4：显示与管理模块对接收的控制信息进行实时显示，同时，用户通过显示与管理模块对本地培育模块内植物生长环境进行人工控制；

S5：重复步骤S1～S4，对本地培育模块进行实时控制。

进一步的，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21：第二通信单元接收数据采集与通信模块上传的数据信息并发送至中央处理单元；

S22：中央处理单元对接收的数据信息进行解析，得到各个环境参数的状态数据，并将所述状态数据与系统内设定的相应参考值进行比较，给出控制信息，同时，对存储单元内存储的数据进行管理和分析，更新状态数据参考值，并将所述控制信息和更新后的参考值输出至存储单元和第二通信单元；

S23：第二通信单元分别将所述控制信息发送至控制模块以及显示与管理模块。

进一步的，所述步骤S3对本地培育模块内植物生长环境进行控制具体为：控制滴灌单元以及控制照明单元的工作状态和工作时间。

本发明提供的家庭菜园智能控制系统及其控制方法，通过数据采集与通信模块实时采集植物的生长环境参数信息，通过大数据服务器对获取的数据信息上传中进行解析、对比处理，得到控制信息，并将控制信息输出至控制模块和显示与管理模块，对植物的生长环境进行实时控制，用户通过显示与管理模块对植物的生长环境进行实时查看和人工控制。本发明可以同时收集多个参数信息的功能，提高了对植物的数据分析和培育的全面性，采用大数据服务器增大了数据存储量和数据处理速度，同时根据给出的控制信息进行智能控制，不需要人工辅助，实现了完全智能、自动化检测与管理的效果；此外，对检测到的数据进行智能化管理和分析，给用户提供更合理的管理建议，提高了植物的存活率和控制系统的可靠性；本发明实现了节能减排，低碳环保的目的，以较低的经济投入实现对家庭菜园的智能化管理，同时提供良好的用户体验，切实满足了用户的需求。

附图说明

图1是本发明家庭菜园智能控制系统的结构示意图；

图2a-2b分别是本发明本地培育模块一实施例的主视图和右视图；

图3是本发明水槽一实施例的结构示意图；

图4是本发明数据采集与通信模块的结构示意图；

图5是本发明数据数据处理模块和显示与管理模块的结构示意图；

图6是本发明家庭菜园智能控制系统控制方法的流程图。

图中所示：1、本地培育模块；11、培养槽；12、培养管道；13、水槽；14、育苗槽；15、滴灌单元；151、滴灌软管；16、传感器单元；161、温湿度传感器；162、光照传感器；163、水位传感器；17、照明单元；2、数据采集与通信模块；21、数据采集单元；22、第一通信单元；211、图像采集模块；212、ESP8266最小系统；3、数据处理模块；31、大数据服务器；311、第二通信单元；312、中央处理单元；312、存储单元；4、控制模块；5、显示与管理模块；51、显示单元；52、人工管理单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述：

如图1所示，本发明提供一种家庭菜园智能控制系统，包括本地培育模块1、数据采集与通信模块2、数据处理模块3、控制模块4和显示与管理模块5，数据采集与通信模块2和控制模块4均与本地培育模块1连接以及与数据处理模块3无线连接，数据处理模块3分别和控制模块4以及显示与管理模块5连接，数据处理模块3包括大数据服务器31。

如图2a、2b所示，本地培育模块1由上至下设有若干培养层和育苗层，本实施例中设2个培养层，每个培养层包括培养槽11和设于培养槽11上的培养管道12，育苗层包括水槽13和育苗槽14；培养层和育苗层还包括滴灌单元15、传感器单元16和照明单元17，滴灌单元15设于培养槽11和育苗槽14内，照明单元17设于培养槽11和育苗槽14上方；滴灌单元15与水槽13连接，控制模块4设于育苗槽14后方，且分别与滴灌单元15和照明单元17连接，数据采集与通信模块2与传感器单元16连接。优选的，照明单元17为LED照明灯管；传感器单元16包括温湿度传感器161、光照传感器162和水位传感器163，当然可根据需要增加其他传感器，如二氧化碳浓度传感器等；具体的，培养管道12为PVC水管，作为种植容器，PVC水管一侧开洞供幼苗植入，洞与洞之间留有合理的间距，培养基选用珍珠岩；水槽13、育苗槽14及本地培育模块1外壳采用“亚克力板”制成，美观大方，易粘合密封性好；滴灌单元15包括第一水泵、继电器、电磁阀、灌溉喷头(图中均未标出)和设于培养槽11和育苗槽14内部的滴灌软管151，用于对植物进行滴灌；培养槽11和育苗槽14底部均开有密集的小孔，下方设有水回收盒，滴灌后多余的水流出至下层的余水回收盒子，最终回到水槽13。如图3所示，水槽13按2：1比例分装水和营养液，配有顶盖，减少水的蒸发，滴灌单元15根据需要对培养槽11和育苗槽14内的植物进行清水滴灌或营养液滴灌。温温度传感器161为DHT11温湿度传感器，设于培养槽11和育苗槽14内部，用于检测培养槽11和育苗槽14内的温度和湿度，光照传感器163为BH1750FVI光强传感器，设于培养槽11和育苗槽14上方，用于检测周围的光照强度，水位传感器144设于水槽13上部，用于检测水槽13的水位，水槽13连接第二水泵，当水位过低时，系统会自动通过第二水泵(图中未标出)给水槽13加水或营养液。

如图4所示，数据采集与通信模块2包括数据采集单元21和第一通信单元22，数据采集单元21包括图像采集模块211和ESP8266最小系统212，用于采集本地培育模块1的数据信息；具体的，图像采集模块211通常为视频监控器或相机，设于本地培育系统1上方，用于对本地培育系统1内植物的生长状态进行实时监控，并定时拍摄照片，反映植物的生长状态。第一通信单元22为ESP8266无线模块，用于将图像采集模块211和ESP8266最小系统212采集到的数据信息上传至数据处理模块3，具体的，ESP8266最小系统212与传感器单元16连接，实时接收传感器单元16检测到的温湿度、光强以及水位信息，并通过ESP8266无线模块通过本地无线网上传到大数据服务器31进行数据处理，ESP8266最小系统为可扩展系统，因此，可根据需要增加传感器单元16内的传感器的数量，采集更全面的环境参数信息。

如图5所示，大数据服务器31包括第二通信单元311、中央处理单元312和存储单元313，第二通信单元311分别和数据采集与通信模块2、控制模块4以及显示与管理模块5连接，中央处理单元312分别与第二通信单元311和存储单元313连接，具体的，第二通信单元311接收第一通信单元22上传的本地培育模块1的数据信息，并将该数据发送至中央处理单元312，中央处理单元312对接收的数据信息进行解析，得到各个环境参数的状态数据，具体包括温湿度、光强等植物生长状态信息以及水槽13的水位信息，并将状态数据与系统内设定的相应参考值进行比较，给出控制信息，同时，对存储单元313内存储的数据进行管理和分析，更新状态数据的参考值，并将控制信息和更新后的参考值输出至存储单元313和第二通信单元311；需要说明的是，该控制信息包括植物当前的状态数据和经过中央处理单元312对状态数据解析对比之后给出的用于控制模块4对滴灌单元15和照明单元17连接进行相应操作的操作信息；第二通信单元311分别将控制信息发送至控制模块4以及显示与管理模块5，通过控制模块4对本地培育模块1内植物的生长环境进行控制，同时通过显示与管理模块5对该控制信息进行动态显示。

请继续参照图5，显示与管理模块5包括数据显示单元51和人工管理单元52，其中显示单元51包括手机显示端和电脑显示端，对接收的控制信息进行实时动态显示，同时，用户通过人工管理单元52对本地培育模块1内植物生长环境进行人工控制。

本发明还提供了一种家庭菜园智能控制系统的控制方法，如图6所示，包括以下步骤：

S1：数据采集与通信模块2实时采集本地培育模块1内植物生长环境的数据信息，并将数据信息上传至数据处理模块3中的大数据服务器31，具体的，本地培育模块1内的温湿度传感器161、光照传感器162和水位传感器163分别检测植物的生长环境参数和水槽13的水位信息，ESP8266最小系统212收集上述数据信息，同时图像采集模块211对本地培育系统1内植物的生长状态进行实时监控，并定时拍摄照片，形成图像数据信息，接着ESP8266无线模块将图像采集模块211和ESP8266最小系统212采集到的数据信息上传至数据处理模块3中的大数据服务器31。

S2：大数据服务器31对接收的数据信息进行处理得到控制信息，将控制信息分别发送至控制模块4和显示与管理模块5；具体的，包括以下步骤：

S21：第二通信单元311接收数据采集与通信模块2上传的数据信息并发送至中央处理单元312；

S22：中央处理单元312对接收的数据信息进行解析，得到各个环境参数的状态数据，具体的包括温湿度和光强等植物生长状态信息以及水槽13的水位信息，并将状态数据与系统内设定的相应参考值进行比较，给出控制信息，如当光照强度低于参考值时，发出启动照明单元17的操作信息，同时，对存储单元313内存储的数据进行管理和分析，更新状态数据的参考值，并将控制信息和更新后的参考值输出至存储单元313和第二通信单元311；需要说明的是，该控制信息包括植物当前的状态数据和经过中央处理单元312对状态数据解析对比之后给出的用于控制模块4对滴灌单元15、照明单元17以及第二水泵进行相应操作的操作信息；

S23：第二通信单元311分别将控制信息发送至控制模块4以及显示与管理模块5，通过控制模块4对本地培育模块1内植物的生长环境进行控制，同时通过显示与管理模块5对该控制信息进行动态显示。

S3：控制模块4根据接收的控制信息对本地培育模块1内植物生长环境进行控制，即控制滴灌单元15、照明单元17以及第二水泵的工作状态以及工作时间，如控制滴灌单元15对植物开始滴灌和停止滴灌，或控制第二水泵对水槽13进行清水或营养液的补给以及停止补给；

S4：显示与管理模块5对接收的控制信息进行实时显示，同时，用户通过显示与管理模块5对本地培育模块1内植物生长环境进行人工控制，具体的，显示单元51对接收的控制信息进行实时动态显示，同时，用户通过人工管理单元52对本地培育模块1内植物生长环境进行人工控制，需要说明的是，用户通过人工管理单元52输入人工控制信息，该人工控制信息通过第二通信单元311转发至控制模块4，通过控制模块4完成相应控制。

S5：重复步骤S1～S4，对本地培育模块1进行实时控制。

综上所述，本发明提供的家庭菜园智能控制系统及其控制方法，通过数据采集与通信模块2实时采集植物的生长环境参数信息，通过大数据服务器31对获取的数据信息上传中进行解析、对比处理，得到控制信息，并将控制信息输出至控制模块4和显示与管理模块5，对植物的生长环境进行实时控制，用户通过显示与管理模块5对植物的生长环境进行实时查看和人工控制。本发明可以同时收集多个参数信息的功能，提高了对植物的数据分析和培育的全面性，采用大数据服务器增大了数据存储量和数据处理速度，同时根据给出的控制信息进行智能控制，不需要人工辅助，实现了完全智能、自动化检测与管理的效果；此外，对检测到的数据进行智能化管理和分析，给用户提供更合理的管理建议，提高了植物的存活率和控制系统的可靠性；本发明实现了节能减排，低碳环保的目的，以较低的经济投入实现系统对家庭菜园的智能化管理，同时提供良好的用户体验，切实满足了用户的需求。

虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种家庭菜园智能控制系统，其特征在于，包括本地培育模块、数据采集与通信模块、数据处理模块、控制模块和显示与管理模块，所述数据采集与通信模块和控制模块与所述本地培育模块连接，且两者均与所述数据处理模块无线连接，所述数据处理模块分别和控制模块以及显示与管理模块连接，数据处理模块包括大数据服务器。

2.根据权利要求1所述的家庭菜园智能控制系统，其特征在于，所述本地培育模块由上至下设有若干培养层和育苗层，所述每个培养层包括培养槽和设于培养槽上的培养管道，所述育苗层包括水槽和育苗槽；所述培养层和育苗层还包括滴灌单元、传感器单元和照明单元，所述滴灌单元设于所述培养槽和育苗槽内，所述照明单元设于培养槽和育苗槽上方；滴灌单元与所述水槽连接，所述控制模块分别与滴灌单元和照明单元连接，所述数据采集与通信模块与所述传感器单元连接。

3.根据权利要求2所述的家庭菜园智能控制系统，其特征在于，所述照明单元为LED照明灯管。

4.根据权利要求2所述的家庭菜园智能控制系统，其特征在于，所述传感器单元包括温湿度传感器、光照传感器和水位传感器。

5.根据权利要求1所述的家庭菜园智能控制系统，其特征在于，所述数据采集与通信模块包括数据采集单元和第一通信单元，所述数据采集单元包括图像采集模块和ESP8266最小系统，用于采集本地培育模块的数据信息；所述第一通信单元为ESP8266无线模块，用于将所述数据信息上传至数据处理模块。

6.根据权利要求1所述的家庭菜园智能控制系统，其特征在于，所述大数据服务器包括第二通信单元、中央处理单元和存储单元，所述第二通信单元分别和数据采集与通信模块、控制模块以及显示与管理模块连接，所述中央处理单元分别与第二通信单元和存储单元连接。

7.根据权利要求1所述的家庭菜园智能控制系统，其特征在于，所述显示与管理模块包括数据显示单元和人工管理单元。

8.根据权利要求1～7任一项所述的家庭菜园智能控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：所述数据采集与通信模块实时采集所述本地培育模块内植物生长环境的数据信息，并将所述数据信息上传至所述数据处理模块中的大数据服务器；

S2：大数据服务器对接收的数据信息进行处理得到控制信息，将所述控制信息分别发送至所述控制模块和显示与管理模块；

S3：控制模块根据接收的控制信息对本地培育模块内植物生长环境进行控制；

S4：显示与管理模块对接收的控制信息进行实时显示，同时，用户通过显示与管理模块对本地培育模块内植物生长环境进行人工控制；

S5：重复步骤S1～S4，对本地培育模块进行实时控制。

9.根据权利要求8所述控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21：第二通信单元接收数据采集与通信模块上传的数据信息并发送至中央处理单元；

S22：中央处理单元对接收的数据信息进行解析，得到各个环境参数的状态数据，并将所述状态数据与系统内设定的相应参考值进行比较，给出控制信息，同时，对存储单元内存储的数据进行管理和分析，更新状态数据的参考值，并将所述控制信息和更新后的参考值输出至存储单元和第二通信单元；

S23：第二通信单元分别将所述控制信息发送至控制模块以及显示与管理模块。

10.根据权利要求8所述控制方法，其特征在于，所述步骤S3对本地培育模块内植物生长环境进行控制具体为：控制滴灌单元以及控制照明单元的工作状态和工作时间。