CN105137940B - 物联网大棚农业生长监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种物联网大棚农业生长监控系统，涉及农业生长监控系统。该系统包括植物生态感知系统、气象环境感知系统以及设备控制系统；植物生态感知系统和气象环境感知系统将其各自采集到的数据传输至上位机；上位机控制设备控制系统的启或闭；植物生态感知系统包括植物茎流计、树木径向生长监测仪、叶绿素含量测定传感器、叶片厚度传感器、果实膨大传感器；气象环境感知系统包括空气温度、湿度传感器、土壤温度、湿度传感器、二氧化碳传感器、棚内光照传感器、棚外光照传感器、棚外雨量传感器、棚外风向、风速传感器。保障植物最佳生长环境和状态，节约生产成本、降低生产能耗。
Description
技术领域
本发明涉及农业生长监控系统，具体是一种智能高效设施农业生长监控系统。
背景技术
目前农业设施物联网系统大都是基于无线网络完成气象信息或农业生长环境信息采集，气象信息包括风向、风速、日照强度等，农业生长环境信息包括空气温度、空气湿度、光照强度、CO2浓度、土壤温度和土壤湿度等。这种环境控制优化技术并不是当前植物的生长发育中最适合的，因为植物生长发育所涉及的因素很多，所关联的因素和不可测的变化太多，只是从解决控制而实现植物周围环境优化难以让植物达到最佳生长模式，没有达到对植物生理变化的实时检测，实时反馈，缺少对农业作物自身的生态感知。
农业温室大棚在实际农业生产过程中，很多系统的影响因素很多，十分复杂，建立精准的数学模型特别困难，一般采用模糊控制完成控制，模糊控制不用建立数学模型，根据实际系统的输入输出的结果数据，参考现场操作人员的运行经验，可对系统实施控制。
传统的PID控制最主要的问题是参数固定问题。一旦参数固定计算后，在整个控制过程中都是固定不变的。而在实际系统中，由于系统状态和参数等发生变化是，过程中会出现状态和参数的不确定性，系统很难达到最佳的控制效果。因此，传统的PID控制器难以获得满意的控制效果。
采用神经网络模型可以适应良好温室气候的非线性行为，但是，随机选择的初始参数，使得它们收敛的比较慢，不理想。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种物联网大棚农业生长监控系统，保障植物最佳生长环境和状态，节约生产成本、降低生产能耗， 实现农业生产过程中全面优化，确保农业生产高效、安全、健康、环保。
本发明是以如下技术方案实现的：一种物联网大棚农业生长监控系统，包括植物生态感知系统、气象环境感知系统以及设备控制系统；植物生态感知系统和气象环境感知系统将其各自采集到的数据传输至上位机；上位机控制设备控制系统的启或闭；
所述的植物生态感知系统包括植物茎流计、树木径向生长监测仪、叶绿素含量测定传感器、叶片厚度传感器、果实膨大传感器；
所述的气象环境感知系统包括空气温度、湿度传感器、土壤温度、湿度传感器、二氧化碳传感器、棚内光照传感器、棚外光照传感器、棚外雨量传感器、棚外风向、风速传感器；
所述的设备控制系统包括开窗装置、遮阳篷控制装置、风机控制装置、雨帘控制装置、补光灯控制装置、灌溉阀控制装置、二氧化碳发生器控制装置、加热水泵控制装置、降温水泵控制装置；
所述的开窗装置包括一安装在棚架上的传动轴，安装在传动轴一端的遥杆齿轮、安装在每一个窗户上的连接机构以及一动力装置；所述的连接机构包括遥杆、弯曲遥杆；所述的弯曲遥杆的一端固定在传动轴上，弯曲遥杆的另一端铰接在窗户上，遥杆的一端铰接在窗户上，遥杆的另一端套装在固定轴上，固定轴安装在棚架上；所述的动力装置包括一支撑杆和电动机，电动机输出连接一减速机，减速机连接一驱动轴，驱动轴的一端安装一驱动齿轮；支撑杆的顶端安装一定位套，驱动齿轮设置在定位套内；驱动齿轮对应与遥杆齿轮啮合；所述的窗户包括沿着大棚的棚架弧面上部纵向设置的多个上窗户，每个上窗户下部的棚架上对应设置一下窗户。
本发明的有益效果是：由植物生物感知监控系统、气象环境感知监控系统监控植物实时各种信息变化，并将上述信息通过无线通信的方式发送给上位机，上位机根据以上信息集合与植物经典生成模型比较分析，采用智能控制手段和方法实施调控设备控制系统中各种设备，保障植物最佳生长环境和状态，节约生产成本、降低生产能耗， 实现农业生产过程中全面优化，确保农业生产高效、安全、健康、环保。
附图说明
图1是本发明原理框图；
图2是植物生物感知监控系统原理框图；
图3是气象环境感知监控系统原理框图；
图4是开窗装置结构示意图；
图5是开窗装置局部结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种物联网大棚农业生长监控系统，包括植物生态感知系统、气象环境感知系统以及设备控制系统；植物生态感知系统和气象环境感知系统将其各自采集到的数据传输至上位机；上位机控制设备控制系统的启或闭。
如图2所示，植物生态感知监控系统包括植物茎流计（SFM1 SAP）、树木径向生长监测仪（DRL26）、叶绿素含量测定传感器、叶片厚度传感器、果实膨大传感器。
植物茎流计（SFM1 SAP）通过使用热比率法（HRM）原则，测量小灌木或大树木的茎和根中的高低及反向液流的流速，精确判断植物生理状态。
树木径向生长监测仪（DRL26）监测树干的生长微变化，使树的生长与水分关系的研究变得更容易和更准确。传感器为不锈钢和防紫外线塑料制作，坚固耐用，适合长期监测，无须外接电池或太阳能板，内置锂电池和数据采集器，可记录50000个数据，通过红外数据输出。仪器具有较高的分辨率，可精确测量1微米茎杆的微变化，为研究树木在白天，夜晚等气候条件差异下的生长提供重要数据依据。
叶绿素含量测定传感器是利用透射方法即两个发光二极管向叶片某一部位发射红光和红外光，利用两个波长下的光密度差别测量叶绿素相对含量，光线透过叶片被接收后转换成电信号，在经放大供微处理器使用。
叶片厚度传感器反映植物水分状态的变化，将叶片的厚度值转为微位移量来进行测量，采用互感式电感传感器对叶片的厚度进行信号采集，这种互感式传感器根据变压器的原理制成，并且次级绕组都用差动形式连接。将被测量的变化转换成变压器哦互感变化，变压器初级线圈输入交流电压，次级线圈则互感应出电动势。
果实膨大传感器可定位精确观测植物果实直径的变化，设备两端的固定架固定果实直径两端，固定夹连接传动杆，传动杆发生位移产生压差信号传给线性可变差动变压器，进而产生电信号输出。
通过研究植物生态感知监控传感器数据比气象环境感知监控传感器数据更能提前预知。例如：植物的茎流速率、茎直径变化、叶片厚度和叶绿素含量都是反映植物体内水分、营养状态的良好的生理指标，通过检测这些生物感知指标与植物经典生长模型比较分析，比通过土壤水分传感器或空气湿度传感器检测更能提前预知植物已处于缺水状态，有利于预测作物水分需求、检测作物水分状况。
气象环境感知监控系统包括空气温度、湿度传感器（SHT1X）、土壤温度、湿度传感器（SMTS-II-100）、二氧化碳传感器（SLRF-CO2）、棚内光照传感器（SLRF-LT）、棚外光照传感器（SLRF-LT）、棚外雨量传感器（YL-1）、棚外风向、风速传感器（PH100SX）等。
设备控制系统包括开窗装置、遮阳篷控制装置、风机控制装置、雨帘控制装置、补光灯控制装置、灌溉阀控制装置、二氧化碳发生器控制装置、加热水泵控制装置、降温水泵控制装置等。开窗装置连接上下窗，用于控制上下窗的开或关。遮阳篷控制装置连接遮阳蓬，用于控制遮阳篷开或收。风机控制装置连接风机，用于控制风机的开或关。雨帘控制装置连接雨帘，用于控制雨帘的开或关。补光灯控制装置连接补光灯，用于控制补光灯的开或关。灌溉阀控制装置连接灌溉阀，用于控制灌溉阀的启或闭。二氧化碳发生器控制装置连接二氧化碳发生器，用于控制开关二氧化碳发生器的开或关。加热水泵控制装置连接加热水泵，用于控制加热水泵的启或闭。降温水泵控制装置连接降温水泵，用于控制降温水泵的启或闭。
如图4图5所示，开窗装置包括一安装在棚架上的传动轴11，安装在传动轴11一端的遥杆齿轮6、安装在每一个窗户上的连接机构以及一动力装置；所述的连接机构包括遥杆3、弯曲遥杆7；所述的弯曲遥杆7的一端固定在传动轴上，弯曲遥杆的另一端铰接在窗户上，遥杆3的一端铰接在窗户上，遥杆的另一端套装在固定轴10上，固定轴10安装在棚架1上；所述的动力装置包括一支撑杆2和电动机13，电动机13输出连接一减速机14，减速机14连接一驱动轴12，驱动轴12的一端安装一驱动齿轮5；支撑杆2的顶端安装一定位套4，驱动齿轮5设置在定位套内；驱动齿轮5对应与遥杆齿轮6啮合；将电动机13和减速机14安装在一承重杆15上。窗户包括沿着大棚的棚架弧面上部纵向设置多个上窗户9，每个上窗户9下部的棚架1上对应设置一下窗户8。其中，下窗户下方的支撑杆安装在棚架最高处*0.5；上窗户下方的支撑杆安装最高处*0.9处；电动机上连接有编码器。
打开电动机，电动机产生的动力经减速机减速后输出合适的转速和扭矩，通过驱动轴传递到驱动齿轮；驱动齿轮放于支撑杆上的固定套中以固定位置，驱动齿轮把动力传递给摇杆齿轮；摇杆齿轮与弯曲摇杆固定在传动轴上、且摇杆齿轮与弯曲摇杆之间留有合适的间隙，否则，关闭时弯曲摇杆碰到驱动齿轮。摇杆齿轮通过传动轴传递到弯曲摇杆；窗户通过两个铰接点分别与摇杆和弯曲摇杆相连，摇杆铰接在固定在棚架上的固定轴上，弯曲摇杆固定连接在传动轴上，摇杆、窗子、弯曲摇杆和棚架之间形成平行四边形；弯曲摇杆接受动力后进行左右摆动，从而对窗户进行开和关的动作，传动轴与其它窗子的弯曲摇杆固定连接，达到同时开窗的功能。
植物生态感知系统和气象环境感知系统通过无线传输模块将采集到的数据传输至上位机；上位机通过无线传输模控制设备控制系统的启或闭。上位机连接的无线传输模块首先建立组网，植物生态感知系统、气象环境感知系统和设备控制系统的无线传输模块以及无线路由模块进入上位机连接的无线传输模块组建的网络中。植物生态感知系统和气象环境感知系统中无线传输模块收到上位机查询指令后，将植物生态感知监控或气象环境感知系统中传感器数据发出，上位机通过无线传输模块将数据接收后显示在计算机显示界面上，并将数据存入数据库，无线传输模采用nRFID或无线传感网或WIFI模块或GPRS模块或CDMA20001X或WCDMA或TD-SCDMA或TD-LTE、FDD-LTE或5G。
上位机通过对获取的信息共享、交换，实现对温室大棚的施肥、灌溉、收获等的决策管理和指导。实现对温室大棚中作物的长势预测和病虫害监测与预警功能。
本系统采用模糊聚集的混合神经网络，通过自适应映射（Self-Organized FutureMapping）神经网络，将人工神经元按自适应映射方式联合组成网络，用来模拟人脑神经元活动的过程，实现对信息的加工、处理，通过训练神经网络的全系数间接调整PID参数。
根据实时传感器采集信息与经典生长模型（系统预设的阀值）比较分析，利用自适应映射（Self-Organized Future Mapping）神经网络训练的全系数简介调整的PID参数对设备控制系统中设备进行智能控制，达到温室内部环境、植物生长特征可知、可控。通过调节设施农业内气象环境，确保温室大棚内植物生长在理想状态下。
Claims (5)
1.一种物联网大棚农业生长监控系统，其特征在于：包括植物生态感知系统、气象环境感知系统以及设备控制系统；植物生态感知系统和气象环境感知系统将其各自采集到的数据传输至上位机；上位机控制设备控制系统的启或闭；
所述的植物生态感知系统包括植物茎流计、树木径向生长监测仪、叶绿素含量测定传感器、叶片厚度传感器、果实膨大传感器；
所述的气象环境感知系统包括：空气温度、湿度传感器、土壤温度、湿度传感器、二氧化碳传感器、棚内光照传感器、棚外光照传感器、棚外雨量传感器、棚外风向、风速传感器；
所述的设备控制系统包括开窗装置、遮阳篷控制装置、风机控制装置、雨帘控制装置、补光灯控制装置、灌溉阀控制装置、二氧化碳发生器控制装置、加热水泵控制装置、降温水泵控制装置；
所述的开窗装置包括一安装在棚架上的传动轴，安装在传动轴一端的遥杆齿轮、安装在每一个窗户上的连接机构以及一动力装置；所述的连接机构包括遥杆、弯曲遥杆；所述的弯曲遥杆的一端固定在传动轴上，弯曲遥杆的另一端铰接在窗户上，遥杆的一端铰接在窗户上，遥杆的另一端套装在固定轴上，固定轴安装在棚架上；所述的动力装置包括一支撑杆和电动机，电动机输出连接一减速机，减速机连接一驱动轴，驱动轴的一端安装一驱动齿轮；支撑杆的顶端安装一定位套，驱动齿轮设置在定位套内；驱动齿轮对应与遥杆齿轮啮合；所述的窗户包括沿着大棚的棚架弧面上部纵向设置的多个上窗户，每个上窗户下部的棚架上对应设置一下窗户。
2.根据权利要求1所述的物联网大棚农业生长监控系统，其特征在于：下窗户下方的支撑杆安装在棚架最高处*0.5；上窗户下方的支撑杆安装最高处*0.9处。
3.根据权利要求1或2所述的物联网大棚农业生长监控系统，其特征在于：所述的电动机上连接有编码器。
4.根据权利要求1或2所述的物联网大棚农业生长监控系统，其特征在于：所述的植物生态感知系统和气象环境感知系统通过无线传输模块将采集到的数据传输至上位机；上位机通过无线传输模块 控制设备控制系统的启或闭。
5.根据权利要求4所述的物联网大棚农业生长监控系统，其特征在于：所述的无线传输模块 采用nRFID或无线传感网或WIFI模块或GPRS模块或CDMA20001X或WCDMA或TD-SCDMA或TD-LTE、FDD-LTE或5G。
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