CN105700594A - 一种复制及重现植物生长环境的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种复制及重现植物生长环境的系统及方法。系统包括源场景植物生长环境部分和目标场景植物生长环境部分；源场景植物生长环境部分独自包括嵌入式ARM控制器模块、电源模块、空气温度传感器、空气湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH传感器、远程服务器、PC网页前端。本发明的方法对一些只能生长在偏远或极端条件下的高价值的植物可以模拟出其生长环境，通用性好，通过对实际作物生长指标大规模数据采集，而后得出植物最佳生长指标，形成植物光配方和植物生长指标参数，得出专家数据，解决了室内栽培的瓶颈技术及植物生长的光环境问题，形成植物光配方，具有非常实际的社会效益。

Description

一种复制及重现植物生长环境的系统及方法
技术领域
本发明涉及植物生长环境控制技术领域，具体涉及复制及重现植物生长环境的系统及方法。
背景技术
众所周知，各种植物在各自独特的地理环境中生存，它们在上亿年的自然环境生活进化中形成了独特的生长需求，包括阳光、温度、湿度、二氧化碳浓度、土壤酸碱度等。在传统种植业中，人们通常仅凭借个人经验进行种植，不能对植物当前的生长状态进行准确的预估，也不能精准控制植物所需的水分及光照强度，植物的生产率低下，而且花费的人工时间很多。
随着机械自动化技术的发展，一些自动控制农业机械被用于种植，以预先确定的时间或数量对农作物进行浇水或施肥。但是，这种农业机械的浇水和植物光照的时间和强度通常是固定的，不能根据农作物的当前生长状态进行自适应调节，智能化不足。此外，在水量和光照强度已经充足的情况下，仍然按照预先确定的时间和数量对农作物浇水或补光，不仅会对农作物的生长造成不利影响，也容易造成资源浪费，同时对植物生长环境各要素值的检测技术较为复杂，需要专业人士操作，不利于推广实施。对于一些生长在偏远或极端条件下的经济价值高的植物，为了提高这类植物的生产效率，对其源生长环境的精确采集和在目标场景环境下完全复制重现其源生长环境提出了较高的技术要求。
发明内容
本发明的首要目的在于克服一些生长在偏远或极端条件下的经济价值高的植物生产效率不高的问题，提供一种复制及重现植物生长环境的系统，能够全自动化的实时精准化采集植物生长的源场景环境各参数值，并且能够在目标场景环境完全复制及重现植物生长源场景环境，使得这些生长在偏远或极端条件下的经济价值高的植物生产效率大幅提升。
本发明的另一目的在于克服现有植物种植技术中智能化程度不高的问题，提供一种复制及重现植物生长环境的方法，该方法能做到植物生长源场景环境和目标场景环境的全自动化的实时精准采集，以及目标场景环境参数的精准控制，该方法能实现节约人力资源成本及植物生长环境的全智能可控化。
本发明的首要目的可以由下述的技术方案实现。
一种复制及重现植物生长环境的系统，其包括源场景植物生长环境部分和目标场景植物生长环境部分；源场景植物生长环境部分独自包括嵌入式ARM控制器模块、电源模块、空气温度传感器、空气湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH传感器、远程服务器、PC网页前端；所述的电源模块连接嵌入式ARM控制器模块，用于提供嵌入式ARM控制器所需电源；所述空气温度传感器、空气湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH传感器采集到的模拟电压信号通过串口连接发送到嵌入式ARM控制器模块；所述嵌入式ARM控制器模块将传感器采集到的模拟电压信号值转化为实际指标值，并通过互联网存储于远程服务器；所述PC网页前端通过浏览器访问远程服务器数据并且在网页上显示前述传感器实时数值；
目标场景植物生长环境部分独自包括：嵌入式ARM控制器模块、电源模块、WiFi通信模块、LED驱动电路、LED面板灯调光模块、空气温度传感器、空气湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH传感器、远程服务器、PC网页前端、继电器、水泵、风扇；所述电源模块连接LED驱动电路和嵌入式ARM控制器模块，用于提供LED驱动电路及嵌入式ARM控制器所需电源；所述LED驱动电路通过WiFi通信模块与嵌入式ARM控制器模块连接，驱动LED面板灯；所述空气温度传感器、空气湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH传感器采集到的模拟电压信号通过串口连接发送到嵌入式ARM控制器模块；所述PC网页前端通过浏览器访问远程服务器显示目标场景植物生长环境中各传感器采集数值；所述的水泵、风扇通过继电器连接到嵌入式ARM控制器模块；所述的嵌入式ARM控制器模块将接收到的模拟电压信号值转化为实际指标值，并通过网络上传至远程服务器，将目标场景植物生长环境实际指标值与源场景植物生长环境实际指标值进行比对，若存在差异，则产生控制指令，控制水泵及风扇动作，自动调节LED面板灯光源，消除所述差异，使得目标场景环境参数与源场景环境一致。
进一步优化地，所述的源场景植物生长环境部分只需要实时采集数据并上传至远程服务器，目标场景植物生长环境部分需要实时采集数据并且与源场景植物生长环境比较，对环境指标进行控制。
进一步优化地，所述的LED驱动电路与嵌入式ARM控制器模块通过WiFi通信模块相连，遵循WiFi协议标准。
进一步优化地，所述的嵌入式ARM控制器模块包括嵌入式ARM9主控板和单片机拓展板，嵌入式ARM9主控板采用友善之臂mini2440，单片机拓展板采用DFRobotMega2560。
进一步优化地，所述的LED驱动电路采用恒流驱动方式，通过PWM调光技术调节LED面板灯红蓝光比例。
进一步优化地，所述的空气温度传感器采用ds18b20传感器模块、空气湿度传感器采用dht11传感器模块、光照传感器采用gy301传感器模块、二氧化碳浓度传感器采用DFRobot出品模块、土壤温度传感器采用祺锋科技出品模块、土壤湿度传感器采用祺锋科技出品模块、土壤PH传感器采用雷磁E-201-Z模块。
进一步优化地，所述的远程服务器与嵌入式ARM控制器模块通过MQTT协议连接，用于网页后台管理和传感器采集的数据的收发，远程服务器采用的是阿里云服务器。
进一步优化地，所述的水泵、风扇通过继电器连接到嵌入式ARM控制器模块GPIO口，ARM控制器通过编程控制GPIO口输出高低电平控制水泵、风扇动作。
利用所述系统的一种复制及重现植物生长环境的方法，其包括以下步骤：
步骤一、由空气温度传感器、空气湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH传感器全自动的数据化采集源场景环境空气温度、空气湿度、光照、二氧化碳浓度、土壤温度、土壤湿度、土壤PH值；
步骤二、嵌入式ARM控制器模块与远程服务器通信，并将步骤一中各传感器采集到的指标值在远程服务器上存储；
步骤三、PC端与远程服务器通信，在网页上精准呈现指标值；
步骤四、由空气温度传感器、空气湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH传感器全自动的数据化采集目标场景环境空气温度、空气湿度、光照、二氧化碳浓度、土壤温度、土壤湿度、土壤PH值；
步骤五、嵌入式ARM控制器模块与远程服务器通信，并将步骤四中传感器采集到的指标值在远程服务器上存储；
步骤六、PC端与远程服务器通信，在网页上精准呈现指标值并与源场景环境指标比对；
步骤七、嵌入式ARM控制器根据比对差异产生控制作用，控制水泵及风扇动作，自动调节LED面板灯光源，消除差异，使得目标场景环境指标与源场景环境一致；
本发明的空气温度传感器、空气湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH传感器和嵌入式ARM控制器模块相连，传感器采集到的模拟信号由嵌入式ARM控制器模块通过A/D转换成数字信号，通过MQTT网络传输协议发送给远程服务器，远程服务器负责上行数据存储并下行控制，动态调节植物生长目标场景环境，使其和源场景环境一致。本发明旨在通过全自动化的实时精准化采集植物生长的源场景环境各参数值，在目标场景环境下完全复制及重现植物生长源场景环境，根据市场需求，使得生长在偏远或极端条件下的经济价值高的植物生产效率大幅提升，提高经济效益。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：对于一些只能生长在偏远或极端条件下的高价值的植物可以模拟出其生长环境，通用性好，通过对实际作物生长指标大规模数据采集，而后得出植物最佳生长指标，形成植物光配方和植物生长指标参数，得出专家数据，解决了室内栽培的瓶颈技术及植物生长的光环境问题，形成植物光配方，具有非常实际的社会效益，市场经济价值高、产业应用广泛，并且，到目前为止，在国内国际市场尚无植物光配方数据，此发明产业化后，可以在国际国内光配方数据库上达到国际领先地位。
附图说明
图1a是本发明一种复制及重现植物生长环和境的方法的植物生长源场景环境结构框图。
图1b是本发明一种复制及重现植物生长环和境的方法的植物生长目标场景环境结构框图。
图2是本发明一种复制及重现植物生长环境的方法的控制流程图。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述说明，但本发明的实施方式不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或参数，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。
实施例
如图1a和图1b所示，一种复制及重现植物生长环境的方法，由源场景植物生长环境部分和目标场景植物生长环境部分组成。源场景植物生长环境部分，包括：嵌入式ARM控制器模块、电源模块、空气温度传感器、空气湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH传感器、远程服务器、PC网页前端。所述的电源模块连接嵌入式ARM控制器模块，用于提供嵌入式ARM控制器所需电源；所述空气温度传感器、空气湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH传感器采集到的模拟电压信号通过串口连接发送到嵌入式ARM控制器模块；所述嵌入式ARM控制器模块通过编程实现传感器采集到的模拟电压信号值转化为实际指标值，由互联网连接并存储于远程服务器；所述PC网页前端通过浏览器访问远程服务器数据并且在网页上显示传感器实时数值。目标场景植物生长环境，包括：嵌入式ARM控制器模块、电源模块、WiFi通信模块、LED驱动电路、LED面板灯调光模块、空气温度传感器、空气湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH传感器、远程服务器、PC网页前端、继电器、水泵、风扇。所述电源模块连接LED驱动电路和嵌入式ARM控制器模块，用于提供LED驱动电路及嵌入式ARM控制器所需电源；所述LED驱动电路通过WiFi通信模块与嵌入式ARM控制器模块连接，驱动LED面板灯；所述空气温度传感器、空气湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH传感器采集到的模拟电压信号通过串口连接发送到嵌入式ARM控制器模块；所述PC网页前端通过浏览器访问远程服务器显示传感器采集数值；所述的水泵、风扇通过继电器连接到嵌入式ARM控制器模块；所述的嵌入式ARM控制器模块通过编程实现模拟电压信号值转化为实际指标值，并通过网络上传至远程服务器，将目标场景植物生长环境实际指标值与源场景植物生长环境实际指标值进行比对产生控制作用，控制水泵及风扇动作，自动调节LED面板灯光源，消除差异，使得目标场景环境参数与源场景环境一致。
作为优选，源场景植物生长环境和目标场景植物生长环境中所述的嵌入式ARM控制器模块包括嵌入式ARM9主控板和单片机拓展板，嵌入式ARM9主控板采用友善之臂mini2440，单片机拓展板采用DFRobotMega2560。
作为优选，源场景植物生长环境和目标场景植物生长环境中所述的远程服务器与嵌入式ARM控制器模块通过MQTT协议连接，用于网页后台管理和传感器采集的数据的收发，远程服务器采用的是阿里云服务器。
作为优选，源场景植物生长环境和目标场景植物生长环境中所述的空气温度传感器采用ds18b20传感器模块、空气湿度传感器采用dht11传感器模块、光照传感器采用gy301传感器模块、二氧化碳浓度传感器采用DFRobot出品模块、土壤温度传感器采用祺锋科技出品模块、土壤湿度传感器采用祺锋科技出品模块、土壤PH传感器采用雷磁E-201-Z模块。
作为优选，目标场景植物生长环境中所述的LED驱动电路与嵌入式ARM控制器模块通过WiFi通信模块相连，遵循WiFi协议标准，WiFi通信模块采用ESP8266芯片。
作为优选，目标场景植物生长环境中所述的LED驱动电路采用恒流驱动方式，通过PWM调光技术调节LED面板灯红蓝光比例。
作为优选，目标场景植物生长环境中所述的水泵、风扇通过继电器连接到嵌入式ARM控制器模块，继电器采用低电平触发方式。
本发明的另一目的通过以下技术方案实现：一种复制及重现植物生长环境的方法，包括以下步骤：
步骤一、由空气温度传感器、空气湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH传感器全自动的数据化采集源场景环境空气温度、空气湿度、光照、二氧化碳浓度、土壤温度、土壤湿度、土壤PH值；
步骤二、嵌入式ARM控制器与远程服务器通信，并将步骤一中各传感器采集到的指标值在远程服务器上存储；
步骤三、PC端与远程服务器通信，在网页上精准呈现指标值；
步骤四、由空气温度传感器、空气湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH传感器全自动的数据化采集目标场景环境空气温度、空气湿度、光照、二氧化碳浓度、土壤温度、土壤湿度、土壤PH值；
步骤五、嵌入式ARM控制器与远程服务器通信，并将步骤四中传感器采集到的指标值在远程服务器上存储；
步骤六、PC端与远程服务器通信，在网页上精准呈现指标值并与源场景环境指标比对；
步骤七、嵌入式ARM控制器根据比对差异产生控制作用，控制水泵及风扇动作，自动调节LED面板灯光源，消除差异，使得目标场景环境指标与源场景环境一致。
如图2所示，一种复制及重现植物生长环境的方法，具体实现流程如下：步骤一、由各传感器全自动的数据化采集源场景环境空气温度、空气湿度、光照、二氧化碳浓度、土壤温度、土壤湿度、土壤PH值；步骤二、嵌入式ARM控制器与远程服务器通信，并将步骤一采集到的指标值在远程服务器上存储；步骤三、PC端与远程服务器通信，在网页上精准呈现指标值；步骤四、由各传感器全自动的数据化采集目标场景环境空气温度、空气湿度、光照、二氧化碳浓度、土壤温度、土壤湿度、土壤PH值；步骤五、嵌入式ARM控制器与远程服务器通信，并将步骤四采集到的指标值在远程服务器上存储；步骤六、PC端与远程服务器通信，在网页上精准呈现指标值并与源场景环境指标比对；步骤七、嵌入式ARM控制器根据比对差异产生控制作用，控制水泵及风扇动作，自动调节LED面板灯光源，消除差异，使得目标场景环境指标与源场景环境一致。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复制及重现植物生长环境的系统，其特征在于包括源场景植物生长环境部分和目标场景植物生长环境部分；源场景植物生长环境部分独自包括嵌入式ARM控制器模块、电源模块、空气温度传感器、空气湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH传感器、远程服务器、PC网页前端；所述的电源模块连接嵌入式ARM控制器模块，用于提供嵌入式ARM控制器所需电源；所述空气温度传感器、空气湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH传感器采集到的模拟电压信号通过串口连接发送到嵌入式ARM控制器模块；所述嵌入式ARM控制器模块将传感器采集到的模拟电压信号值转化为实际指标值，并通过互联网存储于远程服务器；所述PC网页前端通过浏览器访问远程服务器数据并且在网页上显示前述传感器实时数值；
目标场景植物生长环境部分独自包括：嵌入式ARM控制器模块、电源模块、WiFi通信模块、LED驱动电路、LED面板灯调光模块、空气温度传感器、空气湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH传感器、远程服务器、PC网页前端、继电器、水泵、风扇；所述电源模块连接LED驱动电路和嵌入式ARM控制器模块，用于提供LED驱动电路及嵌入式ARM控制器所需电源；所述LED驱动电路通过WiFi通信模块与嵌入式ARM控制器模块连接，驱动LED面板灯；所述空气温度传感器、空气湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH传感器采集到的模拟电压信号通过串口连接发送到嵌入式ARM控制器模块；所述PC网页前端通过浏览器访问远程服务器显示目标场景植物生长环境中各传感器采集数值；所述的水泵、风扇通过继电器连接到嵌入式ARM控制器模块；所述的嵌入式ARM控制器模块将接收到的模拟电压信号值转化为实际指标值，并通过网络上传至远程服务器，将目标场景植物生长环境实际指标值与源场景植物生长环境实际指标值进行比对，若存在差异，则产生控制指令，控制水泵及风扇动作，自动调节LED面板灯光源，消除所述差异，使得目标场景环境参数与源场景环境一致。
2.根据权利要求1所述的一种复制及重现植物生长环境的系统，其特征在于，所述的源场景植物生长环境部分只需要实时采集数据并上传至远程服务器，目标场景植物生长环境部分需要实时采集数据并且与源场景植物生长环境比较，对环境指标进行控制。
3.根据权利要求1所述的一种复制及重现植物生长环境的系统，其特征在于，所述的LED驱动电路与嵌入式ARM控制器模块通过WiFi通信模块相连，遵循WiFi协议标准。
4.根据权利要求1所述的一种复制及重现植物生长环境的系统，其特征在于，所述的嵌入式ARM控制器模块包括嵌入式ARM9主控板和单片机拓展板，嵌入式ARM9主控板采用友善之臂mini2440，单片机拓展板采用DFRobotMega2560。
5.根据权利要求1所述的一种复制及重现植物生长环境的系统，其特征在于，所述的LED驱动电路采用恒流驱动方式，通过PWM调光技术调节LED面板灯红蓝光比例。
6.根据权利要求1所述的一种复制及重现植物生长环境的系统，其特征在于，所述的空气温度传感器采用ds18b20传感器模块、空气湿度传感器采用dht11传感器模块、光照传感器采用gy301传感器模块、二氧化碳浓度传感器采用DFRobot出品模块、土壤温度传感器采用祺锋科技出品模块、土壤湿度传感器采用祺锋科技出品模块、土壤PH传感器采用雷磁E-201-Z模块。
7.根据权利要求1所述的一种复制及重现植物生长环境的系统，其特征在于，所述的远程服务器与嵌入式ARM控制器模块通过MQTT协议连接，用于网页后台管理和传感器采集的数据的收发，远程服务器采用的是阿里云服务器。
8.根据权利要求1所述的一种复制及重现植物生长环境的系统，其特征在于，所述的水泵、风扇通过继电器连接到嵌入式ARM控制器模块GPIO口，ARM控制器通过编程控制GPIO口输出高低电平控制水泵、风扇动作。
9.利用权利要求1~8任一项所述系统的一种复制及重现植物生长环境的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、由空气温度传感器、空气湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH传感器全自动的数据化采集源场景环境空气温度、空气湿度、光照、二氧化碳浓度、土壤温度、土壤湿度、土壤PH值；
步骤二、嵌入式ARM控制器模块与远程服务器通信，并将步骤一中各传感器采集到的指标值在远程服务器上存储；
步骤三、PC端与远程服务器通信，在网页上精准呈现指标值；
步骤四、由空气温度传感器、空气湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH传感器全自动的数据化采集目标场景环境空气温度、空气湿度、光照、二氧化碳浓度、土壤温度、土壤湿度、土壤PH值；
步骤五、嵌入式ARM控制器模块与远程服务器通信，并将步骤四中传感器采集到的指标值在远程服务器上存储；
步骤六、PC端与远程服务器通信，在网页上精准呈现指标值并与源场景环境指标比对；
步骤七、嵌入式ARM控制器根据比对差异产生控制作用，控制水泵及风扇动作，自动调节LED面板灯光源，消除差异，使得目标场景环境指标与源场景环境一致。
10.根据权利要求9所述的一种复制及重现植物生长环境的方法，其特征在于，其特征在于空气温度传感器、空气湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH传感器和嵌入式ARM控制器模块相连，传感器采集到的模拟信号由嵌入式ARM控制器模块通过A/D转换成数字信号，通过MQTT网络传输协议发送给远程服务器，远程服务器负责上行数据存储并下行控制，动态调节植物生长目标场景环境，使其和源场景环境一致。
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