CN105897901B - 一种基于物联网的全人工光型植物工厂智能监控系统 - Google Patents

一种基于物联网的全人工光型植物工厂智能监控系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于物联网的全人工光型植物工厂智能监控系统,包括远程控制网络和本地控制网络,用户可以使用智能手机、平板电脑或笔记本登录移动控制端连接远程数据服务中心获取本地农业系统的实时数据,并实现对本地农业设备的远程控制,当用户进入本地区域网后,可以直接通过智能代理完成农业系统的实时监控;本系统完全采用人工LED光源,将植物种植在封闭的环境中,通过合理控制光照、温度、湿度、营养液等环境因素,为植物提供无污染、纯净、最适的生长环境。本发明具有低成本、低能耗的优点,使植物生长突破季节、地域等环境限制,全年连续生产且不受自然灾害影响,实现农业生产的工业化和智能化。

Description

一种基于物联网的全人工光型植物工厂智能监控系统

技术领域

本发明涉及一种基于物联网的全人工光型植物工厂智能监控系统,属于设施农业及物联网智能控制领域。

背景技术

植物工厂作为设施园艺的最高级发展阶段,被认为是21世纪农业取得革命性突破的重要技术手段之一。植物工厂是通过计算机对设施内植物生育过程的温度、湿度、光照、CO2浓度和营养等环境条件进行高精度的控制,实现农作物周年连续生产的高效农业体系。目前,植物工厂有两种主要模式:一种是以温室为主体的太阳光和人工光并用型植物工厂,另一种是以封闭的隔热空间为主体的完全人工光型植物工厂。以太阳光和人工光并用型植物工厂依旧无法摆脱环境的束缚,保温性能差且无法实现高密度的多层种植,逐渐被封闭式全人工光型植物工厂取代。

随着移动互联网、物联网技术的逐渐成熟,农业生产的自动化、智能化、标准化成为了发展趋势,植物工厂环境监测和控制技术也在不断进步,但是针对物联网环境下的植物工厂监测和控制,国内仍然没有相对完善和成熟技术方案,传统的植物工厂监控系统只能进行本地控制,多采用复杂的线路连接各个数据采集和传输设备,无法与管理者进行远程实时通信,造成系统可靠性差、稳定性差。同时,植物工厂之间均独立工作,缺乏统一的管理服务平台,导致系统扩展性差,管理者无法共享数据,用户也无法进行大数据环境下的智能管理。

发明内容

为了进一步改善封闭式全人工光型植物工厂,实现基于物联网环境下的智能监控。本发明的目的在于提供一种基于物联网的全人工光型植物工厂智能监控系统,该发明具有结构简单、使用方便等特点可以实现温度、湿度、营养液、二氧化碳和光照的综合控制。

为实现上述系统,本发明采用如下技术方案予以实现。

一种基于物联网的全人工光型植物工厂智能监控系统,包括远程控制网络和本地控制网络:

远程控制网络由移动控制端和远程数据服务中心组成,远程用户登录移动控制端通过Internet或2G、3G、4G网络与远程数据服务中心进行通信,实现本地网络的远程控制和管理,远程用户分为注册用户和体验用户,已经注册并绑定植物工厂设备的用户为注册用户,未注册且未绑定设备的用户为体验用户,注册用户具有绑定设备的控制与管理权限,体验用户具有功能浏览与虚拟试用的权限,即体验用户可以点击、打开控制端的各级菜单,修改虚拟设备的控制参数,但远程数据服务中心不需要对此动作做实际响应;

本地控制网络由本地网关和智能农业系统组成,本地网关通过Internet网络与远程数据服务中心进行通信,智能农业系统通过Wifi或Zigbee或其他无线通信网络与本地网关通信,智能农业系统由智能代理、执行系统、反馈系统和本地控制端组成,智能代理通过Wifi或Zigbee或其他无线通信网络与执行系统、反馈系统和本地控制端进行通信,共同协作完成植物工厂的智能监控,注册用户进入本地控制网络后,通过本地无线通信网络直接对智能农业系统进行监控。

本技术方案的特点和进一步改进在于:

执行系统包括LED控制模块、温度控制模块、湿度控制模块、营养液控制模块、二氧化碳控制模块、空气循环控制模块、空气过滤模块、灭菌消毒模块、视频监控模块和安全报警模块,通过使用串口无线转换电路,实现执行系统串口传输与无线传输的无缝转换;LED控制模块由LED芯片与驱动电路组成,通过设置LED芯片的光周期、光强度以及光质比,为植物生长提供最适的光照条件;温度控制模块由遥控盒子、遥控盒子驱动电路以及空调组成;营养液控制模块由循环泵电路和电磁阀电路组成,负责营养液的定时循环和营养液的添加;灭菌消毒模块由紫外线灭菌灯及其驱动电路组成,用于植物工厂内部环境杀菌消毒;安全报警模块由语音报警电路组成,当植物工厂内部温度、湿度、营养液液位、营养液EC值、营养液PH值以及二氧化碳浓度高于或低于设定值时,或门、窗长时间未关闭时,该模块将进行安全报警,提示工作人员检查维修,具体的报警阈值可以根据实际情况设置:一般来讲,光周期的温度范围设置为15°~22°、暗周期的温度范围设置为11°~16°,湿度范围设置为45%~65%,二氧化碳范围设置为600~1000ml/L,门、窗最长开启时间为5分钟。

反馈系统包括光照传感模块、温度传感模块、湿度传感模块、营养液传感模块、二氧化碳传感模块、空气质量传感模块和视频传感模块,反馈系统采用无线串口转换电路加单片机与传感器的模型构建;光照传感模块由多个分布于植物工厂内部的光强传感器组成,用于测量植物生长的真实光照强度;营养液传感模块由液位传感器、EC值传感器和PH值传感器组成,用于实时检测营养液状态;空气质量传感模块由PM2.5传感器组成,用于实时检测植物工厂内部的空气质量;视频传感模块由多个分布于植物工厂内部的红外摄像头组成,用于实时传输植物工厂内部的视频信息;安全报警模块由门、窗传感器组成,记录门窗状态。

远程数据服务中心用于提供统一化的植物工厂智能监控服务,包括用户管理模块、设备绑定模块、消息推送模块、远程监控模块、农业专家数据库模块、数据存储模块以及数据分析与管理模块;用户管理模块用于记录用户资料、登录信息、控制参数、种植品种以及种植时间;设备绑定模块用于设备的注册、绑定、激活、增加和删减;消息推送模块用于更新移动控制端的数据信息和异常报警;远程监控模块用于监测设备的实时状态,同时基于注册用户的控制信息完成本地网络设备群的远程控制和管理;农业专家数据库模块存储了植物工厂叶类、芽苗类、草本类、茄果类蔬菜的最适种植参数,注册用户针对不同种植品种从农业专家数据库模块下载最适种植参数,实现植物工厂的智能控制,目前农业专家数据库包含了上述四大类共70种蔬菜的种植参数,更多的控制数据还在持续研发和补充中,叶类菜包括半结球生菜、菠菜、花叶生菜、韭菜、芥菜、木耳菜、空心菜、补血菜、降压菜、救心菜等,芽苗菜包括黑豆苗、花生苗、黄豆苗、萝卜苗、香椿苗等,草本类蔬菜包括草莓、圣女果等,茄果类蔬菜包括西红柿、辣椒等;数据存储模块以及数据分析与管理模块基于用户的信息、兴趣、习惯及其分享数据,采用数据挖掘、聚类算针对性的推荐种植品种和服务信息。

用户可以通过智能手机、平板电脑、笔记本电脑或台式机登录远程或本地控制端完成系统的本地或远程监控,移动控制端和本地控制端都由数据显示模块、数据分析模块、数据共享模块、手动控制模块、智能控制模块、设备管理模块、社区信息模块组成;数据显示模块用于展示反馈系统中传感模块的实时数据,数据分析模块用于显示环境参数的平均值、设置值、实际值以及误差值;手动控制模块可以实现执行系统的实时控制;数据共享模块用于在远程数据服务中心备份、同步手动控制的数据信息;智能控制模块通过选择种植种类,实现系统的智能控制,为选择植物提供最适的生长环境;设备管理模块用于设备的注册、绑定、激活、增加和删减;社区信息模块用于用户之间的消息交流和互动。

远程或本地控制端是用户控制的主体软件,可以通过客户端实现智能组件电器操控、参数检测与初始化设置,控制端的主要工作流程如下:

步骤1、启动;

步骤2、判断是否处于本地网络,是则转到步骤6,否则转到步骤3;

步骤3、连接远程数据服务中心;

步骤4、判断远程数据服务中心是否连接,是则转到步骤5,否则转到步骤3;

步骤5、获取远程控制通道;

步骤6、同步配置文件;

步骤7、生成UI;

步骤8、用户交互控制。

智能代理包括组件管理、状态检测、异常上报、控制转发、多机同步以及代理控制模块,智能代理的逻辑功能由软件程序完成,利用即时通讯模型实现消息推送从而达到远程数据传输和指令控制;智能代理接收远程或者本地通信指令实现智能农业系统的监控,智能代理通过发现协议获取设备信息,根据IP地址查询传感器信息,随时等待控制端进行交互;当系统信息异常时,智能代理向绑定的注册用户端进行消息推送,注册用户在远程收到报警信息后及时对设备进行远程操控,当注册用户不能及时回复、操控时,智能代理启动代理控制模块自动切断电源、关闭相应执行模块。

智能代理周期性的通过广播口令发现智能组件,构建组件IP和MAC地址映射表;针对反馈系统中的传感器模块,智能代理周期性的进行状态查询,储存记录、反馈传感器信息,同时进行本地控制端控制指令的解析和转发;另一方面,智能代理与远程数据服务中心进行通信连接,反馈传感器信息、等待接收远程控制指令、上报系统异常信息。

执行系统中的LED控制模块可以实现光质比、光周期、光强度3方面精准的控制,采用的LED芯片包括红、蓝、白光三种光源,通过控制可以实现四种光质比的组合和分布:通用型照明采用的光质比为红光:蓝光=2:1、花卉型照明采用的光质比为红光:蓝光:白光=2:1:1、蔬菜型采用的光质比为红光:蓝光:白光=3:1:1、种子型照明采用的光质比为红光:蓝光=1:2;LED控制模块通过控制电源电流大小或关闭部分LED芯片实现光强度的调整;LED控制模块通过周期性的关闭和启动模拟实际自然条件下的光照周期。

远程数据服务中心的农业专家数据库模块包含叶类蔬菜、芽苗类蔬菜、草本类蔬菜、茄果类蔬菜的最适控制参数,植物的最适生长参数涵盖执行模块的设备控制参数,包括光照周期、光照强度、光谱比例、明暗周期温度范围、明暗周期湿度范围、营养液循环时间、营养液EC与PH值范围、二氧化碳浓度范围、空气循环周期、空气过滤模块开启和关闭阈值以及灭菌消毒模块的工作周期。

基于上述植物工厂智能监控系统,反馈系统中的光照传感模块、温度传感模块、湿度传感模块、营养液传感模块和二氧化碳传感模块均采用了改进的消抖滤波算法:该算法首先对采样值进行限幅处理,记当前采样值为S1,上次有效采样值为S0,两次采样允许最大偏差为A,若S1与S0的差值不大于A,则S0=S1;如果S1与S0的差值大于A,则说明本次采样值有较大偏差,S1无效,S0继续保持,由于植物工厂内部的环境因素不是快速变化的被测量,因此这样的限幅操作可以有效的滤除较大的干扰。反馈系统中的空气质量传感模块采用改良的滤波算法:在处理采集到的颗粒物数据时,该算法融合了中位值滤波与算数平均滤波两种算法,首先对被测量连续采样N次,然后去除队列中的最大值和最小值,计算剩余N-2个数据的算术平均值作为测量值,在实际测量过程中,该算法可以消除偶然因素和干扰信号带来的影响。

本发明的有益效果是:

本发明可以实现植物工厂的远程智能监测与控制,用户可以使用智能手机、平板电脑或笔记本登录移动控制端连接远程数据服务中心获取本地农业系统的实时数据,实现对本地农业设备的远程控制,当本地植物工厂出现异常情况时,用户可以接收到异常警报,避免设备损害。当用户进入本地控制网络后,注册用户直接通过本地无线通信网络对智能农业系统进行监控,即使出现远程网络中断或异常的情况,也可以保证本地系统正常工作。智能代理的设置可以协助用户进行管理当异常情况出现用户未能及时处理时智能代理采取动作进行应急管理,智能代理还具有存储网络组件配置的功能,当新设备接入的时候,连接智能代理会提示是否同步本地网络配置,可以免去二次配置的麻烦。同时,设置了远程服务数据库可以针对不同的植物工厂进行统一的服务管理,尤其是新用户可以从农业专家数据库中同步最优种植数据。基于物联网的全人工光型植物工厂可以实现标准化、工业化、智能化的蔬菜量产,全封闭式的种植环境彻底杜绝了空气、水、土壤、重金属的污染,远程控制、智能管理的植物工厂可以广泛应用于社区人防工程、超市、餐厅、科研院所、远洋军舰、边防哨所、雷达站等地蔬菜生产或植物环境试验。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的解释说明。

图1是系统的总体框图;

图2是远程数据服务中心功能框图;

图3是智能代理功能框图;

图4是遥控盒子结构框图;

图5是传感器连接框图;

图6是智能代理程序流程图;

图7是控制端程序流程图;

图8是配置文件同步流程图;

图9是组件配置流程图;

图10是远程与本地控制切换流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明:

参考图1,为本发明的系统总体框图,包括远程控制网络和本地控制网络:远程控制网络由移动控制端和远程数据服务中心组成,远程用户登录移动控制端通过Internet或2G、3G、4G网络与远程数据服务中心进行通信,实现本地网络的远程控制和管理,远程用户分为注册用户和体验用户,已经注册并绑定植物工厂设备的用户为注册用户,未注册且未绑定设备的用户为体验用户,注册用户具有绑定设备的控制与管理权限,体验用户具有功能浏览与虚拟试用的权限;本地控制网络由本地网关和智能农业系统组成,本地网关通过Internet网络与远程数据服务中心进行通信,智能农业系统通过Wifi或Zigbee无线通信网络与本地网关通信,智能农业系统由智能代理、执行系统、反馈系统和本地控制端组成,智能代理通过Wifi或Zigbee无线通信网络与执行系统、反馈系统和本地控制端进行通信,共同协作完成植物工厂的智能监控,注册用户进入本地控制网络后,通过本地无线通信网络直接对智能农业系统进行监控。

参考图2,为远程数据服务中心功能框图,包括用户管理模块、设备绑定模块、消息推送模块、远程监控模块、农业专家数据库模块、数据存储模块以及数据分析与管理模块。远程数据服务中心充当远程用户和智能智能农业系统中设备群的一个桥梁,注册用户能够通过远程服务器去对本地网络进行指令发送和信息监控。在本地网络接入互联网的情况下,本地网络系统信息会通过智能代理向服务器上报,进而转接给远程用户。系统底层是服务器操作系统层,使用MYSQL作为DDMS,提供数据存储服务,即时通信协议选取XMPP协议,在此基础上部署支持XMPP协议的开源服务器OECNFIRE,主要使用5222端口进行“客户端-服务器-客户端”的通信。其中,数据存储模块以及数据分析与管理模块基于用户的信息、兴趣、习惯及其分享数据,采用数据挖掘针对性的推荐种植品种和服务信息,服务信息包括了最新品种的种植方法、蔬菜食用方法、沙拉制作过程、行业新闻等等。

目前,农业专家数据库包含了上述四大类共70种蔬菜的种植参数,更多的控制数据还在持续研发和补充中,叶类菜包括半结球生菜、菠菜、花叶生菜、韭菜、芥菜、木耳菜、空心菜、补血菜、降压菜、救心菜等,芽苗菜包括黑豆苗、花生苗、黄豆苗、萝卜苗、香椿苗等,草本类蔬菜包括草莓、圣女果等,茄果类蔬菜包括西红柿、辣椒等,以半结球生菜为例,定植后的最优控制参数如下:

光周期为8小时,暗周期为6小时;光质比为红光:蓝光:白光=3:1:1;光强度为红光36W/m2,蓝光12W/m2,白光12W/m2;光周期的温度范围设置为19°~20°、暗周期的温度范围设置为15°~16°,湿度范围设置为45%~50%,二氧化碳范围设置为700~800ml/L;营养液PH值范围设置为5.8~6.5;营养液EC值范围为1.6~1.8cm/cm;营养液循环水泵在光周期工作10分钟、停止30分钟,在暗周期工作10分钟、停止1小时。

参考图3,为智能代理功能框图,智能代理作为本地局域网络的协调器,一方面去获取智能组件信息、一方面和远程服务器连接来实现远程控制指令的传入,智能代理作为远程用户放置本地区域网中的一个代理,来实现对家居网络的远程管理和监控。智能代理包括组件管理、状态检测、异常上报、控制转发、多机同步以及代理控制模块,智能代理的逻辑功能由软件程序完成,利用即时通讯模型实现消息推送从而达到远程数据传输和指令控制,具体实现可以采用不同方案,智能代理的主要逻辑功能由相关程序来完成。本实施案例采用嵌入式android平板和智能代理app程序来实现相关功能。智能代理通过XMPP协议来支持智能家居系统的远程控制功能。

系统中目前主要涉及三类:智能开关,遥控盒子,无线传感器,智能组件通过统一嵌入串口转Wi-Fi模块使得系统中的组件能够进行无线通信。智能开关具有无线接口,能够通过无线指令控制开关通断;遥控盒子由串口转Wi-Fi模块和红外学习模块结合而成,能够学习红外设备的红外指令,并在移动控制端的操纵下发射指令,对传统遥控器进行了革新和集成,将所有红外电器的控制集成到移动终端上;无线传感器负责家居环境的环境信息监测,智能组件会接入无线家居网络并在智能代理的协调下进行工作。智能代理进行数据解析以及指令分发。控制终端通过和智能代理交互来实现远程控制和本地控制。系统的串口转Wifi模块选用USR-WiFi232低功耗芯片,结合其开发套件再去进行智能组件的构建,USR-WIFI232-G2作为一款嵌入式WIFI串口模块,提供了一种将用户的物理设备连接到Wi-Fi无线网络上,并提供UART串口等接口传输数据的解决方案。

参考图4,为遥控盒子结构框图。红外模块选择通用串口控制学习型遥控器模块L6688。L6688是一款通过UART口来控制红外遥控学习与发射的遥控功能模块,适用于手持设备终端,PAD,智能控制设备的遥控器功能能够模块。

参考图5,为传感器连接图。传感器组件采用“无线串口模块+单片机+传感器”的模型构造。单片机选型采用STC15F2K60S2,STC15F2K60S2系列单片机是STC新一代高速、高可靠、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机,单时钟/机器周期。传感器程序负责各自传感器数据的采集和上报,单片机根据传感器参数进行指定方式采集,采集到的数据通过串口发送到串口WIFI模块,传感器组件中串口WIFI模块处于透传模式,串口数据会从网络自动转发到连接通道上。同样,网络收到的指令会从串口发送到STC单片机,数据采集程序可以根据指令进行相关动作。系统的空气质量传感模块采用夏普GP2Y1010AU0F灰尘传感器,它能检测出室内灰尘和烟尘含量,对空气质量进行一定的反馈,温湿度传感器模块采用DHT11数字温湿度传感器模块,采样周期一秒,采用3~5.5v供电。

参考图6,为智能代理程序流程图,使用定制的android平板作为智能代理,智能代理需要开机自启动,对网络配置文件解析后主动连入家庭网络,然后进行组件发现,构建硬件地址和IP的映射表,根据传感器IP地址列表建立Socket连接,获取传感器状态,存储记录,并进行来自本地手机app控制指令解析和转发。另一方面和远程服务器进行XMPP连接,等待接收远程控制,发现传感器状态异常会进行远程上报。

参考图7,为控制端程序流程图,用户使用控制端app完成植物工厂智能系统的所有交互控制。App启动后,一方面尝试连接远程服务器,建立远程控制通道。另一方面在本地网络内进行广播搜索,发现智能代理和设备组件。用户控制界面生成之前会先和智能代理进行配置文件同步,进行文件版本比较,下载最新配置,然后根据配置文件信息进行UI生成。随后接收用户控制进行操作。同时后台线程会和智能代理通信获取传感器信息,进行相关元素的UI刷新。App的远程控制通道辅助实现app和智能代理的远程通信,从而实现用户不在家庭网络时也能够管理家居网络的功能。

参考图8,为配置文件同步流程图。配置文件使用xml,用来记录智能组件的物理信息和逻辑信息,对应界面UI。根据配置文件可以获取智能家居组件列表,对应主界面适配器的数据源,利用GridView进行UI展示。

参考图9,为组件配置流程图。通过app去添加新的设备的时候,系统会去检测周围未配置的设备,设备初始化处于AP模式,产生指定前缀的网络,app去监测网络列表,罗列出来供用户选择所要配置网络(即所要配置的家居组件模块),配置时手机要接入AP网络,然后通过广播口令和“ok”回执使得模块进入AT指令设置模式,这样就可根据用户提供的参数对模块发送响应的AT指令进行设置,这里的参数主要是指本地Wi-Fi的名称(SSID)和密码,设置成功后还要发送指令将模块的模式改为STA,这样再发送重启指令,模块重启后就会接入家庭网络,发送重启指令后,手机切换回家庭网络,并去检测新模块是否接入,接入成功或者失败给出提示。这就是一次完整的配置过程。配置后用户可以去自定义图标和名称。这些信息都会计入配置文件。

参考图10,为远程与本地控制切换流程图。程序利用XMPPTool来实现和服务器的通信,程序根据用户所处的环境来决定是进行远程控制(通过服务器辅助)还是本地控制(本地网络下直接和智能代理通信),对于远程控制为了避免网络拥塞导致的延迟和丢包问题,我们在数据传输的过程中添加时间标签,家庭代理对时间标签进行校验,如果超过一定时间限制,就丢弃该指令,也不会进行回执。控制端在一定期间内没有收到智能代理的反馈,则认为这次控制失效,提示用户再次操作。

除了上述以外本发明所属技术领域的普通技术人员也都能理解到,在此说明和图示的具体实施例都可以进一步变动结合,例如:本地智能农业系统的控制对象可以是集装箱型植物工厂、也可以是家庭植物生长柜或其他大型植物工厂;本地控制网络可以是Wifi网络,也可以是Zigbee网络等。虽然本发明是就其较佳实施例予以示图说明的,但是熟悉本技术的人都可理解到,在权利要求书中所限定的本发明的精神和范围内,还可对本发明做出多种改动和变动。

Claims (5)

1.一种基于物联网的全人工光型植物工厂智能监控系统,其特征在于,包括远程控制网络和本地控制网络:
所述的远程控制网络由移动控制端和远程数据服务中心组成,远程用户登录移动控制端通过Internet或2G、3G、4G网络与远程数据服务中心进行通信,实现本地网络的远程控制和管理,所述远程用户分为注册用户和体验用户,已经注册并绑定植物工厂设备的用户为注册用户,未注册且未绑定设备的用户为体验用户,注册用户具有绑定设备的控制与管理权限,体验用户具有功能浏览与虚拟试用的权限;
所述的本地控制网络由本地网关和智能农业系统组成,本地网关通过Internet网络与远程数据服务中心进行通信,智能农业系统通过Wifi或Zigbee无线通信网络与本地网关通信,所述智能农业系统由智能代理、执行系统、反馈系统和本地控制端组成,智能代理通过Wifi或Zigbee无线通信网络与执行系统、反馈系统和本地控制端进行通信,共同协作完成植物工厂的智能监控,注册用户进入本地控制网络后,通过本地无线通信网络直接对智能农业系统进行监控;
所述执行系统包括LED控制模块、温度控制模块、湿度控制模块、营养液控制模块、二氧化碳控制模块、空气循环控制模块、空气过滤模块、灭菌消毒模块、视频监控模块和安全报警模块,通过使用串口无线转换电路,实现执行系统串口传输与无线传输的无缝转换;所述LED控制模块由LED芯片与驱动电路组成,通过设置LED芯片的光周期、光强度以及光质比,为植物生长提供最适的光照条件;所述温度控制模块由遥控盒子、遥控盒子驱动电路以及空调组成;所述营养液控制模块由循环泵电路和电磁阀电路组成,负责营养液的定时循环和营养液的添加;所述灭菌消毒模块由紫外线灭菌灯及其驱动电路组成,用于植物工厂内部环境杀菌消毒;所述安全报警模块由语音报警电路组成,当植物工厂内部温度、营养液液位、营养液EC值、营养液PH值以及二氧化碳浓度高于或低于设定值时,或门、窗长时间未关闭时,该模块将进行安全报警,提示工作人员检查维修;
所述反馈系统包括光照传感模块、温度传感模块、湿度传感模块、营养液传感模块、二氧化碳传感模块、空气质量传感模块和视频传感模块,反馈系统采用无线串口转换电路加单片机与传感器的模型构建;所述光照传感模块由多个分布于植物工厂内部的光强传感器组成,用于测量植物生长的真实光照强度;所述的营养液传感模块由液位传感器、EC值传感器和PH值传感器组成,用于实时检测营养液状态;所述的空气质量传感模块由PM2.5传感器组成,用于实时检测植物工厂内部的空气质量;所述视频传感模块由多个分布于植物工厂内部的红外摄像头组成,用于实时传输植物工厂内部的视频信息;所述的安全报警模块由门、窗传感器组成,记录门窗状态;
所述远程数据服务中心用于提供统一化的植物工厂智能监控服务,包括用户管理模块、设备绑定模块、消息推送模块、远程监控模块、农业专家数据库模块、数据存储模块以及数据分析与管理模块;所述用户管理模块用于记录用户资料、登录信息、控制参数、种植品种以及种植时间;所述设备绑定模块用于设备的注册、绑定、激活、增加和删减;所述消息推送模块用于更新移动控制端的数据信息和异常报警;所述远程监控模块用于监测设备的实时状态,同时基于注册用户的控制信息完成本地网络设备群的远程控制和管理;所述的农业专家数据库模块存储了植物工厂叶类、芽苗类、草本类、茄果类蔬菜的最适种植参数,注册用户针对不同种植品种从农业专家数据库模块下载最适种植参数,实现植物工厂的智能控制;所述数据存储模块以及数据分析与管理模块基于用户的兴趣、习惯和分享数据,采用数据挖掘针对性的推荐种植品种和服务信息;
用户通过智能手机、平板电脑、笔记本电脑或台式机登录远程或本地控制端完成系统的本地或远程监控,所述移动控制端和本地控制端都由数据显示模块、数据分析模块、数据共享模块、手动控制模块、智能控制模块、设备管理模块、社区信息模块组成;所述数据显示模块用于展示反馈系统中传感模块的实时数据,所述数据分析模块用于显示环境参数的平均值、设置值、实际值以及误差值;所述的手动控制模块实现执行系统的实时控制;所述的数据共享模块用于在远程数据服务中心备份、同步手动控制的数据信息;所述智能控制模块通过选择种植种类,实现系统的智能控制,为选择植物提供最适的生长环境;所述设备管理模块用于设备的注册、绑定、激活、增加和删减;所述社区信息模块用于用户之间的消息交流和互动;
所述的远程或本地控制端是用户控制的主体软件,通过客户端实现智能组件电器操控、参数检测与初始化设置,控制端的主要工作流程如下:
步骤1、启动;
步骤2、判断是否处于本地网络,是则转到步骤6,否则转到步骤3;
步骤3、连接远程数据服务中心;
步骤4、判断远程数据服务中心是否连接,是则转到步骤5,否则转到步骤3;
步骤5、获取远程控制通道;
步骤6、同步配置文件;
步骤7、生成UI;
步骤8、用户交互控制;
智能代理包括组件管理、状态检测、异常上报、控制转发、多机同步以及代理控制模块,智能代理的逻辑功能由软件程序完成,利用即时通讯模型实现消息推送从而达到远程数据传输和指令控制;智能代理接收远程或者本地通信指令实现智能农业系统的监控,智能代理通过发现协议获取设备信息,根据IP地址查询传感器信息,随时等待控制端进行交互;当系统信息异常时,智能代理向绑定的注册用户端进行消息推送,注册用户在远程收到报警信息后及时对设备进行远程操控,当注册用户不能及时回复、操控时,智能代理启动代理控制模块自动切断电源、关闭相应执行模块。
2.如权利要求1所述植物工厂智能监控系统,其征在于,所述的智能代理周期性的通过广播口令发现智能组件,构建组件IP和MAC地址映射表;针对反馈系统中的传感器模块,智能代理周期性的进行状态查询,储存记录、反馈传感器信息,同时进行本地控制端控制指令的解析和转发;另一方面,智能代理与远程数据服务中心进行通信连接,反馈传感器信息、等待接收远程控制指令、上报系统异常信息。
3.如权利要求2所述的全人工光型植物工厂智能监控系统,其特征在于,执行系统中的LED控制模块实现光质比、光周期、光强度3方面精准的控制,采用的LED芯片包括红、蓝、白光三种光源,通过控制实现四种光质比的组合和分布:通用型照明采用的光质比为红光:蓝光=2:1、花卉型照明采用的光质比为红光:蓝光:白光=2:1:1、蔬菜型采用的光质比为红光:蓝光:白光=3:1:1、种子型照明采用的光质比为红光:蓝光=1:2;LED控制模块通过控制电源电流大小或关闭部分LED芯片实现光强度的调整;LED控制模块通过周期性的关闭和启动模拟实际自然条件下的光照周期;
远程数据服务中心的农业专家数据库模块包含叶类蔬菜、芽苗类蔬菜、草本类蔬菜、茄果类蔬菜的最适控制参数,植物的最适生长参数涵盖执行模块的设备控制参数,包括光照周期、光照强度、光谱比例、明暗周期温度范围、明暗周期湿度范围、营养液循环时间、营养液EC与PH值范围、二氧化碳浓度范围、空气循环周期、空气过滤模块开启和关闭阈值以及灭菌消毒模块的工作周期。
4.如权利要求3所述的全人工光型植物工厂智能监控系统,其特征在于,反馈系统中的光照传感模块、温度传感模块、湿度传感模块、营养液传感模块和二氧化碳传感模块均采用了改进的消抖滤波算法:该算法首先对采样值进行限幅处理,记当前采样值为S1,上次有效采样值为S0,两次采样允许最大偏差为A,若S1与S0的差值不大于A,则S0=S1;如果S1与S0的差值大于A,则说明本次采样值有较大偏差,S1无效,S0继续保持,由于植物工厂内部的环境因素不是快速变化的被测量,因此这样的限幅操作有效的滤除较大的干扰。
5.如权利要求4所述的全人工光型植物工厂智能监控系统,其特征在于,反馈系统中的空气质量传感模块采用改良的滤波算法:在处理采集到的颗粒物数据时,该算法融合了中位值滤波与算数平均滤波两种算法,首先对被测量连续采样N次,然后去除队列中的最大值和最小值,计算剩余N-2个数据的算术平均值作为测量值,在实际测量过程中,该算法消除偶然因素和干扰信号带来的影响。
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