CN106814780A - 一种温室环境调控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种温室环境调控系统。所述系统包括：环境监测设备、服务器以及环境调控设备，所述环境监测设备，用于监测所述温室内和/或所述温室外的环境信息；所述服务器，与所述环境监测设备连接，用于获取所述环境调控设备的至少一个开关型执行机构的状态信息，并通过预设的控制算法对所述环境信息和所述状态信息进行分析处理得到控制决策，从而产生调控指令；所述环境调控设备，与所述服务器连接，用于根据所述调控指令控制所述至少一个开关型执行机构开启或关闭，以实现对温室环境的调控。本发明通过获取综合全面的温室环境信息，并根据温室环境信息利用控制算法为温室作物提供适宜的生长环境，提高了温室环境调控的科学性。

Description

一种温室环境调控系统

技术领域

本发明涉及温室环境调控领域，具体地，涉及一种温室环境调控系统。

背景技术

设施农业是指在农业生产过程中，以现代科学技术和装备的应用代替自然因素并占据主导地位，为农业生产提供优化、相对可控的环境条件，从而实现集约、高效、可持续发展的一种现代化生产方式。在设施农业成为农业现代化重要标志之一的时代背景下，温室环境调控系统得到广泛的发展和应用。温室自动控制系统为温室环境调控系统中的一种，其充分利用外界气候条件，通过控制通风窗、保温被、遮阳幕、加热器、雾化加湿器、湿帘、CO₂补给器等执行机构来改变环境因子如温度、湿度、光照、CO₂和土壤养分等，为作物提供最佳的生长环境，从而获得最高的产量和最优质的农产品。因此，实现温室内部环境信息的准确、全面获取；实现自动智能调控；以及实现可靠的远程监控，以解放农民生产力，成为温室环境调控系统的基本要求。

按照拓扑结构的角度分类，温室环境调控系统主要包含集中式控制系统、集散式控制系统、网络控制系统、基于无线传感器网络的控制系统和基于物联网的控制系统。传统的温室环境调控系统主要以单片机、PCL为核心控制器，系统可靠性不足、与用户交互性不足且成本较高。现有的温室环境调控系统中，大多温室环境调控系统要求农民每天守候在温室现场实施调控，且信息采集因子单一，信息不全，数据丢包现象严重，难以满足温室实时监测的需求，而且温室环境调控系统缺少视频图像信息，用户无法判断当前操作是否生效，同时也不能根据作物长势合理修改控制参数，只能根据自身经验设置基本信息，环境调控效果完全依赖于系统本身的稳定性。此外，温室环境调控系统调控操作复杂，控制方法单一或完全基于农民经验实施调控，未能实现科学调控，难以满足农业现代化的发展需求。随着嵌入式微处理器、无线传感器网络等技术的日趋完善和农业物联网在安全追踪、农田墒情、节水灌溉等方面的广泛应用，现代温室环境调控系统逐渐朝着全面感知、稳定传输、智能调控和良好交互的方向发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种温室环境调控系统。所述系统通过获取综合全面的温室环境信息，并利用控制算法为温室作物提供适宜的生长环境，避免了用户按照自身的经验实施调控，不仅提高了温室环境调控的科学性，而且还有利于作物产量的提高。

为了实现上述目的，本发明提供一种温室环境调控系统。所述系统包括：环境监测设备、服务器以及环境调控设备，所述环境监测设备，用于监测所述温室内和/或所述温室外的环境信息；所述服务器，与所述环境监测设备连接，用于获取所述环境调控设备的至少一个开关型执行机构的状态信息，并通过预设的控制算法对所述环境信息和所述状态信息进行分析处理得到控制决策，从而产生调控指令；所述环境调控设备，与所述服务器连接，用于根据所述调控指令控制所述至少一个开关型执行机构开启或关闭，以实现对温室环境的调控。

其中，所述环境监测设备包括：至少一个传感器，分别安装于所述温室内，用于测量所述温室内至少一个环境参数；气象站，安装于所述温室外，用于监测所述温室外至少一个环境参数，并将所述温室外至少一个环境参数转换成所述温室外的环境数字信息以及将所述温室外的环境数字信息发送至所述服务器；单片机，与所述至少一个传感器连接，用于将所述温室内至少一个环境参数转换成所述温室内的环境数字信息；以及无线通信装置，与所述单片机连接，用于将所述温室内的环境数字信息发送至所述服务器。

其中，所述环境监测设备还包括：摄像头，与所述服务器连接，用于获取所述温室内的视频图像信息。

其中，所述环境调控设备包括：至少一个开关型执行机构，安装于所述温室内，用于在开启或关闭的情况下，调节所述温室的至少一个环境参数；以及执行机构控制子设备，与所述至少一个开关型执行机构连接，用于根据所述调控指令控制所述至少一个开关型执行机构开启或关闭，以实现对温室环境的调控。

其中，所述环境调控设备还包括：执行机构采集子设备，与所述至少一个开关型执行机构连接，用于采集所述至少一个开关型执行机构的状态信息。

其中，所述系统还包括：客户端，与所述服务器连接，用于通过预安装的浏览器以GET方式向所述服务器发送请求，以获取所述服务器中的HTML页面，其中，所述HTML页面包括环境信息子页面、执行机构子页面、视频监控子页面、控制方法子页面以及关于子页面。

其中，所述预设的控制算法包括自动控制模式的控制算法和手动控制模式的控制算法，所述服务器用于根据用户通过所述控制方法子页面输入的信息切换自动控制模式的控制算法和手动控制模式的控制算法。

其中，所述自动控制模式的控制算法包括以下中的至少一种：滞环控制、PID控制、模糊控制以及鲁棒控制，所述服务器还用于根据用户通过所述控制方法子页面输入的信息切换自动控制模式的控制算法。

其中，所述服务器还用于根据用户通过所述控制方法子页面输入的信息触发所述手动控制模式的控制算法，其中，所述手动控制模式的控制算法采用轮询法查询所述至少一个开关型执行机构的手动控制标志文件，若所述手动控制标志文件的内容为零，则不对所述至少一个开关型执行机构执行操作；若所述手动控制标志文件的内容不为零，则读取与所述手动控制标志文件相关的数据文件，并根据所述数据文件对相应的开关型执行机构执行操作，以更改所述开关型执行机构的状态信息。

其中，所述服务器还用于定时异步更新所述HTML页面的数据。

通过上述技术方案，获取温室内和温室外的环境信息以及环境调控设备的至少一个开关型执行机构的状态信息；通过预设的控制算法对环境信息和状态信息进行分析处理得到控制决策，从而产生调控指令；以及根据调控指令控制至少一个开关型执行机构开启或关闭，以实现对温室环境的调控，无需用户长时间守候监控，解放了农民的生产力，同时也避免了用户按照自身的经验实施调控，提高了环境调控的科学性，有利于作物产量的提高。

附图说明

图1是本发明提供的温室环境调控系统的结构示意图；

图2是本发明提供的温室环境调控系统的环境监测设备的结构示意图；

图3是本发明提供的温室环境调控系统的环境调控设备的结构示意图；

图4是本发明提供的温室环境调控系统的具体实施方式的示意图；

图5是本发明提供的温室环境调控系统的服务器的程序结构图。

附图标记说明

10 环境监测设备 20 服务器 30 环境调控设备

40 客户端 41 传感器 50 单片机 51 气象站

60 无线通信装置 61 摄像头 62 开关型执行机构

70 执行机构控制子设备 71 执行机构采集子设备

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是本发明提供的温室环境调控系统的结构示意图。如图1所示，本发明提供的温室环境调控系统包括：环境监测设备10、服务器20以及环境调控设备30，所述环境监测设备10，用于监测所述温室内和/或所述温室外的环境信息；所述服务器20，与所述环境监测设备10连接，用于获取所述环境调控设备的至少一个开关型执行机构的状态信息，并通过预设的控制算法对所述环境信息和所述状态信息进行分析处理得到控制决策，从而产生调控指令；所述环境调控设备30，与所述服务器20连接，用于根据所述调控指令控制所述至少一个开关型执行机构开启或关闭，以实现对温室环境的调控。藉此，无需用户长时间守候监控，解放了农民的生产力，同时也避免了用户按照自身的经验实施调控，提高了环境调控的科学性，有利于作物产量的提高。

图2是本发明提供的温室环境调控系统的环境监测设备的结构示意图。如图2所示，优选地，本发明提供的温室环境调控系统的环境监测设备10包括：至少一个传感器41，分别安装于所述温室内，用于测量所述温室内至少一个环境参数；气象站51，安装于所述温室外，用于监测所述温室外至少一个环境参数，并将所述温室外至少一个环境参数转换成所述温室外的环境数字信息以及将所述温室外的环境数字信息发送至所述服务器；单片机50，与所述至少一个传感器41连接，用于将所述温室内至少一个环境参数转换成所述温室内的环境数字信息；以及无线通信装置60，与所述单片机50连接，用于将所述温室内的环境数字信息发送至所述服务器。藉此，不仅能够准确地、实时地、稳定地、全面地获取温室内外的环境数字信息。

在具体的实施方式中，所述单片机50为单片机80C51F020，所述无线通信装置60为SRWF无线通讯模块。

在另一种具体的实施方式中，至少一个传感器41、单片机80C51F020以及SRWF无线通讯模块组成温室内的无线传感器节点。其中，至少一个传感器41分别与单片机80C51F020连接，单片机80C51F020与SRWF无线通讯模块连接。具体地，至少一个传感器41分别为光照度传感器、温度传感器、湿度传感器、CO₂含量测量传感器、土壤水分传感器以及土壤电导率传感器，温室内的无线传感器以单片机80C51F020为核心，集成有光照度传感器、温度传感器、湿度传感器、CO₂含量测量传感器、土壤水分传感器以及土壤电导率传感器，并通过SRWF无线通讯模块与服务器20实现数据通信。更为具体地，所述环境监测设备10包括多个完全相同的无线传感器节点。藉此，无线传感器节点的结构简单，便于后期传感器的增减，降低了系统升级和维护的成本。

在一种可能的实施方式中，温室外的气象站51包括光照度传感器、温度传感器、湿度传感器、CO₂含量测量传感器、单片机80C51F020以及SRWF无线通讯模块。其中，光照度传感器、温度传感器、湿度传感器、CO₂含量测量传感器分别与单片机80C51F020连接，单片机80C51F020与SRWF无线通讯模块连接。具体地，温室外的气象站51以单片机80C51F020为核心，集成有光照度传感器、温度传感器、湿度传感器和CO₂含量测量传感器，并通过SRWF无线通讯模块与服务器20实现数据通信。藉此，便于获取温室外的环境信息。

如图2所示，优选地，所述环境监测设备10还包括：摄像头61，与所述服务器20连接，用于获取所述温室内的视频图像信息。具体地，所述摄像头61通过Internet连接至所述服务器20。藉此，用户能够获知温室内部各设备的运作情况和作物的生长情况。

图3是本发明提供的温室环境调控系统的环境调控设备的结构示意图。如图3所示，优选地，本发明提供的温室环境调控系统的环境调控设备30包括：至少一个开关型执行机构62，安装于所述温室内，用于在开启或关闭的情况下，调节所述温室的至少一个环境参数；以及执行机构控制子设备70，与所述至少一个开关型执行机构62连接，用于根据所述调控指令控制所述至少一个开关型执行机构开启或关闭，以实现对温室环境的调控。藉此，能够可靠地保障控制决策能够正常生效。

在具体的应用中，所述环境调控设备30还包括：执行机构采集子设备71，与所述至少一个开关型执行机构62连接，用于采集所述至少一个开关型执行机构的状态信息。其中，所述状态信息指的是开关型执行机构是处于“断开”状态还是处于“闭合”状态。藉此，服务器能够获取至少一个开关型执行机构的状态信息。

在具体的实施方式中，环境调控设备30通过RS-485总线与服务器20连接。具体地，执行机构控制子设备70和执行机构采集子设备71均通过RS-485总线与服务器20连接。其中，至少一个开关型执行机构62包括与调节室内温度、湿度、光照度、CO₂、土壤水分和土壤肥料等相关的开关型执行机构。具体地，至少一个开关型执行机构62包括加热风机、雾化加湿器以及LED补光灯。执行机构控制子设备70与执行机构采集子设备71均通过继电器或空气开关与开关型执行机构62相连。

如图1所示，优选地，所述系统还包括：客户端40，与所述服务器20连接，用于通过预安装的浏览器以GET方式向所述服务器发送请求，以获取所述服务器中的HTML页面，其中，所述HTML页面包括环境信息子页面、执行机构子页面、视频监控子页面、控制方法子页面以及关于子页面。藉此，能够实现用户登录、温室内外的环境数字信息的浏览、视频图像信息监控、云台控制等功能。

其中，用户在登录所述HTML页面后，通过环境信息子页面能够获知温室现场内外的环境数字信息，通过执行机构子页面能够查看当前温室内各开关型执行机构的状态信息，通过视频监控子页面可查看温室内部的图像视频信息、监测作物的长势和状态以及开关型执行机构的状态，而且用户能够通过该子页面向服务器输入信息，对摄像头实现云台控制，调整摄像头的方向，从而用户能够多方向、多角度观察温室内部各开关型执行机构的运作情况和作物的生长情况以及还能通过控制方法子页面可获知当前周期内使用的自动控制方法、自动控制周期以及环境设定值给定方式，具有权限的用户在激活自动控制模式的情况下，可跳转至该子页面修改自动控制方法、设置控制方法参数，并修改自动控制周期、温度设定值给定方式以及实现自动控制模式和手动控制模式的切换，下一测控周期修改生效。

具体地，所述预设的控制算法包括自动控制模式的控制算法和手动控制模式的控制算法，所述服务器20用于根据用户通过所述控制方法子页面输入的信息切换自动控制模式的控制算法和手动控制模式的控制算法。在具体的应用中，用户可直接通过浏览器实现人工干预的手动控制或者用户可以综合考虑温室内外的环境数字信息和温室内的视频图像信息，选择自动控制模式或手动控制模式实施调控。藉此，实现了自动控制模式和手动控制模式的切换，能够远程应对温室运作过程中可能出现的极端情况，提高了系统的适用性。

其中，所述自动控制模式的控制算法包括以下中的至少一种：滞环控制、PID控制、模糊控制以及鲁棒控制，所述服务器20还用于根据用户通过所述控制方法子页面输入的信息切换自动控制模式的控制算法。具体地，自动控制下的控制算法包括滞环控制、PID控制、模糊控制以及鲁棒控制等多种控制方法供用户选择，每种控制方法均能对主要参数进行基本设置，同时可设置调整自动控制的周期和环境参数给定值给定方式。

其中，所述服务器20还用于根据用户通过所述控制方法子页面输入的信息触发所述手动控制模式的控制算法，其中，所述手动控制模式的控制算法采用轮询法查询所述至少一个开关型执行机构的手动控制标志文件，若所述手动控制标志文件的内容为零，则不对所述至少一个开关型执行机构执行操作；若所述手动控制标志文件的内容不为零，则读取与所述手动控制标志文件相关的数据文件，并根据所述数据文件对相应的开关型执行机构执行操作，以更改所述开关型执行机构的状态信息。具体地，用户通过浏览器端选择手动控制模式后将触发服务器端执行手动控制模式的调控程序。在手动控制模式下，用户可直接通过点击HTML页面按钮实现相应开关型执行机构的开关控制。

优选地，所述服务器20还用于定时异步更新所述HTML页面的数据。具体地，通过jQuery方法实现AJAX编程，从而实现网页数据的定时异步更新。藉此，在降低服务器负担的同时，能够为用户提供流畅的数据交互体验。

基于上述内容，本发明提供的温室环境调控系统为远程用户提供页面简洁、功能全面、运行稳定的HTML网页，通过环境数字信息，用户可观察环境信息变化情况，通过视频图像信息，用户可以观察系统调控效果和作物生长状态，可视化界面极大提高了系统的友好性，通过综合全面的信息可以辅助用户实现温室环境远程监控从而缩短作物生长周期。

图4是本发明提供的温室环境调控系统的具体实施方式的示意图。如图4所示，在具体的实施方式中，服务器20为S3C6410嵌入式处理器，服务器20集环境测控和信息发布为一体，一方面实现环境信息和状态信息的获取、分析以及开关型执行机构的控制决策功能，另一方面采用B/S结构为用户提供远程温室的浏览器监控Web访问。之所以选择B/S结构，是因为系统维护和升级方式简单，成本降低，选择更多。具体地，将集成光照度传感器、温度传感器、湿度传感器、CO₂含量测量传感器、土壤水分传感器以及土壤电导率传感器的无线传感器节点和网络摄像头布置于温室内，将集成光照度传感器、温度传感器、湿度传感器和CO₂含量测量传感器的无线气象站布置于温室外，将执行机构状态采集板和执行机构状态控制板分别通过继电器或过流保护空气开关与加热风机、雾化加湿器、LED补光灯等开关型执行机构相连接，并布置于温室内，服务器可通过预置的控制算法周期采集温室内外环境数字信息和开关型执行机构开关状态，根据控制算法分析处理得出控制决策后，发送指定格式的指令至执行机构控制子设备实施调控，并将有效数据以特定格式存储至txt文本中作为记录。此外，远端用户可通过浏览器访问系统服务器。

图5是本发明提供的温室环境调控系统的服务器的程序结构图。如图5所示，服务器所采用的操作系统为ARM-Linux操作系统，服务器软件程序部分由控制模块和Web服务器守护模块组成，两个模块之间通过txt文本实现数据的交互。其中，控制模块可以无需人为设定干预，周期获取温室现场环境信息以及开关型执行机构的状态信息，通过预置的控制算法对数据进行分析处理，得到调控决策，并向环境调控设备发送指定格式的调控指令。为满足用户各类型调控需求，服务器置入滞环控制、PID控制、模糊控制、鲁棒控制等多种控制算法供用户选择，用户对各控制方法中的核心参数进行设置即可完成复杂的自动调控。此外，针对温室可能出现的极端情况，服务器中还配置了自动控制模式和手动控制模式切换功能，远端用户可直接通过浏览器实现人工干预的手动控制。具体地，控制模块及时响应远端用户的选择，切换至手动控制模式，按照用户在远程浏览器设置的开关型执行机构的开关状态，发送控制指令从而实施调控。Web服务器守护模块包括BOA文件、CGI程序和信息可视化的HTML页面，采用B/S结构为用户提供远程浏览器监控的Web访问，用户可浏览视频图像、可查看当前系统中使用的自动控制方法、可监测温室现场开关型执行机构的开关状态和温室内外的环境数字信息。通过HTML页面，用户可以综合考虑环境数字信息和视频图像信息，选择自动控制模式或手动控制模式实施调控。远端浏览器通过GET方式向服务器发送请求，由特定的CGI脚本进行处理，实现与服务器的信息交互。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种温室环境调控系统，其特征在于，所述系统包括：环境监测设备、服务器以及环境调控设备，

所述环境监测设备，用于监测所述温室内和/或所述温室外的环境信息；

所述服务器，与所述环境监测设备连接，用于获取所述环境调控设备的至少一个开关型执行机构的状态信息，并通过预设的控制算法对所述环境信息和所述状态信息进行分析处理得到控制决策，从而产生调控指令；

所述环境调控设备，与所述服务器连接，用于根据所述调控指令控制所述至少一个开关型执行机构开启或关闭，以实现对温室环境的调控。

2.根据权利要求1所述的温室环境调控系统，其特征在于，所述环境监测设备包括：

至少一个传感器，分别安装于所述温室内，用于测量所述温室内至少一个环境参数；

气象站，安装于所述温室外，用于监测所述温室外至少一个环境参数，并将所述温室外至少一个环境参数转换成所述温室外的环境数字信息以及将所述温室外的环境数字信息发送至所述服务器；

单片机，与所述至少一个传感器连接，用于将所述温室内至少一个环境参数转换成所述温室内的环境数字信息；以及

无线通信装置，与所述单片机连接，用于将所述温室内的环境数字信息发送至所述服务器。

3.根据权利要求2所述的温室环境调控系统，其特征在于，所述环境监测设备还包括：

摄像头，与所述服务器连接，用于获取所述温室内的视频图像信息。

4.根据权利要求1所述的温室环境调控系统，其特征在于，所述环境调控设备包括：

至少一个开关型执行机构，安装于所述温室内，用于在开启或关闭的情况下，调节所述温室的至少一个环境参数；以及

执行机构控制子设备，与所述至少一个开关型执行机构连接，用于根据所述调控指令控制所述至少一个开关型执行机构开启或关闭，以实现对温室环境的调控。

5.根据权利要求4所述的温室环境调控系统，其特征在于，所述环境调控设备还包括：

执行机构采集子设备，与所述至少一个开关型执行机构连接，用于采集所述至少一个开关型执行机构的状态信息。

6.根据权利要求1所述的温室环境调控系统，其特征在于，所述系统还包括：

客户端，与所述服务器连接，用于通过预安装的浏览器以GET方式向所述服务器发送请求，以获取所述服务器中的HTML页面，

其中，所述HTML页面包括环境信息子页面、执行机构子页面、视频监控子页面、控制方法子页面以及关于子页面。

7.根据权利要求6所述的温室环境调控系统，其特征在于，所述预设的控制算法包括自动控制模式的控制算法和手动控制模式的控制算法，

所述服务器用于根据用户通过所述控制方法子页面输入的信息切换自动控制模式的控制算法和手动控制模式的控制算法。

8.根据权利要求7所述的温室环境调控系统，其特征在于，所述自动控制模式的控制算法包括以下中的至少一种：滞环控制、PID控制、模糊控制以及鲁棒控制，

所述服务器还用于根据用户通过所述控制方法子页面输入的信息切换自动控制模式的控制算法。

9.根据权利要求7所述的温室环境调控系统，其特征在于，所述服务器还用于根据用户通过所述控制方法子页面输入的信息触发所述手动控制模式的控制算法，

其中，所述手动控制模式的控制算法采用轮询法查询所述至少一个开关型执行机构的手动控制标志文件，若所述手动控制标志文件的内容为零，则不对所述至少一个开关型执行机构执行操作；若所述手动控制标志文件的内容不为零，则读取与所述手动控制标志文件相关的数据文件，并根据所述数据文件对相应的开关型执行机构执行操作，以更改所述开关型执行机构的状态信息。

10.根据权利要求6所述的温室环境调控系统，其特征在于，所述服务器还用于定时异步更新所述HTML页面的数据。