CN107316251A - 基于数字梯度化技术的植物生长智能管理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字梯度化技术的植物生长智能管理方法及系统，智能管理方法包括：传感器采集不同点位的环境数据信息；所述植物生长智能控制终端接收传感器发送的环境数据信息，并根据环境数据信息的解析结果进行数字梯度化处理；所述植物生长智能控制终端将数字梯度化处理结果与植物生长条件矩阵表比对判断，根据判断结果选择待控制的机电设备，并通过对应的信息隧道向待控制机电设备发送控制命令；待控制机电设备根据控制命令执行相应操作；该管理系统包括：中央控制单元、数据采集单元、环境调控单元和监控单元。本发明的方法避开了农作物自适应过程，能自动化、智能化、精准化地控制植物生长过程，同时该系统的伸缩性和灵活性强。

Description

基于数字梯度化技术的植物生长智能管理方法及系统

技术领域

本发明涉及一种植物生长监测和控制的智能管理方法和系统，尤其涉及一种基于数字梯度化技术的植物生长智能管理方法及系统，属于智能农业技术领域。

背景技术

电子技术和计算机技术的迅速发展推动了农业生产向智能化方向演变，但从我国农业生产应用的现状来看，大部分农业生产还停留在机械化层面上，农业智能化技术应用的重要性和现实意义认识的不足，是农业智能化发展滞后的客观原因。如果说给农业带来巨变的农业机械化的定义就是优化农业生产劳动力，把需要手工操作的原始农业转变成只需人工设置农业机器就能自动完成农业生产作业的话，那么，农业智能化的定义就是：彻底解放农业生产劳动力，使原本需要人工操作的农业机器由专业化走向傻瓜化，即把原本需要专业人士操控的农业机器变成无需人工干预，能根据农作物的状况和其他因素自动决定如何进行某项作业的智能机器。

然而，就我国目前的农业科技发展状况来看，我国的农业智能化技术发展十分缓慢，尚处于研究和试验示范阶段。农业生产应用是一个十分复杂的应用领域，需要多个学科的知识配合和应用。转型过来的科技企业在缺少农业专家和农业生产经验的情况下，只能将传感设备和控制设备安装于农田、大棚当中，仅仅达到检测植物生长的环境数据，灌溉、施肥时还需要人工操控，未起到真正的智能管理效果。

与本发明有所区别的是：专利申请号：201110185599.7公开的基于无线传感器网络的自适应农业信息数据管理方法，它通过传感器模块和终端处理器的交互，实现农业信息数据的自适应控制和管理，同时在无线传感器网络中引入了web2.0技术，实现了用户与网络平台的交互，增加了“植物博客”模块。该“植物博客”模块根据数据库系统动态自述周围环境参数，其中，该发明的经验数据数据库是根据历史农业生产经验和农作物生长状况建立的，所述的经验数据库，即是根据植物生长状况不断调整和自适应的过程。该发明与本发明不同的地方在于，本发明是由农业专家结合多年调研经验得出的植物生长规律和植物生长环境参数，并通过矩阵表下载于植物生长智能控制终端中，再通过与梯度化处理的外部环境数据相比对，最终调控环境调控单元对植物进行作业。该方法避免了植物生长过程中的自适应过程，能够根据植物的类别、生长周期，下载相适应的植物生长条件矩阵表，避开了农作物与设备相磨合的阶段，同时能精确、精准控制植物生长的外部环境参数。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于数字梯度化技术的植物生长智能管理方法及系统，该方法用于解决当前农业科技与农业生产知识结合的不足，系统设备与农作物之间的自适应时间长以及农业管理需要人工操控的缺点，提出了梯度化处理的智能管理方法，实现了全自动化监测和调控的农作物精细化管理，同时良好的伸缩性和灵活性使其能适应多种农作物生长环境。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明提供一种基于数字梯度化技术的植物生长智能管理方法，它包括：

S1：传感器采集不同点位的环境数据信息；

S2：植物生长智能控制终端接收传感器发送的环境数据信息，并根据环境数据信息的解析结果进行数字梯度化处理；

S3：所述植物生长智能控制终端将数字梯度化处理结果与植物生长条件矩阵表比对判断，根据判断结果选择待控制的机电设备，并通过对应的信息隧道向待控制机电设备发送控制命令；

S4：所述待控制机电设备根据控制命令执行相应操作；

S5：反复执行以上步骤，不断采集植物生长的环境数据信息，用以监控植物生长环境信息和再次调控机电设备做准备。

具体的，在步骤S1的执行过程中，传感器采集所述的环境数据信息，它包括环境因子信息、功能标识和状态标识，所述环境因子信息包含植物生长的环境参数信息，梯度化处理后用于与植物生长条件矩阵表比对判断，功能标识用于识别设备的节点和名称，状态标识用于识别设备的连接状态、开闭状态和故障状态。

具体的，在步骤S2的执行过程中，植物生长智能控制终端对采集的环境数据信息进行数据梯度化处理，它包括以下两个步骤：

S21：将所述环境因子信息由非电量转换为电量，通过A/D转换后，转化成多元变量的线性方程；

S22：将多元变量的线性方程实行区域分割，得出梯度区间范围，用于机电设备的定量控制管理。

具体的，在步骤S3执行过程中，所述的植物生长条件矩阵表，它是由农业、生物专家多年经验得出的植物生长规律和植物生长环境参数经验数据库，植物生长条件矩阵表在与所述环境数据信息比对判断时，是以矩阵表的形式出现。根据农作物生长环境复杂的特性，在判定外界温度是否适宜于当前植物生长时，不仅仅需要参考植物的空气温度参数，同时需要参考植物的空气湿度、光照度、雨量值，甚至还需要参考植物的土壤温度、土壤湿度以及风力风向等条件，这就需要以矩阵表的形式与外部环境的线性方程做比对。

所述植物生长条件矩阵表在植物种类不同、植物生长周期不同时，可由人工上传或下载进行更替。

基于数字梯度化技术的植物生长智能管理系统，它包括中央控制单元、数据采集单元、环境调控单元和监控单元，所述中央控制单元包括植物生长智能控制终端和PC机，所述数据采集单元包括采集植物外部的温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度、pH值、风力风向的传感器；所述环境调控单元包括改善植物生长的外部环境条件的机电设备；监控单元包括静态图像采集或视频图像采集的图像采集设备；所述植物生长智能控制终端通过总线分配器1、总线分配器2分别与数据采集单元、环境调控单元相连，植物生长智能控制终端还通过RS232 数据接口与PC机相连，所述监控单元与PC机相连；

中央控制单元：用于对数据采集单元传递过来的环境数据信息进行梯度化处理，并与植物生长条件矩阵表比对判断，产生针对机电设备应用部署的控制命令；

数据采集单元：用于对植物生长的环境数据进行采集，并向所述中央控制单元实时反馈采集结果；

环境调控单元：用于执行植物生长智能控制终端发送的控制命令，以改变植物生长的外部生长环境条件；

监控单元：用于实时监控植物外部生长环境，采集静态或动态图像，以供实时或历时查证。

具体的，所述采集单元包括采集空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、光照强度、二氧化碳浓度、pH值、水溶氧、水盐度、风力风向、水位值、雨量值在内的多种传感器。

具体的，所述环境调控单元包括实现升温、降温、增湿、排气、遮阳、增氧、增二氧化碳、杀虫、施肥、补光等改善植物外部生长条件的多种机电设备。

所述中央控制单元还包括手持终端，所述手持终端通过无线路由、网络、WIFI模块与植物生长智能控制终端相连。

所述植物生长智能控制终端将数据采集单元采集的环境数据信息存储在植物生长智能控制终端或PC机中，并通过PC机在前台展现，展现方式包括线性图、数据值展示等，历史数据和分析数据等也可以通过PC机调出查看。

所述PC机可通过植物生长智能控制终端，发送针对环境调控单元的控制命令，手动调控后，系统在五分钟内将自动恢复成智能控制模式，避免人工误操作造成对植物的影响。

本发明的有益效果是：提供一种基于梯度化技术的植物生长智能管理方法，颠覆了传统手工种植的农业生产模式，优化了电子科技技术单独应用于农业的方法，以简单、快捷、方便的矩阵表比对方式，使植物生长的环境调控始终处于农业专家经验得出的数据调控范围内，在不需要人工参与的情况下，能智能化、自动化、精细化调控植物的生长环境参数，使植物始终生长在最近环境条件下。

附图说明

图1为植物生长智能管理方法流程图；

图2为植物生长智能管理系统结构框图；

图3为传统农业科技控制的实现过程图；

图4为本发明智能管理的实现过程图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

下面以图1为例详细说明本发明实施例一提供的植物生长智能管理方法，图1为本发明实施例提供的植物生长智能管理系统的智能管理方法，在本发明实施例中，实施主体可以为植物生长智能管理系统。如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S1：传感器采集不同点位的环境数据信息；所述的环境数据信息，它包括环境因子信息、功能标识和状态标识，所述环境因子信息包含植物生长的环境参数信息，梯度化处理后用于与植物生长条件矩阵表比对判断，功能标识用于识别设备的节点和名称，状态标识用于识别设备的连接状态、开闭状态和故障状态。

可选地，温度传感器采集到农作物的温度信息，温度传感器发送给植物生长智能控制终端的环境数据信息内包含了温度数据信息、传感器功能标识和传感器状态标识。

具体地，用于采集植物生长环境信息的温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器、二氧化碳浓度传感器等将采集到的数据信息发送给植物生长智能控制终端，植物生长智能控制终端根据发送的功能标识确认该传感器属于什么类型，并根据状态标识确认该传感器处于什么状态。

步骤S2：植物生长智能控制终端接收传感器发送的环境数据信息，并根据环境数据信息的解析结果进行数字梯度化处理。

具体的，植物生长智能控制终端对采集的环境数据信息进行数据梯度化处理，它包括以下两个步骤：

步骤S21：将所述环境因子信息由非电量转换为电量，通过A/D转换后，转化成多元变量的线性方程；

步骤S22：将多元变量的线性方程实行区域分割，得出梯度区间范围，用于机电设备的定量控制管理。

可选地，数据采集单元将采集到的温度信息、湿度信息、光照强度信息、二氧化碳浓度信息等发送给植物生长智能控制终端，植物生长智能控制终端根据每个信息的功能标识进行分类，再将所述数据信息由非电量转换为电量，通过A/D转换后，转化成多元变量的线性方程，再将多元变量的线性方程实行区域分割，得出梯度形式的区间范围。

步骤S3：所述植物生长智能控制终端将数字梯度化处理结果与植物生长条件矩阵表比对判断，根据判断结果选择待控制的机电设备，并通过对应的信息隧道向待控制机电设备发送控制命令。

具体地，多元变量的线性方程实行区域分割得出梯度形式的区间范围，与植物生长条件矩阵表比对，所述的植物生长条件矩阵表也就是梯度化形式的数据表格，矩阵表设定有空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、光照强度、二氧化碳浓度、pH值等待测环境的数据阀值，多元变量的线性方程，在与植物生长条件矩阵表比对判断时，并非只针对单个数据进行判断。举例来说，当空气温度过低时，温度数据信息在与植物生长条件矩阵表比对判断时，需要判定当前空气温度、当前空气湿度、当前土壤温度、当前土壤湿度等是否适宜加温，更甚者，需要判定当前光照强度和当前PM值等无直接相关的数据信息。

进一步地，植物生长智能控制终端根据环境数据信息与植物生长条件矩阵表比对判断结果，选择需要执行环境调控的机电设备。每个机电设备有与之对应的地址信息，植物生长智能控制终端根据地址信息，选择与之对应的信息隧道，发送对应的控制命令。所述控制命令包括机电设备功能信息的属性信息、机电设备开启或关闭的状态信息、机电设备执行状态所延续的时间范围信息等。

步骤S4：所述待控制机电设备根据控制命令执行相应操作。

优选地，植物生长智能控制终端会根据判断结果以及植物生长特性来实现植物生长的精细化控制。举例来说，比如植物的土壤干涸，土壤湿度偏低，这时土壤湿度传感器反馈给植物生长智能控制终端的结果是土壤湿度的具体数据。植物生长智能控制终端根据这个数据并不能直接开启喷灌或滴灌装置，还要根据当前空气温度、空气湿度、光照强度以及土壤温度来确定。假如现在正是初夏正午，当前空气温度达到38℃，空气湿度为20％，这个时候要是冒然给植物浇水，植物内部的新陈代谢被冷水骤然改变，根系不能适应，导致植物新陈代谢不能正常进行，则植物就会死掉。

优选地，植物生长智能控制终端所述的智能还体现为，喷灌或滴灌设备在给植物浇水的过程中，植物生长智能控制终端并不会在土壤湿度传感器发送湿度达到要求的时刻才停止设备。由于水分渗透土壤有一个时间过程，在喷灌或滴灌过程中，浇水的速度远大于水分渗透土壤的速度，若在土壤湿度传感器检测到土壤湿度已经达到植物所需的正常湿度范围，则或出现植物根茎腐烂或涝死的现象。

与此例相关的光照强度、二氧化碳浓度以及温度等环境数据也一样，会有与时间、空间以及外界环境数据相关的智能处理的环节，以防止人为的改动环境对植物带来巨大的影响。因此，植物生长智能控制终端在植物生长管理的过程中，尽量还原自然环境的量，防止人为的“揠苗助长”。

步骤S5：反复执行S1～S4的步骤，不断采集植物生长的环境数据信息，用以监控植物生长环境信息和再次调控机电设备做准备。

在植物生长智能管理过程中，步骤S1到步骤S4是实时进行的，植物生长的外界环境就是一个不断变化的环境，因此，作为控制管理植物生长环境的管理系统，也是时时刻刻运作和微观调控着的。

实施例二

实施例一描述了以植物生长智能管理系统为执行主体的植物生长智能管理方法，相应地，本发明还提供了植物生长智能管理系统，图2为本发明实施例提供的植物生长智能管理系统的结构示意图，如图3所示，植物生长智能管理系统包括中央控制单元、数据采集单元和环境调控单元。

中央控制单元，用于对数据采集单元采集的环境数据信息进行梯度化处理，并与植物生长条件矩阵表比对判断，产生针对机电设备应用部署的控制命令。

数据采集单元，用于对植物生长的环境数据进行采集，并向所述中央控制单元实时反馈采集结果。

环境调控单元，用于执行植物生长智能控制终端发送的控制命令，以改变植物生长的外部生长环境条件。

可选地，所述系统还可以包括：监控单元，用于实时监控植物外部生长环境，采集静态或动态图像，以供实时或历史查证。

可选地，所述系统还可以包括：手持终端，用于远程查看植物环境数据，以及远程手动操控机电设备。

可选地，所述系统还可以包括：数据库服务器，用于储存环境数据信息，以供历史查看和数据备份。

可选地，所述系统还可以包括：WIFI模块，用于与手持终端以及其他设备进行无线连接。

因此，本发明实施例给出了植物生长智能管理系统的具体组网框架，从组网框架上来讲，是毫无纰漏的，智能化、多元化的植物生长管理系统。

实施例三

实施例一描述了以植物生长智能管理系统为执行主体的植物生长智能管理方法，相应地，本发明实施例二还提供了一种植物生长智能管理系统，用以实现实施例一中所描述的方法，补充地，本实施例将具体化实施例二所述描述的植物生长智能管理系统，如图2所示，所述系统包括中央控制单元、数据采集单元、环境调控单元和监控单元，所述中央控制单元包括植物生长智能控制终端、PC机和手持终端，所述数据采集单元包括但不局限于空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、光照强度、二氧化碳浓度、pH值、水溶氧、水盐度、风力风向、水位值、雨量值等在内的多种传感器，所述环境调控单元包括但不局限于升温、降温、增湿、排气、遮阳、增氧、增二氧化碳、杀虫、施肥、补光等改善植物外部生长条件的多种机电设备，所述监控单元包括能采集静态图像或动态图像的摄像头，植物生长智能控制终端通过RS232数据接口与PC机相连，植物生长智能控制终端还分别通过总线分配器1、总线分配器2与数据采集单元所述的传感器，以及环境调控单元所述的机电设备相连，手持终端通过WIFI模块与植物生长智能控制终端相连，监控单元与PC机相连。

具体地，植物生长智能控制终端将数据采集单元采集的环境数据信息存储在植物生长智能控制终端或PC机中，并通过PC机在前台展现，展现方式包括线性图、数据值展示等，历史数据和分析数据等也可以通过PC机调出查看。

进一步地，数据采集单元采集到环境数据信息，PC机上的管理界面将通过线性图或数据值的方式直观的反应给用户。假如当前传感器采集到葡萄的温度数据信息，发送给植物生长智能控制终端，与此同时，PC机和手持终端也可获得该时间内葡萄的温度数据信息。但管理人员可通过PC机或手持终端观察该信息，更甚的，管理人员可通过PC机或手持终端手动操控降温设备开启/关闭。机电设备收到降温控制命令，即刻开启降温装置。在无人员再次手动操控的前提下，开启降温设备的1～5分钟内，植物生长智能控制终端将根据实时环境数据，及时调整机电设备(开启或关闭)，恢复自动控制。

实施例四：

实施例一描述了以植物生长智能管理系统为执行主体的植物生长智能管理方法，相应地，本发明实施例二还提供了一种植物生长智能管理系统，实施例三对实施例二做了具体补充，本发明实施例四还将提供一种传统农业科技设备实现过程与本发明所述系统实现过程做比对。图3为传统农业科技设备的实现过程图，如图3所示，该传统农业科技设备的实现方式十分简单，该传统科技设备的系统由单片机、温度传感器、降温设备和升温设备组成，单片机的信号接收端与温度传感器的信号发送端连接，单片机的控制输出端分别与降温设备、升温设备的控制输入端连接。

优选地，在该系统的具体实现过程中，若当前温度检测值为35℃，则单片机根据内部阀值判定该温度偏高，发送控制命令给降温设备要求开启降温；若当前温度检测值为5℃时，单片机根据内部阀值判定该温度偏低，则发送控制命令给升温设备要求开启升温，而在此过程中，根本不会再考虑其他因素，比如空气湿度、土壤湿度、当前PM值等。若在当前植物土壤湿度和空气湿度偏低的情况下，仍开启升温设备，加速植物的呼吸作用，造成植物内部水分散失更快，则会造成植物萎靡不振，更甚者会死亡。

与图3所示传统农业科技设备实现过程相对应的，图4为本发明所述系统的实现过程图，本发明所述系统包括中央控制单元(该图用植物生长智能控制终端NZ102代替)、升温设备、降温设备、外遮阳、内遮阳、补光灯和补二氧化碳设备。

具体地，当传感器检测到外部环境温度为38℃时，该温度远大于植物生长的环境温度，这时，单通过这一项数据并不能马上开启降温设备，还需要通过传感器采集植物的空气湿度、土壤湿度、光照度、二氧化碳浓度以及风力风向、PM值等，这些数据经过植物生长智能控制终端梯度化处理后，将转变出来的梯度区间与植物生长条件矩阵表比对判断，若判断成功，则通过植物生长智能控制终端发送控制命令给降温设备，要求开启降温，若判断不成功，则继续采集当前环境数据，再次进行判断。

因此，植物生长智能管理所需要的环境量，并不是单一的环境数值，而是根据植物生长专家以及农业专家多年研究得出来的经验，以恢复植物生长最佳自然环境为目标，以智能化、多元化方式改变植物生长环境量，但削弱了改变环境量时对植物带来的直接影响，从而在各种环境量下，对植物精准化、精细化管理控制。

Claims (10)

1.基于数字梯度化技术的植物生长智能管理方法，该方法主要针对于农业生产应用，其特征在于：它包括：

S1：传感器采集不同点位的环境数据信息；

S2：植物生长智能控制终端接收传感器发送的环境数据信息，并根据环境数据信息的解析结果进行数字梯度化处理；

S3：所述植物生长智能控制终端将数字梯度化处理结果与植物生长条件矩阵表比对判断，根据判断结果选择待控制的机电设备，并通过对应的信息隧道向待控制机电设备发送控制命令；

S4：待控制机电设备根据控制命令执行相应操作；

S5：重复S1～S4的步骤，持续采集植物生长环境数据信息，用以监控植物生长环境信息和再次调控机电设备做准备。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述环境数据信息包括环境因子信息、功能标识和状态标识，所述环境因子信息包含植物生长的环境参数信息，梯度化处理后用于与植物生长条件矩阵表比对判断，功能标识用于识别设备的节点和名称，状态标识用于识别设备的连接状态、开闭状态和故障状态。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述植物生长智能控制终端接收传感器发送的环境数据信息，并根据环境数据信息的解析结果进行数字梯度化处理，具体包括：

S21：将所述环境因子信息由非电量转换为电量，通过A/D转换后，转化成多元变量的线性方程；

S22：将多元变量的线性方程实行区域分割，得出梯度区间范围，用于机电设备的定量控制管理。

4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于：所述植物生长条件矩阵表是由农业、生物专家多年经验得出的植物生长规律和植物生长环境参数经验数据库，植物生长条件矩阵表在与所述环境数据信息比对判断时，是以矩阵表的形式出现。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的方法，其特征在于：所述植物生长条件矩阵表在植物种类不同、植物生长周期不同时，由人工上传或下载进行更替。

6.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于：所述的定量控制管理，具体包括：对机电设备的执行属性、机电设备的执行状态和机电设备的执行时间进行精准控制。

7.基于数字梯度化技术的植物生长智能管理系统，其特征在于：它包括中央控制单元、数据采集单元、环境调控单元和监控单元，所述中央控制单元包括植物生长智能控制终端和PC机，所述数据采集单元包括采集植物外部的温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度、pH值、风力风向的传感器；所述环境调控单元包括改善植物生长的外部环境条件的机电设备；监控单元包括静态图像采集或视频图像采集的图像采集设备；所述植物生长智能控制终端通过总线分配器1、总线分配器2分别与数据采集单元、环境调控单元相连，植物生长智能控制终端还通过RS232数据接口与PC机相连，所述监控单元与PC机相连；

中央控制单元：用于对数据采集单元传递过来的环境数据信息进行梯度化处理，并与植物生长条件矩阵表比对判断，产生针对机电设备应用部署的控制命令；

数据采集单元：用于对植物生长的环境数据进行采集，并向所述中央控制单元实时反馈采集结果；

环境调控单元：用于执行植物生长智能控制终端发送的控制命令，以改变植物生长的外部生长环境条件；

监控单元：用于实时监控植物外部生长环境，采集静态或动态图像，以供实时或历时查证。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述中央控制单元还包括手持终端，所述手持终端通过无线路由、网络、WIFI模块与植物生长智能控制终端相连。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述环境调控单元还包括终端控制器，终端控制器的一端通过总线分配器1与植物生长智能控制终端相连，另一端与机电设备相连。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述手持终端、PC机可通过植物生长智能控制终端，发送针对环境调控单元的控制命令。