CN107942955A - 一种基于物联网云平台的农业管控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于物联网云平台的农业管控系统，涉及物联网与农业交叉领域，包括移动客户端、物联网平台和本地控制端，移动客户端通过Internet或移动网络连接物联网平台完成本地网络的远程控制和管理，物联网平台通过Internet连接本地控制端完成本地数据采集、运算和优化。本发明能够实时监测植物生长的环境信息，完成海量数据的安全数据存储、计算和分析，运用云平台的计算能力和优化算法，快速生成植物生长的最优数据，依次驱动执行系统进行农业管理；同时运用图形识别技术对植物从种植到收获的采集图片进行分析，判断生产情况以及及时监控病情，实现环境及时调节，减少损失、提高产量，促进农业生产的工业化和智能化。
Description
技术领域
本发明属于农业物联网技术领域，尤其涉及一种基于物联网云平台的农业管控系统。
背景技术
随着移动互联网、云计算、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，农业环境的监测和控制技术也在不断进步，但是针对物联网环境下的农业管理、监测和控制，国内仍然没有相对完善和成熟技术方案，传统的农业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，本地控制器之间均独立工作，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
有鉴于此，本发明能够实时监测植物生长的环境信息，完成海量数据的安全数据存储、计算和分析，运用云平台的计算能力和优化算法，快速生成植物生长的最优数据，依次驱动执行系统进行农业管理；同时运用图形识别技术对植物从种植到收获的采集图片进行分析，判断生产情况以及及时监控病情，实现环境及时调节，减少损失、提高产量，促进农业生产的工业化和智能化。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种基于物联网云平台的农业管控系统，其特征在于，包括移动客户端、物联网平台和本地控制端，所述移动客户端通过Internet或移动网络连接物联网平台完成本地网络的远程控制和管理，所述物联网平台通过Internet连接本地控制端完成本地数据采集、运算和优化，其中：
所述本地控制端包括网关以及1个或多个智能控制器、蓄电池模块、身份认证模块、环境检测模块、农业执行模块和图像采集模块，所述网关通过无线网络连接1个或多个智能控制器，所述智能控制器分别连接蓄电池模块、身份认证模块、环境检测模块、农业执行模块和图像采集模块；
所述移动客户端包括数据显示模块、数据分析模块、数据共享模块、手动控制模块、智能控制模块、设备管理模块和社区信息模块；所述数据显示模块用于展示本地控制端中环境检测模块的实时数据，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；所述手动控制模块可以实现农业执行系统的实时控制；所述数据共享模块用于在物联网云平台备份、同步手动控制的数据信息；所述智能控制通过选择种植种类和种植周期，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。
所述物联网平台包括用户管理模块、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、数据存数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；所述农业专家数据库模块存储了叶类、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，实现农业的智能控制；所述数据存储分析和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；
所述环境监测模块包括光照传感模块、温度传感模块、湿度传感模块、营养液传感模块、二氧化碳传感模块和空气质量传感模块，环境监测模块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均匀分布的光强传感器组成，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；所述空气质量传感器由PM2.5传感器组成，用于实时检测内部的空气质量；所述安全报警传感模块由门、窗传感器组成，记录门窗状态；
所述农业执行模块包括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；
所述农业执行模块包括正方形光斑LED灯，所述正方形光斑LED灯由LED控制模块驱动，正方形光斑LED灯包括网格胶框、导热基板、LED芯片、透镜和保护镜组成；所述网格胶框下部通过封装胶与所述导热基板相连；所述导热基板依据网格胶框的网格个数和位置，在每个正方形网格的中心位置设有相应LED灯正、负极金属焊点；所述LED芯片对应焊接在导热基板的金属焊点上；所述透镜由网格胶框支撑和固定，所述透镜的下部与LED芯片耦接，该透镜的上部与保护镜耦接；所述保护镜的下边缘通过封装胶与网格胶框相连，所述透镜由单块固体材料形成，包括入射面、出射面和4个侧面组成，所述透镜的数目与正方形LED单元数目一致，所述入射面为正方形，该正方形长为0.85mm，所述出射面是边长为7.02mm的正方形，所述出射面与入射面的四边平行且距离3.8mm，所述出射面与入射面的中心点连线垂直于出射面和入射面，所述侧面为特定的曲面结构，由入射面进入透镜的光线经该曲面结构的折射，将变为正方形光束从出射面投出，该光束的半光强角为42°并且在工作面上形成正方形光斑；
所述身份认证模块基于指静脉身份认证技术包括检测槽以及认证电路，所述检测槽的两侧设置有红外二极管阵列，检测槽的底部设置有斜台，斜台的上侧设置有与所述斜台平行的倾斜滤光片，所述滤光片与斜台之间形成的空腔内设置有COMS摄像头，所述检测槽与倾斜滤光片相邻的内侧设置有指尖腔，所述指尖腔内部设置有手指开关；所述认证电路包括ARM控制器以及与所述ARM控制器分别连接的数据接口、存储电路和电源电路，所述红外二极管阵列、COMS摄像头和手指开关分别连接所述控制器，所述ARM控制器将检测信息反馈给智能控制器；
所述图像采集模块每24小时采集一次植物生长图片，并传输到物联网云平台为用户提供生长过程的图片历史记录，物联网云平台运用图形识别技术对植物从种植到收获的采集图片进行分析并判断生产情况，所述图像采集模块包括CCD传感器、A/D转换电路、FPGA控制电路、SDRAM储存电路、AD9849视频编码电路以及电源电路；所述CCD传感器与A/D转换电路和FPGA控制电路相连，在FPGA控制电路提供的时序驱动下，完成图像的采集以及模拟视频信号的输出；所述A/D转换电路与FPGA控制电路相连，A/D转换电路对输入的模拟视频信号进行放大、抑制干扰、去噪声以及数模转换，输出带外行场同步的数字视频信号给FPGA控制电路；所述ADV视频编码模块与FPGA控制电路相连，ADV视频编码模块接收FPGA控制电路输出的数字视频信号并传送至智能控制器；所述SDRAM储存电路与FPGA控制电路相连，用于视频数据的缓存；所述电源模块为系统各模块工作提供稳定电压。
进一步的，所述正方形光斑LED灯的导热基板底部对称设置有连接螺孔，使用螺丝或螺栓与所述连接螺孔配合可以将正方形光斑LED灯安装固定在金属植物水培箱的底部，所述金属水培箱的底部设置有导热凹槽，所述正方形光斑LED灯的导热基板通过导热硅胶连接所述导热凹槽，实现正方形光斑LED灯的水循环降温。
进一步的，所述正方形光斑LED灯安装在金属植物水培箱的底部，所述金属水培箱的底部设置有导热凹槽，所述正方形光斑LED灯的导热基板通过导热硅胶安装在所述导热凹槽的内部，所述导热凹槽的外沿两侧设置有用于固定正方形光斑LED灯的灯板安装开关，所述灯板安装开关包括L型固定棒、底座和扭簧，所述底座设置在金属植物水培箱的底部靠近导热凹槽外沿的地方，所述L型固定棒由扭簧安装在底座内部，所述L型固定棒的一端在扭簧的作用下向内旋转将正方形光斑LED灯的金属基板紧紧压在导热凹槽内，所述L型固定棒的另一端可以由用户旋转实现方形光斑LED灯的拆卸和安装。
进一步的，所述正方形光斑LED灯包括16个灯珠由红、蓝、白光三种光源灯珠组成，通过LED控制模块驱动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：白光=7：7：2、花卉型照明采用的光质比为红光：蓝光：白光=12:2:2、蔬菜型采用的光质比为红光：蓝光：白光=10:3:3、种子型照明采用的光质比为红光：蓝光：白光=6：8：4；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。
进一步的，所述物联网云平台的农业专家智能库包含叶类蔬菜、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阀值以及灭菌消毒模块的工作周期。
进一步的，所述智能控制器包括组件管理、状态检测、异常上报、控制转发、多机同步以及代理控制模块，智能控制器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；智能控制器接收远程或者本地通信指令实现农业系统的监控，智能控制器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，智能控制器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，智能控制器启动代理控制模块自动切断电源、关闭相应执行模块。
进一步的，所述智能控制器周期性的通过广播口令发现新增的传感器或执行器组件，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，智能控制器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；智能控制器与物联网云平台进行通信连接，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。
进一步的，所述环境监测模块中的光照传感模块、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。
进一步的，所述环境监测模块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。
进一步的，所述物联网云服务平台采用集群NAS系列产品以及EB级扩展、高性价比的海量存储系统，所述物联网云服务平台采用模块化设计的B/S和C/S混合架构，对接收的数据进行加密存储。
本发明的一种基于物联网云平台的农业管控系统具有以下有益效果：
本发明公开了一种基于物联网云平台的农业管控系统，涉及物联网与农业交叉领域，包括移动客户端、物联网平台和本地控制端，移动客户端通过Internet或移动网络连接物联网平台完成本地网络的远程控制和管理，物联网平台通过Internet连接本地控制端完成本地数据采集、运算和优化。本发明能够实时监测植物生长的环境信息，完成海量数据的安全数据存储、计算和分析，运用云平台的计算能力和优化算法，快速生成植物生长的最优数据，依次驱动执行系统进行农业管理；同时运用图形识别技术对植物从种植到收获的采集图片进行分析，判断生产情况以及及时监控病情，实现环境及时调节，减少损失、提高产量，促进农业生产的工业化和智能化。
需要说明的是，本发明采用了基于指静脉身份认证技术的身份认证模块，上述身份认证模块可以直接安装在安全门、风淋室、或农场的进出口，用于确定农场主的身份，可以有效的杜绝闲杂人员进入农场将外界病菌带入，引起植物病变，身份认证模块可以与移动客户端同步信息，可以第一时间了解进入农业区域的人员信息。同时，本发明的提出了正方形光斑LED灯的设计理念，可以极大的降低农场补光照明所需要的功率、充分利用LED灯的光能量，同时采用LED灯水冷降温的理念，在水培箱的底部设置有导热凹槽，正方形光斑LED灯的导热基板通过导热硅胶连接所述导热凹槽，实现正方形光斑LED灯的水循环降温，进一步解决了补光灯降温的难的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的移动客户端结构示意图；
图3是本发明的物联网平台结构示意图；
图4是本发明的农业执行模块结构示意图；
图5是本发明的环境检测模块结构示意图；
图6是传统LED的圆形配光示意图；
图7是本发明的正方形光斑LED灯正方形配光示意图；
图8是本发明的正方形光斑LED灯的16灯珠布局结构示意图；
图9是本发明的正方形光斑LED灯的透镜结构示意图；
图10a、10b是本发明的金属水培箱底部导热凹槽结的构示意图；
图11是本发明的身份认证模块结构示意图；
图12是本发明的图像采集模块结构示意图；
图13是本发明的移动客户端启动工作流程示意图；
图14是本发明的智能控制器启动工作流程示意图。
图中各数字标号的名称分别是：1-检测槽，2-认证电路，3-红外二极管阵列，4-斜台，5-COMS摄像头，6-手指开关，7-金属水培箱,8-正方形光斑LED灯,9-导热凹槽,10-多孔定植板、11-植物生长架、12-导热硅胶、13-灯板安装开关、131-L型固定棒、132-底座、133-扭簧。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
以下将结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种基于物联网云平台的农业管控系统，包括移动客户端、物联网平台和本地控制端，所述移动客户端通过Internet或移动网络连接物联网平台完成本地网络的远程控制和管理，所述物联网平台通过Internet连接本地控制端完成本地数据采集、运算和优化。
其中，所述本地控制端包括网关以及1个或多个智能控制器、蓄电池模块、身份认证模块、环境检测模块、农业执行模块和图像采集模块，所述网关通过无线网络连接1个或多个智能控制器，所述智能控制器分别连接蓄电池模块、身份认证模块、环境检测模块、农业执行模块和图像采集模块。
需要说明的是，本地控制端可以有多个，针对不同的设施农业、植物工厂、农业大棚可以设置多个本地控制端，1个或多个本地控制端均可以接入物联网平台进行综合管理，增加了其可扩展性。
如图2所示，所述移动客户端包括数据显示模块、数据分析模块、数据共享模块、手动控制模块、智能控制模块、设备管理模块和社区信息模块；所述数据显示模块用于展示本地控制端中环境检测模块的实时数据，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；所述手动控制模块可以实现农业执行系统的实时控制；所述数据共享模块用于在物联网云平台备份、同步手动控制的数据信息；所述智能控制通过选择种植种类和种植周期，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。
具体的，移动客户端包括笔记本、安卓手机、IOS手机和平板电脑，用户通过密码和账户登录移动客户端实时监管对应的农业设备和植物生长情况。
如图3所示，所述物联网平台包括用户管理模块、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、数据存数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；所述农业专家数据库模块存储了叶类、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，实现农业的智能控制；所述数据存储分析和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。
具体的，物联网平台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，数据存储分析和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。
如图4所示，所述农业执行模块包括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。
如图5所示，所述环境监测模块包括光照传感模块、温度传感模块、湿度传感模块、营养液传感模块、二氧化碳传感模块和空气质量传感模块，环境监测模块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均匀分布的光强传感器组成，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；所述空气质量传感器由PM2.5传感器组成，用于实时检测内部的空气质量；所述安全报警传感模块由门、窗传感器组成，记录门窗状态。
图6是传统LED的圆形配光示意图，为了保证确定的矩形光照面积，图中圆形配光存在重叠部分，同时光照边缘不规整，因此在这种光斑下生长的植物均匀性较差，同时单位面积的光照功率高。图7是正方形光斑LED灯8的配光示意图，图中正方形配光在没有光斑重叠的情况下，实现了充分的照明，为植物快速、健康的生长提供了保障。同时正方形混光极大的降低了光照功率，使每平米植物生长所需的照明功率控制在100w以内。
具体的，所述正方形光斑LED灯8由LED控制模块驱动，正方形光斑LED灯8包括网格胶框、导热基板、LED芯片、透镜和保护镜组成；所述网格胶框下部通过封装胶与所述导热基板相连；所述导热基板依据网格胶框的网格个数和位置，在每个正方形网格的中心位置设有相应LED灯正、负极金属焊点；所述LED芯片对应焊接在导热基板的金属焊点上；所述透镜由网格胶框支撑和固定，所述透镜的下部与LED芯片耦接，该透镜的上部与保护镜耦接；所述保护镜的下边缘通过封装胶与网格胶框相连，所述透镜由单块固体材料形成，包括入射面、出射面和4个侧面组成，所述透镜的数目与正方形LED单元数目一致，所述入射面为正方形，该正方形长为0.85mm，所述出射面是边长为7.02mm的正方形，所述出射面与入射面的四边平行且距离3.8mm，所述出射面与入射面的中心点连线垂直于出射面和入射面，所述侧面为特定的曲面结构，由入射面进入透镜的光线经该曲面结构的折射，将变为正方形光束从出射面投出，该光束的半光强角为42°并且在工作面上形成正方形光斑，透镜的具体结构如图8所示。
如图9所示为通用型照明的正方形光斑LED灯8，所述正方形光斑LED灯8包括16个灯珠由红、蓝、白光三种光源灯珠组成，通过LED控制模块驱动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：白光=7：7：2、花卉型照明采用的光质比为红光：蓝光：白光=12:2:2、蔬菜型采用的光质比为红光：蓝光：白光=10:3:3、种子型照明采用的光质比为红光：蓝光：白光=6：8：4；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。
如图10a所示，所述正方形光斑LED灯8的导热基板底部对称设置有连接螺孔，使用螺丝或螺栓与所述连接螺孔配合可以将正方形光斑LED灯8安装固定在金属植物水培箱的底部，所述金属水培箱7的底部设置有导热凹槽9，所述正方形光斑LED灯8的导热基板通过导热硅12胶连接所述导热凹槽9，实现正方形光斑LED灯8的水循环降温，图中金属水培箱7安装在植物生长架11上呈多层布置，实现了植物密植，同时，金属水培箱7上安装多孔植物多孔定植板10可以用于种植水培蔬菜。
为了进一步改良正方形光斑LED灯8的安装方式，方便正方形光斑LED灯8的更换，可以采用如图10b所示的安装方式，所述正方形光斑LED灯8安装在金属植物水培箱的底部，所述金属水培箱7的底部设置有导热凹槽9，所述正方形光斑LED灯8的导热基板通过导热硅12胶安装在所述导热凹槽9的内部，所述导热凹槽9的外沿两侧设置有用于固定正方形光斑LED灯8的灯板安装开关13，所述灯板安装开关13包括L型固定棒131、底座132和扭簧133，所述底座132设置在金属植物水培箱的底部靠近导热凹槽9外沿的地方，所述L型固定棒131由扭簧133安装在底座132内部，所述L型固定棒131的一端在扭簧133的作用下向内旋转将正方形光斑LED灯8的金属基板紧紧压在导热凹槽9内，所述L型固定棒131的另一端可以由用户旋转实现方形光斑LED灯的拆卸和安装。
如图11所示，所述身份认证模块基于指静脉身份认证技术包括检测槽1以及认证电路2，所述检测槽1的两侧设置有红外二极管阵列3，检测槽1的底部设置有斜台4，斜台4的上侧设置有与所述斜台4平行的倾斜滤光片，所述滤光片与斜台4之间形成的空腔内设置有COMS摄像头5，所述检测槽1与倾斜滤光片相邻的内侧设置有指尖腔，所述指尖腔内部设置有手指开关；所述认证电路2包括ARM控制器以及与所述ARM控制器分别连接的数据接口、存储电路和电源电路，所述红外二极管阵列3、COMS摄像头5和手指开关分别连接所述控制器，所述ARM控制器将检测信息反馈给智能控制器；
图12为图像采集模块的结构示意图，图像采集模块每24小时采集一次植物生长图片，并传输到物联网云平台为用户提供生长过程的图片历史记录，物联网云平台运用图形识别技术对植物从种植到收获的采集图片进行分析并判断生产情况，所述图像采集模块包括CCD传感器、A/D转换电路、FPGA控制电路、SDRAM储存电路、AD9849视频编码电路以及电源电路；所述CCD传感器与A/D转换电路和FPGA控制电路相连，在FPGA控制电路提供的时序驱动下，完成图像的采集以及模拟视频信号的输出；所述A/D转换电路与FPGA控制电路相连，A/D转换电路对输入的模拟视频信号进行放大、抑制干扰、去噪声以及数模转换，输出带外行场同步的数字视频信号给FPGA控制电路；所述ADV视频编码模块与FPGA控制电路相连，ADV视频编码模块接收FPGA控制电路输出的数字视频信号并传送至智能控制器；所述SDRAM储存电路与FPGA控制电路相连，用于视频数据的缓存；所述电源模块为系统各模块工作提供稳定电压。
具体的，上述FPGA内部包括接收端、滤波单元、插值单元、直方图均衡化单元和输出端；接收端接收由A/D转换模块输出的数字视频信号；视频信号经过滤波单元、插值单元和直方图均衡化单元，实现有效视频信号提取；输出端与视频编码单元相连，将处理过的视频数据编码成标准的ITU-R BT656视频流输出。在FPGA内部实现四个功能模块：CCD的时序驱动模块、AD和DA的控制模块、SDRAM的控制模块以及图像处理模块；CCD时序驱动模块通过FPGA内置的锁相环，将输入时钟进行分频作为系统主时钟，控制逻辑单元产生CCD所需要的时序逻辑；AD、DA控制模块利用串行通信，配置模拟前端AD8949、编码芯片ADV7179（DA）的模式寄存器，控制AD、DA的工作方式；SDRAM控制模块负责SDRAM的上电初始化，定期对SDRAM进行自动刷新，将FPGA内部简单的读写信号转换成SDRAM输入端的复杂控制信号；图像处理模块分析、优化图像处理算法，并植入FPGA，实现实时的图像处理。
需要说明的是，所述物联网云平台的农业专家智能库包含叶类蔬菜、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阀值以及灭菌消毒模块的工作周期。
本发明提出的物联网云服务平台采用集群NAS系列产品以及EB级扩展、高性价比的海量存储系统，所述物联网云服务平台采用模块化设计的B/S和C/S混合架构，对接收的数据进行加密存储。
如图13所示是移动客户端的程序流程图，用户使用控制端软件完成智能系统的所有交互控制。系统启动后，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，发现智能控制器和设备组件。用户控制界面生成之前会先和智能控制器进行配置文件同步，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。软件的远程控制通道辅助实现软件和智能控制器的远程通信，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。
如图14所示，智能控制器使用定制的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。
其中，智能控制器包括组件管理、状态检测、异常上报、控制转发、多机同步以及代理控制模块，智能控制器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；智能控制器接收远程或者本地通信指令实现农业系统的监控，智能控制器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，智能控制器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，智能控制器启动代理控制模块自动切断电源、关闭相应执行模块。
具体的，智能控制器周期性的通过广播口令发现新增的传感器或执行器组件，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，智能控制器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；智能控制器与物联网云平台进行通信连接，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。
需要说明的，所述环境监测模块中的光照传感模块、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。
需要说明的是，所述环境监测模块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。
本发明的一种基于物联网云平台的农业管控系统具有以下有益效果：
本发明公开了一种基于物联网云平台的农业管控系统，涉及物联网与农业交叉领域，包括移动客户端、物联网平台和本地控制端，移动客户端通过Internet或移动网络连接物联网平台完成本地网络的远程控制和管理，物联网平台通过Internet连接本地控制端完成本地数据采集、运算和优化。本发明能够实时监测植物生长的环境信息，完成海量数据的安全数据存储、计算和分析，运用云平台的计算能力和优化算法，快速生成植物生长的最优数据，依次驱动执行系统进行农业管理；同时运用图形识别技术对植物从种植到收获的采集图片进行分析，判断生产情况以及及时监控病情，实现环境及时调节，减少损失、提高产量，促进农业生产的工业化和智能化。
需要说明的是，本发明采用了基于指静脉身份认证技术的身份认证模块，上述身份认证模块可以直接安装在安全门、风淋室、或农场的进出口，用于确定农场主的身份，可以有效的杜绝闲杂人员进入农场将外界病菌带入，引起植物病变。同时，本发明的提出了正方形光斑LED灯8的设计理念，可以极大的降低农场补光照明所需要的功率、充分利用LED灯的光能量，同时采用LED灯水冷降温的理念，在水培箱的底部设置有导热凹槽9，正方形光斑LED灯8的导热基板通过导热硅12胶连接所述导热凹槽9，实现正方形光斑LED灯8的水循环降温，进一步解决了补光灯降温的难的问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于物联网云平台的农业管控系统，其特征在于，包括移动客户端、物联网平台和本地控制端，所述移动客户端通过Internet或移动网络连接物联网平台完成本地网络的远程控制和管理，所述物联网平台通过Internet连接本地控制端完成本地数据采集、运算和优化，其中：
所述本地控制端包括网关以及1个或多个智能控制器、蓄电池模块、身份认证模块、环境检测模块、农业执行模块和图像采集模块，所述网关通过无线网络连接1个或多个智能控制器，所述智能控制器分别连接蓄电池模块、身份认证模块、环境检测模块、农业执行模块和图像采集模块；
所述移动客户端包括数据显示模块、数据分析模块、数据共享模块、手动控制模块、智能控制模块、设备管理模块和社区信息模块；所述数据显示模块用于展示本地控制端中环境检测模块的实时数据，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；所述手动控制模块可以实现农业执行系统的实时控制；所述数据共享模块用于在物联网云平台备份、同步手动控制的数据信息；所述智能控制通过选择种植种类和种植周期，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；
所述物联网平台包括用户管理模块、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、数据存数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；所述农业专家数据库模块存储了叶类、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，实现农业的智能控制；所述数据存储分析和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；
所述环境监测模块包括光照传感模块、温度传感模块、湿度传感模块、营养液传感模块、二氧化碳传感模块和空气质量传感模块，环境监测模块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均匀分布的光强传感器组成，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；所述空气质量传感器由PM2.5传感器组成，用于实时检测内部的空气质量；所述安全报警传感模块由门、窗传感器组成，记录门窗状态；
所述农业执行模块包括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；
所述农业执行模块包括正方形光斑LED灯，所述正方形光斑LED灯由LED控制模块驱动，正方形光斑LED灯包括网格胶框、导热基板、LED芯片、透镜和保护镜组成；所述网格胶框下部通过封装胶与所述导热基板相连；所述导热基板依据网格胶框的网格个数和位置，在每个正方形网格的中心位置设有相应LED灯正、负极金属焊点；所述LED芯片对应焊接在导热基板的金属焊点上；所述透镜由网格胶框支撑和固定，所述透镜的下部与LED芯片耦接，该透镜的上部与保护镜耦接；所述保护镜的下边缘通过封装胶与网格胶框相连，所述透镜由单块固体材料形成，包括入射面、出射面和4个侧面组成，所述透镜的数目与正方形LED单元数目一致，所述入射面为正方形，该正方形长为0.85mm，所述出射面是边长为7.02mm的正方形，所述出射面与入射面的四边平行且距离3.8mm，所述出射面与入射面的中心点连线垂直于出射面和入射面，所述侧面为特定的曲面结构，由入射面进入透镜的光线经该曲面结构的折射，将变为正方形光束从出射面投出，该光束的半光强角为42°并且在工作面上形成正方形光斑；
所述身份认证模块基于指静脉身份认证技术包括检测槽以及认证电路，所述检测槽的两侧设置有红外二极管阵列，检测槽的底部设置有斜台，斜台的上侧设置有与所述斜台平行的倾斜滤光片，所述滤光片与斜台之间形成的空腔内设置有COMS摄像头，所述检测槽与倾斜滤光片相邻的内侧设置有指尖腔，所述指尖腔内部设置有手指开关；所述认证电路包括ARM控制器以及与所述ARM控制器分别连接的数据接口、存储电路和电源电路，所述红外二极管阵列、COMS摄像头和手指开关分别连接所述控制器，所述ARM控制器将检测信息反馈给智能控制器；
所述图像采集模块每24小时采集一次植物生长图片，并传输到物联网云平台为用户提供生长过程的图片历史记录，物联网云平台运用图形识别技术对植物从种植到收获的采集图片进行分析并判断生产情况，所述图像采集模块包括CCD传感器、A/D转换电路、FPGA控制电路、SDRAM储存电路、AD9849视频编码电路以及电源电路；所述CCD传感器与A/D转换电路和FPGA控制电路相连，在FPGA控制电路提供的时序驱动下，完成图像的采集以及模拟视频信号的输出；所述A/D转换电路与FPGA控制电路相连，A/D转换电路对输入的模拟视频信号进行放大、抑制干扰、去噪声以及数模转换，输出带外行场同步的数字视频信号给FPGA控制电路；所述ADV视频编码模块与FPGA控制电路相连，ADV视频编码模块接收FPGA控制电路输出的数字视频信号并传送至智能控制器；所述SDRAM储存电路与FPGA控制电路相连，用于视频数据的缓存；所述电源模块为系统各模块工作提供稳定电压。
2.如权利要求1所述基于物联网云平台的农业管控系统，其特征在于，所述正方形光斑LED灯的导热基板底部对称设置有连接螺孔，使用螺丝或螺栓与所述连接螺孔配合可以将正方形光斑LED灯安装固定在金属植物水培箱的底部，所述金属水培箱的底部设置有导热凹槽，所述正方形光斑LED灯的导热基板通过导热硅胶连接所述导热凹槽，实现正方形光斑LED灯的水循环降温。
3.如权利要求1所述基于物联网云平台的农业管控系统，其特征在于，所述正方形光斑LED灯安装在金属植物水培箱的底部，所述金属水培箱的底部设置有导热凹槽，所述正方形光斑LED灯的导热基板通过导热硅胶安装在所述导热凹槽的内部，所述导热凹槽的外沿两侧设置有用于固定正方形光斑LED灯的灯板安装开关，所述灯板安装开关包括L型固定棒、底座和扭簧，所述底座设置在金属植物水培箱的底部靠近导热凹槽外沿的地方，所述L型固定棒由扭簧安装在底座内部，所述L型固定棒的一端在扭簧的作用下向内旋转将正方形光斑LED灯的金属基板紧紧压在导热凹槽内，所述L型固定棒的另一端可以由用户旋转实现方形光斑LED灯的拆卸和安装。
4.如权利要求2或3所述基于物联网云平台的农业管控系统，其特征在于，所述正方形光斑LED灯包括16个灯珠由红、蓝、白光三种光源灯珠组成，通过LED控制模块驱动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：白光=7：7：2、花卉型照明采用的光质比为红光：蓝光：白光=12:2:2、蔬菜型采用的光质比为红光：蓝光：白光=10:3:3、种子型照明采用的光质比为红光：蓝光：白光=6：8：4；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。
5.如权利要求4所述基于物联网云平台的农业管控系统，其特征在于，所述物联网云平台的农业专家智能库包含叶类蔬菜、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阀值以及灭菌消毒模块的工作周期。
6.如权利要求5所述基于物联网云平台的农业管控系统，其特征在于，所述智能控制器包括组件管理、状态检测、异常上报、控制转发、多机同步以及代理控制模块，智能控制器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；智能控制器接收远程或者本地通信指令实现农业系统的监控，智能控制器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，智能控制器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，智能控制器启动代理控制模块自动切断电源、关闭相应执行模块。
7.如权利要求6所述基于物联网云平台的农业管控系统，其特征在于，所述智能控制器周期性的通过广播口令发现新增的传感器或执行器组件，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，智能控制器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；智能控制器与物联网云平台进行通信连接，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。
8.如权利要求7所述基于物联网云平台的农业管控系统，其特征在于，所述环境监测模块中的光照传感模块、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。
9.如权利要求8所述基于物联网云平台的农业管控系统，其特征在于，所述环境监测模块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。
10.如权利要求9所述基于物联网云平台的农业管控系统，其特征在于，所述物联网云服务平台采用集群NAS系列产品以及EB级扩展、高性价比的海量存储系统，所述物联网云服务平台采用模块化设计的B/S和C/S混合架构，对接收的数据进行加密存储。
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