CN107960316A - 一种基于物联网的地下植物工厂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于物联网的地下植物工厂，涉及物联网与农业交叉领域，包括地下种植室、本地监控系统、种植桩、营养液循环系统、LED灯板和空气循环系统以及远程监控系统等，本发明可以充分利用地下闲置空间进行农业生产，使用LED灯板进行照明，由于地下温度适宜，冬暖夏凉适合种植多种蔬菜，可以广泛应用于地下室、地下停车场、人防工程等闲置区域，该植物工程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，运用物联网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，合理驱动空气循环模块、水循环模块和照明等模块高效工作。
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的地下植物工厂。
背景技术
目前，全国范围内的社区地下停车场、地下室或人防工程均存在空间闲置的问题，针对大量的地下闲置空间，如何充分利用具有重要意义。同时，随着城市化发展大量农用土地被征用，如何有效解决城市菜篮子的问题也是近年来的研究热点。由于地下环境具有天然的隔热、保温优势，冬暖夏凉的恒温效果对于植物生长具有多种益处，如果能解决光照、空气循环、水循环等问题，针对地下闲置空间发展农业具有广阔的应用价值，国内外针对地下植物工厂的研究还非常少，没有相对完善和成熟技术方案。
发明内容
有鉴于此，本发明公开了一种基于物联网的地下植物工厂，涉及物联网与农业交叉领域，包括地下种植室、本地监控系统、种植桩、营养液循环系统、LED灯板和空气循环系统以及远程监控系统等，可以充分利用地下闲置空间进行农业生产。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种基于物联网的地下植物工厂，其特征在于，包括地下种植室、以及位于地下种植室内部的本地监控系统、种植桩、营养液循环系统、LED灯板和空气循环系统，其中：
所述本地监控系统包括控制器以及与所述控制器分别连接的水循环模块、空气循环模块和照明模块，所述控制器通过网关可以连接远程监控系统；
所述种植桩呈空心圆台结构，种植桩的顶部设置有进水口，种植桩的侧面均匀设置有多个种植孔，种植桩的底部设置有多孔隔板，所述多孔隔板将种植桩的内部分割成上、下两个空间，上部空间均匀填充有块状吸水棉和块状生化棉，下部空间形成储液室，储液室的底部设置有出水口，种植桩的内部还包括多根自动吸收水分的导液绳，所述导液绳一端盘设在块状吸水棉、块状生化棉之间，导液绳另一端盘设在储液室底部；
所述营养液循环系统包括回流支路、回流主路、回液池、过滤池、送水管、送水泵、水塔和出水主管，所述回流支路的一端连通种植桩底部的出水口，所述回流支路的另一端连通回流主路，回流主路安装在回流支路和回液池之间，所述回流主路上安装有回流控制阀，所述回液池安装在地下种植室的底部且通过管路连通过滤池，所述水塔设置在地下种植室的顶部且通过送水管连通过滤池，所述过滤池内安装有不锈钢过滤网，过滤池由不锈钢过滤网划分为左、右两个空间，滤池靠近回液池的一侧空间安装有排污口，所述送水泵设置在送水管上用于将营养液从过滤池输送到水塔中，所述水循环模块包括水泵继电器，所述送水泵的停止或工作由控制器控制，所述出水主管的一端通过出水控制阀连通水塔，所述出水主管的另一端通过出水软管连通种植桩的内部，所述出水软管上均匀设置有多个渗透孔；
所述LED灯板包括网格胶框、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0.8mm，所述出射面是边长为6.8mm的正方形，所述出射面与入射面的四边平行且距离3.3mm，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变为正方形光束从出射面投出，该光束的半光强角为40°并且在工作面上形成正方形光斑，所述照明模块包括照明继电器和照明驱动电路，所述LED灯板的明、暗由控制器控制；
所述空气循环系统位于地下种植室侧壁且包括空气循环机、进风口、出风管道和出风口，所述空气循环机的进风口设置在地下种植室底部，所述空气循环机的出风管道安装在地下种植室的顶部，所述出风管道的末端设置有出风口，所述空气循环模块包括空气循环继电器，所述空气循环系统的停止或工作由控制器控制。
进一步的，还包括环境监测模块，所述环境监测模块包括光照传感器、温度传感器、湿度传感器、营养液传感器、二氧化碳传感器和空气质量传感器，所述控制器通过串口电路分别连接光照传感器、温度传感器、湿度传感器、营养液传感器、二氧化碳传感器和空气质量传感器；所述光照传感器用于测量植物生长的真实光照强度；所述营养液传感器安装在回液池且由液位传感器、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。
进一步的，还包括太阳能电池板、能源变流模块、储能模块、市电断路器、交流输出模块和直流输出模块，所述太阳能电池板设置在室外并与能源变流模块的输入口电连接，所述能源变流模块的输出口分别连接控制器和储能模块，所述能源变流模块用于调变输出电源的电流、电压和频率，所述市电断路器由控制器驱动可以切断和接通市电，所述交流输出模块和直流输出模块的控制端分别连接所述控制器，所述交流输出模块与所述水循环系统及空气循环系统电连接，所述直流输出模块与所LED灯板电连接。
进一步的，还包括远程监控系统，所述远程监控系统与本地监控系统之间通过网络连接，所述远程监控系统包括移动客户端和物联网平台，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；
进一步的，所述物联网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、营养液循环时间、空气循环周期。
进一步的，所述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，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；控制器接收远程或者本地通信指令实现农业系统的监控，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，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，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，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；控制器与物联网平台进行通信连接，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器、温度传感器、湿度传感器、营养液传感器和二氧化碳传感器均采用了消抖算法：消抖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，此次采样值有较大偏差，S1无效，S0继续保持。
进一步的，所述环境监测模块中的空气质量传感器采用滤波算法：在处理采集到的颗粒物数据时，所诉滤波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。
进一步的，所述物联网平台采用集群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的地下植物工厂具有以下有益效果：
本发明公开了一种基于物联网的地下植物工厂使用LED灯板进行照明，由于地下温度适宜，冬暖夏凉适合种植多种蔬菜，可以广泛应用于地下室、地下停车场、人防工程等闲置区域，该植物工程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，运用物联网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，合理驱动空气循环模块、水循环模块和照明等模块高效工作。
本发明提出的植物种植桩可以有效利用水资源，采用滴灌渗透的种植原理为植物的生长提供营养和水分；模块化设计的种植桩可以根据地下空间灵活布置、最大化的利用地下空间，具体布置时只需要在进水口连通出水软管、在出水口处连通回流支路；由于种植孔设置在种植桩的倾斜面上，因此只需要在地下种植室的顶部安装一层LED灯板即可，不需要采用传统的多层种植架的方案；种植桩的内部设置有多孔隔板和导液绳可以在营养液循环系统停止工作的情况下，利用虹吸原理为植物根部自动补水；根据实际情况还可以在块状生化棉上布置硝化细菌，硝化细菌会与渗透至块状吸水棉和块状生化棉上含有氨的水份进行分解反应，使其中的氨分解成亚氨，此亚氨可给菜苗的芽提供养份，使菜苗的生长无需另外添加所需的亚氨肥料；采用块状吸水棉和块状生化棉自主吸水的方案可以有效避免根部长期至于水中缺氧、腐烂的情况。
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是本发明系统模块连接示意图；
图2是本发明结构示意图；
图3是本发明种植桩结构示意图；
图4是本发明LED灯板结构示意图；
图5是本发明LED灯板正方形配光示意图；
图6是本发明LED灯的透镜结构示意图；
图7是本发明移动客户端结构示意图；
图8是本发明物联网平台结构示意图；
图9是本发明移动客户端启动工作流程示意图；
图10是本发明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-本地监控系统、101-网关、102-控制器、103-环境监测模块、104-空气循环模块、105-水循环模块、106-照明模块、107-能源变流模块、108-储能模块、109-交流输出模块、110-直流输出模块、111-市电断路器；2-远程监控系统、201-移动客户端、202-物联网平台；3-太阳能电池板；4-地下室种植室、401-种植室地面；5-种植桩、500-出水口、501-种植孔、502-块状吸水棉、503-块状生化棉、504-多孔隔板、505-储液室、506-导液绳、507-进水口；6-回流支路；7-回流主路、701-回流控制阀；8-回液池；9-过滤池、901-过滤网、902-排污口；10-送水管、101-送水泵；11-出水主管、1100-出水软管、1101-出水控制阀；12-水塔；13-空气循环机、130-进风口、131-出风管道、132-出风口；14-LED灯。
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、2所示，一种基于物联网的地下植物工厂，包括地下种植室4、以及位于地下种植室4内部的本地监控系统1、种植桩5、营养液循环系统、LED灯板14和空气循环系统。具体的，所述本地监控系统1设置在地下种植室4的顶部，包括控制器102以及与所述控制器102分别连接的水循环模块105、空气循环模块104和照明模块106，所述控制器102通过网关101可以连接远程监控系统。本地控制系统的控制器102可以采用嵌入式ARM8系统进行控制。
如图3所示，种植桩5呈空心圆台结构，种植桩5的顶部设置有进水口507，种植桩5的侧面均匀设置有多个种植孔501，种植桩5的底部设置有多孔隔板504，所述多孔隔板504将种植桩5的内部分割成上、下两个空间，上部空间均匀填充有块状吸水棉502和块状生化棉503，下部空间形成储液室505，储液室505的底部设置有出水口500，种植桩5的内部还包括多根自动吸收水分的导液绳506，所述导液绳506一端盘设在块状吸水棉502、块状生化棉503之间，导液绳506另一端盘设在储液室505底部。
实际操作时，使用定植海绵夹住植物的根部，连通定植海绵和植物根部一同塞入种植孔501内，是植物的根须和块状吸水棉502、块状生化棉503充分接触即可。
具体的，植物种植桩5可以有效利用水资源，采用滴灌渗透的种植原理为植物的生长提供营养和水分；模块化设计的种植桩5可以根据地下空间灵活布置、最大化的利用地下空间，具体布置时只需要在进水口507连通出水软管、在出水口500处连通回流支路，布置的密度可以根据植物的生长情况决定；由于种植孔501设置在种植桩5的倾斜面上，因此只需要在地下种植室4的顶部安装一层LED灯板14即可，不需要采用传统的多层种植架、多层灯板的方案；种植桩5的内部设置有多孔隔板504和导液绳506可以在营养液循环系统停止工作的情况下，利用虹吸原理为植物根部自动补水；根据实际情况还可以在块状生化棉503上布置硝化细菌，硝化细菌会与渗透至块状吸水棉502和块状生化棉503上含有氨的水份进行分解反应，使其中的氨分解成亚氨，此亚氨可给菜苗的芽提供养份，使菜苗的生长无需另外添加所需的亚氨肥料。
如图2所示，营养液循环系统包括回流支路6、回流主路7、回液池8、过滤池9、送水管10、送水泵101、水塔12和出水主管11，所述回流支路6的一端连通种植桩5底部的出水口500，所述回流支路6的另一端连通回流主路7，回流主路7安装在回流支路6和回液池8之间，所述回流主路7上安装有回流控制阀，所述回液池8安装在地下种植室4的底部且通过管路连通过滤池9，所述水塔12设置在地下种植室4的顶部且通过送水管10连通过滤池9，所述过滤池9内安装有不锈钢过滤网901，过滤池9由不锈钢过滤网901划分为左、右两个空间，滤池靠近回液池8的一侧空间安装有排污口902，所述送水泵101设置在送水管10上用于将营养液从过滤池9输送到水塔12中，所述水循环模块105包括水泵继电器，所述送水泵101的停止或工作由控制器102控制，所述出水主管11的一端通过出水控制阀1101连通水塔12，所述出水主管11的另一端通过出水软管1100连通种植桩5的内部，所述出水软管1100上均匀设置有多个渗透孔。
需要说明的是，回流支路6和回流主路7可以通过多个三通连接阀进行连接，每两个回流支路6同时接入回流主路7，在回流主路7上开设多个接入口。
具体的，顶部水塔12的营养液由送水泵101从底部的过滤池9抽取，聚集在水塔12的营养液在重力的作用下依次通过出水主管11、出水控制阀1101、出水软管1100渗透进种植桩5内部的块状生化棉503和块状吸水棉502，块状生化棉503和块状吸水棉502在充分吸收营养液后多余的液体在重力的作用下向下汇聚至储液室505，依次再通过底部的出水口500、回流支路6、回流主路7和回流控制阀回流至回液池8，进入回液池8后再经过滤池9过滤去除水中的杂质、腐叶等，完成整个水路循环，积累在过滤池9的杂质通过排污口902排出。
如图2所示，所述空气循环系统位于地下种植室4侧壁且包括空气循环机13、进风口130、出风管道131和出风口132，所述空气循环机13的进风口130设置在地下种植室4底部，所述空气循环机13的出风管道131安装在地下种植室4的顶部，所述出风管道131的末端设置有出风口132，所述空气循环模块104包括空气循环继电器，所述空气循环系统的停止或工作由控制器102控制。
具体的，环境监测模块103包括光照传感器、温度传感器、湿度传感器、营养液传感器、二氧化碳传感器和空气质量传感器，所述控制器102通过串口电路分别连接光照传感器、温度传感器、湿度传感器、营养液传感器、二氧化碳传感器和空气质量传感器；所述光照传感器用于测量植物生长的真实光照强度；所述营养液传感器安装在回液池8且由液位传感器、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。
需要说明的是，本系统还包括太阳能电池板2、能源变流模块107、储能模块108、市电断路器11、交流输出模块109和直流输出模块110，所述太阳能电池板2设置在室外并与能源变流模块107的输入口电连接，所述能源变流模块107的输出口分别连接控制器102和储能模块108，所述能源变流模块107用于调变输出电源的电流、电压和频率，所述市电断路器11由控制器102驱动可以切断和接通市电，所述交流输出模块109和直流输出模块110的控制端分别连接所述控制器102，所述交流输出模块109与所述水循环系统及空气循环系统电连接，所述直流输出模块110与所LED灯板14电连接。储能模块108可以选用铅酸电池或锂离子电池，在使用储能模块108供电时，控制器102驱动市电断路器11切断市电，在不使用储能模块108供电时，控制器102驱动市电断路器11接通市电。具体的，太阳能电池板2的配置可以降低地下植物工厂的运营成本，使LED灯板14耗电量大的问题得到有效缓解。
如图4、5、6所示，所述LED灯板14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0.8mm，所述出射面是边长为6.8mm的正方形，所述出射面与入射面的四边平行且距离3.3mm，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变为正方形光束从出射面投出，该光束的半光强角为40°并且在工作面上形成正方形光斑，所述照明模块106包括照明继电器和照明驱动电路，所述LED灯板14的明、暗由控制器102控制。
具体的，LED灯板14的灯珠包括红、蓝、白光三种光源，通过照明模块106驱动可以实现多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=3：3：1、花卉型照明采用的光质比为红光：蓝光：白光=5:2:1、蔬菜型采用的光质比为红光：蓝光：白光=2:1:1、种子型照明采用的光质比为红光：蓝光：白光=1：3：2；照明模块106通过控制电源电流大小或关闭部分LED灯珠实现光强度的调整；照明模块106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。
植物工厂还包括远程监控系统2，所述远程监控系统2与本地监控系统1之间通过网络连接，所述远程监控系统2包括移动客户端201和物联网平台202，所述移动客户端201通过Internet或移动网络连接物联网平台202完成本地网络的远程控制和管理，所述物联网平台202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：
图7是本发明移动客户端201结构示意图，所述移动客户端201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平台202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201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201实时监管对应的农业设备和植物生长情况。
图8是本发明物联网平台202结构示意图，所述物联网平台202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，所述物联网平台202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、营养液循环时间、空气循环周期，根据需求还可以给植物工厂配置更加丰富的传感器和执行器，例如空气加湿器、恒温空调、温度传感器、湿度传感器等等
物联网平台202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=3:3:1；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°。
图9是本发明移动客户端201启动工作流程示意图，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，发现控制器102和设备组件。用户控制界面生成之前会先和控制器102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控制器102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。
图10是本发明控制器102启动工作流程示意图，控制器102可以使用定制的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。
具体的，所述控制器102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，控制器102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；控制器102接收远程或者本地通信指令实现农业系统的监控，控制器102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，控制器102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，控制器102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，所述控制器102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，控制器102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；控制器102与物联网平台202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。
需要说明的是，所述环境监测模块103中的光照传感器、温度传感器、湿度传感器、营养液传感器和二氧化碳传感器均采用了消抖算法：消抖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，此次采样值有较大偏差，S1无效，S0继续保持。
需要说明的是，所述环境监测模块103中的空气质量传感器采用滤波算法：在处理采集到的颗粒物数据时，所诉滤波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。
本发明公开了一种基于物联网的地下植物工厂使用LED灯板14进行照明，由于地下温度适宜，冬暖夏凉适合种植多种蔬菜，可以广泛应用于地下室、地下停车场、人防工程等闲置区域，该植物工程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，运用物联网平台202的计算能力和优化算法，快速生成植物生长的最优数据，合理驱动空气循环模块104、水循环模块105和照明等模块高效工作。本发明提出的植物种植桩5可以有效利用水资源，采用滴灌渗透的种植原理为植物的生长提供营养和水分；模块化设计的种植桩5可以根据地下空间灵活布置、最大化的利用地下空间，具体布置时只需要在进水口507连通出水软管1100、在出水口500处连通回流支路6；由于种植孔501设置在种植桩5的倾斜面上，因此只需要在地下种植室4的顶部安装一层LED灯板14即可，不需要采用传统的多层种植架的方案；种植桩5的内部设置有多孔隔板504和导液绳506可以在营养液循环系统停止工作的情况下，利用虹吸原理为植物根部自动补水；根据实际情况还可以在块状生化棉503上布置硝化细菌，硝化细菌会与渗透至块状吸水棉502和块状生化棉503上含有氨的水份进行分解反应，使其中的氨分解成亚氨，此亚氨可给菜苗的芽提供养份，使菜苗的生长无需另外添加所需的亚氨肥料。
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)
1.一种基于物联网的地下植物工厂，其特征在于，包括地下种植室、以及位于地下种植室内部的本地监控系统、种植桩、营养液循环系统、LED灯板和空气循环系统，其中：
所述本地监控系统包括控制器以及与所述控制器分别连接的水循环模块、空气循环模块和照明模块，所述控制器通过网关可以连接远程监控系统；
所述种植桩呈空心圆台结构，种植桩的顶部设置有进水口，种植桩的侧面均匀设置有多个种植孔，种植桩的底部设置有多孔隔板，所述多孔隔板将种植桩的内部分割成上、下两个空间，上部空间均匀填充有块状吸水棉和块状生化棉，下部空间形成储液室，储液室的底部设置有出水口，种植桩的内部还包括多根自动吸收水分的导液绳，所述导液绳一端盘设在块状吸水棉、块状生化棉之间，导液绳另一端盘设在储液室底部；
所述营养液循环系统包括回流支路、回流主路、回液池、过滤池、送水管、送水泵、水塔和出水主管，所述回流支路的一端连通种植桩底部的出水口，所述回流支路的另一端连通回流主路，回流主路安装在回流支路和回液池之间，所述回流主路上安装有回流控制阀，所述回液池安装在地下种植室的底部且通过管路连通过滤池，所述水塔设置在地下种植室的顶部且通过送水管连通过滤池，所述过滤池内安装有不锈钢过滤网，过滤池由不锈钢过滤网划分为左、右两个空间，滤池靠近回液池的一侧空间安装有排污口，所述送水泵设置在送水管上用于将营养液从过滤池输送到水塔中，所述水循环模块包括水泵继电器，所述送水泵的停止或工作由控制器控制，所述出水主管的一端通过出水控制阀连通水塔，所述出水主管的另一端通过出水软管连通种植桩的内部，所述出水软管上均匀设置有多个渗透孔；
所述LED灯板包括网格胶框、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0.8mm，所述出射面是边长为6.8mm的正方形，所述出射面与入射面的四边平行且距离3.3mm，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变为正方形光束从出射面投出，该光束的半光强角为40°并且在工作面上形成正方形光斑，所述照明模块包括照明继电器和照明驱动电路，所述LED灯板的明、暗由控制器控制；
所述空气循环系统位于地下种植室侧壁且包括空气循环机、进风口、出风管道和出风口，所述空气循环机的进风口设置在地下种植室底部，所述空气循环机的出风管道安装在地下种植室的顶部，所述出风管道的末端设置有出风口，所述空气循环模块包括空气循环继电器，所述空气循环系统的停止或工作由控制器控制。
2.如权利要求1所述基于物联网的地下植物工厂，其特征在于，还包括环境监测模块，所述环境监测模块包括光照传感器、温度传感器、湿度传感器、营养液传感器、二氧化碳传感器和空气质量传感器，所述控制器通过串口电路分别连接光照传感器、温度传感器、湿度传感器、营养液传感器、二氧化碳传感器和空气质量传感器；所述光照传感器用于测量植物生长的真实光照强度；所述营养液传感器安装在回液池且由液位传感器、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。
3.如权利要求2所述基于物联网的地下植物工厂，其特征在于，还包括太阳能电池板、能源变流模块、储能模块、市电断路器、交流输出模块和直流输出模块，所述太阳能电池板设置在室外并与能源变流模块的输入口电连接，所述能源变流模块的输出口分别连接控制器和储能模块，所述能源变流模块用于调变输出电源的电流、电压和频率，所述市电断路器由控制器驱动可以切断和接通市电，所述交流输出模块和直流输出模块的控制端分别连接所述控制器，所述交流输出模块与所述水循环系统及空气循环系统电连接，所述直流输出模块与所LED灯板电连接。
4.如权利要求3所述基于物联网的地下植物工厂，其特征在于，还包括远程监控系统，所述远程监控系统与本地监控系统之间通过网络连接，所述远程监控系统包括移动客户端和物联网平台，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。
5.如权利要求4所述基于物联网的地下植物工厂，其特征在于，所述物联网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、营养液循环时间、空气循环周期。
6.如权利要求5所述基于物联网的地下植物工厂，其特征在于，所述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，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；控制器接收远程或者本地通信指令实现农业系统的监控，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，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，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所述基于物联网的地下植物工厂，其特征在于，所述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，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；控制器与物联网平台进行通信连接，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所述基于物联网的地下植物工厂，其特征在于，所述环境监测模块中的光照传感器、温度传感器、湿度传感器、营养液传感器和二氧化碳传感器均采用了消抖算法：消抖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，此次采样值有较大偏差，S1无效，S0继续保持。
9.如权利要求8所述基于物联网的地下植物工厂，其特征在于，所述环境监测模块中的空气质量传感器采用滤波算法：在处理采集到的颗粒物数据时，所诉滤波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。
10.如权利要求9所述基于物联网的地下植物工厂，其特征在于，所述物联网平台采用集群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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