CN108415494A - 一种监测种植环境的智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种监测种植环境的智能控制系统，属于设施农业栽培领域，涉及一种监测种植环境的智能控制系统，具体涉及一种可通过触控屏对多个环境参数进行实时监测，并允许用户自行搭配合适的负载进行环境控制的系统。

Description

一种监测种植环境的智能控制系统

技术领域

本发明属于农业设施栽培领域，尤其涉及一种监测种植环境的智能控制系统，具体涉及一种可通过触控屏对多个环境参数进行实时监测，并允许用户自行搭配合适的负载进行环境控制的系统。

背景技术

当前，农业大棚、农业研究所和企业工厂在进行农作物种植时，需要安排大量的人力和物力对种植过程中的农作物状态进行跟踪、对种植环境做数据记录、执行电气设备的转换控制等。

这些不仅造成了种植成本偏高、效率低下、管理不便、数据统计不准确等，还容易因给养或维护偏差造成农作物发育不良或死亡，进一步对种植人员造成损失，即浪费了人力、物力、财力，还使得发生低回报的概率升高。

同时，社会对经济价值较高的农作物的需求持续增加，而这些农作物又必须要进行精细化的种植，才能保证可靠的存活和产出率，那么如何解决种植成本高、管理效率差和环境控制自动化程度低的问题是必须要思考的。

因此，开发一套可对种植环境进行模拟和检测的智能控制系统，把环境参数数字化、控制自动化、管理精细化是非常有必要和迫切的，这将使种植的人员能更高效、准确的掌控整个种植周期，提高种植效率和产出率，提高设备的利用率及管理水平，避免资源的浪费。

目前设施农业领域的智能控制系统多为PLC集成控制板，简单的PLC集成控制系统的特点是只有单一的种植条件模式，即只能运用于光温水气肥条件一致的植物种植。复杂的PLC集成控制系统可以实现多种种植条件的调控，但价格非常昂贵，不利于在我国普通种植户中推广使用。已有的设施农业种植控制系统均无补光灯降温和采后处理功能。补光灯降温可以减少光衰期，延长灯的使用寿命，使补光灯换代时间延长，减少成本投入。采后的即时处理对于一些农产品异常关键，比如用于提取精油的香料植物，如果能在采后得到及时处理，其精油的成分含量比会更优。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种监测种植环境的智能控制系统，该系统以主控制器为核心，通过RS232接口电路将TFT触控屏上设置环境控制参数下传到主控制器，主控制器下传环境控制参数至各个子机，存储实现检测的环境参数，并上传至TFT触控屏显示。

本发明采用如下技术方案：

一种监测种植环境的智能控制系统，包括TFT触控屏、系统主控制器、从机、继电器驱动电路，TFT触控屏，TFT触控屏通过RS232接口电路与系统主控制器信号连接，系统主控制器通过RS485接口电路与从机信号连接，从机通过信号线与继电器驱动电路相连，所述的从机包括若干根据需要设计的检测环境的子机，系统主控制器为一块安装有主控芯片和DB9接口端子的PCB板，各子机通过DB9接口端子插接在系统主控制上。

进一步的优选的技术方案是，还包括执行机构，继电器驱动电路与执行机构信号相连，其中执行结构包括补光降温灯，其由光照控制模块子机控制补光降温灯开启与关闭。

进一步优选的技术方案是，从机中包括采后处理模块子机，采收后即可在采收地调用控制系统中的采后处理子模块中的阴干、发酵、消毒、灭菌、保鲜、烘干程序即时对采收后的植物进行处理，用于对所种植物采收后即时就地处理，避免采后处理不及时导致的农产品损失。

进一步优选的技术方案是，还包括存储器，存储器为EEPROM存储器并通过IIC总线与主控芯片进行通信连接。

进一步优选的技术方案是，还包括wifi模块，wifi模块与主控芯片采用串口连接，并且使用者利用手机app通过wifi模块控制主控芯片的开机与关机。

优选的技术方案是，所述的从机包括10个子机，子机1为安装的光照控制模块、子机2为安装的温度控制模块I、子机3为安装的温度控制模块II、子机4为安装的湿度采集模块及水位监测电路、子机5为安装的二氧化碳控制模块、子机6为安装的PH控制模块、子机7为安装的TDS控制模块、子机8为安装的动力控制模块I、子机8为安装的动力控制模块II、子机9为安装的采后处理模块，子机2、子机3、子机4、子机8、子机9共用1个PCB板，子机2、子机3、子机4、子机8、子机9仅输入电路、输出电路不同，子机5、子机6、子机7、子机10共用1个PCB板，子机5、子机6、子机7、子机10的传感器输入电路不同。

本发明进一步优选的技术方案是，主机上还直接安装有水位检测电路与继电器驱动电路，水位检测电路检测水箱内的液位，主机则利用继电器驱动电路及时加水。

本发明打破简单PLC集成板仅有单一种植模式的局面，可以并行至少20种不同模式，因而可以模拟昼夜、四季的气候变化，实现多元化种植。

用于可自行选择需要接入的子板运行功能，真正实现有需才购，极大降低用户投资成本。

独有的植物生长补光灯降温处理方式，可以极大延长设施农业投资损耗最大补光灯的使用寿命。

独有的采后处理模块，即可对种植农产品进行简单采后处理。

附图说明

图1为控制系统的结构框架图；

图2为系统主控制器与从机插接图；

图3为DB9接口端子的结构示意图；

图4为系统主控芯片及接口电路图；

图5为系统RS232接口电路图；

图6为系统的EEPROM存储电路；

图7为系统水位检测电路图；

图8为系统wifi电路图；

图9(a)、9(b)为系统电源电路图；

图10为继电器驱动电路结构图；

图11为光照控制板微控芯片及接口电路图；

图12为光照控制板输入输出电路图；

图13为温度控制板1微控芯片及接口电路图；

图14为温度控制板1的温度采集电路；

图15为湿度控制板湿度采集及水位检测电路；

图16为子机的二氧化碳控制板微控芯片及接口电路；

图17为二氧化碳控制板控制板通信及输出电路；

图18为PH控制板通信及输出电路；

图19为PH控制板的密钥板电路图；

图20为子机的TDS控制板通信及输出电路图；

图21为动力控制板1输出接口电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明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，本领域普通技术人员在没有作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。

如图1所示，本发明公开一种监测种植环境的智能控制系统，该系统以系统主控制器为核心，系统主控制器通过RS232接口电路与TFT触控屏相连接，TFT触控屏设置环境控制的各项参数并将该参数下传至系统主控制器。

系统通过从机来监测环境参数，从机包含若干具有单一且独立的功能的子机，子机可模块化接入系统主控制器，若干子机通过RS485接口电路实时上传监测的数据至系统主控制器，系统主控制器接收数据并将数据与主控制器内部控制参数进行比较，进而系统主控制器控制继电器驱动电路对执行机构实施开关操作。

系统主控器下传环境控制参数至各个子机，存储实时监测的环境参数，并上传至TFT触控屏显示。

进一步的优选技术方案是，系统主控制器包括wifi模块，如图8所示，使用者利用手机app发送控制指令通过wifi模块给系统主控制器，和存储在系统主控制器内的数据分析对比，根据对比结果对系统主控制器进行开机或者关机的操作，当然也可通过TFT触控屏对系统主控器进行开关机的操作。

wifi模块采用ESP8266模块，wifi模块与主控芯片之间采用串口1通信。

如图3所示，为DB9接口端子结构示意图，如图2所示，安装有系统主控芯片的系统主控制器PCB板通过DB9接口端子，插接若干的子机PCB板。

如图4所示，系统主控芯片采用STM32F103RCT6作为主控芯片，主控电路中含有晶振电路、复位电路、SWD下载电路及接口电路。

如图5所示，系统主控制器通过串口3与TFT触控屏进行通信相连。

进一步的优选技术方案是，还包括存储器，存储器为AT24C64的EEPROM存储器，通过IIC总线与主控芯片进行通信，在系统失电时，可对重要数据进行存储，具体如图6所示。

进一步的优选的技术方案是，包括水位检测电路，通过对接入的浮球液位开关信号做光电隔离，并进行电平转换后，送入系统主控制器，如图7所示。

进一步的优选的技术方案是，系统内有两组隔离输出的AD/DC开关电源，输出为直流12V。1路为系统主控制器、从机和TFT触控屏供电，经过升降压后得到5V、24V以供使用；另一路12V直接作为继电器驱动供电。

进一步的优选的技术方案是，系统中的从机通过采集电路获取环境参数，并将检测结果与系统主控芯片下发的设置参数进行比较后，驱动IO口控制继电器的通断，从而实现对负载设备的开关操作。

继电器驱动电路如图10所示，继电器驱动电路位于各从机PCB板上，继电器部分采用模块化独立安装，集成于1块电路板上，从机与继电器模块板通过连接方式传输控制信号，控制继电器驱动器开关，同时系统主控制器、从机所控制器的51路继电器驱动电路，如图9(a)和9(b)所示。

优选的技术方案是，所述的从机包括10个子机，子机1为安装的光照控制模块、子机2为安装的温度控制模块I、子机3为安装的温度控制模块II、子机4为安装的湿度采集模块及水位监测电路、子机5为安装的二氧化碳控制模块、子机6为安装的PH控制模块、子机7为安装的TDS控制模块、子机8为安装的动力控制模块I、子机8为安装的动力控制模块II、子机9为安装的采后处理模块，子机2、子机3、子机4、子机8、子机9共用1个PCB板，子机2、子机3、子机4、子机8、子机9仅输入电路、输出电路不同，子机5、子机6、子机7、子机10共用1个PCB板，子机5、子机6、子机7、子机10的传感器输入电路不同。

如图11所示，为光照控制板微控芯片及接口电路，子机1光照控制模块的PCB板，采用STM8S105S4T6作为微控芯片，其中包含了晶振电路、复位电路、SWD下载电路、电源电路及RS485主机从机通信电路等。

子机1为光照控制板输入输出电路，包含调速风机驱动电路、温度采集电路及继电器驱动电路。根据TFT触控屏设置的调速温度值，控制调速风机驱动电路输出的PWM信号对风机进行线性调速，采用温度探头可采集灯板温度，搭配有20路继电器驱动电路，可对20路负载进行开关控制，采用3片ULN2003作为其前级驱动芯片，能有效驱动光照控制板输入输出电路，具体如图12所示。

如图13所示，为温度控制模块PCB板，采用STM8S003F3P6作为微控芯片，其中包含了晶振电路、复位电路、ST-LINK下载电路、电源电路及RS485主机从机通信线路等。

子机使用了P3端子的6路(5、7、11)信号接口。搭配4路继电器驱动电路，可对4路负载进行开关控制。

子机3的温度控制板II和子机2的温度控制板I的硬件电路完全相同，不再赘述。

子机4的温度控制板微控芯片及接口电路与子机2的温度控制板相同，不再列举。

如图15所示，子机4的湿度控制板湿度采集及水位检测电路，子机使用了P3端子的全部12路信号接口，其中2-3为2路水位传感器信号接口，4-6为湿度传感器接口，8-11为继电器控制信号接口，12为水位控制信号接口。搭配5路继电器驱动电路，可对5路负载进行开关控制。

如图16所示，为子机5的二氧化碳控制板微控芯片及接口电路图，子机5采用STM32F103C8T6作为微控芯片，其中包含了晶振电路、复位电路、SWD下载电路、电源电路及RS485主机从机通信电路等。

如图17所示，子机的二氧化碳控制板通信及输出电路图，采用二氧化碳传感器模块，利用RS485接口与其通信并读取二氧化碳数据，使用了P10端子的6路(1、5、7)信号接口，搭配2路继电器驱动电路，可对2路负载进行开关控制。

子机6的PH控制板的微控芯片及接口电路与子机5的二氧化碳控制板相同。

如图18所示，子机6的PH控制板通信及输出电路，子机采用PH传感器模块，利用RS485接口与通信并读取PH数据，使用了P10端子6(1-5、7)信号接口，搭配2路继电器驱动电路，可对2路负载进行开关控制。

如图19所示，子机6的PH控制板的密钥板电路，子机6采用STM8S003F3P6作为微控芯片，内建加密算法，通过串口与子机6进行通信，子机解密数据后，若正确，则启用子机6的负载控制功能；否则，从机6仅提供PH值测量功能。

如图20所示，子机的TDS控制板通信及输出电路，采用TDS传感器模块，利用RS485接口与其通信并读取TDS数据，使用了P10端子全部8路信号接口，搭配4路继电器驱动电路，可对4路负载进行开关控制。

子机的TDS控制板的密钥板电路与子机6的PH控制板的密钥板电路相同，不再赘述。

如图21所示，动力控制板1输出接口电路，子机8的动力控制板1使用图21中的P3端子的4路(8-11)信号接口，搭配4路继电器驱动电路，可对4路负载进行开关控制。

子机的动力控制板II与从机8的动力控制板I的硬件电路完全相同，不再赘述。

子机10的采后处理密钥板微控芯片及接口电路与子机5的二氧化碳控制板相同，不再赘述。

此外，子机4为安装的湿度采集模块及水位监测电路与主机直接连接的水位检测电路与继电器驱动电路作用不同，主机直接连接的水位检测电路是检测水箱内的液位，主机则利用继电器驱动电路及时加水；而子机4的湿度采集模块及水位监测电路作用是检测营养液液位。

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 (7)

1.一种监测种植环境的智能控制系统，包括TFT触控屏、系统主控制器、从机、继电器驱动电路，TFT触控屏通过RS232接口电路与系统主控制器信号连接，系统主控制器通过RS485接口电路与从机信号连接，从机通过信号线与继电器驱动电路相连，其特征在于，所述的从机包括若干根据需要设计的检测环境的子机，系统主控制器为一块安装有主控芯片和DB9接口端子的PCB板，各子机通过DB9接口端子插接在系统主控制器上。

2.根据权利要求1所述的一种监测种植环境的智能控制系统，其特征在于，还包括执行机构，继电器驱动电路与执行机构信号相连，其中执行结构包括补光降温灯，其由光照控制模块子机与补光降温灯电路相连，控制其开启与关闭。

3.根据权利要求1所述的一种监测种植环境的智能控制系统，其特征在于，从机中包括采后处理模块子机，用于在采收地调用控制系统中的采后处理子模块中的阴干、发酵、消毒、灭菌、保鲜、烘干程序即时对采收后的植物进行处理。

4.根据权利要求1所述的一种监测种植环境的智能控制系统，其特征在于，还包括存储器，存储器为EEPROM存储器，并通过IIC总线与主控芯片进行通信连接。

5.根据权利要求1所述的一种监测种植环境的智能控制系统，其特征在于，还包括wifi模块，wifi模块与主控芯片采用串口连接，并且使用者利用手机app通过wifi模块控制主控芯片的开机与关机。

6.根据权利要求1所述的一种监测种植环境的智能控制系统，其特征在于，所述的从机包括10个子机，子机1为安装的光照控制模块、子机2为安装的温度控制模块I、子机3为安装的温度控制模块II、子机4为安装的湿度采集模块及水位监测电路、子机5为安装的二氧化碳控制模块、子机6为安装的PH控制模块、子机7为安装的TDS控制模块、子机8为安装的动力控制模块I、子机9为安装的动力控制模块II、子机10为安装的采后处理模块，子机2、子机3、子机4、子机8、子机9共用1个PCB板，子机2、子机3、子机4、子机8、子机9仅输入电路、输出电路不同，子机5、子机6、子机7、子机10共用1个PCB板，子机5、子机6、子机7、子机10的传感器输入电路不同。

7.根据权利要求1所述的一种监测种植环境的智能控制系统，其特征在于，主机上还直接安装有水位检测电路与继电器驱动电路，水位检测电路检测水箱内的液位，主机则利用继电器驱动电路及时加水。