CN110471337A - 一种基于低功耗窄带网的日光温室卷帘机智能监控系统与方法 - Google Patents

一种基于低功耗窄带网的日光温室卷帘机智能监控系统与方法 Download PDF

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Abstract

基于低功耗窄带网的日光温室卷帘机智能监控系统，其架构为感知层、网络层和应用层，感知层包括室内、外环境监测器、三相电机控制器，能自动采集并定时上报环境数据，控制卷帘机开关棚并实时上报角度数据；网络层负责将数据经基站、核心网传至应用层的云平台；应用层包括透传云、阿里云及安卓APP，透传云对数据包进行解析、显示并将数据推送至嵌入温度预测算法的阿里云，算法决策后发送开关棚控制指令。感知层设备间由RS485总线和Modbus RTU协议实现主从机通信，作为主机的室内环境监测器搭载NB模组，最终APP可对温室环境定时监测、卷帘机能智能自动控制或远程无线手动控制。本发明基于NBIoT和温度预测算法开发，具有运行稳定，低功耗和低成本的特点。

Description

一种基于低功耗窄带网的日光温室卷帘机智能监控系统与 方法
技术领域
本发明属于农业现代化技术领域，涉及对温室卷帘机的自动控制，特别涉及一种基于低功耗窄带网的日光温室卷帘机智能监控系统。
背景技术
北方绝大部分日光温室仅配备用于控制卷帘棉被的设备，并无有效的加热装置，温室温度完全依靠室外光辐射和温室保温结构，合理控制卷帘机揭盖棉被将对日光温室保温和受光起着至关重要的作用。卷帘机的控制依旧是人工早、晚实地操作或者无线手动遥控开关棚的模式，而卷帘机的智能控制以温度和光照阈值控制较为普遍，在春冬季早晨，室外温度、光辐射达到设定阈值条件时便会控制卷帘机揭被，傍晚室内温度、光辐射下降至设定的阈值便会控制卷帘机盖被。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于低功耗窄带网的日光温室卷帘机智能监控系统，能设定主动上报时间间隔进行定时监测温室内、外环境数据以及根据监测的温度、光辐射值判断是否达到设定的阈值条件而自动下发指令控制卷帘机揭盖被，进一步地，用户还能在手机 APP客户端实时查看温室内外环境数据和卷帘机棉被状态，且可以远程无线控制卷帘机开关或百分比的开度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于低功耗窄带网的日光温室卷帘机智能监控系统，包括：
感知层，自动实时采集并定时上报温室内、外环境数据，并控制三相电机实现卷帘机的开关棚状态并采集及实时上报卷帘机连杆角度值，其中作为感知层硬件主机设备的室内环境监测器将所有的监测数据打包成数据包经由 NB模组定时上发至附近基站；
网络层，将感知层主机设备的NB模组入网，将需要传输的数据包经由基站、核心网传至外部网络的私有云平台，构建起远程无线通信的传输媒介；
应用层，在网络层基础上将数据包传至透传云平台，对数据包进行在线读取、解析并显示，透传云平台实时读取、显示感知层监测的数据，并向卷帘机下发控制指令，控制卷帘机开关棚状态。
优选地，所述感知层以室内环境监测器作为主机，通过RS485总线连接室外环境监测器、三相电机控制器两个从机设备，并利用Modbus RTU协议实现双向通信；室内环境监测器部署在温室内部中央，室内环境监测器内部以低功耗单片机为核心处理器并通过串口连接NB模组，搭载的传感器主要监测室内温度、湿度、光辐射强度、CO2浓度四种数据；室外环境监测器由单片机及其外围电路构成，搭载的传感器主要监测室外温度、光辐射强度两种数据；所述三相电机控制器主要由驱动板、交流接触器、过流保护器、倾角传感器构成，驱动板搭载单片机及外围电路并通过RS485总线接收来自主机的控制指令且实时采集、传输部署在卷帘机连杆上的倾角传感器角度数据，所述三相电机控制器能够选择通过驱动板上的按键控制卷帘机揭盖棉被，初始部署使用时，自定义设定记录角度上、下限值。
优选地，所述应用层基于透传云二次开发SDK，以实时读取感知层室内、外环境监测器数据、卷帘机连杆角度值，并显示在云平台，并向感知层设备发送需要写入的数据指令。
优选地，所述需要写入的数据指令为向三相电机控制器发送并写入：设定掀开上限阈值、设定掀开下限阈值、卷帘机目标掀开百分比；向室内、外环境监测器发送并写入主动上报间隔的数据命令，环境监测器就能按照设定的时间间隔进行主动定时地向云平台上发数据。
优选地，所述应用层包括云平台和APP，所述云平台为透传云平台或电信云平台、以及嵌入温度预测和卷帘机开关棚决策算法的私有云，透传云将监测数据推送至私有云，然后私有云部署的温度预测模型和卷帘机开关棚决策算法根据监测数据进行决策并向透传云下发开关棚控制指令。
优选地，所述私有云为阿里云，在阿里云嵌入两个温度预测模型和卷帘机揭盖棉被的决策算法，分别为NARX室内温度实时预测模型和基于此模型构建的揭被决策算法、SVR室内夜间最低温预测模型和基于此模型构建的盖被决策算法，阿里云收到监测数据后，根据NARX室内实时温度预测模型和揭被决策算法根据监测数据进行决策并向透传云下发揭被控制指令，根据 SVR室内夜间最低温预测模型和盖被决策算法根据监测数据进行决策并能向透传云下发盖被控制指令。
优选地，所述应用层在网络层基础上，透传云平台调用查询接口对感知层采集并上报的数据进行解析、显示，完成对数据的预处理、存储；并向感知层的环境监测器和三相电机控制器下发控制指令，设定并写入环境监测器主动上报时间间隔和卷帘机揭盖棉被状态；手机APP通过向透传云发送 HTTP请求来获取到感知层设备上传至服务器中的数据和下发指令写入透传云，透传云再下发数据指令至感知层设备端。
优选地，针对不同的日光温室高度和跨度尺寸，通过操控电机正反转进行揭盖棉被操作，同时在电机揭盖过程中根据实际观察并分别及时记录上、下限位置并将两个极限位置角度值写入主机程序中，主机再根据三相电机控制器连接在卷帘机上的倾角传感器实时返回的角度值转化为卷帘机揭盖棉被的状态百分比。
本发明还提供了一种基于低功耗窄带网的日光温室卷帘机智能监控方法，包括如下步骤：
监测采集温室内外环境数据及卷帘机角度数据；
传递、汇聚采集到的温室内外环境数据及卷帘机角度数据；
读取监测数据，并向卷帘机发送指令，通过三相电机，控制卷帘机开关以及百分比的开度。
优选地，所述采集到的温室内外环境数据及卷帘机角度数据通过NB模组并以Modbus RTU协议将监测数据打包成数据包发送至附近基站、再通过核心网传递、汇聚转发至应用层透传云平台，透传云平台作为主机，与感知层的室内环境监测器建立主从机远程无线网络通信，当感知层的主机设备室内环境监测器通过NB模组成功入网时，同时云平台感知设备在线状态后能对数据包解析、读取并在线显示，同时云平台能同样以Modbus RTU协议向室内环境监测器下行控制指令，进而室内环境监测器对下行指令数据进行解析和识别并通过RS485总线将相应的控制指令转发至从机设备。
与现有技术相比，本发明通过低功耗窄带物联网技术(NBIoT)实现对温室环境的定时监测和卷帘机的智能自动控制，通信稳定可靠，低功耗节能，方便操作使用。进一步地，可基于已训练好的两个温度预测模型和揭盖被决策算法进行智能控制卷帘机开关棚，融合温度预测的思想能实现提前开棚和较晚关棚，也保证了夜间的临界低温，实现了在保证作物夜间不发生低温伤害的前提下最大化地利用太阳光照。
附图说明
图1是本发明系统总体架构框图。
图2是本发明系统感知层硬件设备部署示意。
图3是本发明系统软件控制流程图。
图4是本发明卷帘机的三相电机控制方法流程图。
图5是本发明室外监测器控制方法流程图。
图6是本发明室内监测器(主机)控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，一种基于低功耗窄带网的日光温室卷帘机智能监控系统，主要包括感知层、网络层和应用层三层架构，其中：
感知层主要包括温室室内环境监测器、室外环境监测器、三相电机控制器三台设备，室内、外环境监测器能实现自动实时采集并定时上报环境数据，三相电机控制器能控制三相电机实现卷帘机的开关棚状态并采集和实时上报卷帘机连杆角度值，设备的主机能将采集的数据打包成数据包并经由NB模组发送至附近基站。
网络层负责将感知层主动上报的数据包经由基站、核心网传至外部网络的的云平台。
应用层包括云平台和APP，云平台可为透传云平台或电信云平台、以及嵌入温度预测和卷帘机开关棚决策算法的私有云，本系统选择了阿里云，透传云将环境数据推送至阿里云，然后阿里云部署温度预测模型以及开关棚决策算法，根据监测的环境数据，进行温度预测，并控制揭被或者盖被。
该温度预测和卷帘机开关棚决策算法可采用现有的温度预测方式/模型，以及基于预测结果进行揭被或者盖被控制的简单现有策略(高于某设定温度，执行揭被，低于某设定温度，执行盖被)。然而作为一种优选，可采用一种 NARX室内实时温度预测模型和揭被决策算法根据监测数据进行决策并能向透传云下发揭被控制指令，以及一种SVR室内夜间最低温预测模型和盖被决策算法根据监测数据进行决策并能向透传云下发盖被控制指令，其详细的实现方法如下(该方法被详细记载在了专利201910655441.8中)：
根据预测模型实现揭被决策：当时间为凌晨零点至正午十二点之间且棉被状态为覆盖时，首先，利用室外光辐射值计算修正后的室内光辐射值，当修正后的室内光辐射值小于光补偿点，保持原状态0返回环境数据采集环节后继续判断，直至修正后的室内光辐射值大于等于光补偿点，将室内温度、室内空气湿度、室内二氧化碳浓度、室外光辐射、修正后的室内光辐射值、卷帘棉被状态作为输入构建NARX神经网络温度预测模型，预测下一时刻室内空气温度，将预测值与温度阈值比较，当预测值大于当前时刻值温度值或大于等于温度阈值时，即刻生成卷帘机上行指令1，进行揭被；当预测值小于等于当前时刻温度且小于温度阈值时，当前时刻保持原状态0返回数据采集环节接收最新数据循环执行本步步骤，直至生成卷帘机上行指令1，结束决策过程；
根据预测模型实现盖被决策：当时间为正午十二点至第二天凌晨零点之间且棉被为揭开状态时，首先判断室内光辐射值是否大于光补偿点，当小于光补偿点时，直接生成卷帘机下行指令-1，结束决策过程；当大于等于光补偿点时，将当前时刻的温室空气温度和室外温度，以及修正后的室外夜间最低温输入SVR室内夜间最低温回归预测模型，预测室内夜间最低温，将预测值与温度阈值比较，分析对比结果，当预测值大于温度阈值，则保持当前状态0返回环境数据采集环节重复本步步骤，直至当前时刻预测值小于等于温度阈值或光辐射值小于等于光补偿点，即刻生成卷帘机下行指令-1，结束决策过程。
如图2所示，展示了本发明感知层的硬件设备实际参考部署示意图，具体的以室内环境监测器2作为主机，通过RS485总线连接室外环境监测器1、三相电机控制器3两个从机设备，并利用Modbus RTU协议实现双向通信；室内环境监测器2部署在温室内部中央，其内部以低功耗单片机为核心处理器并通过串口连接NB模组，搭载的传感器主要监测室内温度、湿度、光辐射强度、CO2浓度等数据；而室外环境监测器1由单片机及其外围电路构成，搭载的传感器监测室外温度、光辐射强度数据；所述三相电机控制器3由驱动板、交流接触器、过流保护器、卷帘机连杆的倾角传感器4等构成，都安装在防水箱体中，驱动板搭载单片机及外围电路并通过RS485总线接收来自主机的控制指令且实时采集、传输部署在卷帘机末端连杆上的倾角传感器数据，可以通过驱动板的按键可对卷帘机揭盖棉被进行手动控制，初始使用时需要用户自定义以按键方式记录卷帘机连杆的角度上、下限值。
透传云平台能向感知层设备发送需要写入的数据指令，在云平台需设置的环境监测器的数据模板如表1所示，向室内、外环境监测器发送并写入主动上报间隔的数据命令，环境监测器就能按照设定的时间间隔进行主动定时地向云平台上发数据；
表1云端设置的环境监测器数据模板
ID 名称 寄存器 数据类型 数值类型 读写 数据存储
148405 温度 30001 数值型 2字节有符号整数 只读 存储
148410 光辐射强度 30002 数值型 2字节有符号整数 只读 存储
148406 湿度 30003 数值型 2字节有符号整数 只读 存储
148407 二氧化浓度 30004 数值型 2字节有符号整数 只读 存储
148411 主动上报间隔 40001 数值型 2字节有符号整数 读写 存储
在透传云平台需设置的卷帘机的数据模板如表2所示，可以向三相电机控制器发送并写入设定掀开上限阈值、设定掀开下限阈值、卷帘机目标掀开百分比，从而记录住卷帘机连杆上下限角度值和控制卷帘机揭盖棉被的开度。
表2云端设置的卷帘机数据模板。
如图3为系统软件控制揭盖被流程图，室外环境监测器(从机)实时采集环境数据，室内环境监测器(主机)在实时采集环境数据的同时能根据设定的主动上报时间间隔定时向从机发送数据读取指令，从机设备便会返回此时的环境监测数据值，同时主机程序中在时间间隔到达时将所有的数据打包并主动将数据包上发至透传云平台，透传云能对数据包进行读取、解析并在线显示，同时基于透传云将环境数据推送至私有云平台，本系统选择了阿里云，在阿里云嵌入两个温度预测模型和卷帘机揭盖棉被的决策算法，分别为 NARX室内温度实时预测模型和基于此模型构建的揭被决策算法、SVR室内夜间最低温预测模型和基于此模型构建的盖被决策算法。
针对不同的日光温室高度和跨度尺寸，该控制系统硬件设备在首次部署、使用时需要将设备间连通并成功入网，在APP上或在三相电机控制器设备上通过操控电机正反转按键进行揭盖棉被操作，同时在电机揭盖过程中需要用户根据实际观察，并分别及时按下记录上、下限位置的按键以将两个极限位置角度值写入主机程序中，主机再根据三相电机控制器(从机)连接在卷帘机上的倾角传感器实时返回的角度值转化为卷帘机揭盖棉被的状态百分比。主机将指令发送至三相电机控制器(从机)，三相电机控制器首先对接收到的Modbus RTU协议数据进行解析处理，得到揭盖被任务，卷帘机连杆上的倾角传感器实时更新卷帘机的角度姿态信息，其控制流程如图4所示。
室外环境监测器实时采集温室室外光辐射强度、温度数据，在通过 RS485总线接收到室内环境监测器(主机)下发的读取指令后，会按Modbus RTU协议打包数据并发送，其控制流程如图5所示。
室内环境监测器(主机)集成室内环境监测和通过NB模组完成数据收发及处理功能，能对室内环境信息：温度、湿度、光辐射强度、CO2浓度等环境数据进行实时采集，并将室内、室外的环境数据、卷帘机连杆的角度值等按照Modbus RTU协议格式统一打包并通过串口发送给NB模组，NB模组通过网络层数据传输将数据发送至云平台服务器，其控制流程如图6所示。
本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的；本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种基于低功耗窄带网的日光温室卷帘机智能监控系统，其特征在于，包括：
感知层，自动实时采集并定时上报温室内、外环境数据，并控制三相电机实现卷帘机的开关棚状态并采集及实时上报卷帘机连杆角度值，其中作为感知层硬件主机设备的室内环境监测器将所有的监测数据打包成数据包经由NB模组定时上发至附近基站；
网络层，将感知层主机设备的NB模组入网，将需要传输的数据包经由基站、核心网传至外部网络的私有云平台，构建起远程无线通信的传输媒介；
应用层，在网络层基础上将数据包传至透传云平台，对数据包进行在线读取、解析并显示，透传云平台实时读取、显示感知层监测的数据，并向卷帘机下发控制指令，控制卷帘机开关棚状态。
2.根据权利要求1所述基于低功耗窄带网的日光温室卷帘机智能监控系统，其特征在于，所述感知层以室内环境监测器作为主机，通过RS485总线连接室外环境监测器、三相电机控制器两个从机设备，并利用Modbus RTU协议实现双向通信；室内环境监测器部署在温室内部中央，室内环境监测器内部以低功耗单片机为核心处理器并通过串口连接NB模组，搭载的传感器主要监测室内温度、湿度、光辐射强度、CO2浓度四种数据；室外环境监测器由单片机及其外围电路构成，搭载的传感器主要监测室外温度、光辐射强度两种数据；所述三相电机控制器主要由驱动板、交流接触器、过流保护器、倾角传感器构成，驱动板搭载单片机及外围电路并通过RS485总线接收来自主机的控制指令且实时采集、传输部署在卷帘机连杆上的倾角传感器角度数据，所述三相电机控制器能够选择通过驱动板上的按键控制卷帘机揭盖棉被，初始部署使用时，自定义设定记录角度上、下限值。
3.根据权利要求1所述基于低功耗窄带网的日光温室卷帘机智能监控系统，其特征在于，所述应用层基于透传云二次开发SDK，以实时读取感知层室内、外环境监测器数据、卷帘机连杆角度值，并显示在云平台，并向感知层设备发送需要写入的数据指令。
4.根据权利要求3所述基于低功耗窄带网的日光温室卷帘机智能监控系统，其特征在于，所述需要写入的数据指令为向三相电机控制器发送并写入：设定掀开上限阈值、设定掀开下限阈值、卷帘机目标掀开百分比；向室内、外环境监测器发送并写入主动上报间隔的数据命令，环境监测器就能按照设定的时间间隔进行主动定时地向云平台上发数据。
5.根据权利要求1所述基于低功耗窄带网的日光温室卷帘机智能监控系统，其特征在于，所述应用层包括云平台和APP，所述云平台为透传云平台或电信云平台、以及嵌入温度预测和卷帘机开关棚决策算法的私有云，透传云将监测数据推送至私有云，然后私有云部署的温度预测模型和卷帘机开关棚决策算法根据监测数据进行决策并向透传云下发开关棚控制指令。
6.根据权利要求5所述基于低功耗窄带网的日光温室卷帘机智能监控系统，其特征在于，所述私有云为阿里云，在阿里云嵌入两个温度预测模型和卷帘机揭盖棉被的决策算法，分别为NARX室内温度实时预测模型和基于此模型构建的揭被决策算法、SVR室内夜间最低温预测模型和基于此模型构建的盖被决策算法，阿里云收到监测数据后，根据NARX室内实时温度预测模型和揭被决策算法根据监测数据进行决策并向透传云下发揭被控制指令，根据SVR室内夜间最低温预测模型和盖被决策算法根据监测数据进行决策并能向透传云下发盖被控制指令。
7.根据权利要求1所述基于低功耗窄带网的日光温室卷帘机智能监控系统，其特征在于，所述应用层在网络层基础上，透传云平台调用查询接口对感知层采集并上报的数据进行解析、显示，完成对数据的预处理、存储；并向感知层的环境监测器和三相电机控制器下发控制指令，设定并写入环境监测器主动上报时间间隔和卷帘机揭盖棉被状态；手机APP通过向透传云发送HTTP请求来获取到感知层设备上传至服务器中的数据和下发指令写入透传云，透传云再下发数据指令至感知层设备端。
8.根据权利要求1所述基于低功耗窄带网的日光温室卷帘机智能监控系统，其特征在于，针对不同的日光温室高度和跨度尺寸，通过操控电机正反转进行揭盖棉被操作，同时在电机揭盖过程中根据实际观察并分别及时记录上、下限位置并将两个极限位置角度值写入主机程序中，主机再根据三相电机控制器连接在卷帘机上的倾角传感器实时返回的角度值转化为卷帘机揭盖棉被的状态百分比。
9.一种基于低功耗窄带网的日光温室卷帘机智能监控方法，其特征在于，包括如下步骤：
监测采集温室内外环境数据及卷帘机角度数据；
传递、汇聚采集到的温室内外环境数据及卷帘机角度数据；
读取监测数据，并向卷帘机发送指令，通过三相电机，控制卷帘机开关以及百分比的开度。
10.根据权利要求9所述基于低功耗窄带网的日光温室卷帘机智能监控方法，其特征在于，所述采集到的温室内外环境数据及卷帘机角度数据通过NB模组并以Modbus RTU协议将监测数据打包成数据包发送至附近基站、再通过核心网传递、汇聚转发至应用层透传云平台，透传云平台作为主机，与感知层的室内环境监测器建立主从机远程无线网络通信，当感知层的主机设备室内环境监测器通过NB模组成功入网时，同时云平台感知设备在线状态后能对数据包解析、读取并在线显示，同时云平台能同样以Modbus RTU协议向室内环境监测器下行控制指令，进而室内环境监测器对下行指令数据进行解析和识别并通过RS485总线将相应的控制指令转发至从机设备。
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