CN110716598A - 一种基于物联网的智能温室控制和管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的智能温室控制和管理系统，该系统包括数据采集模块和现场控制模块，所述数据采集模块和现场控制模块均与通信模块对应电连接，所述通信模块与上位控制模块对应电连接，所述上位控制模块与远程控制设备对应电连接。本发明一种基于物联网的智能温室控制和管理系统可以实时分析温室内部环境信息，从而更好地选择适宜种植的品种，可以根据温室内温湿度、光照度等环境因子来对应控制温室执行机构对温室内的环境进行调控。

Description

一种基于物联网的智能温室控制和管理系统

技术领域

本发明涉及温室控制领域，尤其是一种基于物联网的智能温室控制和管理系统。

背景技术

中国是世界农业大国，21世纪以来，中国经济迅速发展，但是农业智能化水平依然较低，生产作业时极易造成环境污染，不便于管理并且浪费了大量的时间和劳动力。解决传统农业生产中的环境污染、管理难、劳动力已成为发展现代农业首先面对的问题之一。

温室就是建立一个模拟适合生物生长的气候条件，创造一个人工气象环境，来消除温度对生物生长的约束。而且，温室能客服环境对生物生长的限制，能使不同的农作物在不适合生长的季节产出，使季节对农作物的生长不再产生过度影响，部门或完全包托了农作物对自然条件的依赖。由于温室能带来可观的经济效益，所以温室技术越来越普及，并且已成为农民增收的主要手段，温室智能控制系统是一种智能化管理温室的科学系统，这种系统需要相应的感应设备来保证系统的正常运行，智能控制系统是将信息技术运用到农业的体现，通过系统设定的各种指令，自动化的完成管理工作，无需大量的人工操作，是一种现代化农业发展的必要工具。

智能控制系统在农业上尤其是对于需要频繁管理的温室来说，有很大方便和优势。首先，智能控制系统控制的精准性和及时性，通过对环境参数的检测，通过多种传感器获取植物生长环境的精准参数，可使人们对于作物生长环境进行深层的了解，根据传感器数据给出相应的反馈和操作，反应及时，易于给植物营造出最适应的生长环境，温室能够种植出高质量、高产量的绿色蔬菜。从发展前景上来说，温室采用智能控制系统是未来农业发展的趋势和方向，它会将人们从繁杂的工作中解放出来，利用科技的手段得到最佳的控制效果，还会帮助降低成本，是农业走向高质量、高效率、高收益的道路。

温室主要用于不适合作物生长的季节时段，可为它提供生长的周期所需要的条件以增加它的产量。对种植作物对环境的要求十分苛刻，传统的人工控制方式中，大多数农民都是凭借着劳动经验及个体感觉来调控室内的环境，没有任何的科学依据。在进入农业信息时代后，农业环境信息如温度、湿度、CO2浓度和温室照明亮度等指标都得到了更加科学的推敲并得到最佳标准。从而将物联网技术被引入到温室里。因此，需要设计一种基于物联网的智能温室控制和管理系统。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，提供一种基于物联网的智能温室控制和管理系统。

本发明通过下述方案实现：

一种基于物联网的智能温室控制和管理系统，该系统包括数据采集模块和现场控制模块，所述数据采集模块和现场控制模块均与通信模块对应电连接，所述通信模块与上位控制模块对应电连接，所述上位控制模块与远程控制设备对应电连接；

所述数据采集模块包括温湿度传感器、光照度传感器、二氧化碳传感器；所述远程控制设备包括多个独立的继电器，所述多个独立的继电器分别与加热器、室内空气循环装置、自然通风装置、微雾加湿器、遮阳网、补光灯、二氧化碳发生器一一对应电连接，所述通信模块包括ZigBee无线芯片、数模转换模块，所述ZigBee无线芯片与数模转换模块对应电连接，所述数模转换模块与外接接口模块对应电连接，所述通信模块还包括协调器，所述协调器分别与ZigBee无线芯片和上位控制模块对应电连接。

所述远程控制设备包括笔记本电脑、手机。

该系统还包括温室作物长势监测模块，所述温室作物长势监测模块包括至少两个摄像机，所述两个摄像机用于不间断拍摄温室内农作物的图像，所述摄像机与图样处理单元对应电连接，所述图样处理单元将摄像机拍摄的图像进行处理，对图像中的叶面投影面积比、叶面稀疏度、叶面均衡度、叶面的空洞比进行分析，所述图样处理单元与数据传输通道对应电连接，所述数据传输通道与上位控制模块对应电连接，数据传输通道将数据传输至上位控制模块，在上位控制模块中将叶面投影面积比、叶面稀疏度、叶面均衡度、叶面的空洞比与温室内的环境因子参数进行一一对应。

本发明的有益效果为：

本发明一种基于物联网的智能温室控制和管理系统可以实时分析温室内部环境信息，从而更好地选择适宜种植的品种，可以根据温室内温湿度、光照度等环境因子来对应控制温室执行机构对温室内的环境进行调控。

附图说明

图1为本发明一种基于物联网的智能温室控制和管理系统的模块框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明优选的实施例进一步说明：

一种基于物联网的智能温室控制和管理系统，该系统包括数据采集模块和现场控制模块，所述数据采集模块和现场控制模块均与通信模块对应电连接，所述通信模块与上位控制模块对应电连接，所述上位控制模块与远程控制设备对应电连接；

温室环境因子的数据采集过程需要有周期性的时间间隔，对环境因子参数数据和温室执行机构状态参数采集过程实现自动化，并将采集到的环境因子数据存储到对应的温室环境数据库中，温室执行机构状态数据存储到对应的设备数据库中。

温室内的温度、湿度、光照度以及二氧化碳等环境因子数据信息进行采集，并将采集到的数据信息通过通信模块发送给协调器。此时，协调器经过串口模块将接收到的数据发送给上位控制模块的界面上进行显示，同时温室内的各温室执行机构的运行状态也会显示出来。

本申请中，对温室执行机构有手动控制和自动控制两种操作方式，手动控制与自动控制之间呈现互斥关系，若系统开启自动控制操作，则系统采集到的环境因子参数会通过模糊自适应PID控制算法进行分析处理，对其温室执行机构采取相应的过程调控；若系统开启手动控制操作，则可以通过控制输出界面设计的按钮，手动控制各设备的运行状态。

不同作物的生长过程在不同时间或不同环境中所需要的环境因子是时常变化的，而上位控制模块可以通过事先设定参数的设计，对各环境因子进行不同时期情况下的参数值设定，以便为每种作物在不同生长过程中提供合适的环境因子参数值。

所述数据采集模块包括温湿度传感器、光照度传感器、二氧化碳传感器；本实施例中，温湿度传感器、光照度传感器、二氧化碳传感器的具体电路结构、工作原理、工作过程、连接方式均为公知技术，在此不再赘述。

所述远程控制设备包括多个独立的继电器，所述多个独立的继电器分别与加热器、室内空气循环装置、自然通风装置、微雾加湿器、遮阳网、补光灯、二氧化碳发生器一一对应电连接。继电器能够对系统进行主动控制和被动控制，其具有自动调节控制系统、系统数据安全保护以及电路转换灵活等功能，它还具有体积较小、响应的时间短、开销低等特点。当温度、湿度等指标满足控制指标时，输入电路会自动进行导通或断开等操作。其中，继电器模块与通信模块的连接能够实现无线控制功能，上位机(上位控制模块)将采集到的数据进行处理后，形成相应的控制指令，并发送至协调器，再通过ZigBee无线芯片接收控制命令，实现对温室执行机构的控制操作。

本申请用继电器来对加热器、室内空气循环装置、自然通风装置、微雾加湿器、遮阳网、补光灯、二氧化碳发生器等温室执行机构启停的控制，继电器能够对系统进行主动控制和被动控制，其具有自动调节控制系统、系统数据安全保护以及电路转换灵活等功能，它还具有体积较小、响应的时间短、开销低等特点。当上位控制模块或者远程控制设备输入温度、湿度等控制命令时，多个独立的继电器会自动进行导通或断开等操作。其中，继电器与通信模块的连接能够实现无线控制功能，上位机(上位控制模块或者远程控制设备)将采集到的温室的环境因子的数据进行处理后，形成相应的控制指令，并发送至协调器，再通过ZigBee无线芯片接收控制命令，实现对温室执行机构的控制操作。

所述通信模块包括ZigBee无线芯片、数模转换模块，所述ZigBee无线芯片与数模转换模块对应电连接，所述数模转换模块与外接接口模块对应电连接，所述通信模块还包括协调器，所述协调器分别与ZigBee无线芯片和上位控制模块对应电连接。

协调器主要用于协调通信模块各网络之间的构建，主要具有传输网络通信坐标、管理网络节点的数据信息、对网络节点信息进行存储与修改以及为相互连接的节点提供路由信息等功能。同时，协调器还能够存储节点数据设备的运行情况、数据转发的使用情况以及设备相互连接后所建立的关联表变化情况等基本信息。本申请的协调器是全功能设备，其具有完整的、灵活地通信协议功能，在通信网络当中既可以充当协调器使用，也可以具有路由的功能，或者仅是作为一个普通的节点。本申请中，协调器的具体内部电路结构、连接方式、工作原理和方法均为公知技术，在此不再赘述。

在本实施例中，选用ZigBee技术作为温室内数据采集模块和远程控制设备在数据传输时的技术，以便确保采集的数据的正确性，ZigBee技术是由多个无线模块组成的高可靠数据传输网络平台，每个模块之间都能进行数据的相互交换，通过多个模块的互相连接，数据之间的通讯距离能够得到相应的延伸，本实施例中，所述ZigBee无线芯片采用CC2530芯片，ZigBee技术的具体原理、结构组成、工作过程为公知技术，在此不再赘述。

ZigBee无线芯片用于驱动各个继电器和各个传感器，并对自身获取到的数据信息以及各个传感器传输过来的信息进行存储与处理，能够保证与其它控制节点之间进行数据通信或者交换数据的可信性。外接接口单元可以对各类传感器或继电器进行模块扩展。所述外接接口模块与温湿度传感器、光照度传感器、二氧化碳传感器对应电连接，所述外接接口模块用于收集来自温湿度传感器、光照度传感器、二氧化碳传感器所收集到的信息，通过数模转换模块将模拟信号转换为数字信号，然后由ZigBee无线芯片的ZigBee技术无线传送给协调器，采用ZigBee技术的ZigBee无线芯片只能进行短距离通信，因此采用路由节点作为控制系统的中继节点使用，以扩展数据传输的距离。协调器和串口连接，将数据采集模块采集到温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度等环境因子的数据通过光纤等传输至上位控制模块，若上位控制模块监测到温室大棚内的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度等环境因子不适宜作物生长的条件时，上位控制模块能够通过远程控制设备的继电器向各终端电气设备发送控制命令，并自动控制相关设备的启闭，对温室内的环境情况进行调节，保证本申请的系统能够进行有效的控制和管理。

在实际应用中，本申请的上位控制模块与通信模块之间采用移动Agent技术进行数据处理和信息传输，移动Agent具有自主性，实时性，且具有数据处理能力。

通信模块的节点在采集数据时会产生大量原始数据，如果将这些大量的数据都传给上位控制模块，将会消耗大量的能量和时间，为此采用移动Agent技术用于通信模块节点的数据处理与信息的传输，上位控制模块根据需求向通信模块的节点发送某种功能的移动Agent(一段可执行的代码，也可携带数据)，各节点接收移动Agent后，就会在该节点运行该移动Agent，进行各种处理工作，如对采集的原始数据进行滤波、平均等，也可和其他节点进行协作以完成各种任务。任务完成后该移动Agent将处理结果按最佳路径发送给通信模块的协调器，由协调器收集各节点数据并传送给上位控制模块，由其做综合决策。

为了进一步提高移动Agent的工作效率，确定温室中农作物生长的关键环境因子，尽可能提高农作物的产量和品质，本实施例中，移动Agent包括环境因子分析Agent、数据合成Agent、环境因子筛选Agent，所述环境因子分析Agent对各个传感器发回的环境因子参数进行分析和综合，从而有效克服了数据汇总后再处理导致的响应时间过长、网络容易堵塞等缺点，数据合成Agent将环境因子分析Agent处理后数据以点位、环境因子等为依据进行排列组成为一个具有一定逻辑的完整数据，环境因子筛选Agent负责对数据合成Agent处理得到的完整数据进行筛选，得到用户需要的数据，然后通过通信模块发送至上位控制模块。

远程控制设备包括笔记本电脑、手机等智能设备，其通过WiFi、4G网络等与上位控制模块对应电连接，在远程控制设备上共享上位控制模块各种数据，也可以在远程控制设备上发送各种控制命令，对加热器、室内空气循环装置、自然通风装置、微雾加湿器、遮阳网、补光灯、二氧化碳发生器等进行控制。

该系统还包括温室作物长势监测模块，所述温室作物长势监测模块包括至少两个摄像机，所述两个摄像机用于不间断拍摄温室内农作物的图像，所述摄像机与图样处理单元对应电连接，所述图样处理单元将摄像机拍摄的图像进行处理，对图像中的叶面投影面积比、叶面稀疏度、叶面均衡度、叶面的空洞比进行分析，所述图样处理单元与数据传输通道对应电连接，所述数据传输通道与上位控制模块对应电连接，数据传输通道将数据传输至上位控制模块，在上位控制模块中将叶面投影面积比、叶面稀疏度、叶面均衡度、叶面的空洞比与温室内的环境因子参数进行一一对应，把不同阶段农作物的长势和环境因子进行分析，反馈到下一轮的生产中，从而实现更精准的管理，获得更优质的产品。在实际应用中，还可以在产品收获后，还可以农作物的收成加入到数据中，进而可以更加全面的评价不同环境因子的变化对农作物的影响。

尽管已经对本发明的技术方案做了较为详细的阐述和列举，应当理解，对于本领域技术人员来说，对上述实施例做出修改或者采用等同的替代方案，这对本领域的技术人员而言是显而易见，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种基于物联网的智能温室控制和管理系统，其特征在于：该系统包括数据采集模块和现场控制模块，所述数据采集模块和现场控制模块均与通信模块对应电连接，所述通信模块与上位控制模块对应电连接，所述上位控制模块与远程控制设备对应电连接；

所述数据采集模块包括温湿度传感器、光照度传感器、二氧化碳传感器；所述远程控制设备包括多个独立的继电器，所述多个独立的继电器分别与加热器、室内空气循环装置、自然通风装置、微雾加湿器、遮阳网、补光灯、二氧化碳发生器一一对应电连接，所述通信模块包括ZigBee无线芯片、数模转换模块，所述ZigBee无线芯片与数模转换模块对应电连接，所述数模转换模块与外接接口模块对应电连接，所述通信模块还包括协调器，所述协调器分别与ZigBee无线芯片和上位控制模块对应电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能温室控制和管理系统，其特征在于：所述远程控制设备包括笔记本电脑、手机。

3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能温室控制和管理系统，其特征在于：该系统还包括温室作物长势监测模块，所述温室作物长势监测模块包括至少两个摄像机，所述两个摄像机用于不间断拍摄温室内农作物的图像，所述摄像机与图样处理单元对应电连接，所述图样处理单元将摄像机拍摄的图像进行处理，对图像中的叶面投影面积比、叶面稀疏度、叶面均衡度、叶面的空洞比进行分析，所述图样处理单元与数据传输通道对应电连接，所述数据传输通道与上位控制模块对应电连接，数据传输通道将数据传输至上位控制模块，在上位控制模块中将叶面投影面积比、叶面稀疏度、叶面均衡度、叶面的空洞比与温室内的环境因子参数进行一一对应。

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