CN111435260A - 植物生长环境参数监控及环境模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植物生长环境参数监控及环境模拟系统，包括数据采集模块，设于实验容器中，用于采集实验容器中的植物生长的环境参数；环境控制模块，设于实验容器中，用于根据实验系统的环境调节控制指令对实验容器的植物生长环境进行调节；实验系统，内部设有与实验容器内的真实培养组对应的虚拟培养组，用于根据数据采集模块采集的实验容器中的植物生长的环境参数和预设的环境控制指标对环境控制模块进行控制；数据库，用于提供实验数据的存取服务；数据采集模块、环境控制模块、数据库分别通过通信网络与实验系统连接。本发明能够对植物的生长状况和生长环境进行实时监控，能够实现低成本、低风险、高效率、高精度的植物种植与栽培的研究。

Description

植物生长环境参数监控及环境模拟系统

技术领域

本发明涉及计算机信息化技术在植物种植与栽培的研究领域的应用，尤其涉及一种植物生长环境参数监控及环境模拟系统。

背景技术

在植物种植与栽培中，可参考的理论存在模糊不清的情况。例如温度、光照、土壤微量元素含量三者对植物生长的影响存在什么样的增减变化关系，是否存在相互促进作用。因此需要在植物种植与栽培中通过控制植物生长环境对影响植物生长的因素进行研究，通常采用设置若干对照组的方法进行研究，但是在目前的研究方法中，控制植物生长环境的普遍方法为大棚、温室种植。大棚和温室种植存在以下问题：

(1)、建造成本高：受高成本影响，设置的对照组数量往往达不到实验基本要求。得到的结果也是大致的温度或湿度区间，难以精准。更没有办法在大棚和田地进行针对土壤微量元素增减实验，因为这样的实验会破坏土质；

(2)、面积大管理成本高：一个大棚需要一名或数名管理人员才能完成植物日常管理和生长情况的记录，设置十个对照组，就要数十名管理人员甚至更多；

(3)、实验失败损失大：因为大棚的面积和成本的原因，大棚内会种植非常多的植物（不可能存在一个大棚一季只种几苗植株的情况），因为种植的量大，尝试新的环境参数的风险高，一旦失败可能导致大量减产造成巨大损失，导致技术人员不敢去尝试新的环境参数，所以，即便设置对照实验组也往往只设置2-3个参数保守的对照组获得大致的适宜生长参数；

(4)、在大棚及温室内无法进行高危险的植物育种实验：在这些相对开放的场所内，技术人员的安全得不到有力保障。

另外现有的研究方法中，普遍采用人工观察记录数据；采用人工记录数据，对纸质表格记录的数据进行处理及分析的成本较高，效率低，且纸质记录容易损毁，不方便保存，更不方便查阅；而且人工目测精确度低于仪器设备，而且很难保证进行记录的时间节点的精确度，特别是夜晚的观察记录的欠缺（夜晚工作人员基本下班即便安排值班人员效率也是极低的，人工24小时观察记录几乎是不可能的，且细微的改变肉眼难以觉察，这导致数据欠缺以及理论的欠缺，相当多的植物种类适宜光照时间和夜间适宜温度尚不明确）。

因此，如何实现低成本、低风险、高效率、高精度的植物种植与栽培的研究，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种植物生长环境参数监控及环境模拟系统，所述系统包括：

数据采集模块，存储有第一ID和第一安全令牌，设置于实验容器中，所述第一安全令牌用于数据采集模块与实验系统连接时对所述数据采集模块的身份进行验证，所述第一ID用于保证所述数据采集模块的身份的唯一性，所述数据采集模块用于采集实验容器中的植物生长的环境参数；

环境控制模块，存储有第二ID和第二安全令牌，设置于实验容器中，所述第二安全令牌用于环境控制模块与实验系统连接时对所述数据采集模块的身份进行验证，所述第二ID用于保证所述环境控制模块的身份的唯一性，所述环境控制模块用于根据实验系统的环境调节控制指令对所述实验容器的植物生长环境进行调节；

实验系统，内部设有与所述实验容器内的真实培养组对应的虚拟培养组，所述虚拟培养组与所述第一ID、第二ID绑定，所述实验系统用于根据所述数据采集模块采集的实验容器中的植物生长的环境参数和预设的环境控制指标对所述环境控制模块进行控制；

数据库，用于提供实验数据的存取服务；

所述数据采集模块、环境控制模块、数据库分别通过通信网络与所述实验系统连接。

优选地，所述系统还包括：

环境数据分析模块，与所述实验系统通过通信网络连接，用于从所述实验系统下载环境参数历史记录，对所述环境参数历史记录进行分析处理生成新的环境参数并回传至所述实验系统。

优选地，所述通信网络为WIFI无线网络，且所述通信网络统一使用HTTP协议。

优选地，所述实验系统设置有数据录入子模块，所述数据录入子模块用于人工手动录入实验数据。

优选地，所述数据采集模块包括依次连接的传感器子模块、第一数据处理子模块和第一通讯子模块，所述传感器子模块包括温度传感器、湿度传感器、光敏传感器、风速传感器和光学图像传感器，所述第一处理子模块用于将所述传感器子模块采集的环境参数的模拟信号转变为数字信号，所述第一通讯子模块用于与所述实验系统进行网络通讯。

优选地，所述环境控制模块包括依次连接的环境控制单元、信号发送子模块和第二通讯子模块，所述环境控制单元包括空气循环子模块、水循环子模块和太阳光模拟子模块，所述第二通讯模块用于与所述实验系统进行网络通讯，所述信号发送子模块用于将所述环境调节控制指令发送至所述环境控制单元。

优选地，所述实验系统内还集成有生长率分析AI子模块和WEB服务子模块，所述生长率分析AI子模块用于基于人工智能技术根据所述第一环境参数对实验容器中的植物的生长率进行分析和评分；所述WEB服务子模块用于为整个系统提供WEB服务。

优选地，所述环境数据分析模块内集成有数据处理AI子模块，所述数据处理AI子模块用于基于人工智能技术对所述环境参数历史记录进行分析处理生成新的环境参数。

由以上方案可知，本发明提供了一种植物生长环境参数监控及环境模拟系统，包括数据采集模块，存储有第一ID和第一安全令牌，设置于实验容器中，所述第一安全令牌用于数据采集模块与实验系统连接时对所述数据采集模块的身份进行验证，所述第一ID用于保证所述数据采集模块的身份的唯一性，所述数据采集模块用于采集实验容器中的植物生长的环境参数；环境控制模块，存储有第二ID和第二安全令牌，设置于实验容器中，所述第二安全令牌用于环境控制模块与实验系统连接时对所述数据采集模块的身份进行验证，所述第二ID用于保证所述环境控制模块的身份的唯一性，所述环境控制模块用于根据实验系统的环境调节控制指令对所述实验容器的植物生长环境进行调节；实验系统，内部设有与所述实验容器内的真实培养组对应的虚拟培养组，所述虚拟培养组与所述第一ID、第二ID绑定，所述实验系统用于根据所述数据采集模块采集的实验容器中的植物生长的环境参数和预设的环境控制指标对所述环境控制模块进行控制；数据库，用于提供实验数据的存取服务；所述数据采集模块、环境控制模块、数据库分别通过通信网络与所述实验系统连接。本发明通过在实验系统中设置虚拟培养组，并与实验容器中的真实培养组进行绑定，通过数据采集模块自动采集实验环境的环境参数，并通过实验系统对环境参数进行分析，根据预设的环境控制指标自动对实验环境的相关参数进行自动控制和调节，对植物的生长状况和生长环境进行全天候实时监控，采用人工、自动化设备和人工智能相结合的模式进行数据采集和数据分析，并使用统一的数据采集标准与采集方法进行实验数据的采集，能够实现低成本、低风险、高效率、高精度的植物种植与栽培的研究，有效解决了现有技术中通过大棚、温室种植进行植物种植与栽培研究中实验成本高、实验风险大、实验效率低和实现结果精确度低的问题。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明植物生长环境参数监控及环境模拟系统的结构示意图；

图2是本发明植物生长环境参数监控及环境模拟系统的实验系统处理来自模块连接请求的流程。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“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。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供了一种植物生长环境参数监控及环境模拟系统，如图1所示，所述系统包括：

数据采集模块，存储有第一ID和第一安全令牌，设置于实验容器中，第一安全令牌用于数据采集模块与实验系统连接时对数据采集模块的身份进行验证，第一ID用于保证数据采集模块的身份的唯一性，数据采集模块用于采集实验容器中的植物生长的环境参数；

环境控制模块，存储有第二ID和第二安全令牌，设置于实验容器中，第二安全令牌用于环境控制模块与实验系统连接时对数据采集模块的身份进行验证，第二ID用于保证环境控制模块的身份的唯一性，环境控制模块用于根据实验系统的环境调节控制指令对实验容器的植物生长环境进行调节；

实验系统，内部设有与实验容器内的真实培养组对应的虚拟培养组，虚拟培养组与第一ID、第二ID绑定，实验系统用于根据数据采集模块采集的实验容器中的植物生长的环境参数和预设的环境控制指标对环境控制模块进行控制；

数据库，用于提供实验数据的存取服务；

数据采集模块、环境控制模块、数据库分别通过通信网络与实验系统连接。

在本实施方式中，系统还包括：

环境数据分析模块，与实验系统通过通信网络连接，用于从实验系统下载环境参数历史记录，对环境参数历史记录进行分析处理生成新的环境参数并回传至实验系统。

在本实施方式中，通信网络为WIFI无线网络，且通信网络统一使用HTTP协议。

在本实施方式中，实验系统设置有数据录入子模块，数据录入子模块用于人工手动录入实验数据。

在本实施方式中，数据采集模块包括依次连接的传感器子模块、第一数据处理子模块和第一通讯子模块，传感器子模块包括温度传感器、湿度传感器、光敏传感器、风速传感器和光学图像传感器，第一处理子模块用于将传感器子模块采集的环境参数的模拟信号转变为数字信号，第一通讯子模块用于与实验系统进行网络通讯。

在本实施方式中，环境控制模块包括依次连接的环境控制单元、信号发送子模块和第二通讯子模块，环境控制单元包括空气循环子模块、水循环子模块和太阳光模拟子模块，第二通讯模块用于与实验系统进行网络通讯，信号发送子模块用于将环境调节控制指令发送至环境控制单元。

在本实施方式中，实验系统内还集成有生长率分析AI子模块和WEB服务子模块，生长率分析AI子模块用于基于人工智能技术根据第一环境参数对实验容器中的植物的生长率进行分析和评分；WEB服务子模块用于为整个系统提供WEB服务。

在本实施方式中，环境数据分析模块内集成有数据处理AI子模块，数据处理AI子模块用于基于人工智能技术对环境参数历史记录进行分析处理生成新的环境参数。

由以上方案可知，本发明提供了一种植物生长环境参数监控及环境模拟系统，包括数据采集模块，存储有第一ID和第一安全令牌，设置于实验容器中，第一安全令牌用于数据采集模块与实验系统连接时对数据采集模块的身份进行验证，第一ID用于保证数据采集模块的身份的唯一性，数据采集模块用于采集实验容器中的植物生长的环境参数；环境控制模块，存储有第二ID和第二安全令牌，设置于实验容器中，第二安全令牌用于环境控制模块与实验系统连接时对数据采集模块的身份进行验证，第二ID用于保证环境控制模块的身份的唯一性，环境控制模块用于根据实验系统的环境调节控制指令对实验容器的植物生长环境进行调节；实验系统，内部设有与实验容器内的真实培养组对应的虚拟培养组，虚拟培养组与第一ID、第二ID绑定，实验系统用于根据数据采集模块采集的实验容器中的植物生长的环境参数和预设的环境控制指标对环境控制模块进行控制；数据库，用于提供实验数据的存取服务；数据采集模块、环境控制模块、数据库分别通过通信网络与实验系统连接。本发明通过在实验系统中设置虚拟培养组，并与实验容器中的真实培养组进行绑定，通过数据采集模块自动采集实验环境的环境参数，并通过实验系统对环境参数进行分析，根据预设的环境控制指标自动对实验环境的相关参数进行自动控制和调节，对植物的生长状况和生长环境进行全天候实时监控，采用人工、自动化设备和人工智能相结合的模式进行数据采集和数据分析，并使用统一的数据采集标准与采集方法进行实验数据的采集，能够实现低成本、低风险、高效率、高精度的植物种植与栽培的研究，有效解决了现有技术中通过大棚、温室种植进行植物种植与栽培研究中实验成本高、实验风险大、实验效率低和实现结果精确度低的问题。

具体地，在本实施方式中，通过在大棚、温室环境基础上设计出缩小版自动控温环境——培养舱，从而缩小各模块体积，降低实验成本，可以在有限成本内设置更多的对照组。通过自动化模块完成采集、上传、远程控制，提高数据精度节约人力成本。

具体地，在本实施方式中，各模块与实验系统的连接采用WIFI无线网络，网络通信统一使用HTTP协议。通过在实验系统内建立虚拟培养组模型对应试验容器内的真实培养组，解决实际实验中容器嵌套与包含情形下的环境参数采集与控制问题。适应不同培养容器在各种环境下的数据采集。保证数据结构统一和数据的通用性。所采集的数据可使用同一套模型分析处理。通过令牌进行模块身份验证确定模块身份，并通过为模块配置ID确定模块的唯一性，与实验系统建立连接。实现模块与模块所在容器以及所属培养组绑定。实现多组模块能够同时连接实验系统，同时在线服务于各自所在培养组。以此为基础，实现实验系统远程监控和管理多个培养组，从而增强整个系统的信息化。

具体地，在本实施方式中，以采集环境数据为基础，进行培养实验时在实验系统建立培养组指定一组环境数据为环境控制指标。在之后的整个实验周期内，实验系统将培养组容器内的各环境参数控制到环境控制指标上。不需要人工调整，实验系统即可完成整个实验的控制与监控，从而增强整个系统的自动化。

具体地，在本实施方式中，通过人工智能分析与人工分析方式相结合，可以得出更加准确的结论。针对部分遗传性状极难被发现捕捉的特点，使用计算机视觉技术对培养组传回的图像进行处理分析，以发现细微改变，从而得出科学结论填补理论空白。

具体地，在本实施方式中，统一使用质量而非体积计算得出各种环境参数，让数据更加精准可靠。通过质量（称重获得）来衡量物质的量而非体积。环境参数统一使用8字节的双精度浮点型存储记录到数据库。记录质量的数值统一使用单位克。统一的数据采集标准，使得系统拥有更好的数据兼容性。

具体地，在本实施方式中，当野外环境中难以保证设备电源和网络时，技术人员可以根据标准采集方法，使用便携仪器设备对环境参数进行测量计算，然后手动录入系统。只要严格按照标准进行采集，可以达到与数据采集模块一样的效果。提供环境参数手动录入接口，使用手动与自动并存的方式，增加了灵活性与系统适用范围，使得系统拥有更灵活的数据采集方式。

具体地，在本实施方式中，记录质量变化可以最快最准确地计算出容器内环境参数的改变，这是非常关键的。体积会随温度变化（热胀冷缩），质量不会。可以有效防止数据混乱，适应更多测量环境，例如寒冷冰冻、高原低压等。在分析或者监控时可根据各物质质量和质量总和很快地计算出各物质的百分比。

具体地，试验容器可以包括高度密封的培养舱，高度密封的培养舱可以进行有毒有害物质以及对植物有影响的昆虫、微生物实验，其独立的循环系统可以保证实验安全，从而提高实验安全性拓展实验范围。

具体地，在本实施方式中，通过网络和计算机程序实现更高的自动化，无人值守的管理和实验。可通过在线平台实时远程监控。若出现以下情形之一：耗材耗尽、环境参数异常、系统故障、植物状态异常等。技术人员会收到系统的短信及邮件通知，以便及时作出调整让实验按计划继续进行。

具体地，在本实施方式中，因技术员掌握的知识和经验的不同，评估植物的生长速度存在主观的差异，为了弥补这种不足，专门引入了人工智能技术。人工智能是本发明极为重要的组成部分。人工智能的实现是基于数据和算法。本发明中的数据采集规范和原则均皆是为人工智能模块能够拥有可靠数据做的铺垫。考虑到人工智能尚处于发展阶段，而实验结果要求严谨可靠，本发明采用的是公认有效、公开的人工智能算法和训练方法。由于这些算法的开源性，有从业人员人人皆知特点，算法细节在本方案内不再复述。训练方法与对应的用途如下：

①监督学习：训练数据来源于人工录入环境参数结合人工评价的生长率。

②非监督学习：让AI自行录入历史数据寻找参数变化规律。

③深度学习：用于推算新的环境参数。

评价植物生长率使用监督学习，算法采用决策树和随机森林算法。

生成的模型集成到实验室系统做日常生长率分析用。环境数据分析模块的数据处理AI子模块也使用以上方法训练的模型。

通过训练AI模型，让人工智能参与实验效果的评估。

具体地，在本实施方式中，模块发送附带自身ID和令牌的连接请求，实验系统根据模块ID和令牌有效性允许并建立连接。其工作流程如图2所示。模块的分析结果上传后会与ID绑定以便区分划定用途和评估参考价值。运行时间分为定时运行和即时响应。

具体地，在本实施方式中，环境参数来源有如下3类：

1、使用传感器实地采集，在系统内标记时间和地点（含地区代码和经纬度，地区代码用于按省份快速查询）；

2、利用人工智能学习现有环境参数后（环境参数与生长率记录结合学习）生成新的环境参数；

3、人工手动录入系统，录入数据可以是技术员积累的经验也可以是用统计学方法对自然环境采集参数进行分析后用数学方法推导得出新的环境参数，也可以录入某地区某时间段的天气预报。

数据来源将会被实验系统标记，使用时根据这个标记确定适用范围和参考价值。通过3中方式获取环境参数，可优势互补，灵活适应各种实验场景。

具体地，在本实施方式中，环境参数项包括如下类型：

1、气体类：空气温度、空气湿度、含氧量、二氧化碳含量、氮气含量，硫含量（地区存在不同程度的污染系空气质量指标之一），颗粒物含量（按直径由小到大10微米步长采样），风力强度，其他元素及化合物录入参数（适用于室外组存在空气污染的情况，根据空气中含有的有害或非有害物质录入，例如化工企业周边可能存在可挥发气体苯等，可造成植物不同程度的突变）。

2、培养基类：培养基温度、培养基PH、培养基总质量（重量）、培养基有机质质量、培养基密度（土壤透气性评估指标）、培养基含沙质量、培养基含颗粒物质量（根据颗粒物直径按10微米步长采样）。

3、元素类：氮（可与化合物参数存在重叠，允许重叠是为了方便单独分析，排除化合物自然降解因素）、磷、钾、镁、氯、钙、碘、硼、锰、锌、钠、铜、钴、铁、钠。

4、离子类：硝酸根离子、铵离子、磷酸根离子、硫酸根离子、乙二胺四乙酸离子（适用于组培培养组）。

5、化合物类：肌醇（适用于组培培养组）、甘氨酸、盐酸硫胺素、盐酸吡哆醇、烟酸、蔗糖、琼脂（适用于组培培养组）、6-苄氨基嘌呤、吲哚-3-乙酸/IAA(组培实验组环境参数)、水(单位为克)。

6、微生物类：培养基霉菌数量、培养基真菌数量、培养基细菌数量（以微生物对消毒剂种类和敏感程度分霉菌、真菌、细菌3类）和其他种类菌类数量（根据培养组培养基内发现的菌种录入，未知菌种需显微拍照编号上传）。

7、光照类：强度、波段组成（按步长采样，分析紫外强度时取紫外波段值，分析红外强度时取红外段值）。

8、水分增减：降雨量（累加的参数，组培培养组为0，非室外组为浇水量（质量），单位为克）；降雨PH值（非室外环境组为浇水所使用的水的PH）

；蒸发量（从培养组创建开始计算，累计蒸发的水的质量）。

9、人工干预类参数：肥料种类和施肥频率（这会影响土壤质量）；除草频率（探究杂草对植物影响极为关键，记录方式为除草时录入除草标记和时间，系统根据标记出现频率计算除草频率）；杂草种类以及数量（根据被采集环境参数的自然环境中存在的其他植物的种类和密度进行记录采集）。

10、其他因素：对植物存在影响的生物（昆虫种类，动物类）及分布数量（因为室外培养组存在蚯蚓、屎壳郎、甚至老鼠等动物，这些动物可以导致植物增产或减产，在以往实际生产中这个指标对植物的培育常常有毁灭性的效果，所以这对寻找植物增产减产原因极为关键，室内培养组同样可以引入昆虫（例如蚯蚓）来研究环境中的昆虫对特定植物的影响）；对植物存在影响的其他植物类分布数量（例如杂草，会影响到植物生长。根据实际情况录入）；电磁辐射强度（探究电磁场对植物生长的影响及规律）；背景核辐射强度（记录背景辐射用于研究不同地域植物的遗传突变率）。

具体地，在本实施方式中，环境参数采集具体采用如下方法：

用于记录的环境参数数据采集模块的默认采集间隔为1小时。数据采集模块结构如图2所示。人工采集的环境参数项的采集时间间隔可以根据实验研究方向确定。土壤（培养基）相关参数在培养组建立时需采集录入初始量，在培养结束后可以采集录入结束量。实验系统拥有的灵活度决定了环境参数可根据研究方向自定义采集时间间隔。例如，如果要探究肥料对土壤的改变。需在培养组建立时采集，之后的培养过程中按需定期对土壤参数进行采集。采集越密集绘制的变化曲线越流畅。

采集周期：可分为全年不间断采集、按指定时间段采集、一个生命周期采集（因植物种类不同而不同）。

具体地，在本实施方式中，各名词指代对象以及其指代对象间的关系如下：

1、培养组

根据密闭程度分为：

室外培养组（主要用于原始环境数据的取得）

室内培养组（主要用于环境参数的试验）

根据培养基属性分为：

组培培养组（用于植物组织培养。使用组培培养基）

普通培养组（用于植物育苗，生长周期观察等。使用土壤或砂砾作为培养基）

“室内培养组”可以是“普通培养组”或“组培培养组”（具备普通培养组属性或组培培养组属性），但不可能既是“普通培养组”又是“组培培养组”。

组培培养组具备密闭属性不可能属于室外培养组。

2、容器

(1)、室外培养组容器：广义的容器（包含水田，旱地，池塘（用于水生植物）、林地等）主要用于自然界环境参数采集。这些环境在实验系统内统称为“容器”。类型字段记录“室外标记”。

(2)、室内培养组容器：广义的容器（大棚、密闭房间、温室、通风房间、透气培养舱、气密培养舱、培养瓶、培养皿）。主要用于低成本培养试验，在实验系统内也归纳为“容器”，在实验系统内拥有和室外组相同的数据结构，类型字段记录“室内标记”。

①培养瓶：可以用于组培实验，拥有多个型号，容量从100ml到500ml。

②培养舱：容量在10L到30L。

根据培养舱透气特性可分为：透气和气密两种。透气舱带空气门与外界相通。气密舱自带空气循环不与外界相通。

根据避光特性分为：避光舱，光控舱。避光舱用于组培组的特定阶段。光控舱通过控制模块实现光照控制，通过数据采集模块实现光强度采集。

根据防护特性可分为：电磁防护舱、核辐射防护舱，使用铝质和铅质外壳将舱内的危险辐射控制在舱内，以免危及舱外实验人员安全。

避光舱带电磁防护功能则名为“避光电磁防护舱”，但“避光”属性不可以与“光控”属性并存。其他属性以此类推。实验系统内部按类型的数据位记录属性。

父容器：父容器是相对于子容器而言，父容器本身可以是“温室”、“培养舱”等，“容器”是一个广义的容纳空间概念。

子容器：子容器是相对于父容器而言，子容器本身也是广义的“容器”，当培养舱置放于“温室”中，“温室”为父容器，培养舱为子容器。当“培养瓶”置放于“培养舱”中，那么可以称“培养瓶”为“子容器”，“培养舱”为“父容器”。

环境参数继承：当子容器使用父容器环境时，子容器就“继承”了父容器的环境。例如，当透气培养舱置放于“温室”内，“温室”为“父容器”，透气培养舱为“子容器”，因为子容器的透气性，父容器的空气可以进入到子容器，子容器就使用了父容器中的空气，那么就认为子容器“继承”了父容器的空气环境。以此类推，在“大棚”中使用相同土壤的“培养组”（子容器）从“大棚”（父容器）继承土壤环境。

培养基: 本系统内“培养基”为广义的培养基。包含狭义的组培琼脂类培养基，也包含营养液、砂砾甚至土壤等，是任何可用于培养实验的物质集合。

具体地，在本实施方式中，在实验控制及结果评估方面的相应方法如下：

控制指标：在培养组创建时指定的环境参数，是培养组要模拟的目标。

评分标准：

评分均使用投影法：得到被测量物投影到某个平面的面积，根据被测量物的外形和与投影平面的角度计算出被测量物的表面积或体积等再将本次情况与上次评分时情况对比，计算出增加量，根据增加量评分。

投影面积计算（叶面投影到平面的面积、根和茎以及其他器官也使用同样方法）：根据植物遗传具有稳定性的特点，植物的形状符合固定规律为已知量，根据植物投影面积用数学方法计算出植物的高度体积等重要指标以评估植物生长状况。

生长率方面使用采集评估方法：

透明培养基：计算机视觉技术进行评分；

非透明培养基（土壤等）：人工随机采样评分；

对于通过图像采集方法计算投影，投影平面为感光元器件表面；

对于人工计算投影，投影平面由操作的技术人员选取。

评估项可以包括：

根系发达程度、叶片数量、叶片面积、首片真叶生长时间（适用于包含发芽过程的培养组）、植物高度、发芽的时间点、落叶时间点及数量、结果时间点及果实生长速率、主干直径（适用于部分含有茎的植物）、叶面颜色（正常植物表面为嫩绿色，偏黄则可能存在病虫害。人工评分根据技术员积累的经验和掌握的理论知识评分，AI通过对历史记录的学习判断评分）、发芽率（适用于从种子开始的培养组）、脱分化率（适用于组培培养组）、分化率（适用于组培培养组）。

评分方式：人工评分与人工智能评分相结合。

具体地，在本实施方式中，系统及模块包括：

数据采集模块：安装有环境参数采集传感器的模块，如果存在容器嵌套，那么父容器需安装数据采集模块；如果子容器内有环境参数没有从父容器继承，需要独立采集某些环境参数，那么子容器内也需要安装数据采集模块。

环境控制模块：控制培养组的环境，安装在实验组的容器内。如果存在容器嵌套，那么父容器需安装环境控制模块；如果子容器内有环境参数没有从父容器继承需要独立控制，那么子容器内也需要安装环境控制模块。

实验系统：是所有模块的中枢，完成数据的汇总以及控制模块的调度。集成有WEB服务子模块、生长率分析AI子模块。

数据库：提供数据存取服务。

环境数据分析模块：从实验系统服务器下载环境参数历史记录进行分析，分析结果回传。

AI：人工智能(Artificial Intelligence缩写为AI)模块，存在于环境数据分析模块，也存在于实验系统，涉及生长率评估的AI模块为实验系统内的生长率分析AI子模块，涉及环境数据处理的AI模块为环境数据分析模块内的数据处理AI子模块。

具体地，在本实施方式中，需人工采集的环境参数的具体采集方法如下：

土壤质量（重量）的参数采集：土壤完全风干之后称重得出的值。采用常温风干不加热，保留有机质。

土壤含沙质量的参数采集：取一定量土壤常温完全风干之后称重得出土壤总质量；然后溶于水中搅拌均匀，沉积一分钟后将水倒掉保留沉积物，再次溶于水；一共重复此操作3次获得的沉积物风干后称重得到“颗粒物总质量”，土壤含沙质量 =颗粒物总质量；然后将颗粒物按10微米步长过筛（筛的孔径按10微米增加）所得颗粒物是称重依次录入系统“土壤含颗粒物质量”中，直径大于1cm的颗粒物用人工筛选称量计算后录入系统（录入数值为容器中含有此物质的总量）。种植部分植物时会使用大颗粒玄武岩（直径大于等于1cm）铺在花盆底部，此种方法可以增加土壤透气性，为了探究植物在花盆中的成活率，需要对花盆环境进行模拟。因此大颗粒物质的质量也应当作为环境参数之一，同时方便AI理解生长率。

土壤菌类数量的参数采集：

方法：先统计一克土壤的细菌数量，然后计算整个容器内的细菌数量。

步骤：

将土壤在25摄氏度~30摄氏度环境下风干；

称取一克土壤，溶解于1L蒸馏水；

取1ml均匀涂抹于培养基（可以是数个培养皿）表面；

置于25摄氏度环境下培养3天；

统计生长的菌群数量；

根据菌群数量计算出1L土壤原液中的细菌数量，从而得到一克土壤样本的细菌数量；

根据容器内培养基体积计算出细菌总数量；

再将总数录入系统完成采集。

昆虫数量的参数采集：

方法：测量10cm*10cm*10cm体积内昆虫数量，然后计算出整个容器内的总数量。

步骤：

取10cm*10cm*10cm体积探方3个，统计出平均每个探方内昆虫的个数；

根据容器内培养基体积计算出总数量；

总数录入系统完成采集。

对植物有影响的其他植物数量的参数采集：

测量10cm*10cm面积内植株数量，然后计算出整个容器内的总的苗数。

步骤：

取10cm*10cm大小探方3个，统计出平均每个探方内植物的苗数；

根据容器内培养基面积计算出总数量；

将总数录入系统完成采集。

土壤有机质质量的参数采集：

取一定量土壤常温完全风干之后称重得出土壤总质量；

然后将脱水后的土壤置于800摄氏度高温环境3小时后冷却称重得到“无机质质量”，有机质含量=总质量-无机质质量。

土壤所含元素类参数采集方法及步骤:

元素成分测定：使用专业仪器，若无条件检测则送有关科研机构检测。部分参数未录入实验系统不影响数据的可靠性，系统分析时只参考已经录入的环境参数。

仪器检测结果为物质或元素的“含量”，如何转为系统认可的质量是一个关键。操作步骤如下：

根据被培养植物根系可达土壤深度和面积确定对植物有影响的土壤的体积；

根据仪器测得结果计算出前面步骤划定空间内土壤中各元素质量；

录入系统完成参数采集。

需要说明的是，本发明提出的广义概念指代的是一类事物而非具体某一个事物，目的是解决计算机系统模型抽象、存储和逻辑运算等问题。系逻辑学包含与被包含关系。其所代表集合与子集所具备的具体属性已在名词解释中定义。

除传感器自动采集的环境参数外需要人工采集的参数例如土壤含沙质量等应严格按照土壤含沙质量采集方法进行采集测量，以保证数据的可靠性。这是AI分析结果正确性的基本保障。

本发明的重要特点是以记录质量为主。系统内涉及的“含量”类参数均为物质质量计算得来与体积无关，防止概念模糊与混淆，提高精确度。例如，空气中二氧化碳含量为0.3，表示每1克空气中含有二氧化碳0.3克。其余不带“含量”的参数除微生物、昆虫以数量计算外，其余物质相关参数均为质量值。为何不记录“含量”、“比例”而是记录“质量”。因为技术员每次操作都有可能向容器加入新物质。例如施肥，肥料的加入将导致系统对全部环境参数进行重新计算，因为新的物质的加入意味着总质量的改变。物质的比例也会发生改变。所以本系统的重要特点是以记录质量为主。

环境参数中微生物数量类环境参数、杂草类环境参数、昆虫类环境参数记录的值分别为微生物生命体个数（霉菌类包含孢子个数），昆虫类参数是指容器内昆虫的总数，杂草类为容器内总的苗数。这是本发明极为重要的一个特征这三类参数为总数。以方案中的方法进行统计计算得出。

环境参数中多次出现于与水相关的参数（比如降水量、蒸发量），虽然这类参数的单位是质量单位——克，但是并不意味着测量时一定要使用天平称重。因为水的体积较为稳定（地球宜居环境下可忽略水的热胀冷缩，冻土环境实验除外），在具体实验项目精度允许范围内，可以使用量筒测量，然后换算成质量录入实验系统。其他液体类参数同理。

本发明无实验地点限制，各模块均具备网络通信功能，存储有自身ID和安全令牌。一个培养组可以有数个数据采集模块和环境控制模块。可将任意模块以任意形式组合，可设置培养组于任何能够使用WIFI连接公网的地点。在实验系统内创建虚拟“培养组”后与真实参与实验的容器、数据采集模块、环境控制模块的ID绑定，设置好需采集的环境参数，指定具体环境参数来源（数据采集模块）。然后将数据采集模块、环境控制模块安装于容器内部即可开始实验。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果如下：

1、更低的实验成本，可设置更多对照组。绘制线性图表需要数十甚至数百实验结果。有了低成本的高信息化的培养舱可同时模拟上百组复杂环境。通过自动化模块完成采集、控制提高数据精度，远程管理可节约人力成本。

2、更精细完整的数据记录，科学统计分析后获得的实验结果价值更高。系统最大限度地记录可能影响植物生长状况的环境参数，实时监控植物生长状况并记录。可以根据记录绘制出环境参数变化曲线和生长率变化曲线。为了解各物质对于植物生长的促进作用提供帮助。分析结果更准确，可靠度更高。采集数据精度高，AI、人工相结合的分析统计，优势互补互。

3、可量化的实验结果。系统记录的精确数值可以准确反映植物的生长速率。记录生长速率和对应的时间，结合对照组可以以数字的形式准确反映出产量变化及增量。实验结束后可根据实验系统记录的实验初期各物质质量，与实验结束后的测量值对比。从而得知植物在整个实验过程中吸收了哪些物质。再通过对照组间环境参数的对比可得出——特定条件下会对特定矿物吸收有促进作用的结论。

4、更高的信息化与自动化。可实现无人工介入的全程全自动管理。让设置和管理数量庞大的对照组成为可能。无线网络连接，可实现跨地区多点监控。让无人区7*24小时环境数据采集与监控更加容易。模块身份认证机制确定模块唯一性，保证系统安全。

5、采用优化的系统架构，拥有更低的复杂度和更高的可靠性。集成传感器到一个模块，集成控制器到一个模块，减少了连接核心系统的终端数量。降低了整个系统的复杂性。复杂性降低带来的是整个系统稳定性和可靠性的提升。

6、解决了不同环境采集的数据间的兼容性。例如，空气相关环境参数使用了“含量”。因为空气极为特殊，除了气密培养舱具有独立的空气循环系统外，其他容器与外界存在空气交换，为了同时兼容这两种模式，空气成分统一使用“含量”记录。而含量使用质量值计算得出，并不违背实验系统内物质以质量值计算的原则。

7、统一的数据采集标准，更好的数据兼容性。实验培养组数据与生产企业的培养组数据兼容让数据拥有更宽的覆盖面从而统计出更准确的结果。

8、数据共享。让研究人员和生产企业技术员可以随时从数据库提取数据用于研究或指导企业生产。通过网络让科研机构可以从生产企业获取可用于研究的数据，如发现可以用于科学研究的植物个例可以通过互联网通知生产企业采集并送往指定科研机构。

9、实验安排的灵活性高，可根据实验成本预算让各种容器可以相互嵌套，综合控制节省成本。也可以根据需要独立控制与监控，最大限度地提供灵活性以满足各种实验需求。

10、有较好的扩展性与自由度。环境参数项的可增减，为记录某些未知化合物提供基础。未知物质在确定名称前会先进行编号，当物质名称查清或者命名之后，可将名称补充进系统，不影响实验进行。

11、可进行范围更宽广的实验。可以适用于植物组织培养、无土培养甚至于模拟森林、沙漠、干旱、盐碱、化工污染、核辐射污染、电磁污染环境以研究植物在这些环境下的生长状况和试验改良的种植方法。实验数据将被永久记录以备后续研究使用。

12、更高的安全保障。因为容器中的实验舱的安全性高，实验范围可扩展至遗传突变研究（化学、物理方法诱导突变）甚至微型生态圈研究。为探究极端环境下的植物增产减产原因、适应恶劣条件植株育种等提供基本保障。实验舱内的实验不会对外部环境造成污染，待实验结束后可对所有物质进行无害化处理。

此外，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上所述系统的功能。

本实施例中，所述植物生长环境参数监控及环境模拟系统集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

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 (8)

1.一种植物生长环境参数监控及环境模拟系统，其特征在于，包括：

数据采集模块，存储有第一ID和第一安全令牌，设置于实验容器中，所述第一安全令牌用于数据采集模块与实验系统连接时对所述数据采集模块的身份进行验证，所述第一ID用于保证所述数据采集模块的身份的唯一性，所述数据采集模块用于采集实验容器中的植物生长的环境参数；

环境控制模块，存储有第二ID和第二安全令牌，设置于实验容器中，所述第二安全令牌用于环境控制模块与实验系统连接时对所述数据采集模块的身份进行验证，所述第二ID用于保证所述环境控制模块的身份的唯一性，所述环境控制模块用于根据实验系统的环境调节控制指令对所述实验容器的植物生长环境进行调节；

实验系统，内部设有与所述实验容器内的真实培养组对应的虚拟培养组，所述虚拟培养组与所述第一ID、第二ID绑定，所述实验系统用于根据所述数据采集模块采集的实验容器中的植物生长的环境参数和预设的环境控制指标对所述环境控制模块进行控制；

数据库，用于提供实验数据的存取服务；

所述数据采集模块、环境控制模块、数据库分别通过通信网络与所述实验系统连接。

2.根据权利要求1所述的植物生长环境参数监控及环境模拟系统，其特征在于，还包括：

环境数据分析模块，与所述实验系统通过通信网络连接，用于从所述实验系统下载环境参数历史记录，对所述环境参数历史记录进行分析处理生成新的环境参数并回传至所述实验系统。

3.根据权利要求2所述的植物生长环境参数监控及环境模拟系统，其特征在于，所述通信网络为WIFI无线网络，且所述通信网络统一使用HTTP协议。

4.根据权利要求1所述的植物生长环境参数监控及环境模拟系统，其特征在于，所述实验系统设置有数据录入子模块，所述数据录入子模块用于人工手动录入实验数据。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的植物生长环境参数监控及环境模拟系统，其特征在于，所述数据采集模块包括依次连接的传感器子模块、第一数据处理子模块和第一通讯子模块，所述传感器子模块包括温度传感器、湿度传感器、光敏传感器、风速传感器和光学图像传感器，所述第一处理子模块用于将所述传感器子模块采集的环境参数的模拟信号转变为数字信号，所述第一通讯子模块用于与所述实验系统进行网络通讯。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的植物生长环境参数监控及环境模拟系统，其特征在于，所述环境控制模块包括依次连接的环境控制单元、信号发送子模块和第二通讯子模块，所述环境控制单元包括空气循环子模块、水循环子模块和太阳光模拟子模块，所述第二通讯模块用于与所述实验系统进行网络通讯，所述信号发送子模块用于将所述环境调节控制指令发送至所述环境控制单元。

7.根据权利要求1-4任意一项所述的植物生长环境参数监控及环境模拟系统，其特征在于，所述实验系统内还集成有生长率分析AI子模块和WEB服务子模块，所述生长率分析AI子模块用于基于人工智能技术根据所述第一环境参数对实验容器中的植物的生长率进行分析和评分；所述WEB服务子模块用于为整个系统提供WEB服务。

8.根据权利要求2或3所述的植物生长环境参数监控及环境模拟系统，其特征在于，所述环境数据分析模块内集成有数据处理AI子模块，所述数据处理AI子模块用于基于人工智能技术对所述环境参数历史记录进行分析处理生成新的环境参数。

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