CN111567275A - 一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制系统和方法，控制系统包括大棚本体、温度监测模组、室温调控模组、土壤温度调控模组和中心控制模组。温度监测模组包括多个温度监测单元，每个温度监测单元包括呈矩形分布的四个控温柱；室温调控模组包括循环风管，控温柱上设置有吸风口和出风口，土壤温度调控模组包括埋地管网，中心控制模组包括云端服务器、设置在控温柱上的子处理器以及用于云端服务器与控温柱的子处理器之间通信的通信网络。本发明的温度控制方法能够有效利用室内上层空间和下层空间之间的温差，通过将上层空间与下层空间的空气进行循环可提升下层空间的温度。

Description

一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制系统和方法

技术领域

本发明涉及温室大棚温度控制技术领域，具体涉及一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制系统和方法。

背景技术

我国是农业大国，具有非常多的农作物品种，一些农作物在播种之前，需要先对其育秧，不同种类的秧苗在生长过程中的不同时期对温度、水分等环境因素要求不同。因此，在温室大棚中，在不同的时期，需要控制不同的温度范围，以适合秧苗的生长，提高秧苗的质量。

一般情况棚内温度的控制由升温和降温两种方式，升温主要是通过太阳光的辐射，如果大棚保温不好的话，还可能额外安装加热装置辅助升温。降温通过风机与外界进行空气交换，这样的加热装置和风机在运行过程中都要消耗大量能源，由于其只是作用于棚内局部，棚内的整体温度不均匀，波动大，效果不理想。在实际应用中，也是少数棚内使用加热装置，大部分大棚的降温通常是用通过通风口的启闭来实现的，利用棚内外的空气流动起到降温散热的目的，但一般都是人工现场操作，费时费力，效果也不好。

现有的大棚温度控制方法存在以下不足之处：首先，对于温度数据的采集，通常只有单一的采集方式，因此，得到的温度数据并不一定能反应农作物生产周围的真实温度环境。其次，现有的温度采集方式中，没有采集土壤的温度，而弄些农作物对土壤的温度也有一定要求。再次，温度的调控方式比较单一，无法针对复杂的大棚室内温度环境进行灵活调节。

发明内容

本发明的目的是为解决上述技术问题的不足，提供一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制系统和方法。

本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制系统：

包括大棚本体、温度监测模组、室温调控模组、土壤温度调控模组和中心控制模组；

大棚本体包括骨架和塑料膜，骨架由多个平行的“门”字形框排列构成，塑料膜覆盖在骨架的外部；

温度监测模组包括设置在大棚本体内部的多个温度监测单元，每个温度监测单元包括呈矩形分布的四个控温柱，控温柱的内部设置有中心通道；

控温柱由上至下分为三个区域，分别为植上测温区、植间测温区以及植下测温区，控温柱的植下测温区插入土壤内设置，控温柱的植上测温区由上至下分布有多个室内温度传感器，控温柱的植间测温区由上至下分布有多个植间温度传感器，控温柱的植下测温区由上至下分布有多个土壤温度传感器；

室温调控模组包括安装在每个控温柱中的循环风管，循环风管穿设在控温柱的中心通道内，循环风管内对应控温柱的植上测温区和植间测温区交界处的位置设置有第一引风风机，第一引风风机的下方设置有第一电加热丝组件，循环风管内对应植间测温区和植下测温区的交界处设置有第一阀门；

控温柱位于植上测温区和植间测温区的侧壁上分别设置有吸风口和出风口，且出风口处设置有第二阀门；

土壤温度调控模组包括埋地管网，埋地管网包括进风总管和呈网状均匀分布在土壤内的多个通风支管构成，进风总管的进风端与循环风管的下端连接，进风总管内设置有第二电热丝组件；

中心控制模组包括云端服务器、设置在控温柱上的子处理器以及用于云端服务器与控温柱的子处理器之间通信的通信网络，控温柱上的子处理器与室内温度传感器、植间温度传感器、土壤温度传感器、第一引风风机、第一阀门和第二阀门均电连接。

作为本发明一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制系统的进一步优化：控温柱位于植上测温区和植间测温区的侧壁上设置有滑轨，滑轨上设置有多个滑块，多个室内温度传感器和植间温度传感器分别设置在滑块上。

作为本发明一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制系统的进一步优化：室内温度传感器和植间温度传感器均为PT100温度传感器。

作为本发明一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制系统的进一步优化：循环风管的材质为隔热材料。

作为本发明一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制系统的进一步优化：同个温度监测单元的四个控温柱的出风口均朝向矩形中心设置。

作为本发明一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制系统的进一步优化：埋地管网的排风总管处设置有第二引风风机。

作为本发明一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制系统的进一步优化：所述埋地管网的材质为不锈钢。

作为本发明一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制系统的进一步优化：所述通信网络为GPRS、3G或4G无线网络。

一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制方法，其特征在于：采集大棚内上层的室内温度数据、大棚内下层的植间温度数据以及土壤温度数据，将上述数据传输至云服务器，云服务器对数据进行处理并与设定的值进行对比，根据不同的对比结果发出相应的动作指令，具体包括：

若植间温度数据＜设定阈值，且室内温度数据-植间温度数据＜设定阈值，则向大棚下层持续输送加热后的空气，直到植间温度数据≥设定阈值；

若植间温度数据＜设定阈值，且室内温度数据-植间温度数据＞设定阈值，则利用循环风加速大棚上层空气与下层空气之间的流动，直到室内温度数据-植间温度数据≤设定阈值，此时，若植间温度数据仍＜设定阈值，则对循环风进行加热，直到植间温度数据＞设定阈值；

若土壤温度数据＜设定阈值，则向地下管网持续输送加热后的空气，直到土壤温度数据≥设定阈值。

作为本发明一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制方法的进一步优化：具体为：

S1：数据采集

通过分散设置在大棚内的控温柱上的室内温度传感器采集大棚内部上层空间的温度数据，通过控温柱上的植间温度传感器采集大棚内部下层空间的温度数据，通过控温柱上的土壤温度传感器采集大棚内土壤的温度数据，三种传感器采集的数据通过控温柱上的子处理器和无线网络传输至云服务器：

S2：数据处理

云服务器接受到所有温度监测单元的控温柱子处理器采集的温度数据，通过计算得到大棚内上层空间的平均温度Ts、大棚内下层空间的平均温度Tz以及大棚内的土壤平均温度Tt；

S3：发出控制指令

若Tz＜设定阈值，且Ts-Tz＜设定阈值，则向控温柱的子处理器发送指令，使第一引风风机启动，第一电加热丝组件启动，第一阀门关闭，第二阀门打开，通过控温柱上方的吸风口向循环风管内，并通过第一电加热丝组件将空气升温后，由第二阀门吹向大棚的下层空间，在此过程中，持续采集温度数据并传输至云服务器，直到Tz≥设定阈值，发出指令，使第一引风风机关闭，第一电加热丝组件启动，第一阀门关闭，第二阀门关闭；

若Tz＜设定阈值，且Ts-Tz＞设定阈值，则向控温柱的子处理器发送指令，使第一引风风机启动，第一阀门关闭，第二阀门打开，利用循环风加速大棚上层空气与下层空气之间的流动，直到Ts-Tz＜设定阈值，此时，若Tz＜设定阈值，则启动第一电加热丝组件，对循环风进行加热，直到Tz≥设定阈值，发出指令，使第一引风风机关闭，第一电加热丝组件启动，第一阀门关闭，第二阀门关闭；

若Tt＜设定阈值，则向控温柱的子处理器发送指令，使第一引风风机启动，第一电加热丝组件启动、第二电加热丝组件启动、第一阀门打开，第二阀门打开，向地下管网持续输送加热后的空气，直到Tt＜设定阈值，发出指令，使第一引风风机关闭，第一电加热丝组件关闭、第二电加热丝组件关闭，第一阀门关闭，第二阀门关闭。

本发明的温室大棚温度感知及控制方法和系统具有以下有益效果：

一、本发明的温度控制方法能够有效利用室内上层空间和下层空间之间的温差，由于空气受热后膨胀，导致其密度减小，因此容易上升到大棚室内的上层，导致上层空间和下层空间之间会产生较大温差，通过将上层空间与下层空间的空气进行循环可提升下层空间的温度；

二、本发明的温度控制方法能够确保大棚内土壤的温度保持在需要的温度范围内，保证农作物具有最佳的生长条件；

三、本发明的温度控制方法具有分布在大棚内的多个温度监测单元，且温度监测单元与云服务器之间通过无线网络通讯，云服务器接受到温度数据后，根据设定的温度条件可以发出不同的指令，以达到控制大棚室内各种温度的目的。

附图说明

图1为本发明温室大棚温度感知及控制系统中控温柱的分布示意图；

图2为本发明温室大棚温度感知及控制系统中控温柱的外部结构示意图；

图3为本发明温室大棚温度感知及控制系统中控温柱的内部结构示意图；

图4为本发明温室大棚温度感知及控制系统中埋地管网的结构示意图；

图5为本发明温室大棚温度感知及控制系统的通信原理示意图；

图中标记：1、大棚本体，2、控温柱，3、室内温度传感器，4、植间温度传感器，5、土壤温度传感器，6、循环风管，7、第一引风风机，8、第一电加热丝组件，9、第一阀门，10、吸风口，11、出风口，12、第二阀门，13、埋地管网，14、进风总管，15、通风支管，16、第二电热丝组件，17、第二引风风机，2-1、植上测温区，2-2、植间测温区，2-3、植下测温区。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

如图1所示：一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制系统，包括大棚本体1、温度监测模组、室温调控模组、土壤温度调控模组和中心控制模组。

大棚本体1包括骨架和塑料膜，骨架由多个平行的“门”字形框排列构成，塑料膜覆盖在骨架的外部。

温度监测模组包括设置在大棚本体1内部的多个温度监测单元，每个温度监测单元包括呈矩形分布的四个控温柱2，控温柱2的内部设置有中心通道。

控温柱2由上至下分为三个区域，分别为植上测温区2-1、植间测温区2-2以及植下测温区2-3，控温柱2的植下测温区2-3插入土壤内设置，控温柱2的植上测温区2-1由上至下分布有多个室内温度传感器3，控温柱2的植间测温区2-2由上至下分布有多个植间温度传感器4，控温柱2的植下测温区2-3由上至下分布有多个土壤温度传感器5。控温柱2位于植上测温区2-1和植间测温区2-2的侧壁上设置有滑轨，滑轨上设置有多个滑块，多个室内温度传感器3和植间温度传感器4分别设置在滑块上。通过滑块可实现室内温度传感器3和植间温度传感器4的位置调节，针对不同的农作物对植上测温区2-1和植间测温区2-2的划分进行调整，可适应不同的农作物。

其中，室内温度传感器3和植间温度传感器4均可采用PT100温度传感器。土壤温度传感器5可采用如中国专利CN201510178974.3中的温度传感器。

室温调控模组包括安装在每个控温柱2中的循环风管6，循环风管6穿设在控温柱2的中心通道内，循环风管6内对应控温柱2的植上测温区2-1和植间测温区2-2交界处的位置设置有第一引风风机7，第一引风风机7的下方设置有第一电加热丝组件8，循环风管6内对应植间测温区2-2和植下测温区2-3的交界处设置有第一阀门9。循环风管6的材质为隔热材料，使得经过加热的热风在循环风管6内流动时，最大程度上减少热量损失。

控温柱2位于植上测温区2-1和植间测温区2-2的侧壁上分别设置有吸风口10和出风口11，且出风口11处设置有第二阀门12，循环风管6对应有吸风口10和出风口11的位置分别设置有通风孔，同个温度监测单元的四个控温柱2的出风口11均朝向矩形中心设置。

土壤温度调控模组包括埋地管网13，埋地管网13包括进风总管14和呈网状均匀分布在土壤内的多个通风支管15构成，进风总管14的进风端与循环风管6的下端连接，进风总管14内设置有第二电热丝组件16，循环风在进入埋地管网13之前被再次加热，以提高进入埋地管网13的循环风的温度。埋地管网13的材质为不锈钢，使得其长期埋入地下不会生锈而影响热量的传递。埋地管网13的排风总管处设置有第二引风风机17，通过第二引风风机17可以加强循环风的流动速度。

中心控制模组包括云端服务器、设置在控温柱2上的子处理器以及用于云端服务器与控温柱2的子处理器之间通信的通信网络，通信网络为GPRS、3G或4G无线网络。控温柱2上的子处理器与室内温度传感器3、植间温度传感器4、土壤温度传感器5、第一引风风机7、第一阀门9和第二阀门12均电连接。子处理器上配备有无线传输模块，温度传感器采集到的实时温度数据通过子处理器的无线传输模块输送至云端服务器。云端服务器的各种指令信息也通过无线网络传输至各子处理器，并由子处理器将指令分别发送至对应动作端。

实施例2

如图4所示：一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制方法，具体为：

S1：数据采集

通过分散设置在大棚内的控温柱2上的室内温度传感器3采集大棚内部上层空间的温度数据，通过控温柱2上的植间温度传感器4采集大棚内部下层空间的温度数据，通过控温柱2上的土壤温度传感器5采集大棚内土壤的温度数据，三种传感器采集的数据通过控温柱2上的子处理器和无线网络传输至云服务器。

S2：数据处理

云服务器接受到所有温度监测单元的控温柱2子处理器采集的温度数据，通过计算得到大棚内上层空间的平均温度Ts、大棚内下层空间的平均温度Tz以及大棚内的土壤平均温度Tt。

S3：发出控制指令

若Tz＜设定阈值，且Ts-Tz＜设定阈值，则向控温柱2的子处理器发送指令，使第一引风风机7启动，第一电加热丝组件8启动，第一阀门9关闭，第二阀门12打开，通过控温柱2上方的吸风口10向循环风管6内，并通过第一电加热丝组件8将空气升温后，由第二阀门12吹向大棚的下层空间，在此过程中，持续采集温度数据并传输至云服务器，直到Tz≥设定阈值，发出指令，使第一引风风机7关闭，第一电加热丝组件8启动，第一阀门9关闭，第二阀门12关闭。

上述温度控制原理为：当云端服务器收到的植间平均温度低于设定的温度，也就是说植株周围的环境温度较低，并且植间平均温度和大棚上层温度之间的差别不大，仅仅通过上下层空气之间的循环无法提高植间温度，此时，将在循环的过程中，对循环空气进行加热，使得植间温度上升至需要的温度。

若Tz＜设定阈值，且Ts-Tz＞设定阈值，则向控温柱2的子处理器发送指令，使第一引风风机7启动，第一阀门9关闭，第二阀门12打开，利用循环风加速大棚上层空气与下层空气之间的流动，直到Ts-Tz＜设定阈值，此时，若Tz＜设定阈值，则启动第一电加热丝组件8，对循环风进行加热，直到Tz≥设定阈值，发出指令，使第一引风风机7关闭，第一电加热丝组件8启动，第一阀门9关闭，第二阀门12关闭。

上述温度控制原理为：当云端服务器收到的植间平均温度低于设定的温度，也就是说植株周围的环境温度较低，并且植间平均温度和大棚上层温度之间的差别较大时，先通过上下层空气之间的循环来提高植间温度，但是，当植间平均温度和大棚上层温度之间的温差逐渐缩小至不大时，植间温度仍然低于设定值，则在循环的过程中，对循环空气进行加热，使得植间温度上升至需要的温度。

若Tt＜设定阈值，则向控温柱2的子处理器发送指令，使第一引风风机7启动，第一电加热丝组件8启动、第二电加热丝组件启动、第一阀门9打开，第二阀门12打开，向地下管网持续输送加热后的空气，直到Tt＜设定阈值，发出指令，使第一引风风机7关闭，第一电加热丝组件8关闭、第二电加热丝组件关闭，第一阀门9关闭，第二阀门12关闭。

上述温度控制原理为：当云端服务器收到的土壤温度低于设定温度时，通过将大棚内的空气输送至埋地管网，使埋地管网的温度升高，通过热传导使土壤的温度升高。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制系统，其特征在于：

包括大棚本体(1)、温度监测模组、室温调控模组、土壤温度调控模组和中心控制模组；

大棚本体(1)包括骨架和塑料膜，骨架由多个平行的“门”字形框排列构成，塑料膜覆盖在骨架的外部；

温度监测模组包括设置在大棚本体(1)内部的多个温度监测单元，每个温度监测单元包括呈矩形分布的四个控温柱(2)，控温柱(2)的内部设置有中心通道；

控温柱(2)由上至下分为三个区域，分别为植上测温区(2-1)、植间测温区(2-2)以及植下测温区(2-3)，控温柱(2)的植下测温区(2-3)插入土壤内设置，控温柱(2)的植上测温区(2-1)由上至下分布有多个室内温度传感器(3)，控温柱(2)的植间测温区(2-2)由上至下分布有多个植间温度传感器(4)，控温柱(2)的植下测温区(2-3)由上至下分布有多个土壤温度传感器(5)；

室温调控模组包括安装在每个控温柱(2)中的循环风管(6)，循环风管(6)穿设在控温柱(2)的中心通道内，循环风管(6)内对应控温柱(2)的植上测温区(2-1)和植间测温区(2-2)交界处的位置设置有第一引风风机(7)，第一引风风机(7)的下方设置有第一电加热丝组件(8)，循环风管(6)内对应植间测温区(2-2)和植下测温区(2-3)的交界处设置有第一阀门(9)；

控温柱(2)位于植上测温区(2-1)和植间测温区(2-2)的侧壁上分别设置有吸风口(10)和出风口(11)，且出风口(11)处设置有第二阀门(12)，循环风管(6)对应有吸风口(10)和出风口(11)的位置分别设置有通风孔；

土壤温度调控模组包括埋地管网(13)，埋地管网(13)包括进风总管(14)和呈网状均匀分布在土壤内的多个通风支管(15)构成，进风总管(14)的进风端与循环风管(6)的下端连接，进风总管(14)内设置有第二电热丝组件(16)；

中心控制模组包括云端服务器、设置在控温柱(2)上的子处理器以及用于云端服务器与控温柱(2)的子处理器之间通信的通信网络，控温柱(2)上的子处理器与室内温度传感器(3)、植间温度传感器(4)、土壤温度传感器(5)、第一引风风机(7)、第一阀门(9)、第二阀门(12)、第一电加热丝组件(8)和第二电热丝组件(16)均电连接。

2.如权利要求1所述一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制系统，其特征在于：控温柱(2)位于植上测温区(2-1)和植间测温区(2-2)的侧壁上设置有滑轨，滑轨上设置有多个滑块，多个室内温度传感器(3)和植间温度传感器(4)分别设置在滑块上。

3.如权利要求1所述一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制系统，其特征在于：室内温度传感器(3)和植间温度传感器(4)均为PT100温度传感器。

4.如权利要求1所述一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制系统，其特征在于：循环风管(6)的材质为隔热材料。

5.如权利要求1所述一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制系统，其特征在于：同个温度监测单元的四个控温柱(2)的出风口(11)均朝向矩形中心设置。

6.如权利要求1所述一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制系统，其特征在于：埋地管网(13)的排风总管处设置有第二引风风机(17)，第二引风风机(17)与其中一个控温柱(2)上的子处理器电连接。

7.如权利要求1所述一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制系统，其特征在于：所述埋地管网(13)的材质为不锈钢。

8.如权利要求1所述一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制系统，其特征在于：所述通信网络为GPRS、3G或4G无线网络。

9.一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制方法，其特征在于：采集大棚内上层的室内温度数据、大棚内下层的植间温度数据以及土壤温度数据，将上述数据传输至云服务器，云服务器对数据进行处理并与设定的值进行对比，根据不同的对比结果发出相应的动作指令，具体包括：

若植间温度数据＜设定阈值，且室内温度数据-植间温度数据＜设定阈值，则向大棚下层持续输送加热后的空气，直到植间温度数据≥设定阈值；

若植间温度数据＜设定阈值，且室内温度数据-植间温度数据＞设定阈值，则利用循环风加速大棚上层空气与下层空气之间的流动，直到室内温度数据-植间温度数据≤设定阈值，此时，若植间温度数据仍＜设定阈值，则对循环风进行加热，直到植间温度数据＞设定阈值；

若土壤温度数据＜设定阈值，则向地下管网持续输送加热后的空气，直到土壤温度数据≥设定阈值。

10.如权利要求9所述一种基于物联网的温室大棚温度感知及控制方法，其特征在于：利用权利要求1所述控制系统对大棚温度件控制，具体为：

S1：数据采集

通过分散设置在大棚内的控温柱(2)上的室内温度传感器(3)采集大棚内部上层空间的温度数据，通过控温柱(2)上的植间温度传感器(4)采集大棚内部下层空间的温度数据，通过控温柱(2)上的土壤温度传感器(5)采集大棚内土壤的温度数据，三种传感器采集的数据通过控温柱(2)上的子处理器和无线网络传输至云服务器：

S2：数据处理

云服务器接受到所有温度监测单元的控温柱(2)子处理器采集的温度数据，通过计算得到大棚内上层空间的平均温度Ts、大棚内下层空间的平均温度Tz以及大棚内的土壤平均温度Tt；

S3：发出控制指令

若Tz＜设定阈值，且Ts-Tz＜设定阈值，则向控温柱(2)的子处理器发送指令，使第一引风风机(7)启动，第一电加热丝组件(8)启动，第一阀门(9)关闭，第二阀门(12)打开，通过控温柱(2)上方的吸风口(10)向循环风管(6)内，并通过第一电加热丝组件(8)将空气升温后，由第二阀门(12)吹向大棚的下层空间，在此过程中，持续采集温度数据并传输至云服务器，直到Tz≥设定阈值，发出指令，使第一引风风机(7)关闭，第一电加热丝组件(8)启动，第一阀门(9)关闭，第二阀门(12)关闭；

若Tz＜设定阈值，且Ts-Tz＞设定阈值，则向控温柱(2)的子处理器发送指令，使第一引风风机(7)启动，第一阀门(9)关闭，第二阀门(12)打开，利用循环风加速大棚上层空气与下层空气之间的流动，直到Ts-Tz＜设定阈值，此时，若Tz＜设定阈值，则启动第一电加热丝组件(8)，对循环风进行加热，直到Tz≥设定阈值，发出指令，使第一引风风机(7)关闭，第一电加热丝组件(8)启动，第一阀门(9)关闭，第二阀门(12)关闭；

若Tt＜设定阈值，则向控温柱(2)的子处理器发送指令，使第一引风风机(7)启动，第一电加热丝组件(8)启动、第二电加热丝组件(16)启动、第一阀门(9)打开，第二阀门(12)打开，向地下管网持续输送加热后的空气，直到Tt＜设定阈值，发出指令，使第一引风风机(7)关闭，第一电加热丝组件(8)关闭、第二电加热丝组件(16)关闭，第一阀门(9)关闭，第二阀门(12)关闭。

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