CN112331017A - 一种用于教学的模拟农业大棚控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明为方便教学，帮助学生实验与学习，从而提供一种用于教学的模拟农业大棚控制系统及方法。本发明至少包括展架、程序编辑工具、边缘计算网关、DDC控制器、自动采集数据系统、手动调整系统、自动控制系统。所述自动控制系统至少包括遮阳帘模拟器、自动通风指示灯、自动加热指示灯、农田模拟室、迷你风扇、自动施肥指示灯、自动浇灌指示灯、自动补光指示灯、自动除虫指示灯。所述手动调整系统至少包括手动总开关和现场强制启动开关、指示灯、档位调节器；学生利用程序编辑工具编制程序，边缘计算网关对相应的模拟仪器设备发送控制指令，模拟设备或指示灯动作，学生通过动作反馈判定程序对错。本发明具有直观的教学功能，提高了教学效率。

Description

一种用于教学的模拟农业大棚控制系统及方法

技术领域

本发明属于教学用具技术领域，尤其涉及一种用于教学的模拟农业大棚控制系统及方法。

背景技术

当前高校中计算机专业教学实验用具较少，大学生课程中关于农业大棚智能控制系统大部分都集中于书面，智能化程度和可操作程度低，一方面，学生不能进行直观的观察，教师教学时无法进行控制动作展示；另一方面学生编写程序后也无法通过模拟动作来检验程序对错。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种用于教学的模拟农业大棚控制系统及方法，帮助师生顺利开展教学与实验，解决背景技术的不足。

本发明技术方案如下：

一种用于教学的模拟农业大棚控制系统，包括程序编辑工具、边缘计算网关、DDC控制器、自动采集数据系统、手动调整系统、自动控制系统、显示屏装置、展架。

所述展架为长方形箱体，用金属材料制作，箱体两侧可以打开；所述展架包括展示面、穿线槽；所述展示面是带孔洞的金属片，便于与仪器设备进行螺钉连接；所述穿线槽与展示面螺钉连接，突出于展示面，槽宽10cm，槽高10cm；所述穿线槽侧面为椭圆形镂空结构，便于穿过电线、控制线；所述穿线槽通过横向设置与纵向设置，将展示面划分成若干格子。

所述显示屏装置包括：室内参数显示屏、室外参数显示屏、光照总量显示屏、单位时间光照显示屏。

所述程序编辑工具用于编辑程序与设定参数，所述参数包括：室内温度、室内湿度、室内光照、室外温度、室外湿度、室外光照、室外雨量、土壤温度、土壤湿度、二氧化碳浓度、除虫时间、施肥时间；所述程序编辑工具可以是电脑或者手机。

所述边缘计算网关通过互联网与程序编辑工具进行通讯连接，控制仪器设备动作；所述边缘计算网关与DDC控制器、自动采集数据系统、显示屏装置通过总线进行连接，所述DDC控制器与手动调整系统、自动控制系统通过控制线进行通讯连接。

所述自动采集数据系统包括气象监测装置、安防门禁装置、室内温湿度传感器、二氧化碳变送器、光照度变送器、土壤温湿度传感器；所述气象监测装置用来监测室外的温度、湿度、光照、大气压、雨量；所述气象监测装置设置于展架顶面，与展架顶面通过螺钉进行连接；所述安防门禁装置包括摄像头、人脸门禁。

进一步的，所述气象监测装置能够将监测数据发送至边缘计算网关，边缘计算网关并将数据传输至室外参数显示屏进行显示。

进一步的，所述室内温湿度传感器、光照度变送器、二氧化碳变送器将数据上传至边缘计算网关，边缘计算网关实时将数据上传至室内参数显示屏，所述室内参数显示屏能够实时显示室内温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度。

所述自动控制系统包括遮阳帘模拟器、自动通风指示灯、自动加热指示灯、农田模拟室、迷你风扇、自动施肥指示灯、自动浇灌指示灯、水表、电磁阀、模拟肥料室、自动补光指示灯、自动除虫指示灯、日照指示灯、下雨指示灯、刮风指示灯；所述迷你风扇设置于农田模拟室中。

进一步的，所述遮阳帘模拟器包括电动机与传动轴、塑料转筒；所述塑料转筒由圆柱形壳体和圆柱形壳体两端的端盖构成，所述端盖与圆柱形壳体是螺纹连接；所述塑料转筒的一个端盖与传动轴固定连接，另一个端盖中间设置圆孔，所述塑料转筒内装有土壤，所述土壤温湿度传感器设置于塑料转筒中土壤内，所述土壤温湿度传感器控制线穿过端盖中心的圆孔与DDC控制器进行连接；所述遮阳帘模拟器接收边缘计算网关的动作指令后，遮阳帘模拟器动作，传动轴转动，带动塑料转筒转动。

所述手动调整系统包括手动/自动切换开关、档位调节器、现场强制启动开关、强制动作指示灯；所述现场强制启动开关为8个，分别用于强制开启通风、加热、加湿、遮阳、浇灌、施肥、除虫、光照的开关； 所述强制动作指示灯与现场强制启动开关相对应，数量为8个，分别为强制通风指示灯、强制加热指示灯、强制加湿指示灯、强制遮阳指示灯、强制浇灌指示灯、强制施肥指示灯、强制除虫指示灯、强制光照指示灯。

所述档位调节器为4个，分别是室内温度调节器、室内湿度调节器、室内光照调节器、室内土温调节器；所述档位调节器可以选择不同的数值。

一种用于教学的模拟农业大棚控制方法，包括手动控制与自动控制，其中

手动控制：

将所述手动/自动切换开关切换至手动态；手动调节档位调节器，调节室内温度、室内湿度、室内光照或室内土温数值，所述档位调节器将数据上传至边缘计算网关，边缘计算网关将调节的数据发送至室内参数显示屏进行显示，边缘计算网关将档位调节器调节的数据与学生编辑程序中的室内温度、湿度、光照、土温相比较，若与编辑程序中设定参数不一致，则边缘计算网关发送控制指令，具体如下：

（1）若调节的室内温度大于程序编辑中设置的温度，则边缘计算网关发送指令，开启自动通风指示灯；若调节的室内温度小于程序编辑中设置的温度，则边缘计算网关发送指令，开启自动加热指示灯；

（2）若调节的室内土温大于程序编辑中设置的温度，则边缘计算网关发送指令，开启自动通风指示灯；若调节土温小于程序编辑中设置的温度，则边缘计算网关发送指令，开启自动加热指示灯；

（3）若室内光照大于程序编辑中设置的光照，则边缘计算网关发送指令，遮阳帘模拟器动作；若调节的室内光照小于程序编辑中设置的数据，则边缘计算网关发送指令，开启自动补光指示灯；

（4）若调节的室内湿度大于程序编辑中设置的湿度，则边缘计算网关发送指令，开启自动通风指示灯；若调节湿度小于程序编辑中设置的湿度，则边缘计算网关发送指令，开启自动浇灌指示灯，同时，电磁阀开启。

自动控制：

将所述手动/自动切换开关切换到自动态；所述气象监测装置将室外的温度、湿度、光照、大气压、雨量数据上传至边缘计算网关；所述边缘计算网关将室外的温度、日照、大气压数据传输至室外显示屏进行显示，同时边缘计算网关将室外光照与程序编辑中设定数据比较，若光照正常，则日照指示灯亮，若室外下雨，则边缘计算网关2发送控制指令，下雨指示灯亮。

所述室内温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光照度变送器、二氧化碳变送器将监测的数据上传至边缘计算网关，边缘计算网关将获取的上述数据与程序编辑工具设定数据相比较，若与编辑程序中设定参数不一致，则边缘计算网关发送控制指令，具体如下：

（1）若室内温度低于设定温度要求，则边缘计算网关发送控制指令，开启自动加热灯；若室内温度高于设定温度要求，则边缘计算网关发送控制指令，开启农田模拟室中的迷你风扇；

（2）若室内光照高于设定光照要求，则边缘计算网关发送控制指令，遮阳帘模拟器动作，塑料转筒转动；若室内光照低于设定光照要求，则边缘计算网关发送控制指令，自动补光指示灯亮，边缘计算网关记录光照数据，并实时发送数据至单位时间光照量显示屏、光照总量显示屏；

（3）若土壤温度低于程序编辑工具设定数据，则边缘计算网关发送控制指令，开启自动加热指示灯；若土壤湿度低于程序编辑工具设定数据，并且持续时间超过，则边缘计算网关发送控制指令，自动浇灌指示灯亮，同时电磁阀打开。

（4）若二氧化碳变送器监测到二氧化碳浓度低于设定数值要求，则边缘计算网关发送控制指令，开启自动通风指示灯。

进一步的，所述边缘计算网关接收程序编辑工具的指令，定期开启或关闭自动除虫指示灯和自动施肥指示灯。

本发明提供了一种用于教学的模拟农业大棚控制系统及方法，由于接入较多的设备，能够使学生充分认识仪器设备，通过提供全套的模拟环境可以供学生理解智能农业大棚的工作原理，开发农业大棚应用功能，了解农业生产的业务内容；本发明对于学生的编辑的程序有相应的动作反馈，可以使学生检验自己程序对错，有效的促进了师生教学实验的展开，增强了学生的直观感受，提高教学效率。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图中标记为：程序编辑工具1；边缘计算网关2；自动采集数据系统3；手动调整系统4；自动控制系统5；DDC控制器6；显示屏装置7。

图2为自动采集数据系统结构示意图

图中标记为：气象监测装置301；安防门禁装置302；室内温湿度传感器303；二氧化碳变送器304；关照度变送器305；土壤温湿度传感器 306。

图3为手动调整系统

图中标记为：手动/自动切换开关401 ；档位调节器 402；现场强制启动开关 403；强制动作指示灯404 。

图4为自动控制系统结构示意图

图中标记为：遮阳帘模拟器 501；自动通风指示灯502；自动加热指示灯503；农田模拟室 504；迷你风扇505；自动除虫指示灯506；自动补光指示灯507；

自动浇灌指示灯508；自动施肥指示灯509；水表510；电磁阀 511；模拟肥料室512 ；下雨指示灯513；日照正常指示灯514；刮风指示灯515。

图5为显示屏装置结构示意图

图中标记为：室内参数显示屏701；室外参数显示屏702；光照总量显示屏703；

单位时间关照显示屏704。

图6为展架结构示意图

图中标记为：展示面801；穿线槽802。

具体实施方式

如图1-6所示，本发明提供一种用于教学的模拟农业大棚控制系统，包括程序编辑工具1、边缘计算网关2、自动采集数据系统3、手动调整系统4、、自动控制系5、DDC控制器6、显示屏装置7、展架8。

所述显示屏装置7包括：室内参数显示屏701、室外参数显示屏702、光照总量显示屏703、单位时间光照显示屏704。

所述展架8为长方形箱体，用金属材料制作，箱体两侧可以打开，所述展架包括展示面801、穿线槽802。所述展示101面是带孔洞的金属片，便于与模拟农业大棚仪器设备进行螺钉连接；所述穿线槽与展示面螺钉连接，突出于展示面，槽宽10cm，槽高10cm；所述穿线槽侧面为椭圆形镂空结构，便于穿过电线、控制线；所述穿线槽通过横向设置与纵向设置，将展示面划分成若干格子。

所述程序编辑工具1用于编辑程序与设定参数，所述参数包括：室内温度、室内湿度、室内光照、室外温度、室外湿度、室外光照、土壤温度、土壤湿度、二氧化碳浓度、除虫时间、施肥时间。

所述边缘计算网关2通过互联网与程序编辑工具进行通讯连接，能够对农业大棚模拟仪器发送控制指令；所述边缘计算网关2与DDC控制器6、自动采集数据系统3、室内参数显示屏701、室外参数显示屏702、单位时间光照量显示屏702、光照总量显示屏703通过总线进行连接，所述DDC控制器6与手动调整系统4、自动控制系统5通过控制线进行通讯连接。

所述自动采集数据系统3包括气象监测装置301、安防门禁装置302、室内温湿度传感器303、二氧化碳变送器304、光照度变送器305、土壤温湿度传感器306；所述室内温湿度传感器303、二氧化碳变送器304、光照度变送器305将数据上传至边缘计算网关2，边缘计算网关2实时将数据上传至室内参数显示屏701，所述室内参数显示屏701能够实时显示室内温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度；所述气象监测装置设置于展架顶面，与展架顶面螺钉连接，使用气象监测装置时，将气象监测装置从展架上拆下，放置在室外或窗台，可以进行环境参数监测；所述气象监测装置能够将监测数据发送至边缘计算网关2，边缘计算网关2将数据传输至室外参数显示屏702进行显示；所述气象监测装置用来监测室外的温度、湿度、光照、大气压、雨量；

所述手动调整系统4包括手动/自动切换开关401、档位调节器402、现场强制启动开关403、强制动作指示灯404。所述档位调节器402包括室内温度调节器、室内湿度调节器、室内光照调节器、室内土温调节器；所述强制动作指示灯404包括强制通风指示灯、强制加热指示灯、强制加湿指示灯、强制遮阳指示灯、强制浇灌指示灯、强制施肥指示灯、强制除虫指示灯、强制光照指示灯。所述现场强制启动开关是强制开通风开关、强制加热开关、强制加湿开关、强制遮阳开关、强制浇灌开关、强制施肥开关、强制除虫开关、强制光照开关。

所述自动控制系统5包括遮阳帘模拟器501、自动通风指示灯502、自动加热指示灯503、农田模拟室504、迷你风扇505、自动除虫指示灯506、自动补光指示灯507、自动浇灌指示灯508、自动施肥指示灯509、水表510、电磁阀511、模拟肥料室512、下雨指示灯513、日照正常指示灯514、刮风指示灯515；所述迷你风扇505设置于农田模拟室504中；所述水表510与模拟肥料室512通过塑料管道连接，所述电磁阀511设置塑料管道上。

所述遮阳帘模拟器501包括包括电动机与传动轴、塑料转筒；所述塑料转筒包括圆柱形壳体和2个端盖，所述2个端盖与圆柱形壳体螺纹连接；所述塑料转筒的一个端盖与传动轴固定连接，另一个端盖中间设置圆孔，所述塑料转筒内装有土壤，所述土壤温湿度传感器设置于塑料转筒中土壤内，所述土壤温湿度传感器306控制线穿过端盖中心的圆孔与DDC控制器6进行连接；所述遮阳帘模拟器501接收边缘计算网关2的动作指令后，遮阳帘模拟器501动作，传动轴转动，带动塑料转筒转动；通过塑料转筒转动，判定程序编辑情况。

本系统仪器设备均通过螺钉与展架进行连接。

本发明还提供一种用于教学的模拟农业大棚控制方法，包括：手动控制与自动控制；其中

手动控制：

将手动/自动切换开关401切换到手动态，利用档位调节器402手动调节室内温度、室内湿度、室内光照或者室内土温，所述档位调节器402将数据上传至边缘计算网关2，边缘计算网关2将调节的数据发送至室内参数显示屏701进行显示，边缘计算网关2将档位调节器402调节的数据与编辑程序中的室内温度、湿度、光照、土温相比较，若与编辑程序中设定参数不一致，则边缘计算网关2发送控制指令，具体如下：

（1）若调节的室内温度大于程序编辑中设置的温度，则边缘计算网关2发送指令，开启自动通风指示灯502，同时开启迷你风扇505；若调节的室内温度小于程序编辑中设置的温度，则边缘计算网关2发送指令，开启自动加热指示灯503；

（2）若调节的室内土温大于程序编辑中设置的温度，则边缘计算网关2发送指令，开启自动通风指示灯502；若调节土温小于程序编辑中设置的温度，则边缘计算网关发送指令，开启自动加热指示灯503；

（3）若室内光照大于程序编辑中设置的光照，则边缘计算网关2发送指令，遮阳帘模拟器动作，塑料转筒转动；若调节的室内光照小于程序编辑中设置的光照度，则边缘计算网关2发送指令，开启自动补光指示灯507；

（4）若调节的室内湿度大于程序编辑中设置的湿度，则边缘计算网关2发送指令，开启自动通风指示灯502；若调节室内湿度小于程序编辑中设置的湿度，则边缘计算网关2发送指令，开启自动浇灌指示灯508，同时电磁阀511打开。

通过指示灯与模拟仪器的反馈，来判断程序编辑情况。

自动控制：

将手动/自动切换开关401切换到自动态；将气象监测装置301从展架上拆下，放在室外或者窗台上；所述气象监测装置301能够将室外的温度、湿度、光照、大气压、雨量数据上传至边缘计算网关2，所述边缘计算网关2将室外的温度、日照、大气压数据传输至室外显示屏进行显示，同时边缘计算网关2将室外光照与程序编辑中设定数据比较，若光照正常，则日照指示灯亮，若室外下雨，则边缘计算网关2发送控制指令，下雨指示灯亮。

所述室内温湿度传感器303、二氧化碳变送器304、光照度变送器305、土壤温湿度传感器306将监测的数据上传至边缘计算网关2，边缘计算网关2将获取的数据与程序编辑工具设定数据相比较，若与编辑程序中设定参数不一致，则边缘计算网关2发送控制指令，具体如下：

（1）若室内温度低于设定温度要求，则边缘计算网关2发送控制指令，开启自动加热指示灯503；若室内温度高于设定温度要求，则边缘计算网关2发送控制指令，开启自动通风指示灯502，同时开启农田模拟室18中的迷你风扇505；

（2）若室内光照高于设定光照要求，则边缘计算网关2发送控制指令，遮阳帘模拟器动作，若室内光照低于设定光照要求，则边缘计算网关2发送控制指令，自动补光指示灯507亮，边缘计算网关2记录光照数据，并实时发送数据至单位时间光照量显示屏9和光照总量显示屏703；

（3）若土壤温度低于程序编辑工具设定数据，则边缘计算网关发送控制指令，开启自动加热指示灯503；若土壤湿度低于程序编辑工具设定数据，则边缘计算网关2发送控制指令，自动浇灌指示灯508亮，同时电磁阀511打开。边缘计算网关2定期发送控制指令，开启自动施肥指示灯509，同时电磁阀511打开；

（4）若二氧化碳变送器10监测到二氧化碳浓度低于程序编辑工具设定数值要求，则边缘计算网关2发送控制指令，开启自动通风指示灯502。

通过上述手动与自动控制方法，根据仪器与指示灯动作情况，来开展教学实验，判断程序编辑情况。

Claims (6)

1.一种用于教学的模拟农业大棚控制系统，其特征在于，包括：程序编辑工具、边缘计算网关、DDC控制器、自动采集数据系统、手动调整系统、自动控制系统、显示屏装置、展架；

所述程序编辑工具用于编辑程序与设定参数，所述参数包括：室内温度、室内湿度、室内光照、室外温度、室外湿度、室外光照、室外雨量、土壤温度、土壤湿度、二氧化碳浓度、除虫时间、施肥时间；

所述边缘计算网关通过互联网与程序编辑工具进行通讯连接，对自动控制系统发送控制指令；所述边缘计算网关与DDC控制器、自动采集数据系统、显示屏装置通过总线进行连接，所述DDC控制器与手动调整系统、自动控制系统通过控制线进行通讯连接；

所述自动采集数据系统包括气象监测装置、安防门禁装置、室内温湿度传感器、二氧化碳变送器、光照度变送器、土壤温湿度传感器；所述气象监测装置用来监测室外的温度、湿度、光照、大气压、雨量；

所述自动控制系统包括遮阳帘模拟器、自动通风指示灯、自动加热指示灯、农田模拟室、迷你风扇、自动施肥指示灯、自动浇灌指示灯、水表、电磁阀、模拟肥料室、自动补光指示灯、自动除虫指示灯、日照指示灯、下雨指示灯、刮风指示灯；所述迷你风扇设置于农田模拟室中；

所述手动调整系统包括手动/自动切换开关、现场强制启动开关、强制动作指示灯、档位调节器。

2.根据权利要求1所述的一种用于教学的模拟农业大棚控制系统，其特征在于，所述遮阳帘模拟器包括电动机与传动轴、塑料转筒；所述塑料转筒由圆柱形壳体和圆柱形壳体两端的端盖构成，所述端盖与圆柱形壳体是螺纹连接；所述塑料转筒的一个端盖与传动轴固定连接，另一个端盖中间设置圆孔，所述塑料转筒内装有土壤，所述土壤温湿度传感器设置于塑料转筒中的土壤中，所述土壤温湿度传感器控制线穿过端盖中心的圆孔与DDC控制器进行电性连接；所述遮阳帘模拟器与DDC控制器间为电性连接，所述遮阳帘模拟器接收边缘计算网关的动作指令后，遮阳帘模拟器动作，传动轴转动，带动塑料转筒转动。

3.根据权利要求2所述的一种用于教学的模拟农业大棚控制系统，其特征在于，所述档位调节器是室内温度调节器、室内湿度调节器、室内光照调节器、室内土温调节器。

4.根据权利要求3所述的一种用于教学的模拟农业大棚控制系统，其特征在于，所述展架包括展示面、穿线槽，所述展示面是带孔洞的金属片；所述穿线槽与展示面螺钉连接，突出设置于展示面上，槽宽10cm，槽高10cm；所述穿线槽侧面为椭圆形镂空结构，便于穿过电线、控制线。

5.一种用于教学的模拟农业大棚控制方法，其特征在于，包括：手动控制与自动控制；所述手动控制是将手动/自动切换开关切换至手动态，用档位调节器手动调节室内温度、室内湿度、室内光照或者室内土温，档位调节器将调节的数据上传至边缘计算网关，边缘计算网关将档位调节的数据发送至室内参数显示屏进行显示，同时边缘计算网关将档位调节器调节的数据与学生编辑程序中的室内温度、湿度、光照、土温相比较，若与编辑程序中设定值不一致，则进行下列控制：

（1）若调节的室内温度大于程序编辑中设置的温度，则边缘计算网关发送指令，开启自动通风指示灯；若调节的室内温度小于程序编辑中设置的温度，则边缘计算网关发送指令，开启自动加热指示灯；

（2）若调节的室内土温大于程序编辑中设置的温度，则边缘计算网关发送指令，开启手动系统中加湿指示灯；若调节土温小于程序编辑中设置的温度，则边缘计算网关发送指令，开启自动加热指示灯；

（3）若室内光照大于程序编辑中设置的光照，则边缘计算网关发送指令，遮阳帘模拟器动作；若调节的室内光照小于程序编辑中设置的温度，则边缘计算网关发送指令，开启自动补光指示灯；

（4）若调节的室内湿度大于程序编辑中设置的湿度，则边缘计算网关发送指令，开启自动通风指示灯；若调节湿度小于程序编辑中设置的湿度，则边缘计算网关发送指令，开启自动浇灌指示灯，同时，电磁阀开启。

6.根据权利要求5所述的一种用于教学的模拟农业大棚控制方法，其特征在于，所述自动控制是将手动/自动切换开关切换至自动态，室外环境传感器、风向监测器、风速监测器将监测到的室外的温度、湿度、光照、大气压、雨量数据上传至边缘计算网关，边缘计算网关将室外的温度、日照、大气压数据传输至室外显示屏进行显示，同时边缘计算网关将室外光照与程序编辑中设定数据比较，若光照正常，则日照指示灯亮，若室外下雨，则边缘计算网关发送控制指令，下雨指示灯亮；

室内温湿度传感器、二氧化碳变送器、光照度变送器、土壤温湿度传感器将监测的数据上传至边缘计算网关，边缘计算网关将获取的数据与程序编辑工具设定数据相比较，若与编辑程序中设定值不一致，则进行下列控制：

（1）若室内温度低于设定温度要求，则边缘计算网关发送控制指令，开启自动加热灯；若室内温度高于设定温度要求，则边缘计算网关发送控制指令，开启农田模拟室中的迷你风扇；

（2）若室内光照高于设定光照要求，则边缘计算网关发送控制指令，遮阳帘模拟器动作，塑料转筒转动；若室内光照低于设定光照要求，则边缘计算网关发送控制指令，自动补光指示灯亮，边缘计算网关记录光照数据，并实时发送数据至单位时间光照量显示屏、光照总量显示屏；

（3）若土壤温度低于程序编辑工具设定数据，则边缘计算网关发送控制指令，开启自动加热指示灯；若土壤湿度低于程序编辑工具设定数据，则边缘计算网关发送控制指令，自动浇灌指示灯亮，同时电磁阀打开；

（4）若二氧化碳变送器监测到二氧化碳浓度低于设定数值要求，则边缘计算网关发送控制指令，开启自动通风指示灯。

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