CN113093835A - 基于边缘控制器的温室大棚控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于边缘控制器的温室大棚控制系统及方法，系统包括上位机、中心服务器、边缘控制器、无线环境感知终端和视频监控设备，所述上位机与中心服务器连接，所述中心服务器与边缘控制器连接，每个边缘控制器控制一个区域内的大棚，每个大棚内设有环境感知终端和视频监控设备；本发明采用基于边缘计算架构，首先将大量数据处理的任务分配给各个边缘控制器，并通过边缘控制器控制环境调节设备进行环境调节，有效的降低了数据上传中心服务器引起的时延问题；其次，边缘控制器之间相互独立，故不会出现整个系统崩溃的现象；最后，环境实时数据将在采集终端中进行过滤处理，有效的降低了设备功耗问题，降低了运营及维护成本。

Description

基于边缘控制器的温室大棚控制系统及方法

技术领域

本发明属于农业种植的技术领域，具体涉及一种基于边缘控制器的温室大棚控制系统及方法。

背景技术

随着我国人口的增长及生活条件的提高，消费者越来越注重高品质的生活，尤其注重饮食的质量，近年来人民对绿色、安全、无污染的食材要求越来越高，例如蘑菇作为物美价廉且具有高营养的食材，深受消费者的喜爱。

基于传统的人工种植的蘑菇产量低、质量差、资源利用率低，同时因为人工成本增高等原因，因此基于传感器的大棚环境控制系统得到迅速的发展，但是目前的大棚智能控制方案往往将环境数据集中到一个中心服务器中，通过中心服务器进行数据处理判断，最终控制环境调节设备进行环境调节，因此对中心服务器的计算能力要求较高，当种植面积较大时，海量的环境采集终端接入中心服务器会产生海量的数据，因此对中心服务器的计算能力带来巨大的考验，严重时会造成系统崩溃，一旦系统崩溃将会造成严重的后果，尤其是对环境要求严格的农作物可能会造成无法弥补的损失。同时，海量的终端在上传海量级数据时会造成一定的时延问题，对现在精准农业控制系统来说也是非常不利的影响，因此需要一种新型的控制系统来解决上述存在的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于边缘控制器的温室大棚控制系统及方法，采用基于边缘计算架构，首先将大量数据处理的任务分配给各个边缘控制器，并通过边缘控制器控制环境调节设备进行环境调节，因为大量现场数据在边缘控制器中进行处理，有效的降低了数据上传中心服务器引起的时延问题，其次，边缘控制器之间相互独立，故不会出现整个系统崩溃的现象；最后，环境实时数据将在采集终端中进行处理，根据环境状态信息进行立即或者定时模式的上传数据，有效的降低了设备功耗问题，降低了运营及维护成本；因此具有更高的安全性和响应速度特性及经济性。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种基于边缘控制器的温室大棚控制系统，包括上位机、中心服务器、边缘控制器、多种无线环境感知终端、视频监控设备及由环境驱动控制器控制的环境调节设备，所述上位机与中心服务器连接，所述中心服务器与边缘控制器连接，边缘控制器控制一个区域内的多个温室大棚，每个温室大棚内设有无线环境感知终端和视频监控设备及环境调节设备；

所述上位机，用于用户创建及显示当前大棚中环境数据信息窗口；

所述中心服务器，用于保存农作物的生长模型，控制所有的边缘控制器，同时接收并存储边缘控制器上传的环境数据信息及农作物长势图像信息，方便后期信息查询及通过大数据分析学习不断优化种植技术；

所述边缘控制器，该边缘控制器具有PC的计算存储功能及PLC的逻辑控制功能；其用于接收中心服务器下发的生长模型，并通过对农作长势信息进行判断分析，根据长势信息下发生长模型，同时控制环境调节设备进行环境调节；

所述无线环境感知终端，用于实时获取温室环境信息，并通过实时环境信息与边缘控制器下发的生长阶段模型进行对比分析，若超出范围则立刻上传报警信息，若处于模型范围内则定时上传环境信息；

所述视频监控设备，用于采集大棚中农作物的长势图像信息及虫害图像信息；

所述环境调节设备，用于调节当前环境，设备驱动控制器通过接收边缘控制器下发控制指令进而控制环境调节设备的开关状态，通过人为的改变环境使农作物始终处于适宜的生长环境。

作为优选的技术方案，所述生长模型为：根据农作物的生长习性将农作物分为多个大的生长周期，所述生长周期包括发芽期、生长期、成熟期多个阶段，每个阶段制定作物生长所要求的具体范围，包括所需环境温度模型T_mod的最低值T_min及最高值T_max；所需环境湿度模型H_mod的最低值H_min及最高值H_max；所需环境光照强度模型L_mod的最低值L_min及最大值L_max；所需环境CO₂浓度模型P_mod的最低值P_min及最高值P_max。

作为优选的技术方案，所述边缘控制器具体功能为：所述边缘控制器，该边缘控制器具有PC的计算存储功能及PLC的逻辑控制功能，其用于接收中心服务器下发的生长模型，首先，通过摄像头获取的植物的长势信息，通过边缘控制器的计算能力进行图像处理(计算其大小、高度、稠密等)，判断其生长阶段，根据目前长势将其所处的生长阶段模型下发至环境感知终端。其次，边缘控制器接收环境感知终端上传的报警信息，根据其报警内容进而控制相应的环境调节设备；另外，边缘控制器将无线网关上传的环境数据上传至中心服务器，用于种植数据积累存储，方便中心服务器通过机器学习进行技术优化；最后，所述边缘控制器还将采集的农作物病虫害图片信息上传至中心服务器，通过中心服务器的强计算能力进行病虫害判断。

作为优选的技术方案，所述多种环境感知终端包括环境温度感知终端、环境湿度感知终端、环境光照强度感知终端和环境CO₂浓度感知终端的工作内容如下；

所述无线环境温度感知终端，其用于获取大棚内的空气温度信息，根据生长模型判断出当前温度所处的状态信息；

所述无线环境湿度感知终端，其用于获取大棚内的空气湿度信息，根据生长模型判断出当前湿度所处的状态信息；

所述无线环境光照强度感知终端，其用于获取大棚内的光照强度信息，根据生长模型判断出当前光照强度所处的状态信息；

所述无线环境CO₂浓度感知终端，其用于获取大棚内的空气CO2浓度信息，根据生长模型判断出当前CO₂浓度所处的状态信息；

作为优选的技术方案，环境采集终端根据采集到的实时环境数据判断其当前所处环境状态，最终进行环境调节控制，具体为：

如将温度采集终端采集到的环境温度T_now与其接收到的边缘控制器下发的温度生长模型T_mod进行比对分析，若当前环境温度T_now低于最低要求T_min，则将低温报警信息上传至边缘控制器，边缘控制器利用其逻辑控制功能控制加热设备进行加热，同时将最新的环境温度T_n′_ow与环境模型T_mod进行比对，若达到适宜范围，则停止加热设备，以尽量节约经济成本；

若当前环境温度T_now高于最大要求范围T_max时，则将高温报警信息上传至边缘控制器，边缘控制器利用其逻辑控制功能控制制冷设备进行降温处理，同时实时将最新的环境温度T_n′_ow与环境模型T_mod进行比对，若达到环境适宜范围则停止运行制冷设备。

作为优选的技术方案，当环境温度处于环境模型T_mod范围之外时，将以高频率方式，如每5秒钟上传一次环境信息；达到适宜的环境之后，将以低频率方式，如每10min上传一次环境温度信息；

通过环境传感器获取其他环境参数指标与生长模型中对应阶段所需的环境要求进行对比分析，进而控制对应的环境调节设备。

作为优选的技术方案，所述环境调节设备用于调节当前环境，具体为：

通风机用于降低当前环境的温度、降低当前环境的湿度及提高环境的CO₂浓度；

加热设备用于提高当前环境的温度；

喷灌设备用于增加当前环境的湿度；

补光灯设备用于增强当前环境的光照强度；

遮光帘设备用于降低当前环境的光照强度。

作为优选的技术方案，所述视频监控设备采用高清摄像机，所述高清摄像头部署在温室大棚内部，用于采集农作的图片信息，并发送至边缘控制器。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明通过边缘控制器对图像进行处理，判断农作物的生长阶段，然后将对应生长阶段的生长模型发送至环境采集终端，环境采集终端通过将实时数据与生长模型进行对比，若不处于模型范围内，则立即上传环境信息及报警信息，并且以高频率的模式上传环境信息，若处于模型范围内，则以低模式的方式上传环境信息，该方式有效的提高了数据上传的效率，降低了功耗；同时通过边缘控制器进行农作物长势判断与中心服务器处理相比具有较低的时延。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明基于边缘控制器的温室大棚控制系统的整体模型图；

图2为本发明基于边缘控制器的温室大棚控制系统局部结构示意图；

图3为本发明生长模型的结构示意图；

图4为本发明基于边缘控制器的温室大棚控制系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一组件。说明书及权利要求并不以名称的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”；“大致”是指本领域技术人员能够在一定误差范围内解决技术问题，基本达到技术效果。

如图1、图2，是一种基于边缘控制器的温室大棚控制系统及方法的结构示意图，包括上位机、中心服务器、高清摄像头、边缘控制器、无线环境温度采集终端、无线环境湿度采集终端、无线环境光照强度采集终端、无线环境CO₂浓度采集终端和由设备驱动控制器控制的通风机、加热设备、喷灌设备、补光设备/避光帘等。

所述上位机，用于用户创建及显示当前大棚中环境数据信息窗口；

所述中心服务器，用于保存农作物的生长模型，控制所有的边缘控制器，同时接收并存储边缘控制器上传的环境数据信息及农作物长势图像信息，方便后期信息查询及通过大数据分析学习不断优化种植技术；

所述边缘控制器，该边缘控制器具有PC的计算存储功能及PLC的逻辑控制功能，用于接收中心服务器下发的生长模型。首先，通过摄像头获取的植物生长信息，通过边缘控制器的计算能力进行图像处理(计算其大小、高度、稠密等)，判断其生长阶段，根据目前长势将其所处的生长阶段模型下发至环境感知终端。其次，边缘控制器接收环境感知终端上传的报警信息，根据其报警内容进而控制相应的环境调节设备；另外，边缘控制器将无线网关上传的环境数据上传至中心服务器，用于种植数据积累存储，方便中心服务器通过机器学习进行技术优化；最后，所述边缘控制器还将采集的农作物图片上传至中心服务器，通过中心服务器的强计算能力进行病虫害判断；

环境温度感知终端将实时采集大棚内的空气温度信息，并将空气温度信息或者温度报警信息传输至边缘控制器；

环境湿度感知终端将实时采集大棚内的空气湿度信息，并将空气湿度信息或者湿度报警信息传输至边缘控制器；

环境光照强度感知终端将实时采集大棚内的光照强度信息，并将光照强度信息或者光照强度报警信息传输至边缘控制器；

环境CO₂浓度感知终端将实时采集大棚内的CO₂浓度信息，并将CO₂浓度信息或者CO₂浓度报警信息传输至边缘控制器。

在本实施中，如图3所示，所述生长模型为：根据农作物的生长习性将农作物分为多个大的生长周期，所述生长周期包括发芽期、生长期、成熟期多个阶段，每个阶段制定作物生长所要求的具体范围，包括所需环境温度模型T_mod的最低值T_min及最高值T_max；所需环境湿度模型H_mod的最低值H_min及最高值H_max；所需环境光照强度模型L_mod的最低值L_min及最大值L_max；所需环境CO₂浓度模型P_mod的最低值P_min及最高值P_max。

在本实施中，如图4所示，原理控制流程包括下述步骤：

边缘控制器接收到中心服务器下发的农作的整个生长模型，首先通过视频设备获取其图像信息，边缘控制器对图像信息进行处理，判断其目前生长阶段，根据目前农作物的长势将对应的生长阶段模型下发至环境采集终端；如温度采集终端将采集到的温度信息与边缘控制器下发的生长模型进行对比分析，如当前环境超出温度模型T_mod范围，若低于温度模型T_mod的最低值T_min，则温度采集终端立即将当前温度信息及温度过低报警信息发送至边缘控制器，边缘控制器控制加热设备提高温度，如高于温度模型T_mod的最高值T_max，温度采集终端立即将当前温度及温度过高报警信息发送至边缘控制器，边缘控制器控制空调制冷设备进行降温处理；同理，湿度采集终端将采集到的湿度信息与边缘控制器下发的生长模型进行对比分析，如当前环境超出湿度模型H_mod范围，若低于湿度模型H_mod的最低值H_min，则湿度采集终端立即将当前湿度信息及湿度过低报警信息发送至边缘控制器，边缘控制器控制喷灌设备提高环境湿度，如高于湿度模型H_mod的最高值H_max则控制通风机进行降湿处理；同理，光照强度采集终端将采集到的光照强度信息与边缘控制器下发的生长模型进行对比分析，若当前环境超出光照强度模型L_mod范围，如若低于光照模型L_mod的最低值L_min，则光照采集终端立即将当前光照强度及光照强度过低报警信息发送至边缘控制器，边缘控制器控制补光灯设备提高环境光照强度，如高于光照模型L_mod的最高值L_max，则光照采集终端立即将当前光照强度及光照强度过高报警信息发送至边缘控制器，边缘控制器控制遮光帘进行降低光照强度；同理，CO₂采集终端将采集到的二氧化碳浓度信息与边缘控制器下发的生长模型进行对比分析，若当前环境超出CO₂浓度模型L_mod范围，如若低于CO₂浓度模型P_mod的最低值P_min，则CO₂采集终端立即将当前CO₂浓度及CO₂浓度过高报警信息发送至边缘控制器，则边缘控制器控制CO₂调节设备提高环境CO₂浓度，如高于CO₂浓度模型P_mod的最高值P_max，则边缘控制器控制通风机调节CO₂浓度；通过不断的改善环境信息促使农作物始终处于适宜的生长环境；

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于边缘控制器的温室大棚控制系统，其特征在于，包括上位机、中心服务器、边缘控制器、多种无线环境感知终端、视频监控设备及环境调节设备，所述上位机与中心服务器连接，所述中心服务器与边缘控制器连接，每个边缘控制器控制一个区域内的多个温室大棚，每个温室大棚内设有无线环境感知终端和视频监控设备及环境调节设备；

所述上位机，用于用户创建及显示当前大棚中环境数据信息窗口；

所述中心服务器，用于保存农作物的生长模型，控制所有的边缘控制器，同时接收并存储边缘控制器上传的环境数据信息及农作物长势图像信息，方便后期信息查询及通过大数据分析学习不断优化种植技术；

所述边缘控制器，该边缘控制器具有PC的计算存储功能及PLC的逻辑控制功能；其用于接收中心服务器下发的生长模型，并通过对农作长势信息进行判断分析，根据长势信息下发生长模型，同时控制环境调节设备进行环境调节；

所述环境感知终端，用于获取温室环境信息；另外，环境感知终端接收边缘控制器下发的生长阶段模型，并将采集的数据与生长模型进行对比分析处理，将处理结果定时上传至边缘控制器；

所述视频监控设备，用于采集大棚中农作物的长势图像信息及虫害图像信息；

所述环境调节设备，用于调节当前环境，设备驱动控制器通过接收边缘控制器下发控制指令进而控制环境调节设备的开关状态，通过人为的改变环境使农作物始终处于适宜的生长环境。

2.根据权利要求1所述基于边缘控制器的温室大棚控制系统，其特征在于，所述生长模型为：根据农作物的生长习性将农作物分为多个大的生长周期，所述生长周期包括发芽期、生长期、成熟期多个阶段，每个阶段制定作物生长所要求的具体范围，包括所需环境温度模型T_mod的最低值T_min及最高值T_max；所需环境湿度模型H_mod的最低值H_min及最高值H_max；所需环境光照强度模型L_mod的最低值L_min及最大值L_max；所需环境CO₂浓度模型P_mod的最低值P_min及最高值P_max。

3.根据权利要求1所述基于边缘控制器的温室大棚控制系统，其特征在于，边缘控制器根据接收到的长势情况进行分析判断，判断出其当前所处生长阶段，并将该生长阶段的生长模型下发至环境采集终端，并根据环境终端上传的报警信息进行环境调节控制，具体为：

所述边缘控制器，该边缘控制器具有PC的计算存储功能及PLC的逻辑控制功能，其用于接收中心服务器下发的生长模型，具体为：

首先，通过摄像头获取的植物的长势信息，通过边缘控制器的计算能力进行图像处理，判断其生长阶段，根据目前长势将其所处的生长阶段模型下发至环境感知终端；

其次，边缘控制器接收环境感知终端上传的报警信息，根据其报警内容进而控制相应的环境调节设备；

另外，边缘控制器将环境数据上传至中心服务器，用于种植数据积累存储，方便中心服务器通过机器学习进行技术优化；

最后，所述边缘控制器还将采集的农作物病虫害图片信息上传至中心服务器，通过中心服务器的强计算能力进行病虫害判断。

4.根据权利要求1所述基于边缘控制器的温室大棚控制系统，其特征在于，所述多种环境感知终端包括环境温度感知终端、环境湿度感知终端、环境光照强度感知终端和环境CO₂浓度感知终端工作如下；

环境采集终端将采集到的环境参数信息与边缘控制器下发的环境参数信息模型进行比对分析，若当前环境参数超出模型范围要求，则立即将该环境参数信息上传至边缘控制器，并发出该参数报警信息，边缘控制器接收到报警信息之后即刻控制调节设备以调节该参数，若达到适宜范围，则停止调节。

5.根据权利要求4所述基于边缘控制器的温室大棚控制系统，其特征在于，当环境参数信息处于环境模型范围之外时，将以高频率的方式上传环境信息，达到适宜的环境之后将以低频率的方式上传环境参数信息。

6.根据权利要求1所述基于边缘控制器的大棚控制系统，其特征在于，所述环境调节设备用于调节当前环境，其中，通风机用于降低当前环境的温度、降低当前环境的湿度及提高环境的CO₂浓度；加热设备用于提高当前环境的温度；喷灌设备用于增加当前环境的湿度；补光灯设备用于增强当前环境的光照强度；遮光帘设备用于降低当前环境的光照强度。

7.根据权利要求1所述基于边缘控制器的温室大棚控制系统，其特征在于，所述视频监控设备采用高清摄像机，所述高清摄像头部署在温室大棚内部，用于采集农作的图片信息，并发送至边缘控制器。

8.根据权利要求1-7中任一项所述基于边缘控制器的温室大棚控制系统的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

农户通过本地上位机中大棚监控系统平台构建农作物的生长模型，根据农作物具体生长特点分为多个生长阶段，每个生长阶段对应每天具体时间段的环境参数范围，包括各个阶段所需的温度模型T_mod、湿度模型H_mod、光照强度模型L_mod和CO₂浓度模型P_mod，将构建好的生长模型保存到中心服务器；

中心服务器下发作物生长模型至边缘控制器，并且中心服务器只需向边缘控制器下发一次生长模型即可；

边缘控制器根据高清摄像机上传的图像信息处理之后获取其长势阶段，并将对应的生长阶段模型下发至环境感知终端，将采集终端采集的环境数据与接收到的生长模型进行对比分析，若当前环境超出温度模型T_mod范围，湿度模型H_mod范围、光照强度模型L_mod范围、CO₂浓度模型P_mod范围，则环境终端将对应的报警信息上传至边缘控制器，边缘控制器通过向设备驱动模块发送控制指令驱动相应的设备进行环境调节，使农作物始终处于最适宜的生长环境。

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