CN113349045A - 基于双塔式连续水培牧草栽培控制系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双塔式连续水培牧草栽培控制系统及其工作方法，系统包括控制装置和云服务器，控制装置与所述云服务器无线连接；控制装置包括环境监测模块、环境控制模块、交互模块、无线通信模块以及主控模块，环境监测模块、环境控制模块、交互模块、无线通信模块分别与主控模块连接；云服务器用于接收所述控制装置采集的环境实时数据、主控模块的操作记录数据，并将环境实时数据输入植物生长模型中进行同步模拟分析，控制装置还用于根据对比分析结果调整环境参数。本发明采用螺旋双塔式的连续水培牧草栽培系统实现了环境控制集中化、自动化，控制流程更流畅、高效与精确。

Description

基于双塔式连续水培牧草栽培控制系统及其工作方法

技术领域

本发明属于牧草栽培技术领域，具体涉及一种基于双塔式连续水培牧草栽培控制系统及其工作方法。

背景技术

当前，中国高质量饲料存在成本高、对国外种质依赖高、生产受土地资源限制等问题，使得高品质的畜牧业发展受到了阻碍。尤其是，部分地区存在土地资源紧缺，适宜种植牧草区域较少，气候因素限制等问题，导致全年稳定提供的、高品质的饲料存在巨大缺口。是我国发展高品质、全年稳定生产的畜牧业的主要挑战之一。

水培牧草作为一种牧草栽培的特殊培育方式，最早使用记录可追溯至1800年。当时主要被欧洲畜牧场农场主，用种子生产新鲜发芽牧草，并作为畜牧动物(奶牛为主)冬季的饲料，维持冬季的生产活动(产奶)并提升冬季产量。近年来，由于中东、非洲和亚洲等国家，受人口增长压力、饲料供应压力和土地资源压力等因素影响，导致新鲜饲料的生产无法充分供给畜牧业的需求，尤其是高品质的饲料供给。

现阶段牧草生产的主要挑战之一是，牧草产量很难增加。主要原因是土地资源压力日渐增加。谷物、油料作物和豆类生产的增加，导致牧草生产的土地资源面临巨大压力。为了满足对新鲜、高品质牧草不断增长的需求，替代方案之一是集约化的生产-水培牧草。水培牧草栽培使用具有环境控制功能的大型空间或生产设备，通过复杂的自动化传动、控制系统，在短时间内获得较高的水培牧草产量，并保证牧草产品具有高营养价值，有利于畜牧动物的健康与生长。水培牧草系统具有较高的水资源、土地资源利用效率，高度可控的环境条件，以及无杀虫剂、除草剂等化学物品参与的无害生产过程。这些优势使得水培牧草系统非常适合于恶劣的气候环境，例如沙漠，土壤贫瘠的地区或土地成本高昂的传统农业地区。尤其在半干旱，干旱和干旱多发的地区，或部分遭受长期缺水或灌溉基础设施不存在的地区，水培牧草的生产方式能极大的改善当地畜牧的饲料“难”问题。通过水培法，我们可以生产包括玉米，大麦，燕麦，高粱，黑麦，苜蓿和黑小麦的牧草。综上，水培牧草作为一种，可维持全年连续生产、生产高品质新鲜牧草、土地资源利用效率高的生产模式。其可支持区域畜牧场完成部分高品质饲料的自给自足，具有较高的实用意义与经济价值。

但水培牧草系统作为高产出、高投入、高运行成本的生产系统，其生产成本高的事实是不可忽略的重要影响因素。因此，如何优化基于水培牧草系统的栽培系统与环境参数，是进一步提高其产出能力、降低综合生产成本的重要问题。

相关技术中，为了实现上述各类环境参数的控制方式与系统，需要一种高效、全面、智能的中央控制系统，包括环境监测功能、环境反馈控制功能、中央计算模块和数据云上传功能等。目前，实现上述单一环境参数的控制较为常见、简单。但将整体环境控制系统集成在一个设备中，则没有成熟的、适用于连续水培牧草栽培系统的中央控制系统。当前市场上绝大部分中央控制系统仅适用于温室或植物工厂，且其相关控制系统算法与模块泛用性较差，仅适用于相应专业领域，无法被轻易转化应用于其他领域。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于双塔式连续水培牧草栽培控制系统，以解决现有技术中中央控制系统仅适用于温室或植物工厂，且其相关控制系统泛用性较差的问题。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种基于双塔式连续水培牧草栽培控制系统，包括：控制装置和云服务器，所述控制装置与所述云服务器无线连接；

所述控制装置包括：环境监测模块、环境控制模块、交互模块、无线通信模块以及主控模块，所述环境监测模块、环境控制模块、交互模块、无线通信模块分别与所述主控模块连接；

所述主控模块，包含中央计算处理器，内置预设水培牧草环境参数数据，通过将所述环境实时数据与预设环境参数数据进行对比分析得到对比差异，根据所述对比差异发出调控指令，并将操作记录数据及相应环境实时数据存储于本地，并上传云服务器；其中，环境参数数据可通过本地输入操作进行覆盖，并在栽培中应用更新后的环境参数数据进行调控；所述主控模块，还用于根据所述环境实时与历史数据绘制监测示意图和数据表；

所述云服务器中存储有水培牧草的环境参数数据与植物生长模型；

所述云服务器用于接收所述控制装置采集的环境实时数据、主控模块的操作记录数据，并将所述环境实时数据输入植物生长模型中进行同步模拟分析；

所述控制装置还用于根据对比分析结果调整环境参数。

进一步的，所述环境控制模块包括：

照明单元，用于在控制单元的控制下对LED灯具定时开关、控制光照强度和光照时长；

二氧化碳输送单元，用于输送二氧化碳；

温度控制单元，包含空调设备，用于提高或降低温度；

湿度控制单元，包含加湿机和除湿机，加湿机用于增加空气湿度，除湿机用于降低空气湿度；

灌溉单元，用于输送和循环营养液；

控制单元，用于接收所述主控模块的控制指令对所述照明单元、二氧化碳输送单元、温度控制单元、湿度控制单元以及灌溉单元进行控制；

所述照明单元、二氧化碳输送单元、温度控制单元、湿度控制单元以及灌溉单元分别与所述控制单元连接。

进一步的，所述环境监测模块包括：

光照强度传感器、二氧化碳传感器、相对湿度传感器、空气温度传感器、灌溉流量传感器和植物根际电导率值传感器；

所述光照强度传感器、二氧化碳传感器、相对湿度传感器、空气温度传感器、灌溉流量传感器和植物根际电导率值传感器均为多个。

进一步的，所述交互模块包括：输入单元和显示单元；

所述输入单元用于接收用户的操作信号；

所述显示单元用于显示环境实时数据、环境参数数据以及监测示意图和数据表。

进一步的，所述输入单元采用触摸屏或按键；

所述显示单元采用显示屏。

进一步的，所述控制装置包括：

报警模块，所述报警模块与所述主控模块连接。

进一步的，所述无线通信模块采用下列模块之一或组合：

局域网网络、GPRS网络。

本申请实施例提供一种基于双塔式连续水培牧草栽培控制系统的工作方法，包括：

采集环境实时数据；

将所述环境实时数据与预设的环境参数数据进行对比分析；

根据对比分析结果对环境参数进行调节；

其中，所述环境参数包括：光照强度、二氧化碳浓度、空气湿度、空气温度、灌溉流量以及植物根际电导率值。

进一步的，根据对比分析结果对环境参数进行调节；

根据分析结果判断光照强度是否需要调节，如果需要，则向主控模块发送调控指令，所述主控模块将调控指令发送至控制单元，控制单元根据所述调控指令对LED灯具进行调节操作；否则，结束流程；

根据分析结果判断二氧化碳浓度是否需要调节，如果需要，则向主控模块发送调控指令，所述主控模块将调控指令发送至控制单元，控制单元根据所述调控指令对二氧化碳输送模块进行调节操作；否则，结束流程；

根据分析结果判断空气湿度是否需要调节，如果需要，则向主控模块发送调控指令，所述主控模块将调控指令发送至控制单元，控制单元根据所述调控指令对加湿机或除湿机进行调节操作；否则，结束流程；

根据分析结果判断空气温度是否需要调节，如果需要，则向主控模块发送调控指令，所述主控模块将调控指令发送至控制单元，控制单元根据所述调控指令对空调进行调节操作；否则，结束流程；

根据分析结果判断灌溉流量是否需要调节，如果需要，则向主控模块发送调控指令，所述主控模块将调控指令发送至控制单元，控制单元根据所述调控指令对流量阀进行调节操作；否则，结束流程；

根据分析结果判断植物根际电导率值是否需要调节，如果需要，则向主控模块发送调控指令，所述主控模块将调控指令发送至控制单元，控制单元根据所述调控指令对植物根际电导率值进行调节操作；否则，结束流程。

进一步的，所述对LED灯具进行调节操作，包括：开启或关闭LED灯具或调节LED灯具的光强度；

所述对二氧化碳输送模块进行调节操作，包括：开启或关闭或调节二氧化碳输送模块的输送二氧化碳强度；

所述对加湿机或除湿机进行调节操作，包括：对加湿机或除湿机进行开启或关闭操作；

所述对空调进行调节操作，包括：对空调进行开启或关闭操作；

所述对流量阀进行调节操作，包括：对流量阀进行开启或关闭操作；

所述对植物根际电导率值进行调节操作，包括：对电磁阀进行开启或关闭操作。

本发明采用以上技术方案，能够达到的有益效果包括：

本发明提供一种基于双塔式连续水培牧草栽培控制系统及其工作方法，系统包括控制装置和云服务器，控制装置与所述云服务器无线连接；控制装置包括环境监测模块、交互模块、无线通信模块以及主控模块，环境监测模块、交互模块、无线通信模块分别与主控模块连接；云服务器中预存储有环境参数数据；云服务器接收所述控制装置采集的环境实时数据，并将环境实时数据与环境参数数据进行对比分析并存储；云服务器根据所述环境实时数据绘制监测示意图和数据表；所述控制装置根据对比分析结果调整环境参数。本发明采用螺旋双塔式的连续水培牧草栽培系统实现了环境控制集中化、自动化，控制流程更流畅、高效与精确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于双塔式连续水培牧草栽培控制系统的结构示意图；

图2为本发明基于双塔式连续水培牧草栽培控制系统的工作方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

下面结合附图介绍本申请实施例中提供的一个具体的基于双塔式连续水培牧草栽培控制系统及其工作方法。

如图1所示，本申请实施例中提供的基于双塔式连续水培牧草栽培控制系统，包括：控制装置和云服务器，所述控制装置与所述云服务器无线连接；

所述控制装置包括：环境监测模块、环境控制模块、交互模块、无线通信模块以及主控模块，所述环境监测模块、环境控制模块、交互模块、无线通信模块分别与所述主控模块连接；

所述主控模块，包含中央计算处理器，内置预设水培牧草环境参数数据，通过将所述环境实时数据与预设环境参数数据进行对比分析得到对比差异，根据所述对比差异发出调控指令，并将操作记录数据及相应环境实时数据存储于本地，并上传云服务器；其中，环境参数数据可通过本地输入操作进行覆盖，并在栽培中应用更新后的环境参数数据进行调控；所述主控模块，还用于根据所述环境实时与历史数据绘制监测示意图和数据表；

所述云服务器中存储有水培牧草的环境参数数据与植物生长模型；

所述云服务器用于接收所述控制装置采集的环境实时数据、主控模块的操作记录数据，并将所述环境实时数据输入植物生长模型中进行同步模拟分析；

所述控制装置还用于根据对比分析结果调整环境参数。

优选的，所述环境控制模块包括：

照明单元，用于在控制单元的控制下对LED灯具定时开关、控制光照强度和光照时长；

二氧化碳输送单元，用于输送二氧化碳；

温度控制单元，包含空调设备，用于提高或降低温度；

湿度控制单元，包含加湿机和除湿机设备，加湿机用于增加空气湿度，除湿机用于降低空气湿度；

灌溉单元，用于输送和循环营养液；

控制单元，用于接收所述主控模块的控制指令对所述照明单元、二氧化碳输送单元、温度控制单元、湿度控制单元以及灌溉单元进行控制；

所述照明单元、二氧化碳输送单元、温度控制单元、湿度控制单元以及灌溉单元分别与所述控制单元连接。

具体的，本申请中，环境监测模块连接传感器包括：光照强度传感器、二氧化碳传感器、相对湿度传感器、空气温度传感器、灌溉流量传感器和植物根际电导率值传感器。针对所有类型的传感器，均包括多个，并安装于栽培系统的不同位点上，来精确还原实际环境条件，保证数据的准确性，达到对多层栽培系统各个生长节点的环境参数进行监测的效果。环境监测模块主要作用为实时、动态监测各项环境参数的情况，包括光照强度、二氧化碳浓度、空气相对湿度、空气温度、灌溉次数与灌溉量，和植物根际营养液浓度。环境监测模块中，首先由各项传感器测得原始数据，并通过各类信号传输线缆，最终传输数据至主控模块，进行数据分类和分析。本申请中采用云服务器对数据进行存储，可以避免网络意外中断而带来的控制失效，保证无网络情况下，仍可进行本地自动化的环境控制。云服务器中设有的植物生长模型能够根据实际生产的情况，通过对参数的校正，可以进一步研究和优化出更适合水培牧草的栽培参数。并应用于未来的栽培中，更新本地存储的优选的水培牧草环境参数设置，包括未来可能根据不同水培牧草品种，进行针对性的优化，最大化各类牧草栽培的效率。

控制单元连接环境控制模块包括：照明单元、二氧化碳输送单元、湿度控制单元、增温/降温空调、灌溉单元。各项环境控制模块的主要作用为接受主控模块的控制命令，并遵循相应命令进行栽培系统当前区域的环境参数控制，并可支持数据反馈，包括命令完成情况等。其中，温度控制单元包括加湿机和除湿机。

具体的，本申请中提供的照明单元为可调光LED灯具，通过控制单元进行光照强度和定时开关等光照时长的控制；

二氧化碳输送单元包括二氧化碳存储压缩气罐、二氧化碳输送管道和二氧化碳终端气阀。通过控制二氧化碳终端气阀的开关(可0-100％调节)，实现二氧化碳输出与浓度精确调节；

加湿/除湿机包括雾化加湿装置与冷凝除湿装置。其中雾化加湿装置通过纯净水喷雾，增加空气湿度；而冷凝除湿装置通过空气热交换冷凝的方式，降低空气中气态水含量，从而降低空气湿度；

空调进行增温/降温，具体为以空气压缩机为主的空调装置。通过空气压缩机改变空气密度，控制空气内能转化，从而改变空气温度。

营养液输送单元包括灌溉流量阀与输送管道。在整个栽培系统的不同位点中，设有多各灌溉喷嘴，且每个灌溉喷嘴处设有一个灌溉流量阀，用于记录灌溉次数、灌溉量和灌溉时间数据，并完成灌溉相关控制，包括定时开启/关闭灌溉，灌溉流量控制。

交互模块包括：显示单元与输入单元，其中显示单元可支持显示屏的文字与图像输出，输入单元可支持触摸屏/按键等多形式的数据输入。其作用主要为，种植者可根据实际情况与栽培需求，手动控制各环境参数的设置范围，并实现人工输入环境参数覆盖/校正主控模块预先设定逻辑。交互模块可支持更直观的数据可视化功能，可将云服务器和主控模块的数据生成图表，可实时展示于显示单元中，便于在栽培设施内相关工作人员对于环境参数情况与各种参数设置的了解与调控。

主控模块输出的操作指令和交互模块的输入操作指令，会由主控模块进行记录，并上传至云服务器。云服务器将作为数据备份，将种植者的各项环境参数数据和实时状态数据进行录入与存储，可支持app或其他方式的接入软件，进行数据读取，从而实现“云看管”功能。另一方面，云服务器支持历史数据的对比与分析，通过将过往环境参数数据与生产数据结合分析，利用云端的植物生长模型，校正并优化植物栽培过程中的各项环境参数设置，不断加强栽培效果。

主控模块，主要包括中心计算处理器，内置各类栽培环境参数设置，包括且不仅限于大麦、苜蓿、燕麦、玉米等牧草栽培中所需的光照强度、光照时长、空气湿度、空气温度、灌溉量、灌溉频率、二氧化碳浓度等。参数设置内容，包括应用时各类环境参数的强度、应用时间点和应用强度随着牧草生长周期变化而动态变化的时间节点。主控模块的内置参数设置，可以在交互模块中，进行调取与覆盖修改。通过交互模块的输入系统，以人工手动输入的方式，根据栽培目标和实际使用情况，来进行环境参数设置的修改。修改范围包括上述所有环境参数及参数设置。主控模块中，内置数据-图表转化算法，可支持实时将原始环境参数数据，进行图表转化，传输至交互模块中，可供控制人员进行查阅。主控模块具备数据存储功能，内置大容量固态硬盘等存储器，可记录、存储包括且不仅限于环境参数变化、输入输出操作记录、控制器运行状态、各个模块状态记录文档等。同时，高速存储的能力，可支持高通量的环境参数，以及未来植物表型数据监测系统的实时传输，为未来进一步无人化栽培的拓展预留空间。主控模块设有警示、提醒功能，针对意外情况，包括且不仅限于，控制器故障、传感器故障、人工输入参数范围与实际情况差距过大等情况造成的环境参数异常，主控模块会及时通过局域网和GPRS网络通讯，进行本地和云服务器的同步警示或提醒。警示或提醒功能设置有数个级别，根据环境参数偏离程度，主控模块将发出不同程度的警示或提醒。同时，若超过30～60分钟，无人进行应答或干预，主控模块将自动将环境参数设置还原至上一次正常运行的状态。

各模块间的通讯使用了局域网网络以及GPRS(或者3G/4G)网络，网络协议采用TCP/IP协议，其特点是实用性强、网络传输硬件多样性、地址唯一性、低复杂度、用户服务多样性。且该协议支持双绞线、无线电、光纤等多种通讯介质，拓展性与应用性强。环境监测模块、环境控制模块、主控模块、交互模块主要以局域网络通讯为主要信号与数据传输方式，其中部分模块因硬件线缆限制等因素，将采用GPRS网络进行通讯；无线通信模块通过局域网络结合GPRS网络的通讯方式，将数据与信号在本地与云端间往复传输。此外，各个模块的通讯网络均具备节能模式，在不需要通讯时，将进入低功耗的休眠状态，此时能耗最小可为正常工作状态下的1％，节能效果优异。

如图2所示，本申请实施例提供一种基于双塔式连续水培牧草栽培控制系统的工作方法，其特征在于，

S101，采集环境实时数据；

S102，将所述环境实时数据与预设的环境参数数据进行对比分析；

S103，根据对比分析结果对环境参数进行调节；

其中，所述环境参数包括：光照强度、二氧化碳浓度、空气湿度、空气温度、灌溉流量以及植物根际电导率值。

本申请提供的基于双塔式连续水培牧草栽培控制系统的工作方法的工作原理为，由传感器采集到实时环境参数的原始数据，并传输至主控模块。然后，由云服务器进行数据的处理与分析。将处理后数据与预先录入或人工校正后的设定值相比较，通过判断和控制逻辑，进行相应的控制命令输出。最终，由控制单元执行命令，达到精确控制环境参数的目标。控制过程中的各项控制命令与传感器所得环境状态原始数据，将全部被记录存储于本地和云服务器，可供数据分析及下一步环境控制操作等进程调取使用。

具体的，光照强度控制处理流程为，光照强度传感器由光敏元件和信号编译/解译元件组成，在光敏元件中包括且不仅限于光敏电阻、光电二极管、光电三极管、硅光电池等。在控制逻辑的第一步中，当上述光敏元件中如使用光电二极管、光电三极管接收到外界光照时，经光电转化效应，将光子能量转化为0～2mA的电流；或者当上述光敏元件中使用光敏电阻时，接收到外界光照时，光敏电阻的电阻值产生变化，使串联电路中光敏电阻两端电压在0～2V间变化。第二步，由光敏元件产生的电流或电压经由传感器PCB板上的相关信号编译/解译元件，依据预先设置的电流强度或电压强度与光照强度关系曲线，转化为统一标准的包含光照强度信息的电信号。第三步，将由编译/解译元件处理过后的光照强度电信号，以预先设定的通讯协议规则，传输至主控模块。第四步，主控模块接收到电信号后，将光照强度电信号解译为光照强度原始数据信息。第五步，主控模块将光照强度的原始数据信息进行处理，包括且不仅限于初始数据单位换算转换、初始数据转换至其他所需数据、数据转换为图表等操作。第六步，各类数据、图表将存储与主控模块的数据存储区中，可供交互模块、控制单元和无线通信模块进行调用。第七步，主控模块将各类光照相关数据与内置光照强度设置范围进行对比。第八步，主控模块根据对比结果，判断当前环境条件下，是否需要调控光照强度，若需要调则输出调控幅度命令。第九步，主控模块将调控命令以电信号形式传输至补光灯处。第十步，补光灯接受电信号形式命令，进行开启或关闭或调光操作。以上为一次光照强度控制操作，此控制操作支持可进行多时间点、多次的循环操作。此系统中，光照强度的测量方式分为两种：固定间隔时长测量和定时测量。定时测量通过设定开启和关闭补光灯具的时间节点，并于开启时、开启后5分钟和开启后10分钟共测量3次实时光照强度，通过2次开启后校正来完成光照强度的精确测量。

二氧化碳浓度控制处理流程为，第一步，应用红外二氧化碳传感器，该传感器是利用二氧化碳可吸收4.26μm的红外(IR)区域内光的特性，将二氧化碳所吸收掉的红外辐射测量出来，并将其转化为二氧化碳浓度相应的4～20mA电信号。第二步，由二氧化碳传感器中内置PCB板上的相关信号编译/解译元件，依据预先设置的电流强度与二氧化碳浓度关系曲线，转化为统一标准的包含二氧化碳浓度信息的电信号。第三步，将由编译/解译元件处理过后的二氧化碳浓度电信号，以预先设定的通讯协议规则，传输至主控模块。第四步，主控模块接收到电信号后，将二氧化碳浓度电信号解译为二氧化碳浓度原始数据信息。第五步，主控模块将二氧化碳浓度的原始数据信息进行处理，包括且不仅限于，初始数据单位换算转换、初始数据转换至其他所需数据、数据转换为图表等操作。第六步，各类数据、图表将存储与主控模块的数据存储区中，可供交互模块、控制单元和无线通信模块进行调用。第七步，主控模块将各类二氧化碳浓度相关数据与内置二氧化碳浓度设置范围进行对比。第八步，主控模块根据对比结果，判断当前环境条件下，是否需要调控二氧化碳浓度，若需要调控则输出调控命令。第九步，主控模块将调控命令以电信号形式传输至二氧化碳输送系统的电磁阀处。第十步，二氧化碳输送系统的电磁阀接受电信号形式命令，进行开启或关闭或调节强度的操作。以上为一次二氧化碳浓度控制操作，此控制操作支持可进行多时间点、多次的循环操作。此系统中，二氧化碳浓度的测量方式分为两种：固定间隔时长测量和定时测量。定时测量通过设定开启和关闭二氧化碳输送系统电磁阀的时间节点，并于开启后每隔5分钟，以固定间隔时长测量的方式完成持续的二氧化碳浓度精确测量。

空气湿度控制处理流程为，湿度的监测由湿敏传感器来完成，内置有氯化锂湿敏电阻，利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。该元件有引线、基片、感湿层与电极组成。在控制逻辑的第一步中，上述测湿元件中湿敏电阻会根据当前外界空气湿度情况，将其转化为电阻高低变化，使串联电路中湿敏电阻两端电压发生变化。第二步，由湿敏元件产生的电压变化经由传感器PCB板上的相关信号编译/解译元件，依据预先设置的电压强度与空气湿度关系曲线，转化为统一标准的包含空气湿度信息的电信号。第三步，将由编译/解译元件处理过后的空气湿度电信号，以预先设定的通讯协议规则，传输至主控模块。第四步，主控模块接收到电信号后，将空气湿度电信号解译为空气湿度原始数据信息。第五步，主控模块将空气湿度的原始数据信息进行处理，包括且不仅限于，初始数据单位换算转换、初始数据转换至其他所需数据、数据转换为图表等操作。第六步，各类数据、图表将存储与主控模块的数据存储区中，可供交互模块、控制单元和无线通信模块进行调用。第七步，主控模块将各类空气湿度相关数据与内置空气湿度设置范围进行对比。第八步，主控模块根据对比结果，判断当前环境条件下，是否需要调控空气湿度，若需要调控则输出调控命令。第九步，主控模块将调控命令以电信号形式传输至加湿/除湿机。第十步，加湿/除湿机接受电信号形式命令，进行开启或关闭操作。以上为一次空气湿度控制操作，此控制操作支持可进行多时间点、多次的循环操作。此系统中，空气湿度的测量方式分为两种：固定间隔时长测量和定时测量。定时测量通过设定开启和关闭加湿/除湿机的时间节点，并于开启后每隔5分钟，以固定间隔时长测量的方式完成持续的空气湿度的精确测量。

空气温度控制处理流程为，空气温度的监测由温度传感器来完成，传感器由热敏电阻等元件组成，利用热敏电阻随着温度增加而电阻值降低的特性，完成温度监测。在控制逻辑的第一步中，上述测温元件中热敏电阻会根据当前外界空气温度情况，将其转化为电阻高低变化，使串联电路中热敏电阻两端电压发生变化。第二步，由热敏电阻产生的电压变化经由传感器PCB板上的相关信号编译/解译元件，依据预先设置的电压强度与空气温度关系曲线，转化为统一标准的包含空气温度信息的电信号。第三步，将由编译/解译元件处理过后的空气温度电信号，以预先设定的通讯协议规则，传输至主控模块。第四步，主控模块接收到电信号后，将空气温度电信号解译为空气温度原始数据信息。第五步，主控模块将空气温度的原始数据信息进行处理，包括且不仅限于，初始数据单位换算转换、初始数据转换至其他所需数据、数据转换为图表等操作。第六步，各类数据、图表将存储与主控模块的数据存储区中，可供交互模块、控制单元和无线通信模块进行调用。第七步，主控模块将各类空气温度相关数据与内置空气温度设置范围进行对比。第八步，主控模块根据对比结果，判断当前环境条件下，是否需要调控空气温度，若需要调控则输出调控命令。第九步，主控模块将调控命令以电信号形式传输至增温/降温空调。第十步，增温/降温空调接受电信号形式命令，进行开启或关闭操作。以上为一次空气温度控制操作，此控制操作支持可进行多时间点、多次的循环操作。此系统中，空气温度的测量方式分为两种：固定间隔时长测量和定时测量。定时测量通过设定开启和关闭加湿/除湿机的时间节点，并于开启后每隔5分钟，以固定间隔时长测量的方式完成持续的空气温度的精确测量。

灌溉流量控制处理流程为，灌溉流量监测与控制由流量阀与流量传感器来完成。第一步，控制单元根据内置的灌溉设置，包括灌溉流量和灌溉时间节点，输出调控命令。第二步，由流量阀执行开启操作，开始喷洒营养液。第三步，在开始执行营养液喷洒操作同时，流量传感器开始进行流量测量。当被测营养液流过传感器时，在流体作用下，叶轮手里旋转，其转速与管道平均流速成正比。根据此特性，传感器可将流经液体总量进行持续测量。第四步，传感器根据叶轮转速，转化为液体流量电信号。第五步，液体流量电信号经编译/解译元件处理过后，以预先设定的通讯协议规则，传输至主控模块。第六步，主控模块将液体流量电信号解译为流量原始数据信息。第七步，主控模块将流量的原始数据信息进行处理，包括且不仅限于，初始数据单位换算转换、初始数据转换至其他所需数据、数据转换为图表等操作。第八步，主控模块将当前灌溉量相关数据与内置灌溉量设置范围进行对比。第九步，主控模块根据对比结果，判断当前环境条件下，是否需要继续灌溉，并输出调控命令。第十步，主控模块将调控命令以电信号形式传输至流量阀。第十一步，流量阀接受电信号形式命令，进行开启或关闭操作。以上为一次灌溉量控制操作，在固定时间节点将开始进行一次控制操作，开始操作后，将持续上述第三步至第十步操作循环，直至最终灌溉量满足设置，流量阀被关闭。

植物根际电导率值控制处理流程为，植物根际电导率值控制由电导率传感器与灌溉系统来完成。电导率传感器内置有石墨电极、MCU控制。利用石墨电极上电流强度会根据液体导电率发生变化而发生变化的特性。第一步，当上述电导率测量元件中石墨会根据当前液体电导率的情况，将其转化为电流高低变化。第二步，由电导率测量元件产生的电流变化经由传感器PCB板上的相关信号编译/解译元件，依据预先设置的电流强度与电导率关系曲线，转化为统一标准的包含电导率信息的电信号。第三步，将由编译/解译元件处理过后的电导率电信号，以预先设定的通讯协议规则，传输至主控模块。第四步，主控模块接收到电信号后，将电导率电信号解译为电导率原始数据信息。第五步，主控模块将电导率的原始数据信息进行处理，包括且不仅限于，初始数据单位换算转换、初始数据转换至其他所需数据、数据转换为图表等操作。第六步，各类数据、图表将存储与主控模块的数据存储区中，可供交互模块、控制单元和无线通信模块进行调用。第七步，主控模块将各类电导率相关数据与内置电导率设置范围进行对比。第八步，主控模块根据对比结果，判断当前环境条件下，是否需要调控电导率，若需要调控则输出调控命令。第九步，主控模块将调控命令以电信号形式传输至灌溉系统电磁阀。第十步，灌溉系统电磁阀接受电信号形式命令，进行开启或关闭操作。以上为一次电导率控制操作，此控制操作支持可进行多时间点、多次的循环操作。此系统中，电导率的测量方式分为两种：固定间隔时长测量和定时测量。定时测量通过设定开启和关闭灌溉系统电磁阀的时间节点，并于开启后每隔5秒钟，以固定间隔时长测量的方式完成持续的电导率的精确测量。直至植物根际液体电导率符合主控模块内置设置。定时测量为每隔1小时，进行一次上述循环操作，保证植物根际电导率处于适宜范围内。

作为一个具体的实施方式，二氧化碳浓度传感器测量间隔为1分钟1次，监测到实时二氧化碳浓度为580ppm。主控模块收到监测模块传输的原始数据，与当前设置的二氧化碳浓度参数600ppm对比，即结果为当前此区域二氧化碳浓度低于设置值。主控模块输出指令，命令开启二氧化碳气阀，且因当前二氧化碳浓度与设置浓度差值小于4％，属于微调阶段，输出开启10％档位二氧化碳气阀，缓慢释放二氧化碳，达到增加二氧化碳浓度的效果。

间隔1分钟后，二氧化碳浓度传感器监测到实时二氧化碳浓度为595ppm，同样低于设置浓度参数，但差距较小，仅为1％不到。经主控模块或云服务器中计算，输出相应控制指令，降低开启的二氧化碳气阀档位至相应的2％档位，进一步减缓排放二氧化碳的速度。

间隔1分钟后，二氧化碳浓度传感器监测到实时二氧化碳浓度为602ppm，二氧化碳浓度高于设定值，判定当前情况下不需要继续增加二氧化碳浓度。主控模块发出关闭二氧化碳气阀的指令，二氧化碳气阀完全关闭。

作为一个具体的实施方式，当前设置为此区域上午时间8点至下午18点应用光照强度为100μmol/s的人工补光。上午时间7点30分，光照强度传感器监测到实时光照强度为18μmol/s。数据传输至主控模块，主控模块将数据与当前设置条件相对比。因当前时间判定为上午7点30分，早于补光时段开始时间上午8点，所以主控模块无控制命令输出，仅记录光照强度数据。

上午时间8点，光照强度传感器检测到实时光照强度为23μmol/s。同上，数据经主控模块分析对比，当前光照强度低于设置值，差值为77μmol/s。基于主控模块录入的LED光通量输出与功率输出曲线的计算公式，主控模块输出控制命令，命令此区域LED灯具以全功率光强36％的调光的方式开启。区域内灯具接收到0-10V控制信号与开启信号，完成开启与调光操作，输出光。记录当前光照强度数据与指令数据。

上午时间8点05分，光照强度传感器监测到实时光照强度为99μmol/s。同上，数据经主控模块分析对比，当前光照强度略低于设置值，差值为1μmol/s。因光照强度差异较小，处于微调阶段，基于存储的上次命令数据，主控模块输出控制命令，命令此区域LED灯具以全功率光强37％的调光方式开启，即增加1％的调光输出。区域内灯具接收到0-10V控制信号与开启信号，完成调光操作，提升LED灯具光输出。记录当前光照强度数据与指令数据。

上午时间8点10分，光照强度传感器监测到实时光照强度为100μmol/s。同上，数据经主控模块分析对比，当前光照强度等于设置值。主控模块无控制命令输出，灯具维持当前调光档位，维持当前光输出。记录当前光照强度数据与指令数据。

本申请实施例提供一种计算机设备，包括处理器，以及与处理器连接的存储器；

存储器用于存储计算机程序，计算机程序用于执行上述任一实施例提供的基于双塔式连续水培牧草栽培控制系统；

处理器用于调用并执行存储器中的计算机程序。

综上所述，本发明提供一种基于双塔式连续水培牧草栽培控制系统及其工作方法，包括控制装置和云服务器，控制装置与所述云服务器无线连接；控制装置包括环境监测模块、交互模块、无线通信模块以及主控模块，环境监测模块、交互模块、无线通信模块分别与主控模块连接；云服务器中预存储有环境参数数据；云服务器接收所述控制装置采集的环境实时数据，并将环境实时数据与环境参数数据进行对比分析并存储；云服务器根据所述环境实时数据绘制监测示意图和数据表；所述控制装置根据对比分析结果调整环境参数。本发明采用螺旋双塔式的连续水培牧草栽培系统实现了环境控制集中化、自动化，控制流程更流畅、高效与精确。

可以理解的是，上述提供的系统实施例与上述的装置实施例对应，相应的具体内容可以相互参考，在此不再赘述。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为装置、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的系统、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令系统的制造品，该指令系统实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于双塔式连续水培牧草栽培控制系统，其特征在于，包括：控制装置和云服务器，所述控制装置与所述云服务器无线连接；

所述控制装置包括：环境监测模块、环境控制模块、交互模块、无线通信模块以及主控模块，所述环境监测模块、环境控制模块、交互模块、无线通信模块分别与所述主控模块连接；

所述主控模块，包含中央计算处理器，内置预设水培牧草环境参数数据，通过将所述环境实时数据与预设环境参数数据进行对比分析得到对比差异，根据所述对比差异发出调控指令，并将操作记录数据及相应环境实时数据存储于本地，并上传云服务器；其中，环境参数数据可通过本地输入操作进行覆盖，并在栽培中应用更新后的环境参数数据进行调控；所述主控模块，还用于根据所述环境实时与历史数据绘制监测示意图和数据表；

所述云服务器中存储有水培牧草的环境参数数据与植物生长模型；

所述云服务器用于接收所述控制装置采集的环境实时数据、主控模块的操作记录数据，并将所述环境实时数据输入植物生长模型中进行同步模拟分析；

所述控制装置还用于根据对比分析结果调整环境参数。

2.根据权利要求1所述的基于双塔式连续水培牧草栽培控制系统，其特征在于，所述环境控制模块包括：

照明单元，用于在控制单元的控制下对LED灯具定时开关、控制光照强度和光照时长；

二氧化碳输送单元，用于输送二氧化碳；

温度控制单元，包含空调设备，用于提高或降低温度；

湿度控制单元，包含加湿机和除湿机，加湿机用于增加空气湿度，除湿机用于降低空气湿度；

灌溉单元，用于输送和循环营养液；

控制单元，用于接收所述主控模块的控制指令对所述照明单元、二氧化碳输送单元、温度控制单元、湿度控制单元以及灌溉单元进行控制；

所述照明单元、二氧化碳输送单元、温度控制单元、湿度控制单元以及灌溉单元分别与所述控制单元连接。

3.根据权利要求1所述的基于双塔式连续水培牧草栽培控制系统，其特征在于，所述环境监测模块包括：

光照强度传感器、二氧化碳传感器、相对湿度传感器、空气温度传感器、灌溉流量传感器和植物根际电导率值传感器；

所述光照强度传感器、二氧化碳传感器、相对湿度传感器、空气温度传感器、灌溉流量传感器和植物根际电导率值传感器均为多个。

4.根据权利要求1所述的基于双塔式连续水培牧草栽培控制系统，其特征在于，所述交互模块包括：输入单元和显示单元；

所述输入单元用于接收用户的操作信号以设置环境参数；

所述显示单元用于显示环境实时数据、环境参数数据以及监测示意图和数据表。

5.根据权利要求4所述的基于双塔式连续水培牧草栽培控制系统，其特征在于，

所述输入单元采用触摸屏或按键；

所述显示单元采用显示屏。

6.根据权利要求1所述的基于双塔式连续水培牧草栽培控制系统，其特征在于，所述控制装置包括：

报警模块，所述报警模块与所述主控模块连接。

7.根据权利要求1所述的基于双塔式连续水培牧草栽培控制系统，其特征在于，所述无线通信模块采用下列模块之一或组合：

局域网网络、GPRS网络。

8.一种基于权利要求1至7任一项所述的基于双塔式连续水培牧草栽培控制系统的工作方法，其特征在于，

采集环境实时数据；

将所述环境实时数据与预设的环境参数数据进行对比分析；

根据对比分析结果对环境参数进行调节；

其中，所述环境参数包括：光照强度、二氧化碳浓度、空气湿度、空气温度、灌溉流量以及植物根际电导率值。

9.根据权利要求8所述的工作方法，其特征在于，根据对比分析结果对环境参数进行调节；

主控模块根据分析结果判断光照强度是否需要调节，如果需要，则所述主控模块将调控指令发送至控制单元，控制单元根据所述调控指令对LED灯具进行调节操作；否则，结束流程；

主控模块根据分析结果判断二氧化碳浓度是否需要调节，如果需要，则所述主控模块将调控指令发送至控制单元，控制单元根据所述调控指令对二氧化碳输送系统进行调节操作；否则，结束流程；

主控模块根据分析结果判断空气湿度是否需要调节，如果需要，则所述主控模块将调控指令发送至控制单元，控制单元根据所述调控指令对加湿机或除湿机进行调节操作；否则，结束流程；

主控模块根据分析结果判断空气温度是否需要调节，如果需要，则所述主控模块将调控指令发送至控制单元，控制单元根据所述调控指令对空调进行调节操作；否则，结束流程；

主控模块根据分析结果判断灌溉流量是否需要调节，如果需要，则所述主控模块将调控指令发送至控制单元，控制单元根据所述调控指令对流量阀进行调节操作；否则，结束流程；

主控模块根据分析结果判断植物根际电导率值是否需要调节，如果需要，则所述主控模块将调控指令发送至控制单元，控制单元根据所述调控指令对植物根际电导率值进行调节操作；否则，结束流程。

10.根据权利要求9所述的工作方法，其特征在于，

所述对LED灯具进行调节操作，包括：开启或关闭LED灯具或调节LED灯具的光强度；

所述对二氧化碳输送单元进行调节操作，包括：开启或关闭或调节二氧化碳输送单元的输送二氧化碳强度；

所述对加湿机或除湿机进行调节操作，包括：对加湿机或除湿机进行开启或关闭操作；

所述对空调进行调节操作，包括：对空调进行开启或关闭操作；

所述对流量阀进行调节操作，包括：对流量阀进行开启或关闭操作；

所述对植物根际电导率值进行调节操作，包括：对电磁阀进行开启或关闭操作。

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