CN114253326A - 一种数字孪生技术框架下的智能家居盆栽护理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字孪生技术框架下的智能家居盆栽护理系统，属于植物栽培装置技术领域。本发明的数字孪生架构中物理空间由液体补偿机构、光照补偿机构、温度补偿机构、多个传感器、通讯模块和本地控制器组成；虚拟空间由云端服务中的孪生数据库、孪生模型、可视化界面和本地控制器中的处理逻辑组成；孪生模型包括环境模型和植物本体模型；环境模型由物理空间中的对象映射得到；孪生数据库包括植物种类数据、各种类的属性数据和植物环境数据；本发明利用数字孪生技术实现植物的全生命周期养护、个性化养护以及预测性养护，提高养护的实时性和效率。
Description
技术领域
本发明属于植物栽培装置技术领域，更具体地，涉及一种数字孪生技术框架下的智能家居盆栽护理系统。
背景技术
植物的生长需要一定的必要条件，特别是对于家居盆栽植物而言，常常由于主人的养护不科学造成植物的死亡。但是现有的盆栽护理设备大部分都是针对比较大型的盆栽店或者专业的植物养护基地，对于家居盆栽护理的装置研究较少。随着智能家居逐步出现在我们的生活中，人们对美好生活的要求急剧增加；但是以专利CN201621133680.5、CN201810976927.7等为例，它们能实现自动浇水和补光等功能，但不能实现检测植物所处的土壤环境、及时向植物进行所需养分补充、向用户反馈植物实时信息等功能，其他专利也或多或少的存在功能不全的问题。人们迫切的需求一套数据采集全面、护理科学完善、信息反馈及时、系统可覆盖范围广的一套家居盆栽护理系统。
数字孪生作为一种超越现实的概念，能够反应物理实体的全周期过程，目前在工程建设、医学分析、航空航天等领域应用研究热度较高，但是目前该技术在植物栽培装置技术领域上的应用几乎为零。家居盆栽的护理是一个全生命周期的过程，有必要将数字孪生技术应用在植物栽培装置技术领域，以期很好的实现对植物全生命周期管理。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种数字孪生技术框架下的智能家居盆栽护理系统，其目的在于利用数字孪生技术实现对植物全生命周期的管理。
为实现上述目的，本发明提供了一种数字孪生技术框架下的智能家居盆栽护理系统，包括：数字孪生架构；所述数字孪生架构包括物理空间和虚拟空间；
其中，物理空间包括液体补偿机构、光照补偿机构、温度补偿机构、多个传感器和本地控制器；液体补偿机构用于调节土壤酸碱度和补水；
虚拟空间包括云端服务中的孪生数据库和孪生模型；
孪生数据库包括植物类别库、各种类的植物属性库和植物环境数据；
孪生模型包括环境模型和植物本体模型；环境模型由物理空间中的对象映射得到；植物本体模型根据植物类别库、各种类的植物属性库构建得到；
本地控制器中的处理逻辑为，多个传感器识别植物种类并采集完整的植物环境数据，通过本地控制器控制驱动液体补偿机构、光照补偿机构、温度补偿机构实现完整的盆栽护理，同时将数据发送至云端，更改云端孪生模型并刷新用户数据。
进一步地，植物类别库包括植物名称数据、植物类别数据、基础养护数据；植物属性库包括植物三维模型数据、叶片颜色数据、植物体内养分含量的预测数据、植物体内水分含量的预测数据；植物环境数据库包括光强数据、土壤湿度数据、土壤酸碱度数据、空气湿度数据、环境全三维模型数据；
孪生模型根据植物环境数据库中的数据建立预测模型，对植物的状态进行预测，生成植物体内养分含量和植物体内水分含量的预测数据；根据预测数据云端提前将植物未来状态反馈至本地控制器中，提前对植物进行预测性养护。
进一步地，根据孪生数据库中植物的历史数据，识别植物的健康状态并生成报告；报告内容包括各传感器数据表图、预测数据表图、孪生模型图、健康状态判断结论和养护建议。
进一步地，植物本体模型分为默认模型和个性化模型；默认模型，其几何形状不随数据变动而变动，内置属性能够通过摄像头采集数据进行状态变动；所述个性化模型，其几何形状尺寸以及内置属性均能通过摄像头采集数据进行视觉识别与驱动，实现完整的真实映射。
进一步地，多干传感器包括不少于3个的光敏传感器，不少于2个的空气温湿度传感器、土壤湿度传感器、土壤酸碱度传感器和摄像头；其中，3个光敏传感器中至少有一个置于盆栽外用于判断外界的光照，至少2个放置于盆栽内不同区域；2个空气温湿度传感器分布放置于盆栽不同方位，在液体补偿机构喷头近处和远处至少均安放一个；2个土壤湿度传感器和土壤酸碱度传感器分布放置于土壤不同区域；2个摄像头放置于对立方位，以全方位感知盆栽。
进一步地，光照补偿机构包括门形架、主动连杆、中间连杆、内连杆、主动连杆遮阳布支撑轴、中间连杆遮阳布支撑轴和内连杆遮阳布支撑轴；
主动连杆、中间连杆、内连杆作为整体，分布于门形架两侧；位于门形架同侧的主动连杆、中间连杆、内连杆，其一端共同连接在门形架侧面，另一端分别对应与主动连杆遮阳布支撑轴、中间连杆遮阳布支撑轴和内连杆遮阳布支撑轴连接；
主动连杆遮阳布支撑轴、中间连杆遮阳布支撑轴和内连杆遮阳布支撑轴平行分布，用于支撑遮阳布；
电机驱动主动连杆旋转，从而带动主动连杆遮阳布支撑轴运动，中间连杆遮阳布支撑轴、内连杆遮阳布支撑轴随之连动，实现遮阳布遮阳面积大小的调整。
进一步地，所述液体补偿机构包括酸性营养液箱、碱性营养液箱、水箱、酸性营养液阀/泵、碱性营养液阀/泵、水阀/泵、末端带细密孔的柔性输液管，输液管螺旋式分布于土壤之中。
进一步地，酸性营养液箱、碱性营养液箱为同一个箱的不同隔间区域。
进一步地，温度补偿机构包括风扇和加热器；当温度过高时，风扇开启；当温度过低时，加热器开启。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
(1)本发明提出一种针对植物栽培技术领域的数字孪生应用框架，通过多个传感器采集完整的环境数据能够生成包括其全三维几何模型及其内在属性的孪生模型，能够实现植物及其所在环境的实时真实物理映射，进而实现植物的全生命周期养护。
(2)本发明针对盆栽护理领域建立植物的属性库，将数据进行合理的分类建立孪生数据库进行保存，能够提高数据存取效率、更好的追踪盆栽历史状态；并且根据孪生数据库中的历史数据，云端能够预测植物状态，使得对植物的养护变成预测性养护，实现超前养护，提高养护的实时性和效率。
(3)本发明根据孪生数据库中的数据和孪生模型，生成植物的定量和定性的健康报告，用定量+定性的报告将植物状态显示给用户，防止用户看不懂“数据”代表植物的什么状态，使得“小白”用户也能够参与实现植物的全生命周期管理。
(4)本发明通过生成个性化的植物孪生模型，能够适配不同用户使用环境下的植物养护和需求，可以最大程度的适应植物生存状态，保证植物的全生命周期养护。
(5)本发明提供的光照补偿机构，能够保证不影响盆栽观赏性的情况下实现光照补偿；综合地实现检测植物所处的土壤、空气环境数据反馈分析，并能够通过补偿机构实现及时的植物养分、温湿度补偿，能够实现“云养植”。
附图说明
图1是整体系统模型示意图；
图2是盆栽护理系统俯视图；
图3是数字孪生架构示意图；
图4是孪生数据库组成结构示意图；
图5是预测性养护过程图；
图6是液体补偿示意图；
图7是光照补偿机构示意图；
图8是处理逻辑示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种数字孪生技术框架下的智能家居盆栽护理系统包括液体补偿机构、光照补偿机构、温度补偿机构、若干传感器、通讯模块、本地控制器、云端服务以及将上述机构组合的一种数字孪生架构。
如图2所示，若干传感器包括：3个光敏传感器、2个空气温湿度传感器、2个土壤湿度传感器、2个土壤酸碱度传感器、2个摄像头。其中3个传感器中至少有一个置于盆栽外用于判断外界的光照，至少2个放置于盆栽内不同区域；2个空气温湿度传感器应分布放置于盆栽不同方位，在喷头近处和远处至少均安放一个；土壤湿度传感器和土壤酸碱度传感器应分布放置于土壤不同区域，在螺旋细管远近都应至少安放一个；2个摄像头应放置于对立方位，以便能够全方位的感知盆栽。
如图3所示，数字孪生架构包括物理空间和虚拟空间；物理空间主要由各类机构、传感器等组成，虚拟空间由云端服务中的孪生数据库、孪生模型、可视化界面和本地控制器中的处理逻辑组成，其中孪生模型又可分为默认模型和个性化模型；通过若干传感器识别植物种类并采集完整的植物环境数据，通过本地控制器控制驱动液体补偿机构、光照补偿机构、温度补偿机构来实现完整的盆栽护理，同时通过通讯模块将数据发送至云端，更改云端盆栽模型并刷新用户数据。
如图4所示，孪生数据库包括植物类别库、各种类的植物属性库和植物环境数据；植物类别库由植物名称数据、植物类别数据、基础养护数据组成；植物属性库由全三维模型数据、叶片颜色数据、植物体内养分含量的预测数据、植物体内水分含量的预测数据组成；植物环境数据库由光强数据、土壤湿度数据、土壤酸碱度数据、空气湿度数据、环境全三维模型数据组成；
如图5所示，孪生模型可以根据植物环境数据库中的数据建立预测模型，对植物的状态进行预测，生成植物体内养分含量和植物体内水分含量的预测数据；根据预测数据云端可以提前将植物未来状态反馈至本地控制器中，从而提前对植物进行预测性养护。
根据对孪生数据库数据植物的历史数据进行判断，识别植物的健康状态并生成报告；报告内容包括：各传感器数据表图、预测数据表图、孪生模型图、健康状态判断结论、养护建议。
健康状态的具体判断过程为：结合光强数据、土壤湿度数据、土壤酸碱度数据、空气湿度、补偿情况和预测数据，如果植物在大部分时间各个数据都处于正常值且补偿较少，则说明植物所处地区气候适宜此类植物生存；如果植物大部分时间各个数据处于正常值且补偿较多，则说明植物所处地区气候不适宜该植物生存但可以进行补偿；如果预测养分和水分含量处于正常值则说明植物健康，如果养分和水分低于正常值则说明植物处于健康不良状态需要用户介入检查；
养护建议有以下建议示例：“植物需要长时间光照补偿，建议转移至阳光充足区域”，“植物需要长时间遮阳，建议转移至阳光较低的区域”，“土壤湿度下降较快，建议用户及时水箱储水”，“该植物生长健康，适宜观赏”。
如图6所示，液体补偿机构包括酸性营养液箱、碱性营养液箱、水箱、酸性营养液阀/泵、碱性营养液阀/泵、水阀/泵、末端带细密孔的柔性输液管，输液管应螺旋式分布于土壤之中；其中酸性营养液箱、碱性营养液箱为同一个箱的不同隔间区域。
如图7所示，光照补偿机构包括支架、门形架、步进电机、杆架连接轴、电机-主动杆连接件、双侧主动连杆、双侧中间连杆、双侧内连杆、主动连杆遮阳布支撑轴、中间连杆遮阳布支撑轴、内连杆遮阳布支撑轴、遮阳布、灯；光照补偿机构的具体安装情况也如图5所示，支架其侧边均开有门形架安装孔；门形架其侧边均开有杆架连接轴、风扇以及支架安装孔；双侧主动连杆开有主动连杆遮阳布支撑轴、杆架连接轴、电机-主动杆连接件孔；双侧中间连杆、双侧内连杆开有主动连杆遮阳布支撑轴、杆架连接轴孔；主动连杆遮阳布支撑轴、中间连杆遮阳布支撑轴、内连杆遮阳布支撑轴两侧有同长度螺纹，中间为光杆且螺纹于杆连接处有轴肩。杆架连接轴两侧有不同长度的螺纹，中间为光杆且螺纹于杆连接处有轴肩；电机-主动杆连接件一端开有步进电机输出轴连接孔，另一端为法兰盘形状但只开一孔与双侧主动连杆配合。
本发明的光照补偿机构通过主控制器的控制可以实现针对不同光照强度下的遮阳，遮阳角度更完全；在机构完全收缩时，遮阳机构与盆载高度齐平，完全不影响其观赏性，在机构完全展开时，盆栽正面依旧能够展示给用户观赏。遮阳部分为仅通过步进电机带动主动连杆遮阳布支撑轴运动，其他遮阳布支撑轴均为随动，省去复杂的多层传动结构，简化整个系统的驱动控制。
温度补偿机构包括风扇和加热器，风扇安装在门形架外，主控制器与风扇相连，加热器可以根据加热器类型自由选择安装区域，如安装在花盆内。
如图8所示，为整个系统的处理逻辑，即工作流程：
s1.1开始；s1.2光敏传感器工作；s1.3数据传输至主控制器；s1.4数据判断是否在阈值范围内；s1.5电机启动；遮阳机构开始进行遮阳工作；s1.6遮阳机构是否在初始位置(为工作位置)；s1.7电机启动，遮阳机构开始工作，回到初始位置，s1.8光照灯开始工作。
s2.1开始；s2.2土壤温湿度传感器、酸碱度传感器、空气温湿度传感器工作；s2.3数据传输至主控制器；s2.4数据判断温湿度是否在阈值范围内；s2.5水泵启动；s2.6数据判断酸碱度是否在阈值范围内；s2.7营养液泵启动。
s3.1开始；s3.2空气温湿度传感器工作；s3.3数据传输至主控制器；s3.4数据判断是否在阈值范围内；s3.5加热装置启动；s3.6风扇启动。
s4.1开始；s4.2数据通过通讯模块传至云端；s4.3接受数据；s4.4存储数据以及驱动盆栽孪生模型；s4.5数据及模型可视化；s4.6是否接收到外部关闭指令；s4.7结束。
通过步骤s4.6-s2.2-s2.3-s2.5-s4.6来完成土壤补水功能，主控制器接收到土壤湿度信号弱于所述湿度阈值时，控制补偿机构控制水泵输送液体水。
通过步骤s4.6-s2.2-s2.6-s2.7-s4.6来完成酸碱度调节，主控制器接收到土壤酸碱度信号弱于所述PH阈值时控制补偿机构酸性营养液泵输送酸性营养液，主控制器接收到土壤酸碱度信号强于所述PH阈值时控制补偿机构酸性营养液泵输送碱性营养液。
通过步骤s4.6-s1.2-s1.3-s1.4-s1.5-s4.6来完成遮阳功能，主控制器根据内外光照传感器强度信号来控制步进电机，主控制器根据光敏传感器获得的光照强度强于所述光照强度阈值，步进电机启动，双侧主动连杆带动各个连杆以及遮阳布支撑轴旋转上升，使得遮阳布增大遮阳面积，直至内光敏传感器光照强度适宜，机构停止工作。
通过步骤s4.6-s1.2-s1.3-s1.4-s1.6-s1.7-s4.6和步骤s4.6-s1.2-s1.3-s1.4-s1.6-s1.8-s4.6来完成光照补偿功能，主控制器根据机构内光敏传感器获得的光照强度弱于所述光照强度阈值，步进电机启动，双侧主动连杆带动各个连杆以及遮阳布支撑轴旋转下降，使得遮阳布减小遮阳面积，直至内光敏传感器光照强度适宜，机构停止工作；如果下降至极限位置，且机构内外光敏信号均小于阈值时，灯光打开补偿光源，为了符合植物生长规律，光照补偿仅限上午8时至下午6时。
通过步骤s4.6-s3.2-s3.3-s3.4-s3.6-s4.6和步骤s4.6-s3.2-s3.3-s3.4-s3.5-s4.6来实现温度补偿功能。当温度过高时，风扇开启；当温度过低时，加热器开启。
通过步骤s4.2-s4.3-s4.4-s4.5完成数据传输、保存以及孪生模型的驱动。云端服务中的孪生模型通过来自本地数据的数据驱动将模型状态更新并通过可视化界面进行呈现；所述孪生模型分为默认模型和个性化模型，模型属性包括几何参数以及内置属性；所述内置属性主要指叶片颜色和亮度；默认模型为统一通用模型，该模型几何形状不随数据变动而变动，但内置属性可通过摄像头采集数据进行状态变动；所述个性化模型，其几何形状尺寸以及内置属性，均可通过摄像头采集数据进行视觉识别与驱动，实现完整的真实映射。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种数字孪生技术框架下的智能家居盆栽护理系统，其特征在于，包括：数字孪生架构；所述数字孪生架构包括物理空间和虚拟空间；
其中，物理空间包括液体补偿机构、光照补偿机构、温度补偿机构、多个传感器和本地控制器；液体补偿机构用于调节土壤酸碱度和补水；
虚拟空间包括云端服务中的孪生数据库和孪生模型；
孪生数据库包括植物类别库、各种类的植物属性库和植物环境数据；
孪生模型包括环境模型和植物本体模型；环境模型由物理空间中的对象映射得到；植物本体模型根据植物类别库、各种类的植物属性库构建得到；
本地控制器中的处理逻辑为，多个传感器识别植物种类并采集完整的植物环境数据，通过本地控制器控制驱动液体补偿机构、光照补偿机构、温度补偿机构实现完整的盆栽护理，同时将数据发送至云端，更改云端孪生模型并刷新用户数据。
2.根据权利要求1所述的一种数字孪生技术框架下的智能家居盆栽护理系统，其特征在于，植物类别库包括植物名称数据、植物类别数据、基础养护数据；植物属性库包括植物三维模型数据、叶片颜色数据、植物体内养分含量的预测数据、植物体内水分含量的预测数据；植物环境数据库包括光强数据、土壤湿度数据、土壤酸碱度数据、空气湿度数据、环境全三维模型数据；
孪生模型根据植物环境数据库中的数据建立预测模型，对植物的状态进行预测，生成植物体内养分含量和植物体内水分含量的预测数据；根据预测数据云端提前将植物未来状态反馈至本地控制器中，提前对植物进行预测性养护。
3.根据权利要求2所述的一种数字孪生技术框架下的智能家居盆栽护理系统，其特征在于，根据孪生数据库中植物的历史数据，识别植物的健康状态并生成报告；报告内容包括各传感器数据表图、预测数据表图、孪生模型图、健康状态判断结论和养护建议。
4.根据权利要求1所述的一种数字孪生技术框架下的智能家居盆栽护理系统，其特征在于，植物本体模型分为默认模型和个性化模型；默认模型，其几何形状不随数据变动而变动，内置属性能够通过摄像头采集数据进行状态变动；所述个性化模型，其几何形状尺寸以及内置属性均能通过摄像头采集数据进行视觉识别与驱动，实现完整的真实映射。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种数字孪生技术框架下的智能家居盆栽护理系统，其特征在于，多干传感器包括不少于3个的光敏传感器，不少于2个的空气温湿度传感器、土壤湿度传感器、土壤酸碱度传感器和摄像头；其中，3个光敏传感器中至少有一个置于盆栽外用于判断外界的光照，至少2个放置于盆栽内不同区域；2个空气温湿度传感器分布放置于盆栽不同方位，在液体补偿机构喷头近处和远处至少均安放一个；2个土壤湿度传感器和土壤酸碱度传感器分布放置于土壤不同区域；2个摄像头放置于对立方位，以全方位感知盆栽。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种数字孪生技术框架下的智能家居盆栽护理系统，其特征在于，光照补偿机构包括门形架、主动连杆、中间连杆、内连杆、主动连杆遮阳布支撑轴、中间连杆遮阳布支撑轴和内连杆遮阳布支撑轴；
主动连杆、中间连杆、内连杆作为整体，分布于门形架两侧；位于门形架同侧的主动连杆、中间连杆、内连杆，其一端共同连接在门形架侧面，另一端分别对应与主动连杆遮阳布支撑轴、中间连杆遮阳布支撑轴和内连杆遮阳布支撑轴连接；
主动连杆遮阳布支撑轴、中间连杆遮阳布支撑轴和内连杆遮阳布支撑轴平行分布，用于支撑遮阳布；
电机驱动主动连杆旋转，从而带动主动连杆遮阳布支撑轴运动，中间连杆遮阳布支撑轴、内连杆遮阳布支撑轴随之连动，实现遮阳布遮阳面积大小的调整。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种数字孪生技术框架下的智能家居盆栽护理系统，其特征在于，所述液体补偿机构包括酸性营养液箱、碱性营养液箱、水箱、酸性营养液阀/泵、碱性营养液阀/泵、水阀/泵、末端带细密孔的柔性输液管，输液管螺旋式分布于土壤之中。
8.根据权利要求7所述的一种数字孪生技术框架下的智能家居盆栽护理系统，其特征在于，酸性营养液箱、碱性营养液箱为同一个箱的不同隔间区域。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种数字孪生技术框架下的智能家居盆栽护理系统，其特征在于，温度补偿机构包括风扇和加热器；当温度过高时，风扇开启；当温度过低时，加热器开启。
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