CN115328233A - 一种温室大棚环境智能调节管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温室大棚环境智能调节管理系统，涉及农业生产自动化技术领域，其中，图像分析模块利用图像识别技术对摄像头实时录制的农作物的图像信息进行识别分析得到农作物的生长阶段信息；控制器用于将生长阶段信息代入生长阶段与生长环境信息的关系模型中，得到标准生长环境信息；并将当前生长环境信息与标准生长环境信息进行比对，根据比对结果驱动控制环境调节模块进行环境调节；当农作物成熟后，生长优化模块用于获取农作物的品质系数，当品质系数超过品质系数阈值预设比例时，将品质系数最大值所对应的生长环境信息标记为优化生长环境信息，不断对生长阶段与生长环境信息的关系模型进行迭代优化，有效提高农作物的产量和质量。

Description

一种温室大棚环境智能调节管理系统

技术领域

本发明涉及农业生产自动化技术领域，具体是一种温室大棚环境智能调节管理系统。

背景技术

温室大棚主要是人为地创造出适宜植物生长发育的最佳环境，在不同季节内，尤其是不利于植物生长的季节进行种植的一种措施。近年来，随着农业技术的不断发展，温室大棚技术逐渐普及，温室大棚数量也不断增多，但由于作物生长的不确定性和温室环境的可变性，如何对温室大棚进行科学控制，将温室大棚内环境保持在最适宜植物生长的条件对于种植户来说至关重要。现有的温室大棚普遍依靠传统的人力管理，信息化、智能化程度较低，不仅浪费大量的人力、物力，而且农作物产量低、质量差。基于以上不足，本发明提出一种温室大棚环境智能调节管理系统。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种温室大棚环境智能调节管理系统。

为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种温室大棚环境智能调节管理系统，包括摄像头、监测传感器组、环境调节模块、生长优化模块、数据获取模块、数据审核模块以及信号验证模块；

所述摄像头用于实时录制农作物的图像信息并将图像信息通过Zigbee无线网络传输到图像分析模块；所述图像分析模块利用图像识别技术对接收到的图像信息进行识别分析得到农作物的生长阶段信息；

所述监测传感器组用于实时监测农作物的生长环境信息并将监测到的当前生长环境信息通过Zigbee无线网络发送至控制器；其中，所述信号验证模块用于实时验证各个监测传感器与控制器之间的通信状态，以及时提示管理员对所述监测传感器进行检修或更换；

所述控制器用于将农作物的生长阶段信息代入生长阶段与生长环境信息的关系模型，得到对应的标准生长环境信息；并将当前生长环境信息与标准生长环境信息进行比对，根据比对结果驱动控制环境调节模块进行环境调节；当农作物成熟后，所述生长优化模块用于获取农作物的品质系数并标记为Pzt；当品质系数Pzt超过品质系数阈值预设比例时，将品质系数Pzt最大值所对应的生长环境信息标记为优化生长环境信息，并将优化生长环境信息发送至数据库进行存储。

进一步地，所述生长优化模块用于根据生长阶段信息对农作物的生长环境信息进行优化分析，训练得到生长阶段与生长环境信息的关系模型并发送至云平台；其中，生长优化模块分析的数据来源为数据库中存储的数据，具体分析过程为：

步骤一：获取周期时间内的农作物成品的品质系数Pz，以及该农作物成品的田间生产环节的可追溯信息；

步骤二：获取农作物不同生长阶段对应的生长环境信息，建立生长环境信息随生长阶段变化的对照表；根据对照表构建参数优化训练样本，训练基于机器学习方法，得到生长阶段与生长环境信息的关系模型。

进一步地，所述数据获取模块用于获取原始生长数据，所述原始生长数据包括农作物种类和田间生产环节的可追溯信息；所述田间生产环节的可追溯信息包括农作物生长环境信息和农作物的生长情况；并将最终得到的农作物成品的品质系数Pz反馈至数据获取模块。

进一步地，所述数据审核模块对获取的原始生长数据进行审核后，将审核通过的原始生长数据转化为显性生长数据存储在数据库中，其中数据审核模块设定有品质系数阈值，当农作物成品的品质系数Pz小于品质系数阈值时，对应的原始生长数据审核不通过。

进一步地，所述生长环境信息包括空气温湿度信息、土壤温湿度信息、光照信息以及二氧化碳浓度信息等；其中，所述监测传感器组包括土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器、光照传感器以及二氧化碳浓度传感器。

进一步地，所述信号验证模块的具体验证步骤为：

所述信号验证模块按照预设验证周期发送验证配置消息至各个监测传感器；其中第一验证信号携带有第一信号质量门限；

响应于接收到由信号验证模块发送的验证配置消息，所述监测传感器发送第二同步信号至控制器；响应于监听到第二同步信号，由控制器确定第二同步信号的信号质量；并将第二同步信号的信号质量与第一信号质量门限进行对比，得到对应的质量差值Z1；将监测传感器发送第二同步信号的时刻与控制器接收到第二同步信号的时刻进行时间差计算得到响应时长XT；利用公式XP＝Z1×a1+XT×a2计算得到损耗值XP，其中a1、a2为系数因子；

根据损耗值XP的时空变化情况对通信偏值PL进行评估；若PL＞预设偏值阈值，则判定所述监测传感器通信问题严重，生成通信异常信号；信号验证模块用于将通信异常信号发送至控制器，控制器接收到通信异常信号后控制报警模块发出警报，并在显示模块显示对应监测传感器的位置信息。

进一步地，其中，通信偏值PL的具体评估过程为：

建立损耗值XP随时间变化的曲线图；若XP≥预设损耗阈值，则在对应的曲线图中截取对应的曲线段并进行标注，记为损耗曲线段；

在预设时间段内，统计损耗曲线段的数量为P1，将损耗曲线段上对应XP与预设损耗阈值的差值对时间进行积分并进行求和得到损耗参考面积M1；利用公式PL＝P1×a3+M1×a4计算得到对应监测传感器的通信偏值PL，其中a3、a4均为系数因子。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中图像分析模块利用图像识别技术对摄像头实时录制的农作物的图像信息进行识别分析得到农作物的生长阶段信息；控制器用于将所述生长阶段信息代入生长阶段与生长环境信息的关系模型中，得到标准生长环境信息；并将当前生长环境信息与标准生长环境信息进行比对，根据比对结果驱动控制环境调节模块进行环境调节；当农作物成熟后，生长优化模块用于获取农作物的品质系数并标记为Pzt；当品质系数Pzt超过品质系数阈值预设比例时，将品质系数Pzt最大值所对应的生长环境信息标记为优化生长环境信息，不断对生长阶段与生长环境信息的关系模型进行迭代优化，有效提高农作物的产量和质量；

2、本发明中信号验证模块用于实时验证各个监测传感器与控制器之间的通信状态，首先信号验证模块按照预设验证周期发送验证配置消息至各个监测传感器；当接收到验证配置消息，所述监测传感器发送第二同步信号至控制器；由控制器将第二同步信号的信号质量与第一信号质量门限进行对比，得到对应的质量差值Z1，结合响应时长XT计算得到损耗值XP；根据损耗值XP的时空变化情况对通信偏值PL进行评估，若PL＞预设偏值阈值，则生成通信异常信号；以提示管理员对所述监测传感器进行检修或更换，提高环境调节精度和效率。

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为本发明一种温室大棚环境智能调节管理系统的系统框图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种温室大棚环境智能调节管理系统，包括摄像头、图像分析模块、控制器、监测传感器组、云平台、环境调节模块、生长优化模块、数据获取模块、数据审核模块、数据库、信号验证模块、报警模块以及显示模块；

摄像头设置于大棚空间内，用于实时录制农作物的图像信息并将图像信息通过Zigbee无线网络传输到图像分析模块；图像分析模块利用图像识别技术对摄像头实时录制的农作物的图像信息进行识别分析得到农作物的生长阶段信息，并将农作物的生长阶段信息传输至控制器；

监测传感器组设置于大棚空间内，用于实时监测农作物的生长环境信息并将监测到的当前生长环境信息通过Zigbee无线网络发送至控制器；生长环境信息包括空气温湿度信息、土壤温湿度信息、光照信息以及二氧化碳浓度信息等；其中，监测传感器组包括土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器、光照传感器以及二氧化碳浓度传感器；

控制器用于从云平台调取生长阶段与生长环境信息的关系模型，并将接收到的农作物的生长阶段信息代入关系模型中，得到对应的标准生长环境信息；并将当前生长环境信息与标准生长环境信息进行比对，根据比对结果驱动控制环境调节模块进行环境调节；

其中，环境调节模块按照生长阶段给定对应农作物相应的标准生长环境信息；在本实施例中，标准生长环境信息为一个范围；环境调节模块按照对应的生长环境范围调节各个环境参数；

当农作物成熟后，生长优化模块用于获取农作物的品质系数并标记为Pzt；当品质系数Pzt超过品质系数阈值预设比例时，将品质系数Pzt最大值所对应的生长环境信息标记为优化生长环境信息，并将优化生长环境信息发送至数据库进行存储；其中预设比例范围是50％-80％；

在本实施例中，生长优化模块根据农作物成熟后的品质系数不断对生长阶段与生长环境信息的关系模型进行迭代优化，使得农作物能够得到最需要的生长环境，有效提高农作物的产量和质量；

数据获取模块用于获取原始生长数据，原始生长数据包括农作物种类和田间生产环节的可追溯信息；田间生产环节的可追溯信息包括农作物生长环境信息和农作物的生长情况；并将最终得到的农作物成品的品质系数Pz反馈至数据获取模块；其中品质系数Pz在进行计算时，从多个维度进行计算，包括农作物的产量、外观性状、营养性状等，综合得出最能代表农作物成品优良的品质系数；

数据审核模块对获取的原始生长数据进行审核后，将审核通过的原始生长数据转化为显性生长数据存储在数据库中，数据库包括若干条显性生长数据；其中，对于周期时间内生长的农作物成品并不是所有的都是合格的，为此，数据审核模块设定有品质系数阈值，当农作物成品的品质系数Pz小于品质系数阈值时，对应的原始生长数据不做参考；

生长优化模块用于根据生长阶段信息对农作物的生长环境信息进行优化分析，训练得到生长阶段与生长环境信息的关系模型并将对应关系模型发送至云平台进行存储；生长优化模块分析的数据来源为数据库中存储的数据；生长优化模块的具体分析过程为：

步骤一：获取周期时间内的农作物成品的品质系数Pz，以及该农作物成品的田间生产环节的可追溯信息；

步骤二：获取农作物不同生长阶段对应的生长环境信息，建立生长环境信息随生长阶段变化的对照表；根据对照表构建参数优化训练样本，训练基于机器学习方法，得到生长阶段与生长环境信息的关系模型；

在本实施例中，由于控制器是根据监测传感器组的监测数据来判断农作物的生长环境信息是否达标，以及驱动环境调节模块进行环境调节，因此保证监测传感器组与控制器之间的高可靠低延时通信，使得决策迅速反馈于农作物是非常重要的；

在本实施例中，信号验证模块用于实时验证各个监测传感器与控制器之间的通信状态，具体验证步骤为：

信号验证模块按照预设验证周期发送验证配置消息至各个监测传感器；其中第一验证信号携带有第一信号质量门限；

响应于接收到由信号验证模块发送的验证配置消息，监测传感器发送第二同步信号至控制器；响应于监听到第二同步信号，由控制器确定第二同步信号的信号质量；并将第二同步信号的信号质量与第一信号质量门限进行对比，得到对应的质量差值Z1，其中本领域技术人员应该理解，任意本领域公知的度量都能够用于表征信号质量，例如RSRQ、RSRP、RSSI等等；此处的质量差值可以反映出信号在传输过程中的衰减；

将监测传感器发送第二同步信号的时刻与控制器接收到第二同步信号的时刻进行时间差计算得到响应时长XT；利用公式XP＝Z1×a1+XT×a2计算得到损耗值XP，其中a1、a2为系数因子；

建立损耗值XP随时间变化的曲线图；将损耗值XP与预设损耗阈值相比较，若XP≥预设损耗阈值，则在对应的曲线图中截取对应的曲线段并进行标注，记为损耗曲线段；

在预设时间段内，统计损耗曲线段的数量为P1，将损耗曲线段上对应XP与预设损耗阈值的差值对时间进行积分并进行求和得到损耗参考面积M1；利用公式PL＝P1×a3+M1×a4计算得到对应监测传感器的通信偏值PL，其中a3、a4均为系数因子；若通信偏值PL＞预设偏值阈值，则判定监测传感器通信问题严重，生成通信异常信号；

信号验证模块用于将通信异常信号发送至控制器，控制器接收到通信异常信号后控制报警模块发出警报，并在显示模块显示对应监测传感器的位置信息，以提示管理员对监测传感器进行检修或更换，提高环境调节精度和效率。

上述公式均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者大量数据模拟获得。

本发明的工作原理：

一种温室大棚环境智能调节管理系统，在工作时，图像分析模块利用图像识别技术对摄像头实时录制的农作物的图像信息进行识别分析得到农作物的生长阶段信息，控制器用于从云平台调取生长阶段与生长环境信息的关系模型，并将接收到的农作物的生长阶段信息代入关系模型中，得到对应的标准生长环境信息；并将当前生长环境信息与标准生长环境信息进行比对，根据比对结果驱动控制环境调节模块进行环境调节；当农作物成熟后，生长优化模块用于获取农作物的品质系数并标记为Pzt；当品质系数Pzt超过品质系数阈值预设比例时，将品质系数Pzt最大值所对应的生长环境信息标记为优化生长环境信息，不断对生长阶段与生长环境信息的关系模型进行迭代优化，有效提高农作物的产量和质量；

信号验证模块用于实时验证各个监测传感器与控制器之间的通信状态，首先信号验证模块按照预设验证周期发送验证配置消息至各个监测传感器；响应于接收到由信号验证模块发送的验证配置消息，监测传感器发送第二同步信号至控制器；由控制器确定第二同步信号的信号质量，并将第二同步信号的信号质量与第一信号质量门限进行对比，得到对应的质量差值Z1，结合响应时长XT计算得到损耗值XP；根据损耗值XP的时空变化情况对通信偏值PL进行评估，若通信偏值PL＞预设偏值阈值，则生成通信异常信号；以提示管理员对监测传感器进行检修或更换，提高环境调节精度和效率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种温室大棚环境智能调节管理系统，其特征在于，包括摄像头、监测传感器组、环境调节模块、生长优化模块、数据获取模块、数据审核模块以及信号验证模块；

所述摄像头用于实时录制农作物的图像信息并将图像信息通过Zigbee无线网络传输到图像分析模块；所述图像分析模块利用图像识别技术对接收到的图像信息进行识别分析得到农作物的生长阶段信息；

所述监测传感器组用于实时监测农作物的生长环境信息并将监测到的当前生长环境信息通过Zigbee无线网络发送至控制器；其中，所述信号验证模块用于实时验证各个监测传感器与控制器之间的通信状态，以及时提示管理员对所述监测传感器进行检修或更换；

所述控制器用于将农作物的生长阶段信息代入生长阶段与生长环境信息的关系模型，得到对应的标准生长环境信息；并将当前生长环境信息与标准生长环境信息进行比对，根据比对结果驱动控制环境调节模块进行环境调节；当农作物成熟后，所述生长优化模块用于获取农作物的品质系数并标记为Pzt；当品质系数Pzt超过品质系数阈值预设比例时，将品质系数Pzt最大值所对应的生长环境信息标记为优化生长环境信息，并将优化生长环境信息发送至数据库进行存储。

2.根据权利要求1所述的一种温室大棚环境智能调节管理系统，其特征在于，所述生长优化模块用于根据生长阶段信息对农作物的生长环境信息进行优化分析，训练得到生长阶段与生长环境信息的关系模型并发送至云平台；其中，生长优化模块分析的数据来源为数据库中存储的数据，具体分析过程为：

步骤一：获取周期时间内的农作物成品的品质系数Pz，以及该农作物成品的田间生产环节的可追溯信息；

步骤二：获取农作物不同生长阶段对应的生长环境信息，建立生长环境信息随生长阶段变化的对照表；根据对照表构建参数优化训练样本，训练基于机器学习方法，得到生长阶段与生长环境信息的关系模型。

3.根据权利要求2所述的一种温室大棚环境智能调节管理系统，其特征在于，所述数据获取模块用于获取原始生长数据，所述原始生长数据包括农作物种类和田间生产环节的可追溯信息；所述田间生产环节的可追溯信息包括农作物生长环境信息和农作物的生长情况；并将最终得到的农作物成品的品质系数Pz反馈至数据获取模块。

4.根据权利要求3所述的一种温室大棚环境智能调节管理系统，其特征在于，所述数据审核模块对获取的原始生长数据进行审核后，将审核通过的原始生长数据转化为显性生长数据存储在数据库中，其中数据审核模块设定有品质系数阈值，当农作物成品的品质系数Pz小于品质系数阈值时，对应的原始生长数据审核不通过。

5.根据权利要求3所述的一种温室大棚环境智能调节管理系统，其特征在于，所述生长环境信息包括空气温湿度信息、土壤温湿度信息、光照信息以及二氧化碳浓度信息；其中，所述监测传感器组包括土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器、光照传感器以及二氧化碳浓度传感器。

6.根据权利要求5所述的一种温室大棚环境智能调节管理系统，其特征在于，所述信号验证模块的具体验证步骤为：

所述信号验证模块按照预设验证周期发送验证配置消息至各个监测传感器；其中第一验证信号携带有第一信号质量门限；

响应于接收到由信号验证模块发送的验证配置消息，所述监测传感器发送第二同步信号至控制器；响应于监听到第二同步信号，由控制器确定第二同步信号的信号质量；并将第二同步信号的信号质量与第一信号质量门限进行对比，得到对应的质量差值Z1；将监测传感器发送第二同步信号的时刻与控制器接收到第二同步信号的时刻进行时间差计算得到响应时长XT；利用公式XP＝Z1×a1+XT×a2计算得到损耗值XP，其中a1、a2为系数因子；

根据损耗值XP的时空变化情况对通信偏值PL进行评估；若PL＞预设偏值阈值，则判定所述监测传感器通信问题严重，生成通信异常信号；信号验证模块用于将通信异常信号发送至控制器，控制器接收到通信异常信号后控制报警模块发出警报，并在显示模块显示对应监测传感器的位置信息。

7.根据权利要求6所述的一种温室大棚环境智能调节管理系统，其特征在于，其中，通信偏值PL的具体评估过程为：

建立损耗值XP随时间变化的曲线图；若XP≥预设损耗阈值，则在对应的曲线图中截取对应的曲线段并进行标注，记为损耗曲线段；

在预设时间段内，统计损耗曲线段的数量为P1，将损耗曲线段上对应XP与预设损耗阈值的差值对时间进行积分并进行求和得到损耗参考面积M1；利用公式PL＝P1×a3+M1×a4计算得到对应监测传感器的通信偏值PL，其中a3、a4均为系数因子。

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