CN116520921A - 一种可控农业温室系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农业温室系统技术领域，提供了一种可控农业温室系统，包括上位机、以太网、下位机，所述上位机包括集控计算机，所述集控计算机通过以太网与下位机相交互连接，所述下位机交互连接有多个监测分站，多个所述监测分站分别对应连接有温室；所述上位机通过参数设置保证与下位机间的正常通讯，上位机的命令及时准确地下达至下位机，下位机的动作和数据也可以传输至上位机，该装置解决了现有温室控制系统存在的通讯方式落后、所控环境变量单一、智能化水平低、缺乏自适应性等问题，实现温室内多种环境变量的实时采集、集中管理和智能监控，满足温室对现代化、科学化和智能化的需求。

Description

一种可控农业温室系统

技术领域

本发明涉及农业温室系统技术领域，更具体地说，它涉及一种可控农业温室系统。

背景技术

温室指有防寒、加温和透光等设施，主要用于非季节性或非地域性的植物栽培、科学研究、加代育种和观赏植物栽培等，温室环境是一种具有非线性、强耦合性、多干扰性、时滞性的动态环境系统，因此，温室内的多种环境因子和植物生长情况之间都存在复杂的能量关系，这些环境因子都是时变量，其变化没有规律可循且难以进行预判，另外这些环境因子变量是相互作用、相互耦合的，难以用数学模型表述；

现有温室控制系统存在的通讯方式落后、所控环境变量单一、智能化水平低、缺乏自适应性等问题，因此对温室内环境因子变量调控适应性低，且无法智能化对温室内的环境变量控制。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种可控农业温室系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种可控农业温室系统，包括上位机、以太网、下位机，所述上位机包括集控计算机，所述集控计算机通过以太网与下位机相交互连接，所述下位机交互连接有多个监测分站，多个所述监测分站分别对应连接有温室；

所述上位机通过参数设置保证与下位机间的正常通讯，上位机的命令及时准确地下达至下位机，下位机的动作和数据也可以传输至上位机；

所述监测分站具有监测功能、控制功能和保护功能，即多个监测分站分别与多个温室相对应，每个监控分站分别对对应的温室进行监测、控制和保护；

所述下位机用于接收监测分站的所监测的数据，且将上位机下达的命令发送至对应监测分站上，进而对温室内的多种环境变量进行调控，当温室环境参数超出限值使可发出报警提醒人员。

本发明进一步设置为：所述监测分站包括PLC控制器、继电器、接触器、执行设备、数据采集模块、无线传感器和电源电路，所述PLC控制器与下位机相交互连接，所述PLC控制器通过导线与继电器连接，所述继电器通过导线与接触器连接，所述接触器通过导线与执行设备连接，所述执行设备通过导线与温室连接。

本发明进一步设置为：所述温室通过导线与无线传感器相交互连接，所述无线传感器通过导线与数据采集模块相连接，所述数据采集模块通过导线与PLC控制器连接，所述电源电路通过导线与PLC控制器连接；所述PLC控制器交互连接有触摸液晶屏和短信模块。

本发明进一步设置为：所述无线传感器包括温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器、土壤湿度传感器和二氧化碳浓度传感器，所述温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器、土壤湿度传感器和二氧化碳浓度传感器均为独立模块设置。

本发明进一步设置为：所述执行设备包括温度控制设备、湿度控制设备、光照强度控制设备和二氧化碳浓度控制设备，所述温度控制设备、湿度控制设备、光照强度控制设备和二氧化碳浓度控制设备均为独立模块设置。

本发明进一步设置为：所述PLC控制器包括第一模糊控制器和第二模糊控制器，所述第一模糊控制器和第二模糊控制器均为独立模块设置，其中，

所述第一模糊控制器用于针对温室内二氧化碳浓度的比例X和比例微分XY控制器，输入变量选择二氧化碳浓度误差和二氧化碳浓度变化率，二氧化碳浓度控制设备为二氧化碳液化气罐，输出变量u选择二氧化碳液化气罐启动时间占每次控制周期时间的百分比；

所述第一模糊控制器包括模糊化、设计模糊规则、模糊推理和解模糊步骤；

所述模糊控制系统通常有误差、误差变化和误差变化率三种输入，并根据输入量的种类划分模糊控制的维度，输入选用二氧化碳浓度误差e_c和二氧化碳浓度变化率Δe_c代表：

e_c＝C₀-C (1)

Δe_c＝de_c/dt (2)

其中，C₀和C为二氧化碳浓度目标值和实际浓度值，二氧化碳浓度误差e_c为预设二氧化碳目标值与实际采集的二氧化碳浓度值的差值，二氧化碳浓度变化率Δe_c为二氧化碳浓度误差e_c与时间增量的比值，定义输入变量e_c的模糊语言变量为二氧化碳误差EC，Δe_c的模糊语言变量为二氧化碳变化率ECC，定义变量u的模糊语言变量为二氧化碳发生器U；

确定在第一模糊控制器中的隶属度函数，即三角型、梯型、正态型和单点型，通用函数表达形式为：

所述二氧化碳误差EC的隶属度函数选用三角形和梯形相结合的形状，所述二氧化碳变化率ECC的隶属度函数选用三个的等腰三角形，所述二氧化碳发生器U的隶属度函数选用梯形隶属度函数。

本发明进一步设置为：所述第二模糊控制器用于调节室内温度、相对湿度和光照强度，第二模糊控制器与第一模糊控制器相同，输入室内温度误差、相对湿度误差和光照强度误差，定义输出变量室内温度误差和相对湿度误差均选择三角型隶属度函数，输出变量光照强度误差隶属度函数与二氧化碳浓度误差EC一致。

本发明进一步设置为：所述温度传感器与温度控制设备相对应，所述湿度传感器和土壤湿度传感器分别与湿度控制设备相对应，所述光照强度传感器与光照强度控制设备相对应，所述二氧化碳浓度传感器与二氧化碳浓度控制设备相对应。

本发明进一步设置为：根据上述所述的一种可控农业温室系统，包括以下步骤：

S1、首先，每个温室内均配备一个监测分站，每个监测分站上的无线传感器分别采集对应温室现场的数据，即无线传感器中的各个传感器分别采集温室内空气温度、相对湿度、光照强度、二氧化碳浓度以及土壤湿度等数据，采集后的数据通过短距离的信号传输，将数据发送到数据采集模块进行数据处理；

S2、数据采集模块将接收到的多种温室中的参数处理，并将处理后的数据打包发送至PLC控制器内，PLC控制器对数据分析、极端和处理，并将温室内的环境情况及数据发送到下位机；

S3、下位机通过以太网发送到上位机，上位机中的集控计算机读取上传的数据处理并下达控制命令到PLC控制器上；

S4、PLC控制器将命令通过继电器和接触器依次传输，最终到达执行设备上，执行设备中的温度控制设备、湿度控制设备、光照强度控制设备和二氧化碳浓度控制设备根据下达的命令调节；

S5、各控制设备对温室中的多个环境参数智能控制，利用控制策略为植物生长发育的各个过程提供适合的环境。

本发明的优点是：

本发明通过模糊控制、无线传感和物联网等方法组合形成实时性强、可靠性高的温室多变量智能控制系统，该系统可以实现温室内多种环境变量的实时采集、集中管理和智能监控，满足温室对现代化、科学化和智能化的需求。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的监测分站系统结构示意图；

图3为本发明的无线传感器的系统结构示意图；

图4为本发明的执行设备的系统结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位如“上、下”通常是针对附图所示的方向而言，或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“左、右”通常是针对附图所示的左、右；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

请参阅图1-4，本发明提供以下技术方案：

实施例

一种可控农业温室系统，包括上位机、以太网、下位机，上位机包括集控计算机，集控计算机通过以太网与下位机相交互连接，下位机交互连接有多个监测分站，多个监测分站分别对应连接有温室；

上位机通过参数设置保证与下位机间的正常通讯，上位机的命令及时准确地下达至下位机，下位机的动作和数据也可以传输至上位机；

监测分站具有监测功能、控制功能和保护功能，即多个监测分站分别与多个温室相对应，每个监控分站分别对对应的温室进行监测、控制和保护；

下位机用于接收监测分站的所监测的数据，且将上位机下达的命令发送至对应监测分站上，进而对温室内的多种环境变量进行调控，当温室环境参数超出限值使可发出报警提醒人员。

监测分站包括PLC控制器、继电器、接触器、执行设备、数据采集模块、无线传感器和电源电路，PLC控制器与下位机相交互连接，PLC控制器通过导线与继电器连接，继电器通过导线与接触器连接，接触器通过导线与执行设备连接，执行设备通过导线与温室连接。

温室通过导线与无线传感器相交互连接，无线传感器通过导线与数据采集模块相连接，数据采集模块通过导线与PLC控制器连接，电源电路通过导线与PLC控制器连接；PLC控制器交互连接有触摸液晶屏和短信模块。

无线传感器包括温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器、土壤湿度传感器和二氧化碳浓度传感器，温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器、土壤湿度传感器和二氧化碳浓度传感器均为独立模块设置。

执行设备包括温度控制设备、湿度控制设备、光照强度控制设备和二氧化碳浓度控制设备，温度控制设备、湿度控制设备、光照强度控制设备和二氧化碳浓度控制设备均为独立模块设置。

PLC控制器包括第一模糊控制器和第二模糊控制器，第一模糊控制器和第二模糊控制器均为独立模块设置，其中，

第一模糊控制器是一种二输入单输出的MISO型模糊控制器，第一模糊控制器用于针对温室内二氧化碳浓度的比例X和比例微分XY控制器，第一模糊控制器的输入变量选择二氧化碳浓度误差和二氧化碳浓度变化率，二氧化碳浓度控制设备为二氧化碳液化气罐，输出变量u选择二氧化碳液化气罐启动时间占每次控制周期时间的百分比；

第一模糊控制器包括模糊化、设计模糊规则、模糊推理和解模糊步骤；

模糊控制系统通常有误差、误差变化和误差变化率三种输入，并根据输入量的种类划分模糊控制的维度，输入选用二氧化碳浓度误差e_c和二氧化碳浓度变化率Δe_c代表：

e_c＝C₀-C (1)

Δe_c＝de_c/dt (2)

其中，C₀和C为二氧化碳浓度目标值和实际浓度值，二氧化碳浓度误差e_c为预设二氧化碳目标值与实际采集的二氧化碳浓度值的差值，二氧化碳浓度变化率Δe_c为二氧化碳浓度误差e_c与时间增量的比值，定义输入变量e_c的模糊语言变量为二氧化碳误差EC，Δe_c的模糊语言变量为二氧化碳变化率ECC，定义变量u的模糊语言变量为二氧化碳发生器U；

确定在第一模糊控制器中的隶属度函数，即三角型、梯型、正态型和单点型，通用函数表达形式为：

二氧化碳误差EC的隶属度函数选用三角形和梯形相结合的形状，二氧化碳变化率ECC的隶属度函数选用三个的等腰三角形，二氧化碳发生器U的隶属度函数选用梯形隶属度函数。

第二模糊控制器用于调节室内温度、相对湿度和光照强度，第二模糊控制器与第一模糊控制器相同，输入室内温度误差、相对湿度误差和光照强度误差，定义输出变量室内温度误差和相对湿度误差均选择三角型隶属度函数，输出变量光照强度误差隶属度函数与二氧化碳浓度误差EC一致。

温度传感器与温度控制设备相对应，湿度传感器和土壤湿度传感器分别与湿度控制设备相对应，光照强度传感器与光照强度控制设备相对应，二氧化碳浓度传感器与二氧化碳浓度控制设备相对应。

上述一种可控农业温室系统，包括以下步骤：

步骤一、首先，每个温室内均配备一个监测分站，每个监测分站上的无线传感器分别采集对应温室现场的数据，即无线传感器中的各个传感器分别采集温室内空气温度、相对湿度、光照强度、二氧化碳浓度以及土壤湿度等数据，采集后的数据通过短距离的信号传输，将数据发送到数据采集模块进行数据处理；

步骤二、数据采集模块将接收到的多种温室中的参数处理，并将处理后的数据打包发送至PLC控制器内，PLC控制器对数据分析、极端和处理，并将温室内的环境情况及数据发送到下位机；

步骤三、下位机通过以太网发送到上位机，上位机中的集控计算机读取上传的数据处理并下达控制命令到PLC控制器上；

步骤四、PLC控制器将命令通过继电器和接触器依次传输，最终到达执行设备上，执行设备中的温度控制设备、湿度控制设备、光照强度控制设备和二氧化碳浓度控制设备根据下达的命令调节；

步骤五、各控制设备对温室中的多个环境参数智能控制，利用控制策略为植物生长发育的各个过程提供适合的环境。

具体地，首先，每个温室内均配备一个监测分站，每个监测分站上的无线传感器分别采集对应温室现场的数据，即无线传感器中的各个传感器分别采集温室内空气温度、相对湿度、光照强度、二氧化碳浓度以及土壤湿度等数据，采集后的数据通过短距离的信号传输，将数据发送到数据采集模块进行数据处理，数据采集模块将接收到的多种温室中的参数处理，并将处理后的数据打包发送至PLC控制器内，PLC控制器对数据分析、极端和处理，并将温室内的环境情况及数据发送到下位机；

下位机通过以太网发送到上位机，上位机中的集控计算机读取上传的数据处理并下达控制命令到PLC控制器上，PLC控制器将命令通过继电器和接触器依次传输，最终到达执行设备上，执行设备中的温度控制设备、湿度控制设备、光照强度控制设备和二氧化碳浓度控制设备根据下达的命令调节，各控制设备对温室中的多个环境参数智能控制，利用控制策略为植物生长发育的各个过程提供适合的环境。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种可控农业温室系统，其特征在于：包括上位机、以太网、下位机，所述上位机包括集控计算机，所述集控计算机通过以太网与下位机相交互连接，所述下位机交互连接有多个监测分站，多个所述监测分站分别对应连接有温室；

所述上位机通过参数设置保证与下位机间的正常通讯，上位机的命令及时准确地下达至下位机，下位机的动作和数据也可以传输至上位机；

所述监测分站具有监测功能、控制功能和保护功能，即多个监测分站分别与多个温室相对应，每个监控分站分别对对应的温室进行监测、控制和保护；

所述下位机用于接收监测分站的所监测的数据，且将上位机下达的命令发送至对应监测分站上，进而对温室内的多种环境变量进行调控，当温室环境参数超出限值使可发出报警提醒人员。

2.根据权利要求1所述的一种可控农业温室系统，其特征在于：所述监测分站包括PLC控制器、继电器、接触器、执行设备、数据采集模块、无线传感器和电源电路，所述PLC控制器与下位机相交互连接，所述PLC控制器通过导线与继电器连接，所述继电器通过导线与接触器连接，所述接触器通过导线与执行设备连接，所述执行设备通过导线与温室连接。

3.根据权利要求2所述的一种可控农业温室系统，其特征在于：所述温室通过导线与无线传感器相交互连接，所述无线传感器通过导线与数据采集模块相连接，所述数据采集模块通过导线与PLC控制器连接，所述电源电路通过导线与PLC控制器连接；所述PLC控制器交互连接有触摸液晶屏和短信模块。

4.根据权利要求3所述的一种可控农业温室系统，其特征在于：所述无线传感器包括温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器、土壤湿度传感器和二氧化碳浓度传感器，所述温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器、土壤湿度传感器和二氧化碳浓度传感器均为独立模块设置。

5.根据权利要求2所述的一种可控农业温室系统，其特征在于：所述执行设备包括温度控制设备、湿度控制设备、光照强度控制设备和二氧化碳浓度控制设备，所述温度控制设备、湿度控制设备、光照强度控制设备和二氧化碳浓度控制设备均为独立模块设置。

6.根据权利要求2所述的一种可控农业温室系统，其特征在于：所述PLC控制器包括第一模糊控制器和第二模糊控制器，所述第一模糊控制器和第二模糊控制器均为独立模块设置，其中，

所述第一模糊控制器用于针对温室内二氧化碳浓度的比例X和比例微分XY控制器，输入变量选择二氧化碳浓度误差和二氧化碳浓度变化率，二氧化碳浓度控制设备为二氧化碳液化气罐，输出变量u选择二氧化碳液化气罐启动时间占每次控制周期时间的百分比；

所述第一模糊控制器包括模糊化、设计模糊规则、模糊推理和解模糊步骤；

所述模糊控制系统通常有误差、误差变化和误差变化率三种输入，并根据输入量的种类划分模糊控制的维度，输入选用二氧化碳浓度误差e_c和二氧化碳浓度变化率Δe_c代表：

e_c＝C₀-C (1)

Δe_c＝de_c/dt (2)

其中，C₀和C为二氧化碳浓度目标值和实际浓度值，二氧化碳浓度误差e_c为预设二氧化碳目标值与实际采集的二氧化碳浓度值的差值，二氧化碳浓度变化率Δe_c为二氧化碳浓度误差e_c与时间增量的比值，定义输入变量e_c的模糊语言变量为二氧化碳误差EC，Δe_c的模糊语言变量为二氧化碳变化率ECC，定义变量u的模糊语言变量为二氧化碳发生器U；

确定在第一模糊控制器中的隶属度函数，即三角型、梯型、正态型和单点型，通用函数表达形式为：

所述二氧化碳误差EC的隶属度函数选用三角形和梯形相结合的形状，所述二氧化碳变化率ECC的隶属度函数选用三个的等腰三角形，所述二氧化碳发生器U的隶属度函数选用梯形隶属度函数。

7.根据权利要求6所述的一种可控农业温室系统，其特征在于：所述第二模糊控制器用于调节室内温度、相对湿度和光照强度，第二模糊控制器与第一模糊控制器相同，输入室内温度误差、相对湿度误差和光照强度误差，定义输出变量室内温度误差和相对湿度误差均选择三角型隶属度函数，输出变量光照强度误差隶属度函数与二氧化碳浓度误差EC一致。

8.根据权利要求7所述的一种可控农业温室系统，其特征在于：所述温度传感器与温度控制设备相对应，所述湿度传感器和土壤湿度传感器分别与湿度控制设备相对应，所述光照强度传感器与光照强度控制设备相对应，所述二氧化碳浓度传感器与二氧化碳浓度控制设备相对应。

9.根据权利要求1-8所述的一种可控农业温室系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1、首先，每个温室内均配备一个监测分站，每个监测分站上的无线传感器分别采集对应温室现场的数据，即无线传感器中的各个传感器分别采集温室内空气温度、相对湿度、光照强度、二氧化碳浓度以及土壤湿度等数据，采集后的数据通过短距离的信号传输，将数据发送到数据采集模块进行数据处理；

S2、数据采集模块将接收到的多种温室中的参数处理，并将处理后的数据打包发送至PLC控制器内，PLC控制器对数据分析、极端和处理，并将温室内的环境情况及数据发送到下位机；

S3、下位机通过以太网发送到上位机，上位机中的集控计算机读取上传的数据处理并下达控制命令到PLC控制器上；

S4、PLC控制器将命令通过继电器和接触器依次传输，最终到达执行设备上，执行设备中的温度控制设备、湿度控制设备、光照强度控制设备和二氧化碳浓度控制设备根据下达的命令调节；

S5、各控制设备对温室中的多个环境参数智能控制，利用控制策略为植物生长发育的各个过程提供适合的环境。