CN117330129A - 一种农业大棚环境监测系统及方法 - Google Patents

一种农业大棚环境监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种农业大棚环境监测系统及方法。该系统包括监测终端和设置在农业大棚内的数据采集装置，数据采集装置包括并排设置在农业大棚顶部的多个数据采集机构，数据采集机构包括沿农业大棚长度方向设置的导轨、可沿导轨滑动的数据采集模块以及用于驱动数据采集模块沿导轨滑动的驱动机构，数据采集模块包括数据采集器、用于检测空气温度的传感器S1、用于检测空气中氧气浓度的传感器S2、用于检测空气中二氧化硫浓度的传感器S3、用于检测空气中二氧化碳浓度的传感器S4、用于检测空气湿度的传感器S5。本发明能够监测农业大棚内各区域的环境数据，自动判断农业大棚内各区域的环境状态，大大提高了监测效率，成本较低。

Description

一种农业大棚环境监测系统及方法
技术领域
本发明涉及环境监测技术领域，尤其涉及一种农业大棚环境监测系统及方法。
背景技术
我国是一个农业大国，农业生产正从粗放型传统农业向现代化精细农业转变，在有限的土地资源上实现节能减排和精细耕作，是解决现在耕地作用紧张的有效办法。农业大棚内的环境情况决定了作物的生长情况，所以大棚工作人员必须时刻了解大棚内的环境并进行调整，保证最有利的生长环境，因此，农业大棚环境监测系统应运而生。
现有的农业大棚环境监测，由传感器采集农业大棚内的各项数据，然后由人工对采集的数据进行分析，效率较低，且成本高。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供了一种农业大棚环境监测系统及方法，其能够监测农业大棚内各区域的环境数据，自动判断农业大棚内各区域的环境状态，大大提高了监测效率，成本较低。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明的一种农业大棚环境监测系统，包括监测终端和设置在农业大棚内的数据采集装置，所述数据采集装置包括并排设置在农业大棚顶部的多个数据采集机构，所述数据采集机构包括沿农业大棚长度方向设置的导轨、可沿导轨滑动的数据采集模块以及用于驱动数据采集模块沿导轨滑动的驱动机构，所述数据采集模块包括数据采集器、用于检测空气温度的传感器S 1、用于检测空气中氧气浓度的传感器S2、用于检测空气中二氧化硫浓度的传感器S3、用于检测空气中二氧化碳浓度的传感器S4、用于检测空气湿度的传感器S5，所述数据采集器分别与传感器S1、传感器S2、传感器S3、传感器S4、传感器S5电连接，所述数据采集器通过无线网络与监测终端无线连接，所述驱动机构与监测终端电连接。
在本方案中，农业大棚内的区域被划分成多个检测区域，每个检测区域只有一个导轨穿过，监测终端通过数据采集装置对每个检测区域进行检测，得到每个检测区域的环境状态。要监测某个检测区域的环境状态时，监测终端控制穿过该检测区域的导轨上的数据采集模块移动到该检测区域进行检测，传感器S 1、传感器S2、传感器S3、传感器S4、传感器S5检测所在检测区域的数据，并由数据采集器发送给监测终端，监测终端对数据采集器发送的数据进行综合分析处理，判断该检测区域的环境状态是否健康。
作为优选，所述导轨等间距设置。
本发明的一种农业大棚环境监测方法，用于上述的一种农业大棚环境监测系统，包括以下步骤：
监测终端将农业大棚内的区域划分为多个检测区域，每个检测区域只有一个导轨穿过，监测终端通过数据采集装置对每个检测区域进行检测，得到每个检测区域的环境状态；
所述监测终端通过数据采集装置对某个检测区域进行检测，得到该检测区域的环境状态的方法包括以下步骤：
S1：监测终端控制穿过该检测区域的导轨上的数据采集模块移动到该检测区域进行检测；
S2：该数据采集模块将传感器S1输出的检测数据Ds1(t)、传感器S2输出的检测数据Ds2(t)、传感器S3输出的检测数据Ds3(t)、传感器S4输出的检测数据Ds4(t)、传感器S5输出的检测数据Ds5(t)发送到到监测终端，t为时间；
S3：监测终端将检测数据Ds1(t)、Ds2(t)、Ds3(t)、Ds4(t)、Ds5(t)分别进行归一化处理，得到对应的归一化数据Ls1(t)、Ls2(t)、Ls3(t)、Ls4(t)、Ls5(t)；
S4：监测终端根据归一化数据Ls1(t)、Ls2(t)、Ls3(t)、Ls4(t)、Ls5(t)计算出对应的环境评价参数K；
S5：监测终端根据环境评价参数K判断该检测区域的环境状态。
作为优选，所述步骤S4包括以下步骤：
S41：对归一化数据Ls1(t)、Ls2(t)、Ls3(t)、Ls4(t)、Ls5(t)分别进行二次样条插值，得到对应的曲线Gs1(t)、Gs2(t)、Gs3(t)、Gs4(t)、Gs5(t)；
S42：对曲线Gs1(t)、Gs2(t)、Gs3(t)、Gs4(t)、Gs5(t)进行处理，得到对应的特征值Ps1、Ps2、Ps3、Ps4、Ps5；
S43：建立XY直角坐标系，在X轴上从左至右等间距标出传感器S1、传感器S2、传感器S3、传感器S4、传感器S5，传感器S1位于原点，Y轴为传感器对应的特征值，根据传感器S1、传感器S2、传感器S3、传感器S4、传感器S5对应的特征值Ps1、Ps2、Ps3、Ps4、Ps5在XY直角坐标系上标出相应的特征点，将这些特征点线性拟合得到对应的拟合直线，将拟合直线的斜率Q作为环境评价参数K。
农业大棚内的温度越高、氧气浓度越高，越不利于植物生长；湿度越大、二氧化碳浓度越大，对植物生长有促进作用；二氧化硫植物吸收以后会产生急性危害，在植物叶片表面产生斑病，植物的生长机能受到影响，或直接使植物叶片枯萎脱落，造成减产甚至绝收，因此，二氧化硫浓度越大，越不利于植物生长。由于温度变化比例大于氧气波动比例，氧气波动比例又大于二氧化硫波动比例，而湿度波动比例又高于二氧化碳浓度波动比例，因此采用了传感器S1、传感器S2、传感器S3、传感器S4、传感器S5的拟合顺序，有利于这些指标对拟合直线的斜率Q产生一致性影响。
作为优选，所述步骤S42中对曲线Gsi(t)进行处理，得到对应的特征值Psi的方法包括以下步骤，1≤i≤5：
N1：对曲线Gsi(t)求一阶导数，得到对应的一阶导数曲线Rsi(t)；
N2：找出一阶导数曲线Rsi(t)的所有特征峰，计算每个特征峰的面积，将所有特征峰的面积相加求和，得到的面积之和作为对应的特征值Psi。
作为优选，所述步骤N2中找出一阶导数曲线Rsi(t)的所有特征峰的方法包括以下步骤：
绘制出一阶导数曲线Rsi(t)，找出一阶导数曲线Rsi(t)的所有波峰，依次判断每个波峰是否为特征峰；
所述判断波峰是否为特征峰的方法如下：
将波峰的开始点a与结束点b相连得到直线ab，从波峰顶点c向直线ab做垂线cd，如果垂线cd的长度大于或等于直线ab长度的三分之一，则判断该波峰是特征峰，否则判断该波峰不是特征峰。
作为优选，所述特征峰的面积为特征峰曲线与其对应直线ab围成的封闭区域的面积。
作为优选，所述步骤S5包括以下步骤：
监测终端将环境评价参数K与参数A1、A2比较大小；
如果A1≤K≤A2，则监测终端判断该检测区域环境健康；
如果K＜A1或K＞A2，则监测终端判断该检测区域环境不健康。
本发明的有益效果是：能够监测农业大棚内各区域的环境数据，自动判断农业大棚内各区域的环境状态，大大提高了监测效率，成本较低。
附图说明
图1是实施例的结构示意图；
图2是一阶导数曲线的示意图；
图3是拟合直线的示意图。
图中：1、农业大棚，2、导轨，3、数据采集模块。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种农业大棚环境监测系统，如图1所示，包括监测终端和设置在农业大棚1内的数据采集装置，数据采集装置包括并排设置在农业大棚1顶部的多个数据采集机构，数据采集机构包括沿农业大棚1长度方向设置的导轨2、可沿导轨2滑动的数据采集模块3以及用于驱动数据采集模块3沿导轨2滑动的驱动机构，导轨2等间距设置，数据采集模块包括数据采集器、用于检测空气温度的传感器S1、用于检测空气中氧气浓度的传感器S2、用于检测空气中二氧化硫浓度的传感器S3、用于检测空气中二氧化碳浓度的传感器S4、用于检测空气湿度的传感器S5，数据采集器分别与传感器S1、传感器S2、传感器S3、传感器S4、传感器S5电连接，数据采集器通过无线网络与监测终端无线连接，驱动机构与监测终端电连接。
在本方案中，农业大棚内的区域被划分成多个检测区域，每个检测区域只有一个导轨穿过，监测终端通过数据采集装置对每个检测区域进行检测，得到每个检测区域的环境状态。要监测某个检测区域的环境状态时，监测终端控制穿过该检测区域的导轨上的数据采集模块移动到该检测区域进行检测，传感器S1、传感器S2、传感器S3、传感器S4、传感器S5检测所在检测区域的数据，并由数据采集器发送给监测终端，监测终端对数据采集器发送的数据进行综合分析处理，判断该检测区域的环境状态是否健康。
传感器S1为TK55温度传感器，传感器S2为O2-A2氧气传感器，传感器S3为IGD3-C-SO2二氧化硫传感器，传感器S4为RS-BYH-M二氧化碳传感器，传感器S5为HX94湿度传感器。
本实施例的一种农业大棚环境监测方法，用于上述的一种农业大棚环境监测系统，包括以下步骤：
监测终端将农业大棚内的区域划分为多个检测区域，每个检测区域只有一个导轨穿过，监测终端通过数据采集装置对每个检测区域进行检测，得到每个检测区域的环境状态；
监测终端通过数据采集装置对某个检测区域进行检测，得到该检测区域的环境状态的方法包括以下步骤：
S1：监测终端控制穿过该检测区域的导轨上的数据采集模块移动到该检测区域进行检测；
S2：该数据采集模块将传感器S1输出的检测数据Ds1(t)、传感器S2输出的检测数据Ds2(t)、传感器S3输出的检测数据Ds3(t)、传感器S4输出的检测数据Ds4(t)、传感器S5输出的检测数据Ds5(t)发送到到监测终端，t为时间；
S3：监测终端将检测数据Ds1(t)、Ds2(t)、Ds3(t)、Ds4(t)、Ds5(t)分别进行归一化处理，归一化到[1，15]区间内，得到对应的归一化数据Ls1(t)、Ls2(t)、Ls3(t)、Ls4(t)、Ls5(t)；
S4：监测终端根据归一化数据Ls1(t)、Ls2(t)、Ls3(t)、Ls4(t)、Ls5(t)计算出对应的环境评价参数K；
S5：监测终端将环境评价参数K与参数A1、A2比较大小；
如果A1≤K≤A2，则监测终端判断该检测区域环境健康；
如果K＜A1或K＞A2，则监测终端判断该检测区域环境不健康。
步骤S4包括以下步骤：
S41：对归一化数据Ls1(t)、Ls2(t)、Ls3(t)、Ls4(t)、Ls5(t)分别进行二次样条插值，得到对应的曲线Gs1(t)、Gs2(t)、Gs3(t)、Gs4(t)、Gs５(t)；
S42：对曲线Gs1(t)、Gs2(t)、Gs3(t)、Gs4(t)、Gs5(t)进行处理，得到对应的特征值Ps1、Ps2、Ps3、Ps4、Ps5；
S43：建立XY直角坐标系，在X轴上从左至右等间距标出传感器S1、传感器S2、传感器S3、传感器S4、传感器S5，传感器S1位于原点，Y轴为传感器对应的特征值，根据传感器S1、传感器S2、传感器S3、传感器S4、传感器S5对应的特征值Ps1、Ps2、Ps3、Ps4、Ps5在XY直角坐标系上标出相应的特征点，将这些特征点线性拟合得到对应的拟合直线，如图3所示，将拟合直线的斜率Q作为环境评价参数K。
步骤S42中对曲线Gsi(t)进行处理，得到对应的特征值Psi的方法包括以下步骤，1≤i≤5：
N1：对曲线Gsi(t)求一阶导数，得到对应的一阶导数曲线Rsi(t)；
N2：找出一阶导数曲线Rsi(t)的所有特征峰，计算每个特征峰的面积，将所有特征峰的面积相加求和，得到的面积之和作为对应的特征值Psi；
步骤N2中找出一阶导数曲线Rsi(t)的所有特征峰的方法包括以下步骤：
绘制出一阶导数曲线Rsi(t)，如图2所示，找出一阶导数曲线Rsi(t)的所有波峰，依次判断每个波峰是否为特征峰；
判断波峰是否为特征峰的方法如下：
将波峰的开始点a与结束点b相连得到直线ab，从波峰顶点c向直线ab做垂线cd，如果垂线cd的长度大于或等于直线ab长度的三分之一(即)，则判断该波峰是特征峰，否则判断该波峰不是特征峰；
特征峰的面积为特征峰曲线与其对应直线ab围成的封闭区域的面积。
在本方案中，要检测农业大棚内某个检测区域的环境状态时，监测终端控制穿过该检测区域的导轨上的数据采集模块移动到该检测区域进行检测，传感器S1、传感器S2、传感器S3、传感器S4、传感器S5检测所在检测区域的数据，并由数据采集器发送给监测终端，监测终端对传感器S1、传感器S2、传感器S3、传感器S4、传感器S5输出的检测数据进行处理分析计算出环境评价参数K，根据环境评价参数K判断该检测区域的环境状态是否健康，本实施例中A1＝0.8，A2＝1.1。
本方案将离散的归一化数据通过二次样条插值方法形成平滑曲线，然后再对平滑曲线进行一阶求导，通过一阶导数曲线的特征峰面积计算出特征值，将所有传感器对应的特征点进行线性拟合，利用拟合直线的斜率进行农业大棚内检测区域的环境评价，用于环境的分级参照，提高了准确性。
农业大棚内的温度越高、氧气浓度越高，越不利于植物生长；湿度越大、二氧化碳浓度越大，对植物生长有促进作用；二氧化硫植物吸收以后会产生急性危害，在植物叶片表面产生斑病，植物的生长机能受到影响，或直接使植物叶片枯萎脱落，造成减产甚至绝收，因此，二氧化硫浓度越大，越不利于植物生长。由于温度变化比例大于氧气波动比例，氧气波动比例又大于二氧化硫波动比例，而湿度波动比例又高于二氧化碳浓度波动比例，因此采用了传感器S1、传感器S2、传感器S3、传感器S4、传感器S5的拟合顺序，有利于这些指标对拟合直线的斜率Q产生一致性影响。

Claims (8)

1.一种农业大棚环境监测系统，其特征在于，包括监测终端和设置在农业大棚(1)内的数据采集装置，所述数据采集装置包括并排设置在农业大棚(1)顶部的多个数据采集机构，所述数据采集机构包括沿农业大棚(1)长度方向设置的导轨(2)、可沿导轨(2)滑动的数据采集模块(3)以及用于驱动数据采集模块(3)沿导轨(2)滑动的驱动机构，所述数据采集模块(3)包括数据采集器、用于检测空气温度的传感器S1、用于检测空气中氧气浓度的传感器S2、用于检测空气中二氧化硫浓度的传感器S3、用于检测空气中二氧化碳浓度的传感器S4、用于检测空气湿度的传感器S5，所述数据采集器分别与传感器S1、传感器S2、传感器S3、传感器S4、传感器S5电连接，所述数据采集器通过无线网络与监测终端无线连接，所述驱动机构与监测终端电连接。
2.根据权利要求1所述的一种农业大棚环境监测系统，其特征在于，所述导轨(2)等间距设置。
3.一种农业大棚环境监测方法，用于权利要求1所述的一种农业大棚环境监测系统，其特征在于，包括以下步骤：
监测终端将农业大棚内的区域划分为多个检测区域，每个检测区域只有一个导轨穿过，监测终端通过数据采集装置对每个检测区域进行检测，得到每个检测区域的环境状态；
所述监测终端通过数据采集装置对某个检测区域进行检测，得到该检测区域的环境状态的方法包括以下步骤：
S1：监测终端控制穿过该检测区域的导轨上的数据采集模块移动到该检测区域进行检测；
S2：该数据采集模块将传感器S1输出的检测数据Ds1(t)、传感器
S2输出的检测数据Ds2(t)、传感器S3输出的检测数据Ds3(t)、传感器S4输出的检测数据Ds4(t)、传感器S5输出的检测数据Ds5(t)发送到到监测终端，t为时间；
S3：监测终端将检测数据Ds1(t)、Ds2(t)、Ds3(t)、Ds4(t)、Ds5(t)分别进行归一化处理，得到对应的归一化数据Ls1(t)、Ls2(t)、Ls3(t)、Ls4(t)、Ls5(t)；
S4：监测终端根据归一化数据Ls1(t)、Ls2(t)、Ls3(t)、Ls4(t)、Ls5(t)计算出对应的环境评价参数K；
S5：监测终端根据环境评价参数K判断该检测区域的环境状态。
4.根据权利要求3所述的一种农业大棚环境监测方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：
S41：对归一化数据Ls1(t)、Ls2(t)、Ls3(t)、Ls4(t)、Ls5(t)分别进行二次样条插值，得到对应的曲线Gs1(t)、Gs2(t)、Gs3(t)、Gs4(t)、Gs5(t)；
S42：对曲线Gs1(t)、Gs2(t)、Gs3(t)、Gs4(t)、Gs5(t)进行处理，得到对应的特征值Ps1、Ps2、Ps3、Ps4、Ps5；
S43：建立XY直角坐标系，在X轴上从左至右等间距标出传感器
S1、传感器S2、传感器S3、传感器S4、传感器S5，传感器S1位于原点，Y轴为传感器对应的特征值，根据传感器S1、传感器
S2、传感器S3、传感器S4、传感器S5对应的特征值Ps1、Ps2、Ps3、Ps4、Ps5在XY直角坐标系上标出相应的特征点，将这些特征点线性拟合得到对应的拟合直线，将拟合直线的斜率Q作为环境评价参数K。
5.根据权利要求4所述的一种农业大棚环境监测方法，其特征在于，所述步骤S42中对曲线Gsi(t)进行处理，得到对应的特征值Psi的方法包括以下步骤，1≤i≤5：
N1：对曲线Gsi(t)求一阶导数，得到对应的一阶导数曲线Rsi(t)；
N2：找出一阶导数曲线Rsi(t)的所有特征峰，计算每个特征峰的面积，将所有特征峰的面积相加求和，得到的面积之和作为对应的特征值Psi。
6.根据权利要求5所述的一种农业大棚环境监测方法，其特征在于，所述步骤N2中找出一阶导数曲线Rsi(t)的所有特征峰的方法包括以下步骤：
绘制出一阶导数曲线Rsi(t)，找出一阶导数曲线Rsi(t)的所有波峰，依次判断每个波峰是否为特征峰；
所述判断波峰是否为特征峰的方法如下：
将波峰的开始点a与结束点b相连得到直线ab，从波峰顶点c向直线ab做垂线cd，如果垂线cd的长度大于或等于直线ab长度的三分之一，则判断该波峰是特征峰，否则判断该波峰不是特征峰。
7.根据权利要求6所述的一种农业大棚环境监测方法，其特征在于，所述特征峰的面积为特征峰曲线与其对应直线ab围成的封闭区域的面积。
8.根据权利要求3或4或5或6或7所述的一种农业大棚环境监测方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下步骤：
监测终端将环境评价参数K与参数A1、A2比较大小；
如果A1≤K≤A2，则监测终端判断该检测区域环境健康；
如果K＜A1或K>A2，则监测终端判断该检测区域环境不健康。
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