CN204129504U - 基于物联网的温室控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种温室控制系统，涉及农业机电领域。化学方法调节蔬菜水果的生长，对人体健康的影响，还有待人类更多的研究和认识。我国农业产业集中度低，农业科技的推广严重受到成本的制约。在温室内建立悬挂索道，带传感器的主控制器吊挂在悬挂索道上，用牵引索拖动主控制器在温室的水平面内作扫描运动，实现温室任意位置、准确和有效数据采集，减少了生长控制系统的成本。基于物联网的温室控制系统将植物栽培技术和嵌入式控制技术结合,预测剩余生长期的生长环境参数，执行装置运行控制命令，确保温室的环境变量在需要的区间内波动。同时，它降低工人的劳动强度、提高植物生长期控制精度和有助于实现农产品的附加值最大化。

Description

基于物联网的温室控制系统

技术领域

本实用新型公开了一种温室控制系统，涉及农业机电领域。

背景技术

物联网是通过二维标识码识读设备、射频识别(RFID) 装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网是新一代信息技术的重要组成部分，物联网中所有的元素，所有的设备、资源及通信等，都是个性化和私有化的。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。

蔬菜、水果和花卉在现在人们日常生活中是必不可少的物品,随着城市建设和人们生活质量的逐步提高, 蔬菜、水果和花卉需求的数量和品种逐步增多,质量要求也逐渐提高,而且市场需求反季节条件下蔬菜、水果和花卉进行产出,传统栽培方式在这样的社会需求下已无法满足要求,我们需要更精确的对作物生长进行控制,因此良好的温室智能控制与管理系统对于蔬菜、水果和花卉来说是不可缺少的。我国蔬菜、水果和花卉种植面积是世界上最多的国家之一,种类丰富,有些是我国特有的品种,可以出口创汇创造很好的经济效益；蔬菜、水果和花卉是附加值较高的作物,更多的回报可以来自于智能控制和管理上的投入和建设。但是,目前我国花舟温室自动化程度还很低,现代化温室比例仅有2%,所以温室自动控制和管理系统在设施园艺方面的应用前景非常广阔。

随着农业现代化的发展，温室种植因其涉及学科广、科技含量高、与人民生活关系密切，己越来越受到世界各国的重视。在温室条件下，通过检测控制植物生长的温度、湿度、光照、水肥量等植物生长条件，从而定量控制植物生长，能有效提高农产品的附加值。如定量控制花卉的生长期，能确保某一时间段的花期，避免因环境因素的改变而使花期提前或延后，使生产效益最大化。中国农业产业分散，集中度低，农业科技的推广严重受到成本的制约。

温室系统是耦合性的不均匀的非线性的惯性系统，智能温室其核心技术就是通过控制系统对温室的环境变量进行检测和调节达到适宜作物生长环境的目的。温室系统是非线性系统，很难建立精确的模型来定量的研究，温室内部的小气候是个复杂的能量和物质转化系统,环境变量种类多, 不确定因素多,各变量之间进行着能量传递和物质交换。温室系统是不均匀的系统，即便是小型的温室也具有较大的面积,温室内部各个部分的环境变量分布是不均匀的, 温室内部环境变量响应外部调节的过程有一定的时滞。温室系统环境变量具有耦合性，温室系统包含了多个的环境变量其中一个变量改变,会影响其它变量发生相应的变化,各变量之间相关的,各个变量的控制过程是彼此耦合在一起的。由上述的特点可知温室系统是复杂大系统,其具有多个输入量和输出量,对温室系统提出的控制要求又因不同的作物而又有所区别，因此建立精确的控制模型是高成本。

实用新型内容

本实用新型需要解决的技术问题在于：温室系统是不均匀系统，为了数据足够准确有效，需要采集温室多个点的环境参数数据，增加采集点就增加硬件会增加系统成本。即使增加很多点，点状分布传感器也只能采集温室内设定传感器的点的环境参数。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：温室环境参数变化较慢，间隔二十分钟时间采集一次数据，也足够满足系统的精度要求，是可行的技术方案。基于物联网的温室控制系统包括主要控制器、辅助控制器、悬挂索道、牵引索、停靠站、执行装置、植物生长控制系统服务器和管理人员手机终端，主控制器包括单片机、空气温度传感器、空气湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、照度传感器和无线网卡;辅助控制器包括单片机和步进电机。

为了减少成本，在温室内用张紧的绳索建立悬挂索道，牵引索分为左右运动和前后运动，牵引索的左右运动和前后运动互相垂直，两种运动合成的运动使主控制器达到温室水平面任意一点采集数据。

辅助控制器（即运动控制子系统）安装在停靠站。辅助控制器控制步进电机的运动参数和采集数据的时间间隔，步进电机牵引牵引索，主控制器悬挂与悬挂索道上，牵引索带动主控制器在温室的水平面内运动，控制器可以在温室水平面内任意位置停留下来采集数据，优选的方案是在悬挂索道上作循环扫描运动。采集数据期间，主控制器靠充电电池提供电源。照度传感器能调整方位角，采集不同方位角的光强。在停靠站，主控制器连接充电器自动充电，减少维护工作量。

主控制器通过无线路由器连接企业内部网，向管理人员手机终端发送检测数据，特别是环境参数异常的警报信息，向植物生长控制系统服务器查询最佳控制参数。主控制器根据作物已有的生长量，计算、分析和预测剩余生长期的生长环境参数，执行装置运行控制命令，确保温室的环境变量在需要的区间内波动。

附图说明

图1 是基于物联网的温室控制系统温室平面图。

图2 是基于物联网的温室控制系统温室立面图。

图3 是基于物联网的温室控制系统软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的描述。如图1、图2所示，基于物联网的温室控制系统包括：温室1、悬挂索道2、牵引索3、主控制器4、作物5、土壤6、停靠站7、辅控制器8、调节环境参数的执行装置9、植物生长控制系统服务器10和管理人员手机终端11，主控制器包括单片机、空气温度传感器、空气湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、照度传感器和无线网卡;辅助控制器包括单片机和步进电机。

在温室1内用张紧的绳索建立悬挂索道2，牵引索3分为左右运动和前后运动，牵引索3的左右运动和前后运动互相垂直，合成运动使主控制器5达到温室1的水平面任意一点采集环境参数数据。

辅助控制器9（即运动控制子系统）安装在停靠站7。辅助控制器9控制步进电机的运动运动参数和采集数据的时间间隔，步进电机拖动牵引索3，主控制器4悬挂在悬挂索道2上，牵引索3带动主控制器4在温室1的水平面内运动，主控制器4可以在温室1水平面内任意位置停留下来采集数据，优选在悬挂索道2上作循环扫描运动。采集数据期间，主控制器4靠充电电池提供电源。照度传感器能调整方位角，采集不同方位角的光强。在停靠站7，主控制器4连接充电器自动充电，减少维护工作量。

主控制器4通过无线路由器连接企业内部网，向管理人员手机终端11发送检测数据，特别是报警信息，向植物生长控制系统服务器10查询最佳控制参数。主控制器4根据作物已有的生长量，计算、分析和预测剩余生长期的生长环境参数，调节环境参数的执行装置9运行控制命令，确保温室的环境变量在需要的区间内波动。

系统硬件设计。控制系统包括主控制器、辅控制器，主控制器包括ARM处理器、存储器、液晶显示屏、无线网卡、GPRS模块、摄像头、检测装置和改变环境变量的执行装置，检测装置包括空气温度传感器、空气湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、照度传感器，执行装置包括升温设备、降温设备、灌溉设备、喷雾设备、移动温室覆盖物电机和温室通风设备电机。主控制器优选采用三星的S3C2440A处理器、TSL2561光强度传感器、SHT11温湿度传感器、TGS4160二氧化碳传感器。辅控制器由AT89C52单片机、电源驱动模块和步进电机组成，接受主控制器的指令，控制步进电机的运动速度、停留、采集数据的时间间隔和协同主控制器采集数据。

系统硬件设计。软件流程如图3所示，系统初始化完毕，采集初始数据，等待采集时间窗口，辅控制器工作控制牵引索拖动主控制器运动，主控制器采集数据，主控制器采集完毕回到停靠站，如果参数正常查询控制策略，执行装置工作改变环境参数。植物生长量包括某种植物光照量、积温量、水肥量、二氧化碳浓度、休眠期、外加激素量等多种参数，它们在一个区间内波动，植物生长量=已有的植物生长量+剩余植物生长量，由剩余植物生长量和计划的产出时间，计算剩余时间段的生长环境参数。每种花卉、蔬菜和水果的生长量以实测经验数据为下次植物生长控制使用，实验表明借用不同地域和环境温室的数据，误差较大。按计算出的剩余生长期的生长环境参数，执行装置执行控制命令。在等待时间段，系统空闲时，控制器摄制作物生长视频，在网络上能看到温室内的情况，向意向消费者展示作物生长过程，异地实时向消费者展示温室内的花卉、蔬菜和水果商品，使交易看货更加方便。如果参数失控，系统通过无线网络或GPRS向管理者预警，直到管理者回复，控制器结束工作等待管理者维修。视频保留了意外事故发生的过程，对改进温室及其种植技术有一定实际意义。

综上所述，本实用新型具有下述的有益效果：

基于物联网的温室控制系统的实验系统用于某西红柿无土栽培温室，系统多次采集到该温室空气温度平面分布图、空气湿度平面分布图、照度平面分布图和二氧化碳浓度平面分布图，分析实验数据，发现该温室空气温度、空气湿度、照度和二氧化碳浓度分布不均匀，改进了温室的结构使该温室的环境变量更加均匀，比原来的点状分布传感器的温室控制系统提高了9%生长控制精度。

基于物联网的温室控制系统经过温室试验验证,效果良好,有效地降低工人的劳动强度，降低了农产品的生产成本,保证了温室蔬菜的生产质量,便于实现蔬菜温室大规模生产和统一管理。基于物联网植物生长控制系统人机界面良好、操作简单方便、自动化程度高、稳定可靠, 测量精度高、使用简单、采集范围广、扩展性好、提高了植物生长期控制精度等优点，高效精确控制植物生长环境和生长期，实现农产品的附加值最大化。

基于物联网植物生长控制系统实现了高性价比，有效地解决了控制精度与成本的矛盾，在降低成本的同时，提高控制系统的精度，适应我国农业产业分散集中度低，农业科技的推广严重受到成本的制约国情，在广大农村地区有着良好的应用前景和推广价值。

总之，本实用新型虽然列举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技术人员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本实用新型的范围，否则都应该包括在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.基于物联网的温室控制系统包括悬挂索道、牵引索、主控制器、辅控制器、调节环境参数的执行装置、停靠站、植物生长控制系统服务器和管理人员手机终端，主控制器包括单片机、空气温度传感器、空气湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、照度传感器和无线网卡;辅助控制器包括单片机和步进电机，其特征在于：主控制器悬挂在悬挂索道上，辅助控制器控制步进电机，步进电机连接牵引索，牵引索拖动主控制器在悬挂索道上作扫描运动。

2.按照权利要求1所述的基于物联网的温室控制系统，其特征在于： 主控制器在悬挂索道上的运动分为左右运动和前后运动，左右运动和前后运动互相垂直。

3.按照权利要求1所述的基于物联网的温室控制系统，其特征在于：悬挂索道为拉紧的绳索。

4.按照权利要求1所述的基于物联网的温室控制系统，其特征在于：主控制器通过无线路由器连接到企业内部网。

5.按照权利要求1所述的基于物联网的温室控制系统，其特征在于：主控制器根据作物已有的生长量，预测剩余生长期的生长环境参数，执行装置运行控制命令，确保温室的环境变量在需要的区间内波动。