CN207718261U - 基于nb-iot的分布式智能花卉培育管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种NB‑IOT的分布式智能花卉培育管理系统包括分布式监测端、控制端、云服务器；分布式监测端中的各监测模块将采集的花卉种植的环境监测数据上传给云服务器；云服务器根据各监测模块上传的环境监测数据向控制端发送控制命令；控制端接收云服务器发送的控制命令，并根据控制命令操控花卉种植区相应设施以调节花卉种植环境参数。本实用新型实现了大量多种花卉的种植管理，成本低，用户管理方便。

Description

基于NB-IOT的分布式智能花卉培育管理系统

技术领域

本实用新型属于花卉培育管理技术领域，涉及一种基于NB-IOT的分布式智能花卉培育管理系统。

背景技术

对于养殖花卉，目前还停留在人工种植阶段，智能化产业不多且成本较高，耗资较大；新花卉的培育需要新的一套硬件系统，成本高，且管理不方便；由于花卉培育的特殊性，其环境监测数据存在大量的相似数据。目前针对花卉的传感器监测数据还没有一个算法能够实现数据的加工和处理，庞大且相似的数据通信既浪费了传输带宽又消耗了大量的能量，而且由于存在干扰数据易造成错误的控制判断。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于NB-IOT的分布式智能花卉培育管理系统, 该系统利用NB-IOT技术的密集海量连接特点实现大量不同种类花卉的智能培育，成本低。

为了解决上述技术问题，本实用新型的NB-IOT的分布式智能花卉培育管理系统包括分布式监测端、控制端、云服务器；分布式监测端中的各监测模块将采集的花卉种植的环境监测数据上传给云服务器；云服务器根据各监测模块上传的环境监测数据向控制端发送控制命令；控制端接收云服务器发送的控制命令，并根据控制命令操控花卉种植区相应设施以调节花卉种植环境参数。

本实用新型还可以包括智能终端；用户可以通过智能终端查看云服务器中来自分布式监测端的环境监测数据。

用户还可以通过智能终端向云服务器发送控制命令，云服务器将控制命令转发至控制端，以操控花卉种植区对应设施以调节花卉种植环境参数。

进一步，当某个环境监测数据高于或者低于设定的环境参数阈值时，云服务器向控制端发送控制命令，通过控制端操控花卉种植区对应的设施以调节相应的花卉种植环境参数。

所述的监测模块包括传感器组、A/D转换模块、MCU处理器和NB-IOT监测模组；传感器组将环境监测数据传输至A/D转换模块进行模数转换，MCU处理器对得到的数据进行计算处理并将处理后的数据转换成云服务器设定的格式，然后通过NB-IOT监测模组上传至云服务器。

所述控制端包括MCU微处理器及与其连接的NB-IOT控制模组，当云服务器发送控制命令时，MCU微处理器通过NB-IOT控制模组获取相应的控制命令，然后操控花卉种植区对应的设施以调节相应的花卉种植环境参数。

本实用新型是基于NB-IOT技术所开发的智能花卉培育系统，它充分利用了NB-IOT技术的密集海量连接特点，创造性地实现了大量不同种类花卉的智能培育。本实用新型通过设计一种分布式花卉生长环境的监控端，针对多种花卉可以进行不同方式的培育，监测端可以自由增加花卉数量，控制端、云服务器端和智能终端则无需做更多投入。

本实用新型实现了大量多种花卉的种植管理，可以在监测端自由增加新的花卉。对于新增加的花卉，只需要增加相应的监测模块即可，云服务器、控制端和智能终端无需改变。

有益效果：

(1)采用分布式的花卉管理系统，可以实现大量不同种类花卉的智能培育；增加花卉时只需增加花卉的NB-IOT监测模组即可，控制端、云服务器端和智能终端无需改变，大大节约了成本，同时方便用户管理。

(2)实现了对花卉生长环境的准确监测，包括：二氧化碳浓度、土壤湿度、空气温度和光照值等，由于采用了基于低功耗广域网的NB-IOT技术，NB-IOT监测模块可以直接将传感器所感知到的环境监测数据上传到云服务器端，监测范围广，抗干扰性强，数据传输更稳定；传感器数据无需汇总融合即可单独上传至云服务器，数据的实时性得到了提升，对于花卉的紧急应对的速度得到了提升。

(3)针对环境的变化，开发了控制端以确保花卉的生长环境在正常范围内；同时在云服务器端设计了对应的管理系统，用于识别不同的环境监测模块以便采取相应的控制操作。

(4)设计了用户交互系统，用户可以通过智能终端查看数据并根据不同花卉的生长特点制定不同的本地方案，同时可以人为的对控制端进行远程控制。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

图1是本实用新型的NB-IOT的分布式智能花卉培育管理系统总体结构图。

图2花卉监测部分结构图。

图3花卉控制部分结构图

图4是用户交互示意图。

具体实施方式

1.总体结构

如图1所示，本实用新型的基于NB-IOT的分布式智能花卉培育管理系统分为4个部分：分布式监测端、控制端、云服务器、智能终端。

本实用新型中分布式监测端分为n个监测模块，每个监测模块都具有4个传感器监测节点，可以单独监测同一种花卉的4种环境变量：二氧化碳浓度、土壤湿度、空气温度和光照值。每个传感器监测节点需将各自所监测到的花卉环境数据通过1个NB-IOT监测模组上传到云服务器。云服务器负责数据的存储和决策，当某个数据高于或者低于提前设定的阈值时，云服务器便会发送控制命令，控制端通过NB-IOT控制模组接收来自云服务器的控制命令，识别出应对哪一个监测部分提供服务，并激活相应的控制设施(例如洒水器、风扇或者可变功率灯)进行工作。用户可以通过智能终端查看云服务器中来自分布式监测端的环境监测数据；同时，用户也可以通过智能终端直接向云服务器发送控制命令，云服务器将命令转发至控制端(可采用手机作为控制端)完成控制功能。智能终端配有相应的软件，方便用户查看数据、设定阈值以及人工控制。

分布式监测端的每个监测模块配备1个NB-IOT监测模组，每个NB-IOT监测模组都连接着4个传感器监测节点。为满足云服务器端数据的实时性，传感器监测节点需要不断将监测数据发往云服务器端，这样就可能导致数据的过多传输以及传感器能耗的增加，同时错误的传感器环境监测数据会导致云服务器的错误判断。因此，本实用新型提出一种数据判决算法用于降低传感器发送数据的频率，排除了错误的传感器数据并最大程度保证云服务器数据的实时性。

2.各部分设计

2.1.花卉的环境监测部分

本实用新型中共监测了花卉周围环境的4个变量：二氧化碳浓度、土壤湿度、空气温度和光照值。其中二氧化碳监测采用的为MH-Z14A红外二氧化碳传感器，土壤湿度监测采用的是FC-28传感器，空气温度监测采用的为DHT11传感器，光照监测采用光敏电阻传感器。

如图2所示，花卉监测部分的结构包括传感器组、A/D转换模块、MCU处理器和NB-IOT 监测模组。传感器将环境监测数据传输至A/D转换模块进行模数转换，MCU处理器对得到的数据进行计算处理并将处理后的数据转换成云服务器设定的格式，然后通过NB-IOT监测模组上传至云服务器。

2.2.花卉的环境控制部分

本实用新型共设计了3个控制设施(可变功率灯、洒水器和风扇)。可变功率灯用于花卉的照明功能调整，当花卉受到的光照过低时，可变功率灯提供对应的功率段的灯光给花卉进行照明，可变功率的数值通过PWM信号进行控制，PWM简称脉宽调制，是利用MCU 微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，通过设置不同的占空比值可以有效控制灯的亮度即光照强度。洒水器用于给花卉提供水分，当花卉的土壤湿度过低时，洒水器便会向花卉进行浇水，洒水的开与关均采用1位继电器进行控制，MCU微处理器向设定好的I/O口输出1或者0，继电器便会随着I/O的状态接通或断开电路。风扇作为吹风功能，主要是疏散花卉周围的气体，当二氧化碳浓度过高时，风扇便会工作，风扇的控制和洒水器的控制过程类似。

如图3所示，MCU微处理器连接着NB-IOT控制模组，当云服务器发送控制操作请求命令时，MCU微处理器通过NB-IOT控制模组获取相应的控制命令，然后根据对应的操作代码执行光照或者通过继电器控制风扇的转动和水泵的抽水功能。

2.3.NB-IOT通信模块部分

NB-IOT为新一代革命性技术，它具有海量连接的优势，同一个基站下，NB-IOT可以拥有比现有的无线技术多50～100倍的接入数；它的深度覆盖意味着能够适应很多信号难以达到的地方，如地下车库、地下室、地下管道等场所；它还具有超低功耗，能够保障工作5年以上；最主要的优势在于低成本，不仅制作成本低，产品的体积也大大减小。本实用新型所采用的NB-IOT模块(包括NB-IOT监测模组和NB-IOT控制模组)为上海移远的BC95 模块。该模块支持CoAP和UDP协议，用户需要手动向模块写入IMEI号，IMEI号可以从随机设置，通过增强型的AT指令完成写入操作，本实用新型采用的电信版BC95-B5版，所使用的专用物联网SIM卡需要设定固定IP才能完成网络注册，注册时间为30秒。

2.4.云服务器部分

本实用新型中的云服务器具有存储数据和判断数据异常的功能，云服务器端对操作环境初始化后检测中断状态寄存器的状态，查看通信端口是否接收到数据接收请求。若没有检测到数据的接收请求，则返回持续查询；若检测到接收请求，则对信息源进行验证，同时返回应答指令，然后在服务器中的相应存储位置配置数据，将所接收到的数据写入服务器的存储器中。为判断是否应该对花卉的生长环境进行调整，云服务器从数据库中提取用户已设置好的各类环境数据的阈值，当检测到某个数据高于或者低于阈值时，云服务器端便会向控制端发送控制指令。

2.5.用户交互部分

为了方便用户查看和控制花卉的生长，本实用新型在智能终端设计了一个用户操作软件，软件的功能除了可以从云服务器获取花卉的各项环境参数以外，还设计了花卉培育方案系统，该方案系统用于编辑和保存各种花卉的培育方案。某些花卉需要阳光充足，而某些花卉适宜生长在阴暗潮湿的场所，用户通过查询需要的种植花卉信息，可以将花卉的各项生长参数指标通过方案存储起来，这样不仅方便了用户自主定义花卉的生长环境，同时又能确保花卉的最佳生长。

各组别各类传感器开始运行并监测，环境监测数据需经过智能判决算法判断是否为假异常数据，如果是假异常数据则认为不满足发送条件；如果不是假异常数据，再对数据时是否变化很大，如果波动很大则认为满足发送条件。此时，激活NB-IOT监测模组并对数据进行编码，在编码过程中需包含该监测数据的所属组别，NB-IOT监测模组发送数据至云服务器端。云服务器端接收数据后将数据存储至数据库并准备处理。云服务器在处理数据之前需首先读取用户已经设定好培育方案即各种环境监测数据的阈值，并根据此阈值判断接收到的数据是否存在异常。如果数据存在异常，云服务器端则向控制端发送控制命令，该控制命令中需包含应控制的组别；控制端中的NB-IOT控制模组接收到云服务器发出的命令并识别后，对需要采取措施的传感器监测节点发出指令并激活相应的控制设施，控制设施可移动到该组别所对应的位置进行服务。如果数据没有发生异常，云服务器则持续接收来自传感器的数据。

云服务器端对二氧化碳浓度、土壤湿度、空气温度和光照强度等是否异常进行判断。

二氧化碳对于植物的意义非凡，适度的二氧化碳浓度会促进植物的光合作用；相反，过高浓度的二氧化碳不仅不会促进植物的光合作用，还可能导致植物中毒。室内的二氧化碳浓度只有在350～1000ppm时人们会到感到空气新鲜，呼吸顺畅，植物也可以正常生长；当二氧化碳浓度高于1000ppm时，人们就会产生异常反应，同时对于植物也会产生损伤。

土壤湿度同样对于植物非常重要，比如小麦对于土壤湿度的合理范围在17％～44％，这个范围内的湿度环境会促进小麦的增长，增长率为20％，但是当土壤湿度低于17％或者高于 44％时，小麦便会有不适反应。

光照强度对于花卉的影响同样是不容小觑的，不同的花卉需要的光照强度不尽相同，需要光照的时间也不尽相同。按照花卉的喜光性强弱可以分为喜阳性花卉、中性花卉和喜阴性花卉。喜阳性花卉喜光，向阳性强，在全光照条件下生长最好；若受光不足，则新枝发育和花芽形成较慢，且花少色差，香味谈。中性花卉喜光性较强，稍能耐阴，但在全阴或过强光照条件下都生长不好，一般也需在光线充足的环境中才能正常生长。喜阴性花卉则需光较少，喜光性较弱，需一定的荫蔽，不能在光照强烈的环境中生长，喜在以散光为主的环境下生长。同时，根据花卉在光照阶段对光周期的反应和要求，又可将花卉分为短日性花卉、长日性花卉和中日性花卉。短日性花卉在开花前的生长过程中，需要一昼短夜长的条件，只有当昼长小于某一特定的临界日时，才能顺利通过光照阶段现蕾现花。若日长超过临界日长，将抑制生殖生长而促进营养生长。长日性花卉在开花前的生长过程中，需要一段昼长夜短的条件，才能实现由营养生长向生殖生长的转化，促使顶端分生组织分化形成花蕾和花芽，从而进入开花阶段。中日性花卉无明显的日长反应，开花与否和日长关系不大，只要其它条件合适，在长短不同的日照环境中都能顺利通过光照阶段正常孕蕾开花。

由于不同花卉的生长环境配置参数不同，本实用新型允许用户自定义花卉的培育参数和相应的异常阈值。云服务器接收并存储来自不同群组花卉的生长环境监测数据；然后读取用户提前设置的各种环境参数的阈值。例如，首先比较二氧化碳的浓度，如果二氧化碳的浓度超过1000ppm时，云服务器判定二氧化碳浓度异常应采取吹风操作，并根据超出的异常值大小计算出吹风时间；然后将该信息通过NB-IOT控制模组MCU微处理器，由MCU微处理器完成相应的控制进程。同样，对于土壤湿度和光照也需要采取对应的措施完成具体的控制指令。

物联网技术的迅速发展和成熟，使得基于物联网技术和云计算技术的智能绿植管理成为可能。作为低功耗广域网技术代表的NB-IOT(基于蜂窝的窄带物联网)技术由3GPP于2016 年6月正式批准，成为物联网行业的国际标准。NB-IOT技术具有广覆盖，支持海量连接，更低功耗以及更低模块成本等优点。其可以广泛应用于多种垂直行业。本实用新型采用了基于NB-IOT的低功率广域网技术实现监测端、控制端与云服务器端的通信，分布式NB-IOT 监测端，可以直接将传感器所感知到的环境监测数据上传到云服务器端，监测范围广，抗干扰性强，数据传输更稳定。

花卉通常会因土壤中缺少水分而过于干燥、因连日阴雨导致花卉光照不足或过于潮湿、喜阴的花卉过多的暴露在阳光下等，本实用新型只需花费少量的资源就可以实现对绿植生长环境的修正，既大大提高了其成活率减少了损失，又美化了环境，具有很强的实用性。

本实用新型的智能控制部分，能够根据当前环境及时调整花卉的生长条件。对于大量花卉的培育，只需适应增加NB-IOT监测端即可；云服务器端，智能终端以及花卉生长条件控制端都只需一套，大大节约了成本。

Claims (4)

1.一种NB-IOT的分布式智能花卉培育管理系统，其特征在于包括分布式监测端、控制端、云服务器；分布式监测端中的各监测模块将采集的花卉种植的环境监测数据上传给云服务器；云服务器根据各监测模块上传的环境监测数据向控制端发送控制命令；控制端接收云服务器发送的控制命令，并根据控制命令操控花卉种植区相应设施以调节花卉种植环境参数。

2.根据权利要求1所述的NB-IOT的分布式智能花卉培育管理系统，其特征在于还包括智能终端；用户可以通过智能终端查看云服务器中来自分布式监测端的环境监测数据。

3.根据权利要求1所述的NB-IOT的分布式智能花卉培育管理系统，其特征在于所述的监测模块包括传感器组、A/D转换模块、MCU处理器和NB-IOT监测模组；传感器组将环境监测数据传输至A/D转换模块进行模数转换，MCU处理器对得到的数据进行计算处理并将处理后的数据转换成云服务器设定的格式，然后通过NB-IOT监测模组上传至云服务器。

4.根据权利要求1所述的NB-IOT的分布式智能花卉培育管理系统，其特征在于所述控制端包括MCU微处理器及与其连接的NB-IOT控制模组，当云服务器发送控制命令时，MCU微处理器通过NB-IOT控制模组获取相应的控制命令，然后操控花卉种植区对应的设施以调节相应的花卉种植环境参数。