CN208128532U - 一种多功能植物生长与生境信息监测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种多功能植物生长与生境信息监测系统，属于农业信息化技术领域。本实用新型的监测系统由网关节点和植物生长与生境信息监测节点组成。网关节点和信息监测节点分别以树莓派、Arduino开发板为核心，辅以外围电路构建。信息监测节点提供丰富的传感器接口、多样的电源管理功能、灵活的数据存储与交互方式、精确的位置与时间信息。网关节点提供系统工作状态及所感知信息显示、LoRa/NB‑IoT/WiFi数据传输功能，精确的位置与时间信息。用户所持智能终端可通过蓝牙通信技术完成网关节点和监测节点的配置信令与监测数据交互。网关节点与信息监测节点间组网灵活，支持便携式/固定式植物生长与生境信息感知。
Description
技术领域
本实用新型涉及农业信息化技术领域，更具体地说，涉及一种多功能植物生长与生境信息监测系统。
背景技术
全面、准确、高效地监测土壤、大气、作物和地理位置等参数是有效推进“互联网+”现代农业行动，引领驱动精准农业加快发展的必然需求。近年来，随着物联网、云计算与大数据技术的快速发展，使得全面感知农业生产信息成为可能。然而，这需要更加细化的农田信息监测的对象和内容、更加便捷的数据获取技术、更加精准的信息表达和服务技术、建立可视化的农田信息监测服务平台等。
传统植物生长与生境信息检测仪器多采用以单片机为核心的技术架构、针对某一特定环境设计，能够监测的农田信息参数有限、扩展或二次开发能力不足。采用嵌入式ARM系列微处理器、辅以Android操作系统架构开发的植物生长信息检测仪器，可配置、支持二次开发，但成本较高。此外，基于单片机或ARM微处理器构架的仪器开发要求开发者有较强的电子知识背景，开发门槛较高。
开源硬件开发平台Arduino提供易用的接口、强大的第三方函数库支持，且性能稳定、兼容性好。树莓派支持Python语言，学习门槛较低，且具有较高的硬件配置，适合应用于网关、视频等较为复杂处理需求的硬件开发。开发者不需要具有较强的电子知识背景，只需着眼于程序的逻辑结构设计。树莓派、Arduino开发板已经得到广泛的利用。然而，目前已有基于树莓派、Arduino开发的监测设备和系统大多针对土壤、空气、作物生长等变化因子或针对具体需求设计，功能较为单一，传感器接口及电源供给受限，组网及远程数据传输能力支持不足，难以满足复杂农业生产环境下多样化的节点部署及信息监测需求。
经检索，关于植物生长生境信息监测已有较多方案公开。如中国专利申请号201710227383.X，申请日为2017年4月10日，发明创造名称为：一种植物生长管理系统；该申请案包括植物数据采集器、与数据采集器信号输入端连接的传感器单元和照相机，无线通讯模块，植物生长管理平台；传感器单元和照相机采集的植物生长的数据和图像信息，数据采集器将数据和图像信息通过无线通讯模块传输至植物生长管理平台；植物生长管理平台将生长信息发送至用户手机软件中，给出照顾植物的相应建议。该申请案具有对植物水分监测，温度监测，PH值监测，光的照度监测，空气质量监测，病害虫监测等各个方面综合监测，并通过移动通讯手段提醒用户对植物进行照顾。
中国专利申请号201510422024.0，发明创造名称为：一种植物生长环境信息监测系统；该申请案包括传感节点和网关节点，传感节点包括无线通信模块、稳压电源模块、温度传感器接口、温湿度传感器接口、光照度传感器接口、土壤湿度传感器接口、摄像头接口以及DART接口构成；无线通信模块分别与稳压电源模块、温度传感器接口、温湿度传感器接口、光照度传感器接口、土壤湿度传感器接口、摄像头接口以及DART接口相互连接。该申请案可以实现长时间监测，适用于监测植物成长环境信息。
上述申请案虽然均从自身角度解决了植物生长环境信息的监测，但上述申请案仍然存在功能较为单一，传感器接口及电源供给受限等问题，仍需进一步改进。
发明内容
1.实用新型要解决的技术问题
鉴于我国农业现代化的发展需求，以及目前存在的实际问题，本实用新型提供了一种多功能植物生长与生境信息监测系统，本实用新型具有性价比高、开发门槛低、传感器接口丰富、组网部署灵活的特点，便于实现大规模可移动的信息数据监测，也可以满足小范围或者单个设备便携移动监测。
2.技术方案
为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：
本实用新型的一种多功能植物生长与生境信息监测系统，包括网关节点和信息监测节点，用户所持智能终端通过蓝牙完成网关节点、信息监测节点的配置信令和监测数据交互；网关节点和信息监测节点分别以树莓派、Arduino开发板为核心构建，信息监测节点通过LoRa Mesh技术自组网建立节点间、节点与网关节点间远距离可靠通信连接，实现与云端的数据交互；其中，所述的信息监测节点用于采集图像、多种环境因子、作物生长和位置信息，于本地存储并转发网关节点；所述的网关节点采集视频、并连同接收到的信息于本地存储并显示，再将数据打包向云端转发。
更进一步地，所述的信息监测节点包括Arduino开发板、电源供给单元、传感器接口单元、通信/数据交换单元和辅助单元，电源供给单元输出直流电压为Arduino开发板提供电源供给，传感器接口单元用于不同接口类型的传感器接入Arduino开发板，通信/数据交换单元支持LoRa Mesh通信、蓝牙通信和SD存储卡接口功能，辅助单元包括时钟模块和GPS模块。
更进一步地，所述的电源供给单元包括电源管理模块、升压模块和继电器模块，电源管理模块连接太阳能电板和蓄电池，根据太阳光照强度在太阳能电板供电、蓄电池供电方式间切换；所述的升压模块对Arduino开发板输出的直流电压进行升压，提供5-23V范围的直流电压输出，继电器模块连接Arduino开发板数字口和升压模块，通过调节Arduino开发板数字口信号输出控制继电器的通断，来调控传感器电源的供给。
更进一步地，所述的传感器接口单元提供A/D接口、RS485接口和RS232接口。
更进一步地，所述的传感器包括但不限于环境因子传感器和植物生长本体传感器，其中，环境因子传感器包括但不限于图像传感器、土壤温湿度、空气温湿度、空气二氧化碳浓度、风速和风向、光照强度、有效光合辐射传感器；植物生长本体传感器包括但不限于茎杆微变化、径流、果实膨大、光合作用率、叶片温度传感器。
更进一步地，所述的通信/数据交换单元采用LoRa MESH Radio Module模块实现节点间组网通信功能；采用Arduino Interface Shield扩展板提供SD存储卡接口；采用蓝牙芯片实现节点与用户所持智能终端间的蓝牙通信功能。
更进一步地，所述信息监测节点的辅助单元由包含DS1307芯片的外围电路通过I2C接口连接Arduino开发板，提供实时时钟；由包含UBX-G7020-KT芯片的外围电路通过UART接口连接Arduino开发板，提供GPS位置信息。
更进一步，所述的用户所持智能终端可以通过蓝牙通信设置监测节点编号和各传感器采样间隔。
更进一步地，所述的网关节点包括树莓派开发板、电源供给单元、工作状态及信息感知显示屏、通信/数据交换单元和辅助单元；电源供给单元输出直流电压为树莓派开发板提供电源供给，树莓派开发板的HDMI接口连接工作状态及信息感知显示屏，通信/数据交换单元提供LoRa/NB-IoT/WiFi数据交互功能，支持蓝牙通信和SD存储卡接口功能，辅助单元包括时钟模块和GPS模块。
更进一步地，所述的电源供给单元包括电源管理模块，电源管理模块连接太阳能电板和蓄电池，根据太阳光照强度在太阳能电板供电、蓄电池供电方式间切换。
更进一步地，所述的电源管理模块具体使用PLC控制器同时管理蓄电池、太阳能板和应用输出。
更进一步地，所述的视频采集单元包括视频采集设备。
更进一步地，所述通信/数据交换单元采用LoRa MESH Radio Module模块，实现与信息监测节点间的LoRa通信；所述网关节点的辅助单元由包含DS1307芯片的外围电路通过GPIO2-3接口连接树莓派开发板，提供实时时钟；由包含UBX-G7020-KT芯片的外围电路通过GPIO5-6接口连接树莓派开发板，提供GPS位置信息。
更进一步，所述的用户所持智能终端通过蓝牙通信设置网关节点编号。
3.有益效果
采用本实用新型提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下有益效果：
(1)本实用新型的一种多功能植物生长与生境信息监测系统，信息监测节点提供丰富的传感器接口、多样的电源管理功能、灵活的数据存储与交互方式、精确的位置与时间信息；网关节点提供系统的工作状态显示、LoRa/NB-IOT/WiFi数据传输功能，精确的位置与时间信息，具有性价比高、开发门槛低、传感器接口丰富、组网部署灵活的特点；
(2)本实用新型的一种多功能植物生长与生境信息监测系统，其信息监测节点通过LoRa Mesh技术自组网建立节点间、节点与网关节点间远距离可靠通信，实现与云端的数据交互，网关节点与信息监测节点间组网灵活，便于实现大规模可移动的信息数据监测，也可以满足小范围或者单个设备便携移动监测；
(3)本实用新型的一种多功能植物生长与生境信息监测系统，其通过Bluno Mega2560开发板直接提供A/D接口，并采用包含MAX13487芯片的外围电路将Bluno MEGA 2560开发板的UART3口转换为RS485接口，采用包含SP3232EEN芯片的外围电路将Bluno MEGA 2560开发板的UART2接口转换为RS232接口；提供较多开放的传感接口，能够保证兼容多种类型的传感设备，可扩展性强；
(4)本实用新型的一种多功能植物生长与生境信息监测系统，其信息监测节点和网关节点的通信/数据交换单元均支持SD存储卡接口功能，SD卡可以存储大量的本地数据，如环境信息、图像信息等，在面对突发网络状况时，可以本地备份，网络恢复后再将备份数据上传；
(5)本实用新型的一种多功能植物生长与生境信息监测系统，其设置电源管理模块连接太阳能电板和蓄电池，根据太阳光照强度在太阳能电板供电、蓄电池供电方式间切换，在太阳光强满足条件时优先使用太阳能为监测系统供电，节省了电能；在太阳光强不满足条件时切换使用蓄电池供电，也保证了监测系统能够不间断工作；
(6)本实用新型的一种多功能植物生长与生境信息监测系统，其设置继电器模块连接Bluno Mega 2560中数字输出引脚和升压模块的输出，通过调节数字输出引脚的输出电平来控制继电器的通断，来调控传感器电源的供给，降低整个节点功耗；
(7)本实用新型的一种多功能植物生长与生境信息监测系统，其采用树莓派3代B+型开发的网关节点具有较强的视频数据采集与处理能力，并采用包含DS1307芯片的外围电路通过GPIO2-3接口连接树莓派开发板，提供实时时钟，保证网络中断情况下时间准确；采用包含UBX-G7020-KT芯片的外围电路通过GPIO5-6接口连接树莓派开发板，提供GPS位置信息。
附图说明
图1为本实用新型的一种多功能植物生长与生境信息监测系统的结构图；
图2为本实用新型的多功能植物生长与生境信息监测节点功能模块图；
图3为本实用新型的网关节点功能模块图；
图4为本实用新型的实施例中多功能植物生长与生境信息监测节点连接图；
图5为本实用新型的实施例中网关节点连接图。
具体实施方式
为进一步了解本实用新型的内容，结合附图和实施例对本实用新型作详细描述。
实施例1
参看图1，本实施例的一种多功能植物生长与生境信息监测系统，包括网关节点和信息监测节点，网关节点和信息监测节点分别以树莓派、Arduino开发板为核心、辅以外围电路构建。其中，信息监测节点通过LoRa Mesh技术自组网建立节点间、节点与网关节点间远距离可靠通信连接，实现与云端的数据交互。
如图2和图4所示，本实施例的信息监测节点包括Arduino开发板、电源供给单元、传感器接口单元、通信/数据交换单元和辅助单元。
信息监测节点的Arduino开发板选择Bluno MEGA 2560。该开发板拥有54个数字I/O端口(其中14个可以用作PWM输出口)、16个模拟输入端口、4个UART(硬件串行端口)、同时Bluno Mega 2560具有板载蓝牙芯片支持蓝牙4.0通信。
所述的电源供给单元包括电源管理模块、升压模块和继电器模块。电源管理模块具体使用PLC控制器可以同时管理蓄电池、太阳能板和应用输出，蓄电池输出12V直流电，适用温度-40℃～+70℃，太阳光强达到太阳能板启动点，PLC控制器将太阳能板的电能一部分通过应用输出口给设备供电，将另一部分电能存储在蓄电池中。当太阳光强降到启动点后，PLC启动蓄电池给Bluno MEGA 2560供电。采用包含XL6009芯片的升压模块连接Bluno MEGA2560的5V电压输出口，提供5-23V直流电压输出，满足不同传感器电源供给需求。继电器模块连接Bluno Mega 2560开发板中数字输出引脚和升压模块的输出，通过调节数字输出引脚的输出电平来控制继电器的通断，来调控传感器电源的供给，降低整个节点功耗。
所述的传感器接口单元提供A/D接口、RS485接口、RS232接口。A/D接口由BlunoMega 2560开发板直接提供。本实施例中采用包含MAX13487芯片的外围电路将Bluno MEGA2560开发板的UART3口转换为RS485接口。采用包含SP3232EEN芯片的外围电路将BlunoMEGA 2560开发板的UART2接口转换为RS232接口。RS232接口提供图像传感器接入。RS485接口提供土壤温湿度、空气温湿度、空气二氧化碳浓度、风速和风向、光照强度、有效光合辐射等环境因子传感器接入。A/D接口提供茎杆微变化、径流、果实膨大、光合作用率、叶片温度等作物生长本体传感器接入。
所述的通信/数据交换单元支持LoRa通信、蓝牙通信、SD存储卡。采用LoRa MESHRadio Module模块连接Bluno Mega 2560开发板D3-4接口实现节点间LoRa Mesh技术组网。采用Arduino Interface Shield扩展板提供SD存储卡接口。采用Bluno Mega 2560板载蓝牙芯片实现节点与用户所持智能终端的蓝牙通信功能，进行配置信令和监测数据交互，其中，配置信令中包含监测节点编号和各传感器采样间隔等信息。
所述的辅助单元包括时钟和GPS功能，由包含DS1307芯片的外围电路通过I2C接口连接BLUO Mega2560，提供实时时钟。由包含UBX-G7020-KT芯片的外围电路通过UART1接口连接BLUO Mega2560，提供GPS位置信息。如图3和图5所示，本实施例的网关节点包括树莓派开发板、信息感知及工作状态显示、通信/数据交换单元和辅助单元。
网关节点的树莓派开发板选择树莓派3代B+型，通过HDMI接口连接3.5英寸液晶显示屏，实时显示系统工作状态及所感知的信息。
所述的通信/数据交换单元提供LoRa/NB-IoT/WiFi数据交互功能。通过LoRaMesh技术构建无线传感器网络，与信息监测节点进行数据交互。NB-IoT/WiFi实现与云端进行数据交互。具体地，采用USB to Serial将树莓派3代B+型开发板USB0接口转换为TTL接口连接LoRa MESH Radio Module模块，为信息监测节点提供LoRa接入功能。采用树莓派3代B+型开发板提供的WiFi通信功能，实现数据的本地存储与云端交互。采用树莓派3代B+型开发板提供的卡槽插入SD存储卡。采用树莓派3代B+型板载蓝牙芯片实现网关节点与用户所持智能终端的配置信令和监测数据交互，其中配置信令中包含网关节点编号。
所述的电源供给单元包括电源管理模块，电源管理模块具体使用PLC控制器可以同时管理蓄电池、太阳能板和应用输出，根据太阳光照强度在太阳能电板供电、蓄电池供电方式间切换。
所述的视频采集单元通过树莓派板载USB1接口连接摄像头，提供视频实时采集。
所述的辅助单元包括时钟和GPS功能，由包含DS1307芯片的外围电路通过GPIO2-3接口连接树莓派开发板，提供实时时钟；由包含UBX-G7020-KT芯片的外围电路通过GPIO5-6接口连接树莓派开发板，提供GPS位置信息。
本实施例的多功能植物生长与生境信息监测系统的数据获取流程为：
在用户所持智能终端上打开蓝牙搜索，搜索附近的蓝牙设备，配对成功后，设置各传感器采样间隔。
Bluno Mega 2560开发板通过时钟模块获取实时时间，并初始化采样间隔。BlunoMega 2560开发板根据时间间隔开启数字继电器给各个传感器提供电源，获取图像、多种环境因子、作物生长和位置信息。例如，设置时间间隔为10分钟，则每隔10分钟，Bluno Mega2560开发板调节数字输出引脚的输出高电平，继电器打开给传感设备电源供给，随后开发板发送指令采集数据，随后将当前设备状态信息、时间间隔、获取图像时间、植物生长及环境信息数据写入到SD卡中，再将数据打包交付给LoRa模块转发出去。
网关节点采集视频、并将来自于LoRa模块的数据写入到SD卡中，再将数据打包交付给NB-IoT/WiFi模块向云端转发。网关的3.5英寸显示屏滚动显示各个移动信息采集设备工作状态及最近一次上传的数据。
本实施例的一种多功能植物生长与生境信息监测系统，提供开放的传感接口，兼容多种类型的传感设备，可扩展性强，网关节点与信息监测节点间组网灵活，便于实现大规模可移动的信息数据监测，也可以满足小范围或者单个设备便携移动监测。SD存储卡可以存储大量的本地数据，如环境信息、图像信息等，在面对突发网络状况时，可以本地备份，网络恢复后再将备份数据上传。
以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种多功能植物生长与生境信息监测系统，其特征在于：包括网关节点和信息监测节点，用户所持智能终端通过蓝牙完成网关节点、信息监测节点的配置信令与监测数据交互；网关节点和信息监测节点分别以树莓派、Arduino开发板为核心构建，信息监测节点通过LoRaMesh技术自组网建立节点间、节点与网关节点间远距离可靠通信，实现与云端的数据交互；其中，所述的信息监测节点用于采集图像、多种环境因子、作物生长和位置信息，于本地存储并转发网关节点；所述的网关节点采集视频、并连同接收到的信息于本地存储并显示，再将数据打包向云端转发。
2.根据权利要求1所述的一种多功能植物生长与生境信息监测系统，其特征在于：所述的信息监测节点包括Arduino开发板、电源供给单元、传感器接口单元、通信/数据交换单元和辅助单元，电源供给单元输出直流电压为Arduino开发板提供电源供给，传感器接口单元用于不同接口类型的传感器接入Arduino开发板，通信/数据交换单元支持LoRa Mesh通信、蓝牙通信和SD存储卡接口功能，辅助单元包括时钟模块和GPS模块。
3.根据权利要求2所述的一种多功能植物生长与生境信息监测系统，其特征在于：所述的电源供给单元包括电源管理模块、升压模块和继电器模块，电源管理模块连接太阳能电板和蓄电池，根据太阳光照强度在太阳能电板供电、蓄电池供电方式间切换；所述的升压模块对Arduino开发板输出的直流电压进行升压，提供5-23V范围的直流电压输出，继电器模块连接Arduino开发板数字口和升压模块，通过调节Arduino开发板数字口信号输出控制继电器的通断，来调控传感器电源的供给。
4.根据权利要求2所述的一种多功能植物生长与生境信息监测系统，其特征在于：所述的传感器接口单元提供A/D接口、RS485接口和RS232接口。
5.根据权利要求4所述的一种多功能植物生长与生境信息监测系统，其特征在于：所述的传感器包括但不限于环境因子传感器和植物生长本体传感器，其中，环境因子传感器包括但不限于图像传感器、土壤温湿度、空气温湿度、空气二氧化碳浓度、风速和风向、光照强度、有效光合辐射传感器；植物生长本体传感器包括但不限于茎杆微变化、径流、果实膨大、光合作用率、叶片温度传感器。
6.根据权利要求2所述的一种多功能植物生长与生境信息监测系统，其特征在于：所述的通信/数据交换单元采用LoRa MESH Radio Module模块实现节点间组网通信功能；采用Arduino Interface Shield扩展板提供SD存储卡接口；采用蓝牙芯片实现节点与用户所持智能终端间的蓝牙通信功能；所述信息监测节点的辅助单元由包含DS1307芯片的外围电路通过I2C接口连接Arduino开发板，提供实时时钟；由包含UBX-G7020-KT芯片的外围电路通过UART接口连接Arduino开发板，提供GPS位置信息。
7.根据权利要求1所述的一种多功能植物生长与生境信息监测系统，其特征在于：所述的网关节点包括树莓派、电源供给单元、工作状态及信息感知显示屏、通信/数据交换单元和辅助单元；电源供给单元输出直流电压为树莓派开发板提供电源供给，树莓派开发板的HDMI接口连接工作状态及信息感知显示屏，通信/数据交换单元提供LoRa/NB-IoT/WiFi数据交互功能，支持蓝牙通信和SD存储卡接口功能，辅助单元包括时钟模块和GPS模块。
8.根据权利要求7所述的一种多功能植物生长与生境信息监测系统，其特征在于：所述的电源供给单元包括电源管理模块，电源管理模块连接太阳能电板和蓄电池，根据太阳光照强度在太阳能电板供电、蓄电池供电方式间切换。
9.根据权利要求3或8所述的一种多功能植物生长与生境信息监测系统，其特征在于：所述的电源管理模块具体使用PLC控制器同时管理蓄电池、太阳能板和应用输出。
10.根据权利要求7所述的一种多功能植物生长与生境信息监测系统，其特征在于：所述通信/数据交换单元采用LoRa MESH Radio Module模块，实现与信息监测节点间的LoRa通信；所述网关节点的辅助单元由包含DS1307芯片的外围电路通过GPIO2-3接口连接树莓派开发板，提供实时时钟；由包含UBX-G7020-KT芯片的外围电路通过GPIO5-6接口连接树莓派开发板，提供GPS位置信息。
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