CN208819102U

CN208819102U - 一种分布式智能全托植物培育系统

Info

Publication number: CN208819102U
Application number: CN201821734869.9U
Authority: CN
Inventors: 蓝天翔; 纪志鹏; 卢继华; 王兴华; 刘振宇; 黄百铖
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2018-10-25
Filing date: 2018-10-25
Publication date: 2019-05-03
Anticipated expiration: 2028-10-25

Abstract

本实用新型涉及一种分布式智能全托植物培育系统，属于智能栽培及自动化控制技术领域。包括智能控制终端、数据整合模块、外部网络接口、移动控制终端、主控模块、通信模块、植物培养模块以及电源模块；外部网络接口与移动控制终端经互联网相连，外部网络接口与通信模块经互联网相连，外部网络接口与数据整合模块相连；数据整合模块与智能控制终端相连；通信模块与主控模块相连，通信模块与植物培养模块相连；植物培养模块与主控模块相连；电源模块与联网服务器以及智能培育设备相连；本系统基于机器学习分析植物生长趋势，更加准确地对植物的生长状况进行调控，从而更加精准的提高植物的生长状态；操作简单，实现智能化全托管模式。

Description

一种分布式智能全托植物培育系统

技术领域

本实用新型涉及一种分布式智能全托植物培育系统，属于智能栽培及自动化控制技术领域。

背景技术

随着大数据在各行各业的应用。海量数据分析给人民的工作和生活提供服务和便利。尤其在大棚种植及智能化植物灌溉相关的领域。采用自动化设备能够减少人工成本的同时，对植株监控也更加灵活和全面。

随着技术的不断进步，大规模以及精细化种植蔬菜瓜果应用较为广泛。然而，现有技术针对植物培养设备及系统没能充分利用大数据的分析优势，且缺少判断植株生长趋势的智能环节。

本申请拟致力于针对现有植株培育系统自动化处理程度低的技术缺陷，提出了一种分布式智能全托植物培育系统，对现有智能培育设备组成的系统进行联网、数据分析评估和智能图像处理进而实现对植株长势的判断与集中智能化管控。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有植物培养设备及系统未能良好利用大数据优势、无法判断植株生长趋势且自动化处理程度低的技术缺陷，提出了一种分布式智能全托植物培育系统，对现有智能培育设备进行联网、数据分析评估和智能图像处理判断植株长势，再通过连入无线网络，对分布在任意位置的智能培育设备进行集中智能化控制。

所述植物培育系统包括智能控制终端、数据整合模块、外部网络接口、移动控制终端、主控模块、通信模块、植物培养模块以及电源模块；

其中，智能控制终端、数据整合模块和外部网络接口位于联网服务器上；植物培养模块、主控模块以及通信模块位于智能培育设备上；移动控制终端是智能手机、智能手持设备以及平板电脑中的一种；

智能控制终端包括智能数据处理单元以及图像识别分析单元；

数据整合模块主要包括服务数据库；

植物培养模块又包括植物生长趋势信息收发单元、光照补充单元、传感器单元、移动单元、环境调节单元以及时间单元；

植物生长趋势信息收发单元主要包括摄像头以及图像储存与数据打包单元；

光照补充单元主要包括LED阵列、亮度调整单元以及色温调整单元；

传感器单元包括提醒报警单元和感知单元；

其中，感知单元主要包括土壤湿度检测传感器、距离传感器、CO₂浓度检测器、温湿度传感器、酸碱度传感器、光照强度阵列、水箱水位传感器以及营养液检测器；

移动单元主要包括步进电机、支撑转轴以及支撑轮；

其中，支撑轮的数量大于等于4个；

环境调节单元主要包括空气加湿器、电磁水泵、液体注入单元以及储存罐；其中，储存罐包括营养液罐以及储水罐；

所述植物培育系统中各模块的连接关系如下：

外部网络接口与移动控制终端经互联网相连，外部网络接口与通信模块经互联网相连，外部网络接口与数据整合模块相连；数据整合模块与智能控制终端相连；通信模块与主控模块相连，通信模块与植物培养模块相连；植物培养模块与主控模块相连；电源模块与联网服务器以及智能培育设备相连；

通信模块与植物生长趋势信息收发单元相连，通信模块与时间单元相连，通信模块与主控模块相连；主控模块与时间单元、光照补充单元、传感器单元和环境调节单元以及移动单元相连；提醒报警单元与通信模块和主控模块相连；感知单元与主控模块相连；

所述植物培育系统中各模块的功能如下：

智能控制终端的功能是经外部网络接口与智能培育设备进行数据和指令的交互；

智能控制终端中的智能数据处理单元的功能是从数据整合模块中提取标准数据、接收图像识别分析单元生成的生长趋势特征数据、整合以上数据与植物生长情况数据进行对比分析并生成植物调控数据指令以及接收移动控制命令动态修改植物调控数据指令；

智能控制终端中的图像识别分析单元的功能是接收处理植物生长趋势信息收发单元上传的植物图像、使用机器学习算法对图像进行分析提取并生成植物的生长趋势特征数据以及向智能数据处理单元传输生长趋势特征数据；

数据整合模块的功能是保存智能培育设备上传的生长情况数据以及智能控制终端生成的植物调控数据指令；

外部网络接口的功能是收发植物生长情况数据、移动控制命令以及植物调控数据指令；

移动控制终端的功能是接收植物生长情况数据、发送移动控制命令；

主控模块的功能是接收服务器向智能培育设备发送的数据指令，根据时间单元的时序，协调控制光照补充单元、移动单元以及环境调节单元的命令执行顺序和优先级，根据接受到的服务器数据指令和感知单元采集的植物所处环境相关信息，控制光照补充单元、移动单元和环境调节单元，每隔一段固定时间向通信模块发送一次指令执行状态和数据；主控模块的功能还包括触发提醒报警单元并传送报警类型数据给通信单元；

其中，一段固定时间根据用户需求通过输入主控模块命令进行调整；

通信模块的功能是接收主控模块发送的指令执行状态和数据，植物生长趋势信息收发单元发送的打包数据，传感器单元发送的提醒和报警数据，把上述接受到的数据打包经过互联网上传至联网服务器的外部网络接口；同时采集互联网上的用户设置的地区时间，校验智能培育设备的时间单元，若有错误进行时间修改；

植物培养模块的功能是向主控模块发送时序信息和各类传感器信息，执行主控模块发出的数据指令，同时向通信模块发送提醒和报警数据，生长趋势数据以及系统当时时间；

植物培养模块中的植物生长趋势信息收发单元的功能是拍摄植物生长状态照片，储存打包后发送至通信模块；光照补充单元的功能是根据主控模块发送的关于光照强度和生长状态信息的数据指令，调节LED阵列的光照强度和色温；传感器单元的功能是采集距离、光照强度、CO₂浓度、储水罐水位、温湿度、营养液剩余量和土壤湿度数据；移动单元的功能是根据主控模块的关于光照强度的数据指令通过移动和自转来调整植物受到光照的均匀程度和强弱程度；调节环境调节单元的功能是根据主控模块关于土壤湿度，生长状态信息以及环境湿度信息，对空气进行加湿处理，对植物进行水和营养液的注入；时间单元的功能主要是向通信模块发送时间数据，接受通信模块的时间校验和修改、记录存储当前时间以及当前植物培育系统的时序信息，并向主控模块发送时序控制指令；

植物培育系统的工作过程包括四种工作模式：智能托管单培育模式、智能托管多培育模式、手动控制单培育模式和手动控制多培育模式；

其中，智能托管单培育模式的工作过程包括如下步骤：

步骤1)将单个智能培育设备连入无线网络，将植物栽入此智能培育设备中；

步骤2)用户通过移动控制终端选择智能托管单培育模式并设置所培育植物的种类以及智能培育设备的可移动范围；

步骤3)传感器单元收集所培育的植物所处环境相关信息，即植物生长趋势收发单元收集所培育的植物生长趋势信息，时间单元获取当前时间；

其中，所处环境相关信息主要包括光照强度、空气湿度、空气温度、土壤湿度、空气二氧化碳浓度以及光照均匀程度；

步骤4)传感器单元将步骤3)收集的所处环境相关信息经主控模块打包为植物生长情况数据传入通信模块，通信模块再将接收的所处环境相关信息上传至联网服务器；

步骤5)联网服务器通过外部网络接口接收步骤4)上传的植物生长情况数据，将生长情况数据储存至数据整合模块并通过智能控制终端中的智能数据处理单元以及图像识别分析单元将植物生长情况数据进行处理、识别和分析，智能数据处理单元生成植物调控数据指令；

数据处理、识别和分析过程具体为：

图像识别分析单元接收处理植物生长趋势信息收发单元上传的植物图像，再使用机器学习算法对图像进行分析提取并生成植物的生长趋势特征数据并且向智能数据处理单元传输生长趋势特征数据；

其中，智能控制终端从数据整合模块中提取标准数据、接收图像识别分析单元生成的生长趋势特征数据、整合标准数据以及生长趋势特征数据与植物生长情况数据进行对比分析；

生成植物调控数据指令过程具体为：

智能控制终端通过对比分析生成植物调控数据指令，再将植物调控数据指令存储入数据整合模块，并通过外部网络接口传回智能培育设备；

其中，植物调控数据指令包括移动单元控制指令、光照补充单元指令和环境调节单元指令；

其中，当光照强度为较弱及以上、相对光照分布不均匀时，根据分析结果生成移动单元控制指令；

其中，当光照为弱且时间模块获取的时间为无光照时间，再结合分析生成光照补充指令；

其中，当水位为水箱容量大于25％、营养液水位为营养液罐容量大于25％时，根据分析结果生成环境调节单元指令；

步骤6)通信模块通过无线网络接收植物调控数据指令并回传至主控模块，主控模块接收植物调控数据指令并控制相关单元对植物所处环境相关信息进行调控；在步骤5)将数据回传至智能培育设备时，同时向移动控制终端进行数据上传；用户可通过移动控制终端观看植物的生长情况和数值分析。

控制相关单元植物所处环境相关信息进行调控具体如下：

其中，移动单元依照植物调控数据指令通过移动和自转来调整光照的均匀程度和强弱程度；

其中，光照补充单元依照植物调控数据指令进行补光操作，补充植物所需的特定频率光源；

其中，控制环境调节单元依照植物调控数据指令对空气湿度和土壤湿度进行相应补偿，并注入适量营养液和水，维持植物适宜生长的土壤环境；

其中，感知单元实时获取光照强度、空气湿度、空气温度、土壤湿度、土壤酸碱度、空气二氧化碳浓度、植物生长趋势、光照均匀程度为主的所处环境信息，等待调整结束进行数据上传；

其中，当主控模块判断出二氧化碳浓度过高、水箱水位过低、营养液罐液位过低以及与障碍物距离过近四种中的一种或多种，触发提醒报警单元并传送报警类型数据；

其中，提醒报警单元接收报警触发并显示报警类型。

智能托管多培育模式的工作过程包括如下步骤：

步骤a)将多个智能培育设备连入无线网络，将植物栽入各个智能培育设备中；

步骤b)用户通过移动控制终端选择智能托管多培育模式并设置所培育植物的种类以及智能培育设备的可移动范围；

步骤c)各个智能培育设备的传感器单元收集所培育的植物所处环境相关信息，植物生长趋势收发单元收集所培育的植物生长趋势信息，时间单元获取当前时间；

其中，所处环境相关信息主要包括光照强度、空气湿度、空气温度、土壤湿度、空气二氧化碳浓度、光照均匀程度；

步骤d)传感器单元将步骤c)收集的所处环境相关信息经主控模块打包为植物生长情况数据传入通信模块，通信模块再将接收的所处环境相关信息上传至联网服务器；

步骤e)联网服务器通过外部网络接口接收步骤d)上传的植物生长情况数据，将生长情况数据储存至数据整合模块并通过智能控制终端中的智能数据处理单元以及图像识别分析单元将植物生长情况数据进行处理、识别和分析，智能数据处理单元生成植物调控数据指令；

数据处理、识别和分析过程具体为：

其中，图像识别分析单元接收处理植物生长趋势信息收发单元上传的植物图像、使用机器学习算法对图像进行分析提取并生成植物的生长趋势特征数据并且向智能数据处理单元传输生长趋势特征数据；

其中，智能控制终端从数据整合模块中提取标准数据、接收图像识别分析单元生成的生长趋势特征数据、整合以上数据与植物生长情况数据进行对比分析并且通过大数据处理算法生成实际最优标准数据代替标准数据进行后续对比分析过程。

生成植物调控数据指令过程具体为：

智能控制终端通过对比分析生成植物调控数据指令、将植物调控数据指令通过外部网络接口传回智能培育设备，将生成的植物调控数据指令存储入数据整合模块；

其中，植物调控数据指令具体为移动单元控制指令、光照补充单元指令和环境调节单元指令

其中，当光照为弱及以下、且时间模块为无光照时间时，根据分析结果生成光照补充单元指令；

其中，当水位为水箱容量25％及以上、营养液水位为营养液罐容量25％及以上时，根据分析结果生成环境调节单元指令；

步骤f)通信模块通过无线网络接收植物调控数据指令并回传至主控模块，主控模块接收植物调控数据指令并控制相关单元对植物所处环境相关信息进行调控；在步骤e)将数据回传至智能培育设备时，同时向移动控制终端进行数据上传；用户可通过移动控制终端观看植物的生长情况和数值分析；

控制相关单元植物所处环境相关信息进行调控具体如下：

其中，控制环境调节单元依照植物调控数据指令对空气湿度和土壤湿度进行相应补偿，并适量注入营养液和水，维持植物适宜生长的土壤环境；

其中，感知单元实时获取光照强度、空气湿度、空气温度、土壤湿度、土壤酸碱度、空气二氧化碳浓度、植物生长趋势、光照均匀程度为主的所处环境相关信息，并将所处环境相关信息传输给主控模块；主控模块等待调整结束将数据上传至通信模块；

其中，当主控模块根据感知单元传输来的所处环境相关信息，判断出二氧化碳浓度过高、水箱水位过低、营养液罐液位过低以及与障碍物距离过近四种中的一种或多种，触发提醒报警单元并传送报警类型数据；

其中，提醒报警单元接收报警触发并报警,接收并显示报警类型。

手动控制单培育模式的工作模式包括如下步骤：

步骤A)将单个智能培育设备连入无线网络，将植物栽入此智能培育设备中；

步骤B)用户通过移动控制终端选择手动控制单培育模式并设置所培育植物的种类以及智能培育设备的可移动范围；

步骤C)传感器单元收集所培育的植物所处环境相关信息，植物生长趋势收发单元收集所培育的植物生长趋势信息，时间单元获取当前时间；

数据处理、识别和分析过程具体为：

其中，智能控制终端从数据整合模块中提取标准数据、接收图像识别分析单元生成的生长趋势特征数据、整合以上数据与植物生长情况数据进行对比分析；

生成植物调控数据指令过程具体为：

步骤F)将植物生长情况数据及植物调控数据指令向移动控制终端进行数据上传；用户可通过移动控制终端观看植物的生长情况报告及植物调控数据建议指令，用户可根据生长情况报告及植物调控数据建议指令通过移动控制终端手动修改植物调控数据指令，修改完成后移动控制终端将植物调控数据指令上传至服务器；

步骤G)联网服务器接收植物调控数据指令并储存至数据整合模块，同时转发至智能培育设备；

步骤H)通信模块通过无线网络接收植物调控数据指令并回传至主控模块，主控模块接收植物调控数据指令并控制相关单元对植物所处环境相关信息进行调控；控制相关单元植物所处环境相关信息进行调控具体如下：

其中，感知单元实时获取光照强度、空气湿度、空气温度、土壤湿度、土壤酸碱度、空气二氧化碳浓度、植物生长趋势、光照均匀程度为主的所处环境信息发送给主控模块，主控模块等待调整结束后将数据上传至通信模块；

其中，提醒报警单元接收报警触发并报警，接收并显示报警类型；

手动控制多培育模式的工作过程与在手动控制单培育模式的区别在于，步骤A)中是将多个智能培育设备连入无线网络，将植物栽入此智能培育设备中；后续步骤与手动控制单培育模式相同。

有益效果

本实用新型一种智能全托式分布植物培育系统，与现有智能花盆及植物培育系统相比，具有如下有益效果：

1.本系统首次加入植物生长趋势的图像分析功能，利用机器学习法分析可以更加智能，更加准确地对植物的生长状况进行调控，从而更加精准的提高植物的生长状态；

2.本实用新型操作简单，利用移动控制终端的一键式操作，使复杂的产品操作变得更加简化和便捷；

3.本实用新型同时提供人工控制和全托管式智能控制多种植物培育方法，人工控制模式下让用户可以在大数据的指导下亲自动手，体验培育植物的乐趣，或是对植物进行特殊的培育；

4.本实用新型在智能模式下让用户省去繁杂操作，只需简单的对系统进行液体补充和充电，就能收获一个生机勃勃的植物；

5.本实用新型可以利用互联网络对多个花盆进行智能分析，集中控制；

6.本实用新型所述系统通过分析长势较好的花卉数据来对长势不好的植物进行相应调整，使整个系统处于真正意义上的智能化全托管模式。

附图说明

图1是本实用新型一种智能全托式分布植物培育系统的总体结构示意图；

图2是本实用新型一种智能全托式分布植物培育系统的植物培育装置结构示意图；

图3是本实用新型一种智能全托式分布植物培育系统的数据传递示意图；

图4是本实用新型一种智能全托式分布植物培育系统的智能托管单培育模式的流程图；

图5是本实用新型一种智能全托式分布植物培育系统的手动控制单培育模式的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型所述的一种智能全托式植物培育系统进行详细说明。

实施例1

本实用新型一种智能全托式植物培育系统的系统组成如图1所示。

本实施例描述了应用本实用新型所述的一种智能全托式植物培育系统的具体实施。具体实施时，所述系统分为精简版系统和完整版系统，用户可以自主选择智能培育设备的数量和种类。

其中，完整版系统组成如图1和图2所示；智能全托式植物培育系统的每一个智能培育设备包括图2中的全部模块和单元，用户在智能终端能够自由切换工作模式，随时调整植物培育状态。

其中，完整版在具体实施时，感知单元中可选择增加尺寸传感器。

精简版系统中移除了植物培养模块内的移动单元、光照补充单元和环境调节单元，在感知单元中增加尺寸传感器，从而降低了系统使用及维护成本。

对于家居办公场景，对于明确只需手动控制的用户可选择精简版系统。

用户按照智能培育设备的尺寸和植物培育的大小要求，在其中栽培想要培育的植物，植物的最大尺寸不得超过设备大小的90％，否则尺寸传感器将过大尺寸信息传输给主控模块，主控模块经判断后，停止智能培育设备的工作，并向提醒报警单元发送报警信息。

用户需要确保该智能培育设备连接上电源，把各个智能培育设备摆放在适当的位置，并补充好储存罐内的水和营养液。该设备便可自动运行在智能托管单培育模式下。若需更改培育模式，可通过移动控制终端对特定的智能培育设备进行模式修改。

对于室内情况，智能培育设备会维持所培育的植物处在合适的生长环境内，让植物快速生长发育。若检测到的所处环境相关信息与室内环境差别大于50％的情况下，智能培育设备会提醒移动控制终端是否维持当前状态。若用户选择不维持，则会降低设备内的环境参数与室内环境参数的差值，以维持较低的功耗水平。

智能培育设备会在系统出现故障或需要补充水分或营养液时，自动向移动控制终端发送相应信息，提醒用户进行人工操作。

实施例2

本实施例描述了应用本实用新型所述的一种智能全托式植物培育系统在大规模作物栽培的具体实施。

用户可在大棚或其他封闭场合内，连排摆放该栽培设备并设定为智能托管多花卉模式。在设备启动后，用户通过移动控制终端在任何位置实时检测和查看作物情况，并在认为需要的时候进行人工调整。

浇灌，施肥等均由该设备自动完成，同时设备会通过对同批植株的生长趋势进行检测并横向对比，并以长势较好、综合健康指数较高的植物作为标准，在整体参数范围的基础上，对每一个植株自动进行适量微调，已达到所有作物都能达到当前状态下的最优生长状态。一般情况下，同批作物生长趋势差值在1％左右，从而能够保证作物生长和成熟的时间一致性，从而简化因植物生长趋势不同，无法确定收获时间的烦恼，提高作物的优良率。

以上所述为本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本实用新型所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本实用新型保护的范围。

Claims

1.一种分布式智能全托植物培育系统，其特征在于：包括智能控制终端、数据整合模块、外部网络接口、移动控制终端、主控模块、通信模块、植物培养模块以及电源模块；

数据整合模块主要包括服务数据库；

传感器单元包括提醒报警单元和感知单元；

移动单元主要包括步进电机、支撑转轴以及支撑轮；

所述植物培育系统中各模块的连接关系如下：

通信模块与植物生长趋势信息收发单元相连，通信模块与时间单元相连，通信模块与主控模块相连；主控模块与时间单元、光照补充单元、传感器单元和环境调节单元以及移动单元相连；提醒报警单元与通信模块和主控模块相连；感知单元与主控模块相连。

2.如权利要求1所述的一种分布式智能全托植物培育系统，其特征在于：感知单元主要包括土壤湿度检测传感器、距离传感器、CO₂浓度检测器、温湿度传感器、酸碱度传感器、光照强度阵列、水箱水位传感器以及营养液检测器。

3.如权利要求1所述的一种分布式智能全托植物培育系统，其特征在于：支撑轮的数量大于等于4个。

4.如权利要求1所述的一种分布式智能全托植物培育系统，其特征在于：智能控制终端的功能是经外部网络接口与智能培育设备进行数据和指令的交互；

植物培养模块中的植物生长趋势信息收发单元的功能是拍摄植物生长状态照片，储存打包后发送至通信模块；光照补充单元的功能是根据主控模块发送的关于光照强度和生长状态信息的数据指令，调节LED阵列的光照强度和色温；传感器单元的功能是采集距离、光照强度、CO₂浓度、储水罐水位、温湿度、营养液剩余量和土壤湿度数据；移动单元的功能是根据主控模块的关于光照强度的数据指令通过移动和自转来调整植物受到光照的均匀程度和强弱程度；调节环境调节单元的功能是根据主控模块关于土壤湿度，生长状态信息以及环境湿度信息，对空气进行加湿处理，对植物进行水和营养液的注入；时间单元的功能主要是向通信模块发送时间数据，接受通信模块的时间校验和修改、记录存储当前时间以及当前植物培育系统的时序信息，并向主控模块发送时序控制指令。