CN210294899U - 一种基于农业节气的温室智能测控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于农业节气的温室智能测控系统，包括温室环境信息采集系统、数据远程传输模块、温室设备控制装置和服务器监控终端。其中温室环境信息采集系统选用ZigBee模块组成星形拓扑网络结构，该网络结构由协调器和若干终端节点组成，协调器将各个终端节点采集的数据处理后发送到温室现场上位机；数据远程传输模块选择局域网作为系统通信方案；温室设备控制装置以ARM嵌入式微处理器为核心，根据上位机操作指令控制温室设备的运作；服务器监控终端采用Web网页形式搭建的远程服务器监控终端。本实用新型借助物联网手段，能够满足日光温室科学化管理、精细化种植、网络远程监控的需要，为温室作物创造最适宜的生长环境。

Description

一种基于农业节气的温室智能测控系统

技术领域

本实用新型属于温室系统技术领域，涉及一种基于农业节气的温室智能测控系统。

背景技术

设施农业是在一个相对封闭的空间使用先进的科学技术种植作物，创造最适宜作物生长环境的一种现代农业方式，其具有产量高、品质好和周期可持续生产等特点。当种植技术从国外引进消化吸收后，日光温室作为我国设施农业中的主体，已发展成为农业种植中效益最高的产业，为解决我国北方地区冬季瓜果蔬菜的供应和提高城乡居民的生活水平等做出了巨大的贡献。

但是传统的日光温室设备控制主要依靠人工操作，不但费工、劳动强度大，而且对温室内的环境调控基本凭借种植人员的经验，生产环境条件不稳定、自动化程度低，难以做到科学化管理。与此同时，随着我国日光温室种植模式由最初的散点种植向规模化种植方向转变，提出了远程监测和控制的需求。因此种植人员迫切需要能够根据温室内作物的品种、日出时间的早晚和温室内的实时环境数据对温室设备进行动态化管理，最大效率地利用日光温室，以改善种植作物品质、调节生长周期和提高经济效益。

因此，针对现有技术的不足，本实用新型提出一种基于农业节气的温室智能测控系统，种植人员通过台式电脑、笔记本电脑或平板电脑等智能移动终端随时随地查看温室内实时采集的环境数据，以监测温度、湿度、土壤含水量、二氧化碳浓度和光照度等信息的变化情况，并进行数据分析处理，或者远程控制现场温室设备，以进行环境的调节。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于农业节气的温室智能测控系统，保证温室内的环境处于最适宜作物生长的条件，实现科学化管理、精细化种植和网络远程监控，帮助提高生产效率、节约人工成本。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种基于农业节气的温室智能测控系统，包括：温室环境信息采集系统、数据远程传输模块、温室设备控制装置、温室现场上位机和服务器监控终端；

所述温室环境信息采集系统选用ZigBee模块组成星形拓扑网络结构(即ZigBee形状网络拓扑结构)，所述星形拓扑网络结构由协调器和若干终端节点组成；每个所述终端节点上连接有空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器和光照强度传感器；所述协调器用于将各个终端节点采集的监测数据通过所述数据远程传输模块发送到所述温室现场上位机和服务器监控终端；

所述数据远程传输模块选择局域网作为系统通信方式；

所述服务器监控终端包括Web服务器、数据库服务器和温室远程服务器；所述Web服务器用于显示监测数据；所述数据库服务器用于存储监测数据；所述温室远程服务器通过以太网接入所述局域网，用于向温室设备控制装置发送温室设备控制指令；

所述温室设备控制装置以温室现场上位机中的ARM嵌入式微处理器为核心，接收所述温室远程服务器发送的温室设备控制指令，并与现场设备控制器PLC进行通信，接收现场设备控制器PLC发送的温室设备状态信息，并向现场设备控制器PLC发送所述温室设备控制指令。

在上述方案的基础上，所述局域网是通过ZigBee节点组成的局域网。

在上述方案的基础上，所述温室现场上位机通过Wi-Fi接入无线路由器在温室现场组成的无线局域网，然后无线路由器再接入所述局域网。

在上述方案的基础上，所述温室设备控制装置通过以太网网关和 Wi-Fi与温室远程服务器进行通信。

在上述方案的基础上，所述温室设备控制装置控制的温室设备包括卷帘机、通风机、植物生长灯和喷灌设备。

在上述方案的基础上，所述温室环境信息采集系统选用美国TI 公司生产的基于CC2530片上系统的ZigBee模块组成星形拓扑网络结构。

在上述方案的基础上，所述监测数据包括温室内的温度、湿度、土壤的温度和湿度、二氧化碳浓度和光照度等环境数据，以及温室外温度、湿度、二氧化碳浓度、光照度等环境数据。

在上述方案的基础上，所述服务器监控终端为采用Web网页形式搭建的远程服务器监控终端，用于实时查看温室内部环境信息、采集数据曲线回放、数据存储、历史数据查询以及手动控制模式下对温室设备的远程控制。

本实用新型的有益技术效果如下：

本实用新型提供一种基于农业节气的温室智能测控系统，所述温室智能测控系统借助物联网手段，以实现满足日光温室科学化管理、精细化种植、网络远程监控的需要，为温室作物创造最适宜的生长环境。实现科学化管理、精细化种植和网络远程监控，帮助提高生产效率、节约人工成本。

附图说明

本发明有如下附图：

图1是本实用新型一个实施例中温室环境信息采集系统的结构示意图；

图2是本实用新型一个实施例中数据远程传输模块对应的通信方案设计图；

图3是本实用新型一个实施例中温室设备控制装置结构示意图；

图4是本实用新型一个实施例中温室设备控制装置工作流程图；

图5是本实用新型一个实施例中服务器监控终端功能框图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

附图1是温室环境信息采集系统的结构示意图，本实施例在长 80m，宽8m，高3.4m的温室大棚等间距、等高度地布设适量的空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器和光照强度传感器，利用传感器和ZigBee网络组成无线传感器网络，对温室环境数据进行自动采集、分析和处理。

本实施例选用美国TI公司生产的基于CC2530片上系统的 ZigBee模块组成星形拓扑网络结构，该网络结构由协调器和终端节点组成，每个终端节点上连接有空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器和光强照度传感器，实时采集温室内的温度、湿度、土壤的温度和湿度、二氧化碳浓度和光照度等环境数据，温室外的一个环境数据采集终端节点实时采集温室外温度、湿度、二氧化碳浓度、光照度等环境数据，然后将每个环境数据采集终端节点上的传感器数据通过I/O口传输到ZigBee终端节点，ZigBee终端节点将处理好的数据通过ZigBee无线网络发送至ZigBee协调器，协调器将四个环境数据采集终端节点发送来的数据处理后传输至温室现场上位机和服务器监控终端。

考虑到环境数据采集终端节点应用于田间地头，布线困难，工作环境恶劣，断电状态时有发生，所以整个终端节点需要考虑电源管理模块设计，设计温室环境信息采集系统节点ZigBee终端节点采用两节普通5号干电池供电，传感器采用12V供电。

附图2是数据远程传输模块对应的通信方案设计图，考虑到实际的温室智能测控系统运行在一个小范围的温室环境下，要求网络的实时性好、响应速度快、可靠性高。根据局域网和GPRS的技术特点，选择局域网为系统通信方案。温室远程服务器通过以太网接入局域网，温室现场上位机通过Wi-Fi接入无线路由器在温室现场组成的无线局域网，然后无线路由器再接入温室产业园区局域网。

采集到的数据传输到Web服务器和数据库服务器，同时台式电脑、笔记本电脑、平板电脑和PDA等终端设备经以太网交换机接入局域网，可供种植人员查看温室环境信息。

其中实施例中温室现场的路由器选择TP-LINK TL-WDR5800，该无线路由器集成11AC双频技术，通过外置3根2.4GHz和1根 5GHz高增益单频天线，提供2.4GHz和5GHz两个频段，相互独立，互不干扰，支持接入更多移动终端。其中2.4GHz频段无线传输速率可高达450Mbps，在连接手机、Pad等移动终端的传输上有显著优势。选用高通双芯片无线解决方案，传输标准支持IEEE 802.11n， IEEE 802.11g，IEEE 802.11b，IEEE 802.11.ac，IEEE802.11.a，IEEE 802.3，IEEE 802.3u等，有效增强了无线收发，运行更加稳定，性能更加强劲。采用铝合金一体成型机身，创新阳极氧化处理，能够很好地适应温室现场工作环境恶劣的要求。

附图3是温室设备控制装置结构示意图，所述温室设备控制装置的核心硬件是上位机ARM嵌入式微处理器，它能够全天候不间断运行，高性能、低功耗、安全可靠。该上位机具有的功能是通过网关模块和Wi-Fi模块与温室远程服务器进行通信，将温室环境信息采集系统传输来的温室内外实时环境数据进行处理，然后中转传输到温室远程服务器，接收温室远程服务器发送的温室设备操作指令；与现场设备控制器PLC通过PC/PPI电缆线连接并进行通信，发送控制指令和接收控制器发送的温室设备状态信息。现场设备控制器PLC与温室设备构成了温室现场测控系统的执行机构，执行现场控制箱开关按钮的操作指令和上位机发送的控制指令，并将限位开关状态信息发送给上位机。所述限位开关用于控制量的设定，例如卷帘机的卷起程度，通风机的开启时长等。

在本实施例中的执行机构包括：卷帘机、通风机、植物生长灯和喷灌设备。卷帘机的型号为LN-150，采用380V供电的三相交流异步电机，中卷长度<100m，功率1.5kW，扭矩800N·m，皮带式传动，自带减速箱。卷帘机采用接触器联锁正反转控制线路的方法对三相交流异步电机进行控制；通风机使用薄膜覆盖的方式，在温室上、下方分别留有通风换气口，称之为上通风机和下通风机，通风机的通风口用薄膜覆盖，温室内需要通风时，转动卷杆将覆盖在温室上的薄膜卷起。通风机选用的是凯力特

通风机，型号ERU-A2，直流24V供电，卷膜长度80m，功率60W，最大输出扭矩60N·m，输出轴转速3.6 r/min，带有防结露系统设计，保证了线路板的安全；植物生长灯可以促进作物光合作用，让作物在没有阳光的情况下，依然能进行光合作用，延长光合作用时间，达到促进作物生长的目的。植物生长灯选用的是

照明大棚植物补光灯，工作电压220V，功率80W，高度20cm，直径37.5cm，具有与阳光光谱高度吻合的波长，能够全面促进植物的光合作用；喷灌设备由两台抽水泵和布设在温室内的喷头组成，抽水泵是绿一370W水泵，型号WQD5-5-0.37，功率370W，扬程5m，流量5m³/h，重7.7KG，流量连续均匀，振动小，噪音低，没水时可以自动停机。

附图4是温室设备控制装置的工作流程图，控制模式分为自动控制模式和手动控制模式。控制模式的判断以装置启动后5min内是否有现场操作人员手动操作作为判断的依据，若5min内无手动操作，则进入自动控制模式，反之，则进入手动控制模式。进入手动控制模式后，读取环境数据采集器采集的温室内外实时环境数据，显示在温室控制现场智能测控系统温室大棚信息区(信息区指的是传感器采集范围内的环境数据，设计过程中传感器的采集范围覆盖了整个温室大棚)，同时监听温室大棚操作区终端手动操作是否有按钮被按下，即监听是否有手动控制指令，如果有手动控制指令输入，则进入判断循环，首先判断是否为卷帘机操作指令，若是，则进入卷帘机控制子程序，执行卷帘机卷起、放下、急停、复位操作，待卷帘机控制子程序运行结束后，进入判断是否为通风机操作指令；若否，则直接进入判断是否为通风机操作指令。然后判断是否为通风机操作指令，若是，则进入通风机控制子程序，执行上通风机、下通风机通风口薄膜的卷起、放下、急停、复位操作，待通风机控制子程序运行结束后，进入判断是否为植物生长灯操作指令；若否，则直接进入判断是否为植物生长灯操作指令。其次判断是否为植物生长灯操作指令，若是，则进入植物生长灯控制子程序，执行植物生长灯的打开、关闭、定时操作，待植物生长灯控制子程序运行结束后，进入判断是否为喷灌设备操作指令；若否，则直接进入判断是否为喷灌设施操作指令。最后判断是否为喷灌设备操作指令，若是，则进入喷灌设备控制子程序，执行喷灌设备1、喷灌设备2的打开、关闭、定时操作，待喷灌设备控制子程序运行结束后，进入判断有无退出操作；若否，则直接进入判断有无退出操作。如有退出操作，则终止装置运作，若无，则进入控制模式选择程序进行循环。如果5mim内无手动操作进入自动控制模式后，读取环境数据采集器采集的温室内外实时环境数据，显示在温室控制现场智能测控系统温室大棚信息区，控制策略算法子程序按照温室内实时环境数据与设定值进行对比形成对温室设备的控制指令，进入温室设备操作判断循环，完成指令后返回控制模式的判断。

附图5是服务器监控终端的功能框图，采用Web网页形式搭建远程服务器软件建立了农业节气专家知识库，方便远程用户多平台使用。温室远程服务器需要实现的功能有：远程用户身份的识别，此部分通过登录用户信息进行权限的区分。对于管理员用户，可实时查看温室内的环境数据，并且能够曲线回放、数据存储、历史数据查询；手动控制模式下远程控制温室设备的动作。并能实时查看温室内部环境信息、采集数据曲线回放、数据存储、历史数据查询以及手动控制模式下对温室设备的远程控制。

其中实时数据能够查看最近一小时内的温度、湿度、土壤含水量、二氧化碳浓度和光照度变化曲线，历史数据能够实现最近一天(24 hours)、最近一周(7days)、最近一个月(30days)、最近三个月(90 days)数据的查询，并能绘制出历史数据曲线，方便用户查询。

建立的农业节气专家知识库一方面将温室内作物的生长时期与农业节气对应，预判温室设备的控制动作，然后根据采集的实时环境参数对预估的控制参数进行调整，把农业节气更替带来的空气温湿度变化特点充分的发挥出来；另一方面，作物在生长周期内，依据农业节气对作物种植的参考作用把温室内种植作物的生长环境尽量调控到与农业节气对应的环境条件下，形成科学化种植。

以上实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，而非对其限制。上述方式中未涉及的技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。

本实用新型的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无任何遗漏或将本实用新型限于所公开的形式。许多修改对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。

本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种基于农业节气的温室智能测控系统，其特征在于：包括温室环境信息采集系统、数据远程传输模块、温室设备控制装置、温室现场上位机和服务器监控终端；

所述温室环境信息采集系统选用ZigBee模块组成星形拓扑网络结构，所述星形拓扑网络结构由协调器和若干终端节点组成；每个所述终端节点上连接有空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器和光照强度传感器；所述协调器用于将各个终端节点采集的监测数据通过所述数据远程传输模块发送到所述温室现场上位机和服务器监控终端；

所述数据远程传输模块选择局域网作为系统通信方式；

所述服务器监控终端包括Web服务器、数据库服务器和温室远程服务器；所述Web服务器用于显示监测数据；所述数据库服务器用于存储监测数据；所述温室远程服务器通过以太网接入所述局域网，用于向温室设备控制装置发送温室设备控制指令；

所述温室设备控制装置以温室现场上位机中的ARM嵌入式微处理器为核心，接收所述温室远程服务器发送的温室设备控制指令，并与现场设备控制器PLC进行通信，接收现场设备控制器PLC发送的温室设备状态信息，并向现场设备控制器PLC发送所述温室设备控制指令。

2.如权利要求1所述的基于农业节气的温室智能测控系统，其特征在于：所述局域网是通过ZigBee节点组成的局域网。

3.如权利要求1所述的基于农业节气的温室智能测控系统，其特征在于：所述温室现场上位机通过Wi-Fi接入无线路由器在温室现场组成的无线局域网，然后无线路由器再接入所述局域网。

4.如权利要求1所述的基于农业节气的温室智能测控系统，其特征在于：所述温室设备控制装置通过以太网网关和Wi-Fi与温室远程服务器进行通信。

5.如权利要求1所述的基于农业节气的温室智能测控系统，其特征在于：所述温室设备控制装置控制的温室设备包括卷帘机、通风机、植物生长灯和喷灌设备。

6.如权利要求1所述的基于农业节气的温室智能测控系统，其特征在于：所述温室环境信息采集系统选用美国TI公司生产的基于CC2530片上系统的ZigBee模块组成星形拓扑网络结构。

7.如权利要求1所述的基于农业节气的温室智能测控系统，其特征在于：所述监测数据包括温室内的温度、湿度、土壤的温度和湿度、二氧化碳浓度和光照度，以及温室外温度、湿度、二氧化碳浓度、光照度。

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