CN218270885U - 一种林下中药材智慧种植物联网系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于林下种植中药材技术领域，具体为一种林下中药材智慧种植物联网系统，其包括：林下种植监测器、传输模块、监控模块、环境采集模块、土壤采集模块、执行模块和电源模块，林下种植监测，用于执行负责系统整体的协调；传输模块与所述林下种植监测器连接，用于执行通过大功率无线模块完成和林下种植监测器的通信；监控模块与所述传输模块连接，用于执行通过户外红外摄像机，分别对三个不同方向定时拍照；通过物联网技术在林下中药材种植领域的实施，监测林区种植环境、管控肥力、土壤湿度，并合理有效解决偷盗、啃咬问题，解决林下中药材种植领域存在的现有问题，提高种植效率、增产效益和药材品质。

Description

一种林下中药材智慧种植物联网系统

技术领域

本实用新型涉及林下种植中药材技术领域，具体为一种林下中药材智慧种植物联网系统。

背景技术

近年来，为了发展传统中药材的种植，加剧了中药材种植和耕地、农田之间的矛盾，很多农户占用种植用地、甚至是耕地，加剧了土地沙化，并进一步加剧了中药材的价格居高不下。

2003年首次提出“林下经济”的概念，伴随着中药材的需求量逐年猛增，林下种植喜阴中药材成了缓解种植土地问题的一个有效解决办法。目前已知多达300多种药材品种可以进行林下栽种。林下种植中药材，可以加快林业经济循环，提高传统林业的附加值，符合可持续发展的新型林业发展模式。

但是，目前的林下中药材种植面临几个问题，第一，完全利用林区自有条件种植中药材，属于开放式散养种植模式，一旦土壤、环境发生变化，不利于中药材种植，则会导致产能下降甚至是绝收，严重影响到林下中药材种植的经济效益。第二，部分种植户为提高中药材产能，会在林地施肥，而施肥量完全是凭经验进行，致使肥效过大，一方面富集营养长期存在于土壤中，造成土壤肥力失衡，破坏了原有的林区生态平衡。同时，大量的重金属会进入中药材中，严重影响到了中药材的品质，使后期进入收购环节后检验不合格。第三，散养模式下的林区中药材养殖，面临着野生动物的啃咬风险和成熟期人为偷盗的风险，人工防盗效率低，被啃被盗的风险极大，从而造成减产减收。

实用新型内容

本部分的目的在于概述本实用新型的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和实用新型名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和实用新型名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本实用新型的范围。

鉴于上述和/或现有林下种植中药材中存在的问题，提出了本实用新型。

因此，本实用新型的目的是提供一种林下中药材智慧种植物联网系统，通过物联网技术在林下中药材种植领域的实施，监测林区种植环境、管控肥力、土壤湿度，并合理有效解决偷盗、啃咬问题，解决林下中药材种植领域存在的现有问题，提高种植效率、增产效益和药材品质。

为解决上述技术问题，根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供了如下技术方案：

一种林下中药材智慧种植物联网系统，其包括：

林下种植监测器，用于执行负责系统整体的协调；

传输模块，与所述林下种植监测器连接，用于执行通过大功率无线模块完成和林下种植监测器的通信；

监控模块，与所述传输模块连接，用于执行通过户外红外摄像机，分别对三个不同方向定时拍照；

环境采集模块，与所述林下种植监测器连接，用于执行定点采集监控点附近的环境信息；

土壤采集模块，与所述林下种植监测器连接，用于执行定点采集监控点位置的土壤相关信息；

执行模块，与所述林下种植监测器连接，用于执行发光驱离和高频噪音驱离；

电源模块，与所述传输模块连接，用于执行负责系统整体供电管理。

作为本实用新型所述的一种林下中药材智慧种植物联网系统的一种优选方案，其中：所述传输模块连接有云平台。

作为本实用新型所述的一种林下中药材智慧种植物联网系统的一种优选方案，其中：所述环境采集模块包括空气温湿度传感器、日照传感器、光合有效辐射传感器、二氧化碳传感器和风速传感器。

作为本实用新型所述的一种林下中药材智慧种植物联网系统的一种优选方案，其中：所述土壤采集模块包括土壤板结传感器、土壤氮磷钾传感器、土壤温湿度传感器、土壤PH值传感器和土壤电导率传感器。

作为本实用新型所述的一种林下中药材智慧种植物联网系统的一种优选方案，其中：所述执行模块包括声光报警和喷淋水泵控制。

作为本实用新型所述的一种林下中药材智慧种植物联网系统的一种优选方案，其中：所述电源模块连接有太阳能电池板和市电及备用电源。

与现有技术相比：本实用新型通过物联网技术在林下中药材种植领域的实施，监测林区种植环境、管控肥力、土壤湿度，并合理有效解决偷盗、啃咬问题，解决林下中药材种植领域存在的现有问题，提高种植效率、增产效益和药材品质。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施方式的技术方案，下面将结合附图和详细实施方式对本实用新型进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本实用新型林下中药材智慧种植物联网系统结构示意图；

图2为本实用新型林下种植监测器结构示意图；

图3为本实用新型土壤板结测量传感器结构示意图；

图4为本实用新型系统供电结构示意图。

图中：林下种植监测器100、传输模块200、监控模块300、环境采集模块400、土壤采集模块500、执行模块600、电源模块700。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施方式的限制。

其次，本实用新型结合示意图进行详细描述，在详述本实用新型实施方式时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的实施方式作进一步地详细描述。

本实用新型提供一种林下中药材智慧种植物联网系统，通过物联网技术在林下中药材种植领域的实施，监测林区种植环境、管控肥力、土壤湿度，并合理有效解决偷盗、啃咬问题，解决林下中药材种植领域存在的现有问题，提高种植效率、增产效益和药材品，请参阅图1-图4，包括：林下种植监测器100、传输模块200、监控模块300、环境采集模块400、土壤采集模块500、执行模块600和电源模块700。

林下种植监测器100负责系统整体的协调，传输模块200、环境采集模块400、土壤采集模块500、执行模块600均连接到林下种植监测器100上。

传输模块200通过大功率无线模块完成和林下种植监测器100的通信，通过以太网完成和监控模块300的通信，并通过以太网将数据上传到云平台，完成人机交互和远程控制。

监控模块300为户外红外摄像机，户外红外摄像机含有三个摄像头，分别对三个不同方向定时拍照，并将拍照结果通过传输模块上传到云平台。

云平台上开发的图像识别软件自动识别是否有动物或者非法人员闯入种植区。如有非法闯入，将结果通过传输模块200反馈到林下种植监测器，用于声光报警。

环境采集模块400用于定点采集监控点附近的环境信息，所连接的传感器包括空气温湿度传感器、日照传感器、光合有效辐射传感器、CO2传感器和风速传感器。

土壤采集模块500用于定点采集监控点位置的土壤相关信息，所连接的传感器包括土壤板结传感器、土壤氮磷钾传感器、土壤温湿度传感器、土壤PH值传感器、土壤电导率传感器。

采用多路电阻应变片方式耦合实现的土壤硬度的测量。

执行模块600包括声光报警和喷淋水泵控制。当监控模块300监测到有人或动物非法闯入种植区后通过声光报警进行闯入报警，对于人的闯入报警通过语音警告及头像抓拍，对于动物的闯入报警包括发光驱离和高频噪音驱离。喷淋水泵控制用于在监测到林下土壤水分过低时自动喷淋浇灌。

林下种植监测器100通过485自动收发控制器完成各类传感器的数据采集，通过喷淋水泵控制器完成喷淋水泵控制，通过声光报警控制器完成发现野生动物、偷盗人时的声光驱赶，通过433M大功率数传电台完成数据到以太网网关的上报汇总。

传输模块200为多功能网关，通过以太网接入互联网，完成和云平台的数据交互。户外红外摄像机拍摄的种植区图片定时通过以太网送入通信模块，由通信模块负责送入云平台，再由平台上的图像识别软件完成对图片中的人物识别和动物类型识别。

通信模块中的433M无线收发模块完成和林下种植监测器的通信，收集由环境采集模块和土壤采集模块采集的环境参数和土壤参数，并上传到云平台，同时可以接收由云平台上下达的控制指令。

监控模块300为户外红外摄像机，含有三颗800万像素摄像头，分别位于户外红外摄像机的正前方和两个侧面，实现三个方位的拍摄。户外红外摄像机含有红外自动补光功能，当光线暗的情况下自动开启红外补光提高拍摄图片清晰度。

户外红外摄像机的拍摄时间间隔可以在云平台上设置，默认情况下是10秒拍摄一次。拍摄的三个方向的图片通过传输模块200上传到云平台，云平台中有图片分析软件，分析软件识别到图片中出现人时会存储图片，并截取人脸图片存储。分析软件识别到动物个体后会识别动物类别，并存储图片。同时，将识别结果通过互联网下达到传输模块200，传输模块200再通过433M无线传输模块传送给林下种植监测器。当识别到有人员非法闯入种植区时，林下种植监测器100通过声光报警启动语音报警，对闯入人员语音警告驱离。当识别到有动物非法闯入种植区时，林下种植监测器发射特定动物所敏感的高频信号使闯入动物驱离。

远程系统管理软件会自动记录闯入动物的相关信息，包括闯入时间段、动物类型和个体大小信息，便于分析林区动物的动物保护、动物生态信息、动物习性相关信息，便于林区野生动物的保护。

环境采集模块400负责采集种植区所属林区的小气候，设计采集林区的空气温湿度、日照时长相关信息、光合作用有效辐射相关信息、林区CO2排放相关信息以及风力相关信息。为便于后期增删传感器，所有环境相关传感器全部选用485接口标准传感器，同时在林下种植监测器100内设计有自主收发485控制器，所有环境相关传感器的识别全部通过环境相关传感器的内部ID地址完成。在使用前，需要配置好所有环境相关传感器的ID地址，并测试完成后再接入系统使用。

现有所选的环境相关传感器包括空气温湿度传感器、日照传感器、光合有效辐射传感器、CO2传感器和风速传感器。

空气温湿度传感器用于实时采集环境温度和湿度信息，采用百叶箱结构，便于野外安装。温度的采集范围为-30℃-80℃，湿度的采集范围为0-100％RH。温湿度传感器采用24VDC供电，数据接口为485接口，直接接入林下种植监测器内部的自主收发485控制器上。不同的中草药在不同生长阶段对环境温湿度的需求是不一样的，实时监测、及时干预对中草药的种植非常重要。

日照传感器用于连续监测种植区范围内的每天的光照信息，包括当日日照时长、周日照时长、月日照时长、总日照时间及实时的光照度。考虑到林下种植的中药材大多为喜阴植物，对日照的需求不是很强烈，甚至不需要日照。在日照较为强烈时，需要对其进行人为干预，搭建遮阳棚。

为此，在对日照传感器的部署上，在监测节点上安装两个日照传感器，一个日照传感器位于检测节点的顶端，要求高度高于林区树木的最高高度，或在林区空旷地。另一个日照传感器部署于林区树冠下层，用于监测日照透过树冠照射到林下的日照相关信息。

光合有效辐射传感器用于探测绿色植物进行光合作用过程中能够被光和色素吸收并转化的太阳辐射能量。不同林下中草药在不同生长阶段对所需要的光照强度和时长不同，想达到好的种植效果，需要根据中草药的生长规律调节光照强度和时长。合理调控光合有效辐射，实时监测、及时干预对中草药的种植非常重要。

CO2传感器用于探测种植区CO2浓度，采用24VDC供电，485通信接口，直接接入林下种植监测器内部的自主收发485控制器上。

风速传感器用于探测种植区的风力信息，安装在环境采集节点的顶端，采集的信息包括风速、风级、风向、风向角度。种植区风速传感器对于连续监测林区生态环节有重要作用。风速传感器采用24VDC供电，485通信接口，直接接入林下种植监测器内部的自主收发485控制器上。

土壤采集模块500用于监测林下种植区的土壤相关信息，包括土壤氮磷钾含量、土壤温湿度情况、土壤PH值、土壤电导率以及土壤板结情况。土壤相关参数的变化对于林下种植中药材至关重要，在中药材不同的生长阶段对土壤的需求是不一样的。在土壤相关参数不理想的情况下，人为干预土壤参数，对于中药材的生长以及品质的保障非常重要。有的中药材的根系是纵向生长的，所以对于土壤的监测会面临多层监测的情况。也就是说，不同于环境监测，所有所选的传感器的安装位置、类型以及数量是明确的，而与之对应的土壤传感器则不同，所需要的传感器的安装位置、类型以及数量则是根据所种植的中药材类型的不同而有所区别。所以，对于土壤监测，要求可以任意配置传感器。

在土壤采集模块500中，所有传感器均选用485数据通信接口，采用24VDC供电，采用4线航空头设计，包括VCC、GND、A、B四根线，航空头全部选用防水防爆结构设计。所有传感器通过航空头接入林下种植监测器内部的自主收发485控制器上。在现阶段设计中，选用的传感器包括土壤板结传感器、土壤氮磷钾传感器、土壤温湿度传感器、土壤PH值传感器和土壤电导率传感器。

土壤板结传感器用于测量种植区监测节点位置土壤的板结情况，现有土壤板结传感器均为离线测量，手持式，测量时将测量仪插入土壤，数显显示当前土壤硬度(板结程度)，测量结束后需要将测量仪从土壤中抽出。

如图3所示的在线土壤板结测量传感器，不锈钢圆桶外壳1和不锈钢底座9组成了在线板结测量传感器的外观结构。2为电路板区域，连接电阻式应变片6和电阻式应变片7，同时通过连接线12和外界485通信，也通过连接线12从外界取点。3为承压圆片，通过螺丝固定在不锈钢圆桶外壳1内，起到内部承压的目的。不锈钢圆座4跟承压圆片3通过螺丝固定在一起，起到承压缓冲作用。5为中空不锈钢插件，一端通过螺丝固定在不锈钢圆座4上，另一端穿透不锈钢底座9，同时通过焊接连接不锈钢锥形头8。在不锈钢底座9的两侧分别部署有安装螺纹10和安装螺纹11。在中空不锈钢插件5的内部通过胶水固定有两片电阻应变片6和7。

需要测量土壤板结度时，将需要测量位置依照不锈钢底座9上的安装螺纹10和安装螺纹11的位置小范围浇灌水泥，同时确定插入圆心位置。将在线土壤板结测量传感器插入圆心位置，同时通过螺丝将在线土壤板结测量传感器通过螺丝固定在浇灌水泥中。伴随土壤板结程度的不同，土壤对钟控不锈钢插件5产生不同的挤压作用，不锈钢插件5中的电阻应变片6和电阻应变片7由于紧贴不锈钢插件5，导致电阻应变片6和电阻应变片7也会跟随产生应变反应。电路板区域2采集应变转换为电压，后转换为土壤硬度值(Kg/cm2)，并通过连接线12传送给上层电路结构。

采用在线土壤板结测量传感器，解决现有土壤硬度计不能在线测量的缺陷，有利于大面积监测和实时监测系统。

土壤氮磷钾传感器实时采样土壤氮、磷、钾含量，采用24VDC供电，485总线数据接口，通过航空头接入林下种植监测器内部的自主收发485控制器上。现有种植阶段属于开放式施肥，在中草药的几个阶段根据经验施肥，肥力是否够、是否多无法探测，导致的后果是很多重金属残留在土壤中，甚至进入中药材中，使土壤的土质变差，中药材中残留重金属超标。所以在种植过程中，如何根据土壤中氮磷钾的实际含量合理地根据中草药的需求动态施肥对保养土壤及保障中药材配置至关重要。

温湿度传感器实时采样测量节点处的土壤温度及土壤湿度，采样节点选择在种植区的几个有典型性的位置，采用24VDC供电，485总线数据接口，通过航空头接入林下种植监测器内部的自主收发485控制器上。不同种植的中药材在不同的生长阶段对土壤的温湿度需求是不一样的，通过实时监测土壤温湿度含量，根据不同中药材在不同阶段的需求通过喷淋以及大棚控制合适的土壤温湿度对优化种植中草药的种植模型至关重要。

土壤PH值传感器实时采集测量节点处的土壤PH值，采用24VDC供电，485总线数据接口，通过航空头接入林下种植监测器内部的自主收发485控制器上。不同种植的中草药对土壤PH值的需求是不一样的，长期的施肥以及气候环境的影响会对土壤PH值产生影响，甚至是酸、碱性的变化。由此，实时监测土壤PH值，在土壤PH值出现变化不再适合相对应的中草药种植时及时干预对保障中草药的品质至关重要。

土壤电导率传感器实时采集测量节点处的土壤电导率，采用24VDC供电，485总线数据接口，通过航空头接入林下种植监测器内部的自主收发485控制器上。土壤中的施肥是通过电解质的形式被种植作物吸收，由此实时监测土壤的电导率从而判断实际能被作物吸收的营养成分含量至关重要。同时，综合土壤参数、环境参数、作物种类以及施肥类别，通过大数据可以分析出土壤种植中草药养分利用率模型。

喷淋水泵控制是在土壤湿度过度，低于系统中设定的种植中草药时最低土壤湿度时，通过电磁阀启动喷淋。喷淋水泵控制和林下种植监测器之间通过485通信，连接线采用4芯防水防爆航空头，2线为485线，2线为24VDC电源线。喷淋采用间歇喷淋模式，每次喷淋持续10秒，间隔50秒，主要目的是确保喷淋水能渗透土层，使土壤温湿度传感器能实测到土壤湿度后再决定喷淋量，保证不出现漫灌而导致中草药根系腐烂的情况。

市电及备用电源模块负责系统整体供电管理，其中，户外红外摄像机、喷淋水阀控制、433M大功率数传电台、各类传感器需要24VDC供电，林下种植监测器、声光报警器需要5VDC供电。

见图4，系统主供电电源为太阳能电池板，正常工作情况下，太阳能电池板给系统供电，同时给备用蓄电池充电。当因天气原因太阳能电池板供电能力不足的情况下，启动外部电源，220V转24VDC模块工作对系统供电。

极端情况下，外部电源确实，太阳能电池板供电也不足的情况下，启用备用蓄电池对系统供电。供电自动切换电路为三电源自动切换电路，切换输出的24VDC一方面直接对需要24VDC供电的模块通过24V转24V隔离模块供电，隔离的目的是防止外接电磁干扰信号串扰入系统。另一方面通过24V转5V隔离模块输出5VDC给需要5VDC供电的模块供电。

声光报警主要目的是驱离非法闯入种植区的人或动物。当有人员非法闯入时驱动大功率LED灯红光报警，同时语音播报驱离，且在远程系统中视频抓拍截图存档。

当有动物闯入种植区时，声光报警模块中的大功率LED灯会发红光报警，同时驱动大功率高频超声波，驱离动物。声光报警部分与林下种植监测器之间通过485通信，通信接口采用4芯防水防爆航空接头，2线为485信号，2线为24VDC电源线给声光报警模块供电。

虽然在上文中已经参考实施方式对本实用新型进行了描述，然而在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本实用新型所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本实用新型并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (6)

1.一种林下中药材智慧种植物联网系统，其特征在于，包括：

林下种植监测器(100)，用于执行负责系统整体的协调；

传输模块(200)，与所述林下种植监测器(100)连接，用于执行通过大功率无线模块完成和林下种植监测器的通信；

监控模块(300)，与所述传输模块(200)连接，用于执行通过户外红外摄像机，分别对三个不同方向定时拍照；

环境采集模块(400)，与所述林下种植监测器(100)连接，用于执行定点采集监控点附近的环境信息；

土壤采集模块(500)，与所述林下种植监测器(100)连接，用于执行定点采集监控点位置的土壤相关信息；

执行模块(600)，与所述林下种植监测器(100)连接，用于执行发光驱离和高频噪音驱离；

电源模块(700)，与所述传输模块(200)连接，用于执行负责系统整体供电管理。

2.根据权利要求1所述的一种林下中药材智慧种植物联网系统，其特征在于，所述传输模块(200)连接有云平台。

3.根据权利要求1所述的一种林下中药材智慧种植物联网系统，其特征在于，所述环境采集模块(400)包括空气温湿度传感器、日照传感器、光合有效辐射传感器、二氧化碳传感器和风速传感器。

4.根据权利要求1所述的一种林下中药材智慧种植物联网系统，其特征在于，所述土壤采集模块(500)包括土壤板结传感器、土壤氮磷钾传感器、土壤温湿度传感器、土壤PH值传感器和土壤电导率传感器。

5.根据权利要求1所述的一种林下中药材智慧种植物联网系统，其特征在于，所述执行模块(600)包括声光报警和喷淋水泵控制。

6.根据权利要求1所述的一种林下中药材智慧种植物联网系统，其特征在于，所述电源模块(700)连接有太阳能电池板和市电及备用电源。

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