TWI741540B - 植物、菇類栽培監測系統 - Google Patents

植物、菇類栽培監測系統 Download PDF

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Abstract

一種植物、菇類栽培監測系統，具有一Arduino微控制器並與至少一類比感測器電性連接，Arduino微控制器可擷取該類比感測器所測得之類比訊號，並透過Arduino微控制器將所接收到的類比訊號轉換為一數位訊號後輸出，而一樹莓派微控制器與至少一數位感測器及Arduino微控制器電性連接，使樹莓派微控制器可分別擷取該數位感測器所測得之數位訊號、以及經該Arduino微控制器轉換輸出的數位訊號，並將所擷取到的數位訊號透過網路發送出去，而一伺服器端用以接收樹莓派微控制器所發送的數位訊號，以可同時接收到數位感測器與類比感測器所測得之數據資訊。

Description

植物、菇類栽培監測系統
本發明與農業裁培監測系統有關，特別是指一種可收集各種感測器之感測數據，以利於後續統計分析之植物、菇類栽培監測系統。
近年來，因人類的過度開發與經濟需求造成環境汙染、溫室氣體的排放及資源耗竭等問題，這些人為因素促使地球暖化現象日趨嚴重，不僅造成大氣溫度上升，大氣層的氣流及雲層也可能受到影響，改變我們原本的氣候與環境。近年來世界各地陸續發生嚴重的極端氣候及環境變遷，造成持續乾旱、豪雨及氣溫懸殊落差等天然災害。
根據研究地球暖化會使土地沙化，及降雨量減少使得旱情加重，同時也加劇了淡水缺乏的危機，再加上全球人口持續成長，可使用的水資源耗損及汙染嚴重，也造成了食物汙染，使得人類產生了更多未知的病變影響健康。這些環境變遷、糧食危機及水資源問題早已成為國際間極重要的課題，造就目前農業新的概念發展，提倡可透過在室內大量生產經濟作物的植物工廠，以克服氣候變遷、環境汙染及資源耗損衝擊帶來的影響。
如中國公開第CN106597996號發明專利申請案，提供一種農業室內栽培用的監控調節系統，其主要利用多種感測器分別取得農作物栽培時的環境參數，並將所獲得的環境參數作為是否啟動風機、除濕機、照明設備或空調等機具的依據。然而，各機具僅能依據其本身所設定的環境參數予以個別的控制， 並不能綜合判斷所有環境參數來做為後續調整的依據，且亦無法將所測得的環境參數轉為數據資訊以供後續統計分析之用。
有鑒於此，故如何解決上述問題，即為本發明所欲解決之首要課題。
本發明之主要目的，在於提供一種植物、菇類栽培監測系統，其透過以樹莓派微控制器及Arduino微控制器所構成之低功率電容式讀取電路，具有可大幅降低其功率消耗之功效，並採用樹莓派微控制器將所收集到數據資訊傳送到伺服器端，具有程式能直接修改且可使用Python程式語言撰寫其程式碼，對於後續AI開發較為方便以利後續統計分析之功效。
為達前述之目的，本發明提供一種植物、菇類栽培監測系統，包含有：至少一Arduino微控制器，用以與至少一類比感測器電性連接，使該Arduino微控制器可擷取該類比感測器所測得之類比訊號，並透過該Arduino微控制器將所接收到的類比訊號轉換為一數位訊號後輸出；至少一樹莓派微控制器，分別與至少一數位感測器及該Arduino微控制器電性連接，使該樹莓派微控制器可分別擷取該數位感測器所測得之數位訊號、以及經該Arduino微控制器轉換輸出的數位訊號，該樹莓派微控制器具有一發送單元，而可將所有擷取到的數位訊號透過網路發送出去；一伺服器端，用以接收該樹莓派微控制器所發送的數位訊號，以可同時接收到該數位感測器與該類比感測器所測得之數據資訊。
較佳地，該Arduino微控制器用以與數個類比感測器電性連接，該各類比感測器為一土壤濕度感測器及一大氣壓力感測器。
較佳地，該樹莓派微控制器用以與數個數位感測器電性連接，該各數位感測器為一CO2數位感測器、一光照度數位感測器、一光敏電阻數位感測器，且該樹莓派微控制器更具有一USB接口，該樹莓派微控制器透過其USB接口與該Arduino微控制器電性連接，另具有一第二樹莓派微控制器以電性連接有一pm2.5數位感測器、一溫度數位感測器及一濕度數位感測器，且該第二樹莓派微控制器具有一第二發送單元，使該第二樹莓派微控制器可經由該第二發送單元而將擷取到的數位訊號透過網路發送出去。且更進一步地，係以一電源同時供應該樹莓派微控制器與該第二樹莓派微控制器所需的電力來源。
較佳地，該伺服器端由一電腦主機構成，且該伺服器端可將所接收的數據資訊，以Excel或DB格式將數據資料儲存於本機做為原始資料，並放入一人工智慧套件進行學習、訓練後，即可生成一栽培分析模組。
較佳地，更可包含有一輸出端，該輸出端由一電腦主機構成，該輸出端透過固定IP連線到該伺服器端，以可取得該伺服器端中的數據資訊，再以Excel或DB格式將數據資料儲存於本機做為原始資料，並放入一人工智慧套件進行學習、訓練後，即可生成一栽培分析模組。
而本發明之上述目的與優點，不難從下述所選用實施例之詳細說明與附圖中獲得深入了解。
11:Arduino微控制器
12:土壤濕度感測器
13:大氣壓力感測器
21:第一樹莓派微控制器
211:發送單元
212:USB接口
22:CO2數位感測器
23:光照度數位感測器
24:光敏電阻數位感測器
25:第二樹莓派微控制器
251:第二發送單元
26:pm2.5數位感測器
27:溫度數位感測器
28:相對濕度數位感測器
29:電源
31:伺服器端
41:輸出端
第1圖為本發明之系統架構示意圖。
第2圖為本發明資料分析處理之示意圖。
首先，請參閱第1、2圖所示，為本發明所提供一種植物、菇類栽培監測系統，其主要包含有：一Arduino微控制器11，用以與數個可供偵測栽培環境參數之類比感測器電性連接，使該Arduino微控制器11可擷取該各類比感測器所測得之類比訊號，並透過該Arduino微控制器11將所接收到的類比訊號轉換為一數位訊號後輸出。於本實施例中，該各類比感測器為一土壤濕度感測器12及一大氣壓力感測器13，並藉由模擬放大該土壤濕度感測器12所測得之類比訊號(模擬訊號電流放大到0到1000之間，數值愈大表示越乾，數值越小表示越濕)，讓該土壤濕度感測器12所測得的數值看得出變化，再透過該Arduino微控制器11本身預先編寫的程式碼設定，使該Arduino微控制器11可將模擬放大後的類比訊號轉換為一數位訊號後輸出。
一第一樹莓派(Raspberry Pi)微控制器21，分別與可供偵測栽培環境參數之一CO2數位感測器22、一光照度數位感測器23、一光敏電阻數位感測器24及該Arduino微控制器11電性連接，使該第一樹莓派微控制器21可分別擷取該各數位感測器所測得之數位訊號、以及經該Arduino微控制器11轉換輸出的數位訊號，該第一樹莓派微控制器21具有一發送單元211及一USB接口(Universal Serial Bus)212，該第一樹莓派微控制器21透過其USB接口212與該Arduino微控制器11電性連接，且經由該發送單元211而可將所有擷取到的數位訊號透過網路發送出去。於本實施例中，更進一步考慮到所需的數位感測器較多、以及供電與設備記憶體效能等因素，故另架設有一第二樹莓派微控制器25以電性連接有一pm2.5數位感測器26、一溫度數位感測器27及一相對濕度數位感測器28，且該第二樹莓派微控制器25具有一第二發送單元251，使該第二樹莓派微控制器25同樣可經由該第二發送單元251而將擷取到的數位訊號透過網路發送出去。而本發明透過採用樹莓派微控制器，供使用者可以透過Python撰寫程式來讀取該各數位感測器的 數位訊號，且以一電源29同時供應該第一樹莓派微控制器21與該第二樹莓派微控制器25所需的電力來源。
一伺服器端31，由一架設於遠端的服務伺服器或電腦主機所構成，並可透過網路接收該第一樹莓派微控制器21及該第二樹莓派微控制器25所發送的數位訊號，以可同時接收到各數位感測器與各類比感測器所測得之數據資訊，並儲存於該伺服器端31中，供使用者可經由連線至該伺服器端31取得所需的數據資訊，而有利於後續的分析統計之用。
且更進一步地，本發明所提供之植物、菇類栽培監測系統更包含有一輸出端41，該輸出端41由一電腦主機(包含智慧型行動裝置)所構成，該輸出端41透過固定IP(Static IP)連線到該伺服器端31，以可取得該伺服器端31中的數據資訊(包含經緯度座標、感測器名稱、感測器數值、時間資訊)，再以Excel或DB格式將數據資料儲存於本機做為原始資料(Raw Data)，放入一人工智慧套件進行學習、訓練後，即可將訓練好的模型儲存為Model，生成一栽培分析模組，而能即時預測、監控、發出通知提醒。且在實際使用上，可先透過人工製作成Excel圖表，觀看其折線圖的變化趨勢，再改為DB存取，藉由查看折線圖，瞭解不同感測器數據之間的關聯，並結合傳統種植經驗，瞭解作物特性，以利後續的數據分析。當然該輸出端41並非絕對必要，若該伺服器端31同樣由一電腦主機構成時，即可直接將該伺服器端31中的數據資訊(包含經緯度座標、感測器名稱、感測器數值、時間資訊)，以Excel或DB格式將數據資料儲存於本機做為原始資料(Raw Data)，並放入一人工智慧套件進行學習、訓練後，即同樣可將訓練好的模型儲存為Model，而生成為栽培分析模組，而同樣具有可即時預測、監控、發出通知提醒之功能。
接著以栽培菇類為例，說明本發明所提供之植物、菇類栽培監測系統所收集到的數據資訊。其中，該CO2數位感測器22所檢測到的CO2變化，比 對菇類收成量，決定菇寮的通風大小；該光敏電阻數位感測器24所測得的更新頻率越快，代表處於明亮狀態，可能為白天，或是有人進出菇寮；該光照度數位感測器23所測得之數值越大，代表亮度的大小，超出一定數值，表示有人在菇寮裡面開燈；利用pm2.5數位感測器26所測得之數值來分析翻包時間點及預測未來翻包時間點；藉由溫度數位感測器27、相對濕度數位感測器28及土壤濕度感測器12，搭配天氣預報，預測當天需要澆水多久、澆水幾次，並可發出澆水提示給農場主人。而這些數據資訊都將被收集並彙整於該伺服器端31，以可做為後續分析統計之大數據使用。
本發明透過建置並蒐集各種感測器(CO2、光照度、光敏電阻、土壤濕度、大氣壓力、pm2.5、溫度、相對濕度)所測得之數據資訊，並可將數據資訊透過該伺服器端31傳送到輸出端(即電腦主機)41儲存數據，以Excel或DB格式存放，再藉由人工智慧的技術進行菇類(或其他作物)分析模組的建置、訓練與大數據的分析，進而即可整合所有數據資訊，以即時預測並通知農場主人此時農場的相關情形，讓農場主人能更精確的決策種植策略，以達到精準栽培的目標。
再者，本發明以該第一樹莓派微控制器21、該第二樹莓派微控制器25及該Arduino微控制器11所構成之低功率電容式讀取電路，更可大幅降低其功率消耗，進一步解決傳統環境監測裝置需要經常性地更換電池的缺點，而實現出一低成本且能自我能量維持之植物、菇類栽培監測系統。此外，雖Arduino微控制器11能讀取數位訊號和類比訊號，但記憶體RAM相對較小，能安裝的感測器也較少，每修改一次程式就必須將程式重新編譯、重新上傳，且如果考量到後續要用於AI開發只能透過C語言進行處理，而較為不便，因此本發明採用樹莓派微控制器以將所收集到數據資訊傳送到該伺服器端31，藉由樹莓派微控制器的記憶體RAM較大，能安裝的感測器也較多，且程式能直接修改，加上可以使用Python程式語言撰寫其程式碼，而且Python程式語言對於後續AI開發也較為方 便，因而使本發明所提供之植物、菇類栽培系統在未來更具有較佳之擴充性與應用價值。
惟，以上實施例之揭示僅用以說明本發明，並非用以限制本發明，故舉凡數值之變更或等效元件之置換仍應隸屬本發明之範疇。
綜上所述，當可使熟知本項技藝者明瞭本發明確可達成前述目的，實已符合專利法之規定，故依法提出申請。
11:Arduino微控制器
12:土壤濕度感測器
13:大氣壓力感測器
21:第一樹莓派微控制器
211:發送單元
212:USB接口
22:CO2數位感測器
23:光照度數位感測器
24:光敏電阻數位感測器
25:第二樹莓派微控制器
251:第二發送單元
26:pm2.5數位感測器
27:溫度數位感測器
28:相對濕度數位感測器
29:電源
31:伺服器端
41:輸出端

Claims (5)

  1. 一種植物、菇類栽培監測系統，包含有：至少一Arduino微控制器，用以與至少一類比感測器電性連接，使該Arduino微控制器可擷取該類比感測器所測得之類比訊號，並透過該Arduino微控制器將所接收到的類比訊號轉換為一數位訊號後輸出，其中該類比感測器為一土壤濕度感測器，並藉由模擬放大該土壤濕度感測器所測得之類比訊號，模擬訊號電流放大到0到1000之間，再透過該Arduino微控制器本身預先編寫的程式碼設定，使該Arduino微控制器可將模擬放大後的類比訊號轉換為一數位訊號後輸出；至少一樹莓派微控制器，分別與至少一數位感測器及該Arduino微控制器電性連接，使該樹莓派微控制器可分別擷取該數位感測器所測得之數位訊號、以及經該Arduino微控制器轉換輸出的數位訊號，該樹莓派微控制器具有一發送單元，而可將所有擷取到的數位訊號透過網路發送出去；一伺服器端，用以接收該樹莓派微控制器所發送的數位訊號，以可同時接收到該數位感測器與該類比感測器所測得之數據資訊。
  2. 如請求項1所述之植物、菇類栽培監測系統，其中，該樹莓派微控制器用以與數個數位感測器電性連接，該各數位感測器為一CO2數位感測器、一光照度數位感測器、一光敏電阻數位感測器，且該樹莓派微控制器更具有一USB接口，該樹莓派微控制器透過其USB接口與該Arduino微控制器電性連接，另具有一第二 樹莓派微控制器以電性連接有一pm2.5數位感測器、一溫度數位感測器及一相對濕度數位感測器，且該第二樹莓派微控制器具有一第二發送單元，使該第二樹莓派微控制器可經由該第二發送單元而將擷取到的數位訊號透過網路發送至該伺服器端。
  3. 如請求項2所述之植物、菇類栽培監測系統，其中，係以一電源同時供應該樹莓派微控制器與該第二樹莓派微控制器所需的電力來源。
  4. 如請求項2所述之植物、菇類栽培監測系統，其中，該伺服器端由一電腦主機構成，且該伺服器端可將所接收的數據資訊，以Excel或DB格式將數據資料儲存於本機做為原始資料，並放入一人工智慧套件進行學習、訓練後，即可生成一栽培分析模組，而能即時預測、監控、發出通知提醒，其中該人工智慧套件以該CO2數位感測器所檢測到的CO2變化，比對作物收成量，決定通風量；該光敏電阻數位感測器所測得的更新頻率越快，代表處於明亮狀態；該光照度數位感測器所測得之數值越大，代表亮度的大小；該pm2.5數位感測器所測得之數值用來分析作物翻包時間點及預測未來翻包時間點；該溫度數位感測器、相對濕度數位感測器及土壤濕度感測器，搭配天氣預報，預測當天需要澆水多久、澆水幾次，並發出澆水提示。
  5. 如請求項2所述之植物、菇類栽培監測系統，其中，更包含有一輸出端，該輸出端由一電腦主機構成，該輸出端透過固定IP連線到該伺服器端，以可取得該伺服器端中的數據資訊，再以Excel或DB格式將數據資料儲存於本機做為原始資料，並放入一人工智慧套件進行學習、訓練後，即可生成一栽培分析模組，而能 即時預測、監控、發出通知提醒，其中該人工智慧套件以該CO2數位感測器所檢測到的CO2變化，比對作物收成量，決定通風量；該光敏電阻數位感測器所測得的更新頻率越快，代表處於明亮狀態；該光照度數位感測器所測得之數值越大，代表亮度的大小；該pm2.5數位感測器所測得之數值用來分析作物翻包時間點及預測未來翻包時間點；該溫度數位感測器、相對濕度數位感測器及土壤濕度感測器，搭配天氣預報，預測當天需要澆水多久、澆水幾次，並發出澆水提示。
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