基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種溫室控制系統(tǒng)，涉及農(nóng)業(yè)機電領(lǐng)域?；瘜W(xué)方法調(diào)節(jié)蔬菜水果的生長，對人體健康的影響，還有待人類更多的研究和認(rèn)識。我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)集中度低，農(nóng)業(yè)科技的推廣嚴(yán)重受到成本的制約。在溫室內(nèi)建立懸掛索道，帶傳感器的主控制器吊掛在懸掛索道上，用牽引索拖動主控制器在溫室的水平面內(nèi)作掃描運動，實現(xiàn)溫室任意位置、準(zhǔn)確和有效數(shù)據(jù)采集，減少了生長控制系統(tǒng)的成本。基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室控制系統(tǒng)將植物栽培技術(shù)和嵌入式控制技術(shù)結(jié)合,預(yù)測剩余生長期的生長環(huán)境參數(shù)，執(zhí)行裝置運行控制命令，確保溫室的環(huán)境變量在需要的區(qū)間內(nèi)波動。同時，它降低工人的勞動強度、提高植物生長期控制精度和有助于實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的附加值最大化。
【專利說明】基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本實用新型公開了一種溫室控制系統(tǒng)，涉及農(nóng)業(yè)機電領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]物聯(lián)網(wǎng)是通過二維標(biāo)識碼識讀設(shè)備、射頻識別(RFID)裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)中所有的元素，所有的設(shè)備、資源及通信等，都是個性化和私有化的。其目的是實現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識別、管理和控制。
[0003]蔬菜、水果和花卉在現(xiàn)在人們?nèi)粘Ｉ钪惺潜夭豢缮俚奈锲?，隨著城市建設(shè)和人們生活質(zhì)量的逐步提高，蔬菜、水果和花卉需求的數(shù)量和品種逐步增多，質(zhì)量要求也逐漸提高，而且市場需求反季節(jié)條件下蔬菜、水果和花卉進(jìn)行產(chǎn)出，傳統(tǒng)栽培方式在這樣的社會需求下已無法滿足要求，我們需要更精確的對作物生長進(jìn)行控制，因此良好的溫室智能控制與管理系統(tǒng)對于蔬菜、水果和花卉來說是不可缺少的。我國蔬菜、水果和花卉種植面積是世界上最多的國家之一，種類豐富，有些是我國特有的品種，可以出口創(chuàng)匯創(chuàng)造很好的經(jīng)濟(jì)效益；蔬菜、水果和花卉是附加值較高的作物，更多的回報可以來自于智能控制和管理上的投入和建設(shè)。但是，目前我國花舟溫室自動化程度還很低，現(xiàn)代化溫室比例僅有2%，所以溫室自動控制和管理系統(tǒng)在設(shè)施園藝方面的應(yīng)用前景非常廣闊。
[0004]隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，溫室種植因其涉及學(xué)科廣、科技含量高、與人民生活關(guān)系密切，己越來越受到世界各國的重視。在溫室條件下，通過檢測控制植物生長的溫度、濕度、光照、水肥量等植物生長條件，從而定量控制植物生長，能有效提高農(nóng)產(chǎn)品的附加值。如定量控制花卉的生長期，能確保某一時間段的花期，避免因環(huán)境因素的改變而使花期提前或延后，使生產(chǎn)效益最大化。中國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)分散，集中度低，農(nóng)業(yè)科技的推廣嚴(yán)重受到成本的制約。
[0005]溫室系統(tǒng)是耦合性的不均勻的非線性的慣性系統(tǒng)，智能溫室其核心技術(shù)就是通過控制系統(tǒng)對溫室的環(huán)境變量進(jìn)行檢測和調(diào)節(jié)達(dá)到適宜作物生長環(huán)境的目的。溫室系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)，很難建立精確的模型來定量的研究，溫室內(nèi)部的小氣候是個復(fù)雜的能量和物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，環(huán)境變量種類多，不確定因素多，各變量之間進(jìn)行著能量傳遞和物質(zhì)交換。溫室系統(tǒng)是不均勻的系統(tǒng)，即便是小型的溫室也具有較大的面積，溫室內(nèi)部各個部分的環(huán)境變量分布是不均勻的，溫室內(nèi)部環(huán)境變量響應(yīng)外部調(diào)節(jié)的過程有一定的時滯。溫室系統(tǒng)環(huán)境變量具有耦合性，溫室系統(tǒng)包含了多個的環(huán)境變量其中一個變量改變，會影響其它變量發(fā)生相應(yīng)的變化，各變量之間相關(guān)的，各個變量的控制過程是彼此耦合在一起的。由上述的特點可知溫室系統(tǒng)是復(fù)雜大系統(tǒng)，其具有多個輸入量和輸出量，對溫室系統(tǒng)提出的控制要求又因不同的作物而又有所區(qū)別，因此建立精確的控制模型是高成本。實用新型內(nèi)容
[0006]本實用新型需要解決的技術(shù)問題在于:溫室系統(tǒng)是不均勻系統(tǒng)，為了數(shù)據(jù)足夠準(zhǔn)確有效，需要采集溫室多個點的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，增加采集點就增加硬件會增加系統(tǒng)成本。即使增加很多點，點狀分布傳感器也只能采集溫室內(nèi)設(shè)定傳感器的點的環(huán)境參數(shù)。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用的技術(shù)方案為:溫室環(huán)境參數(shù)變化較慢，間隔二十分鐘時間采集一次數(shù)據(jù)，也足夠滿足系統(tǒng)的精度要求，是可行的技術(shù)方案?；谖锫?lián)網(wǎng)的溫室控制系統(tǒng)包括主要控制器、輔助控制器、懸掛索道、牽引索、?？空?、執(zhí)行裝置、植物生長控制系統(tǒng)服務(wù)器和管理人員手機終端，主控制器包括單片機、空氣溫度傳感器、空氣濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、照度傳感器和無線網(wǎng)卡；輔助控制器包括單片機和步進(jìn)電機。
[0008]為了減少成本，在溫室內(nèi)用張緊的繩索建立懸掛索道，牽引索分為左右運動和前后運動，牽引索的左右運動和前后運動互相垂直，兩種運動合成的運動使主控制器達(dá)到溫室水平面任意一點采集數(shù)據(jù)。
[0009]輔助控制器(即運動控制子系統(tǒng))安裝在?？空?。輔助控制器控制步進(jìn)電機的運動參數(shù)和采集數(shù)據(jù)的時間間隔，步進(jìn)電機牽引牽引索，主控制器懸掛與懸掛索道上，牽引索帶動主控制器在溫室的水平面內(nèi)運動，控制器可以在溫室水平面內(nèi)任意位置停留下來采集數(shù)據(jù)，優(yōu)選的方案是在懸掛索道上作循環(huán)掃描運動。采集數(shù)據(jù)期間，主控制器靠充電電池提供電源。照度傳感器能調(diào)整方位角，采集不同方位角的光強。在?？空?，主控制器連接充電器自動充電，減少維護(hù)工作量。
[0010]主控制器通過無線路由器連接企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)，向管理人員手機終端發(fā)送檢測數(shù)據(jù)，特別是環(huán)境參數(shù)異常的警報信息，向植物生長控制系統(tǒng)服務(wù)器查詢最佳控制參數(shù)。主控制器根據(jù)作物已有的生長量，計算、分析和預(yù)測剩余生長期的生長環(huán)境參數(shù)，執(zhí)行裝置運行控制命令，確保溫室的環(huán)境變量在需要的區(qū)間內(nèi)波動。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室控制系統(tǒng)溫室平面圖。
[0012]圖2是基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室控制系統(tǒng)溫室立面圖。
[0013]圖3是基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室控制系統(tǒng)軟件流程圖。

【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。如圖1、圖2所示，基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室控制系統(tǒng)包括:溫室1、懸掛索道2、牽引索3、主控制器4、作物5、土壤6、?？空?、輔控制器8、調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)的執(zhí)行裝置9、植物生長控制系統(tǒng)服務(wù)器10和管理人員手機終端11，主控制器包括單片機、空氣溫度傳感器、空氣濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、照度傳感器和無線網(wǎng)卡；輔助控制器包括單片機和步進(jìn)電機。
[0015]在溫室I內(nèi)用張緊的繩索建立懸掛索道2，牽引索3分為左右運動和前后運動，牽引索3的左右運動和前后運動互相垂直，合成運動使主控制器5達(dá)到溫室I的水平面任意一點采集環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。
[0016]輔助控制器9 (即運動控制子系統(tǒng))安裝在?？空?。輔助控制器9控制步進(jìn)電機的運動運動參數(shù)和采集數(shù)據(jù)的時間間隔，步進(jìn)電機拖動牽引索3，主控制器4懸掛在懸掛索道2上，牽引索3帶動主控制器4在溫室I的水平面內(nèi)運動，主控制器4可以在溫室I水平面內(nèi)任意位置停留下來采集數(shù)據(jù)，優(yōu)選在懸掛索道2上作循環(huán)掃描運動。采集數(shù)據(jù)期間，主控制器4靠充電電池提供電源。照度傳感器能調(diào)整方位角，采集不同方位角的光強。在?？空?，主控制器4連接充電器自動充電，減少維護(hù)工作量。
[0017]主控制器4通過無線路由器連接企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)，向管理人員手機終端11發(fā)送檢測數(shù)據(jù)，特別是報警信息，向植物生長控制系統(tǒng)服務(wù)器10查詢最佳控制參數(shù)。主控制器4根據(jù)作物已有的生長量，計算、分析和預(yù)測剩余生長期的生長環(huán)境參數(shù)，調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)的執(zhí)行裝置9運行控制命令，確保溫室的環(huán)境變量在需要的區(qū)間內(nèi)波動。
[0018]系統(tǒng)硬件設(shè)計。控制系統(tǒng)包括主控制器、輔控制器，主控制器包括ARM處理器、存儲器、液晶顯示屏、無線網(wǎng)卡、GPRS模塊、攝像頭、檢測裝置和改變環(huán)境變量的執(zhí)行裝置，檢測裝置包括空氣溫度傳感器、空氣濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、照度傳感器，執(zhí)行裝置包括升溫設(shè)備、降溫設(shè)備、灌溉設(shè)備、噴霧設(shè)備、移動溫室覆蓋物電機和溫室通風(fēng)設(shè)備電機。主控制器優(yōu)選采用三星的S3C2440A處理器、TSL2561光強度傳感器、SHTl I溫濕度傳感器、TGS4160 二氧化碳傳感器。輔控制器由AT89C52單片機、電源驅(qū)動模塊和步進(jìn)電機組成，接受主控制器的指令，控制步進(jìn)電機的運動速度、停留、采集數(shù)據(jù)的時間間隔和協(xié)同主控制器采集數(shù)據(jù)。
[0019]系統(tǒng)硬件設(shè)計。軟件流程如圖3所示，系統(tǒng)初始化完畢，采集初始數(shù)據(jù)，等待采集時間窗口，輔控制器工作控制牽弓I索拖動主控制器運動，主控制器采集數(shù)據(jù)，主控制器采集完畢回到?？空?，如果參數(shù)正常查詢控制策略，執(zhí)行裝置工作改變環(huán)境參數(shù)。植物生長量包括某種植物光照量、積溫量、水肥量、二氧化碳濃度、休眠期、外加激素量等多種參數(shù)，它們在一個區(qū)間內(nèi)波動，植物生長量=已有的植物生長量+剩余植物生長量，由剩余植物生長量和計劃的產(chǎn)出時間，計算剩余時間段的生長環(huán)境參數(shù)。每種花卉、蔬菜和水果的生長量以實測經(jīng)驗數(shù)據(jù)為下次植物生長控制使用，實驗表明借用不同地域和環(huán)境溫室的數(shù)據(jù)，誤差較大。按計算出的剩余生長期的生長環(huán)境參數(shù)，執(zhí)行裝置執(zhí)行控制命令。在等待時間段，系統(tǒng)空閑時，控制器攝制作物生長視頻，在網(wǎng)絡(luò)上能看到溫室內(nèi)的情況，向意向消費者展示作物生長過程，異地實時向消費者展示溫室內(nèi)的花卉、蔬菜和水果商品，使交易看貨更加方便。如果參數(shù)失控，系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)或GPRS向管理者預(yù)警，直到管理者回復(fù)，控制器結(jié)束工作等待管理者維修。視頻保留了意外事故發(fā)生的過程，對改進(jìn)溫室及其種植技術(shù)有一定實際意義。
[0020]綜上所述，本實用新型具有下述的有益效果:
[0021]基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室控制系統(tǒng)的實驗系統(tǒng)用于某西紅柿無土栽培溫室，系統(tǒng)多次采集到該溫室空氣溫度平面分布圖、空氣濕度平面分布圖、照度平面分布圖和二氧化碳濃度平面分布圖，分析實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該溫室空氣溫度、空氣濕度、照度和二氧化碳濃度分布不均勻，改進(jìn)了溫室的結(jié)構(gòu)使該溫室的環(huán)境變量更加均勻，比原來的點狀分布傳感器的溫室控制系統(tǒng)提高了 9%生長控制精度。
[0022]基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室控制系統(tǒng)經(jīng)過溫室試驗驗證，效果良好，有效地降低工人的勞動強度，降低了農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，保證了溫室蔬菜的生產(chǎn)質(zhì)量，便于實現(xiàn)蔬菜溫室大規(guī)模生產(chǎn)和統(tǒng)一管理?；谖锫?lián)網(wǎng)植物生長控制系統(tǒng)人機界面良好、操作簡單方便、自動化程度高、穩(wěn)定可靠，測量精度高、使用簡單、采集范圍廣、擴展性好、提高了植物生長期控制精度等優(yōu)點，高效精確控制植物生長環(huán)境和生長期，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的附加值最大化。
[0023]基于物聯(lián)網(wǎng)植物生長控制系統(tǒng)實現(xiàn)了高性價比，有效地解決了控制精度與成本的矛盾，在降低成本的同時，提高控制系統(tǒng)的精度，適應(yīng)我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)分散集中度低，農(nóng)業(yè)科技的推廣嚴(yán)重受到成本的制約國情，在廣大農(nóng)村地區(qū)有著良好的應(yīng)用前景和推廣價值。
[0024]總之，本實用新型雖然列舉了上述優(yōu)選實施方式，但是應(yīng)該說明，雖然本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以進(jìn)行各種變化和改型，除非這樣的變化和改型偏離了本實用新型的范圍，否則都應(yīng)該包括在本實用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室控制系統(tǒng)包括懸掛索道、牽引索、主控制器、輔控制器、調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)的執(zhí)行裝置、停靠站、植物生長控制系統(tǒng)服務(wù)器和管理人員手機終端，主控制器包括單片機、空氣溫度傳感器、空氣濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、照度傳感器和無線網(wǎng)卡；輔助控制器包括單片機和步進(jìn)電機，其特征在于:主控制器懸掛在懸掛索道上，輔助控制器控制步進(jìn)電機，步進(jìn)電機連接牽引索，牽引索拖動主控制器在懸掛索道上作掃描運動。
2.按照權(quán)利要求1所述的基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室控制系統(tǒng)，其特征在于:主控制器在懸掛索道上的運動分為左右運動和前后運動，左右運動和前后運動互相垂直。
3.按照權(quán)利要求1所述的基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室控制系統(tǒng)，其特征在于:懸掛索道為拉緊的繩索。
4.按照權(quán)利要求1所述的基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室控制系統(tǒng)，其特征在于:主控制器通過無線路由器連接到企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)。
5.按照權(quán)利要求1所述的基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室控制系統(tǒng)，其特征在于:主控制器根據(jù)作物已有的生長量，預(yù)測剩余生長期的生長環(huán)境參數(shù)，執(zhí)行裝置運行控制命令，確保溫室的環(huán)境變量在需要的區(qū)間內(nèi)波動。
【文檔編號】G05B19/418GK204129504SQ201420424740
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月31日
【發(fā)明者】雷桂斌, 王淑青, 李燦蘋, 殷紅, 李永強 申請人:廣東海洋大學(xué)