一种基于农业节气的温室智能测控系统.pdf

19 中华人民共和国国家知识产权局 12 实用新型专利 10 授权公告号 45 授权公告日 21 申请号 201920732745 5 22 申请日 2019 05 21 73 专利权人中国农业大学地址 100193 北京市海淀区圆明园西路2号 72 发明人郑永军彭要奇李鑫星曹兴伟张通徐雨舟 74 专利代理机构北京卫平智业专利代理事务所普通合伙 1 1392 代理人张新利杨亚静 51 Int Cl G05D 23 20 2006 01 54 实用新型名称一种基于农业节气的温室智能测控系统 57 摘要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权利要求书1页说明书5页附图4页 CN 210294899 U 2020 04 10 CN 210294899 U 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权利要求书 1 1 页 2 CN 210294899 U 一种基于农业节气的温室智能测控系统技术领域 0001 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 0002 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 0003 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 0004 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 0005 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 0006 为实现上述目的本实用新型采用以下技术方案 0007 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 0008 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 0009 所述数据远程传输模块选择局域网作为系统通信方式 0010 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说明书 1 5 页 3 CN 210294899 U 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 0011 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 0012 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 0013 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 0014 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 0015 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 0016 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 0017 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 0018 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 0019 本实用新型的有益技术效果如下 0020 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 0021 本发明有如下附图 0022 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 0023 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 0024 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 0025 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 0026 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 0027 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 0028 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说明书 2 5 页 4 CN 210294899 U 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 0029 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 0030 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 0031 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 0032 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 0033 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 IEEE 802 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 0034 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 0035 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 扭矩说明书 3 5 页 5 CN 210294899 U 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 4V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 QD5 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 0036 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 0037 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说明书 4 5 页 6 CN 210294899 U 0038 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 0039 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 0040 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 0041 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 0042 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说明书 5 5 页 7 CN 210294899 U 图1 图2 说明书附图 1 4 页 8 CN 210294899 U 图3 说明书附图 2 4 页 9 CN 210294899 U 图4 说明书附图 3 4 页 10 CN 210294899 U 图5 说明书附图 4 4 页 11 CN 210294899 U