基于物聯網的溫室控制系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種溫室控制系統，涉及農業機電領域。化學方法調節蔬菜水果的生長，對人體健康的影響，還有待人類更多的研究和認識。我國農業產業集中度低，農業科技的推廣嚴重受到成本的制約。在溫室內建立懸掛索道，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作掃描運動，實現溫室任意位置、準確和有效數據采集，減少了生長控制系統的成本。基于物聯網的溫室控制系統將植物栽培技術和嵌入式控制技術結合,預測剩余生長期的生長環境參數，執行裝置運行控制命令，確保溫室的環境變量在需要的區間內波動。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農產品的附加值最大化。
【專利說明】基于物聯網的溫室控制系統

【技術領域】
[0001]本發明公開了一種溫室控制系統，涉及農業機電領域。

【背景技術】
[0002]物聯網是通過二維標識碼識讀設備、射頻識別(RFID)裝置、紅外感應器、全球定位系統和激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，物聯網中所有的元素，所有的設備、資源及通信等，都是個性化和私有化的。其目的是實現物與物、物與人，所有的物品與網絡的連接，方便識別、管理和控制。
[0003]蔬菜、水果和花卉在現在人們日常生活中是必不可少的物品，隨著城市建設和人們生活質量的逐步提高，蔬菜、水果和花卉需求的數量和品種逐步增多，質量要求也逐漸提高，而且市場需求反季節條件下蔬菜、水果和花卉進行產出，傳統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行控制，因此良好的溫室智能控制與管理系統對于蔬菜、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，可以出口創匯創造很好的經濟效益；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。但是，目前我國花舟溫室自動化程度還很低，現代化溫室比例僅有2%，所以溫室自動控制和管理系統在設施園藝方面的應用前景非常廣闊。
[0004]隨著農業現代化的發展，溫室種植因其涉及學科廣、科技含量高、與人民生活關系密切，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，能有效提高農產品的附加值。如定量控制花卉的生長期，能確保某一時間段的花期，避免因環境因素的改變而使花期提前或延后，使生產效益最大化。中國農業產業分散，集中度低，農業科技的推廣嚴重受到成本的制約。
[0005]溫室系統是耦合性的不均勻的非線性的慣性系統，智能溫室其核心技術就是通過控制系統對溫室的環境變量進行檢測和調節達到適宜作物生長環境的目的。溫室系統是非線性系統，很難建立精確的模型來定量的研究，溫室內部的小氣候是個復雜的能量和物質轉化系統，環境變量種類多，不確定因素多，各變量之間進行著能量傳遞和物質交換。溫室系統是不均勻的系統，即便是小型的溫室也具有較大的面積，溫室內部各個部分的環境變量分布是不均勻的，溫室內部環境變量響應外部調節的過程有一定的時滯。溫室系統環境變量具有耦合性，溫室系統包含了多個的環境變量其中一個變量改變，會影響其它變量發生相應的變化，各變量之間相關的，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是復雜大系統，其具有多個輸入量和輸出量，對溫室系統提出的控制要求又因不同的作物而又有所區別，因此建立精確的控制模型是高成本。


【發明內容】

[0006]本發明需要解決的技術問題在于:溫室系統是不均勻系統，為了數據足夠準確有效，需要采集溫室多個點的環境參數數據，增加采集點就增加硬件會增加系統成本。即使增加很多點，點狀分布傳感器也只能采集溫室內設定傳感器的點的環境參數。
[0007]為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為:溫室環境參數變化較慢，間隔二十分鐘時間采集一次數據，也足夠滿足系統的精度要求，是可行的技術方案。基于物聯網的溫室控制系統包括主要控制器、輔助控制器、懸掛索道、牽引索、停靠站、執行裝置、植物生長控制系統服務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卡；輔助控制器包括單片機和步進電機。
[0008]為了減少成本，在溫室內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到溫室水平面任意一點采集數據。
[0009]輔助控制器(即運動控制子系統)安裝在停靠站。輔助控制器控制步進電機的運動參數和采集數據的時間間隔，步進電機牽引牽引索，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運動，控制器可以在溫室水平面內任意位置停留下來采集數據，優選的方案是在懸掛索道上作循環掃描運動。采集數據期間，主控制器靠充電電池提供電源。照度傳感器能調整方位角，采集不同方位角的光強。在停靠站，主控制器連接充電器自動充電，減少維護工作量。
[0010]主控制器通過無線路由器連接企業內部網，向管理人員手機終端發送檢測數據，特別是環境參數異常的警報信息，向植物生長控制系統服務器查詢最佳控制參數。主控制器根據作物已有的生長量，計算、分析和預測剩余生長期的生長環境參數，執行裝置運行控制命令，確保溫室的環境變量在需要的區間內波動。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是基于物聯網的溫室控制系統溫室平面圖。
[0012]圖2是基于物聯網的溫室控制系統溫室立面圖。
[0013]圖3是基于物聯網的溫室控制系統軟件流程圖。

【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細的描述。如圖1、圖2所示，基于物聯網的溫室控制系統包括:溫室1、懸掛索道2、牽引索3、主控制器4、作物5、土壤6、停靠站7、輔控制器8、調節環境參數的執行裝置9、植物生長控制系統服務器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卡；輔助控制器包括單片機和步進電機。
[0015]在溫室I內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達到溫室I的水平面任意一點采集環境參數數據。
[0016]輔助控制器9 (即運動控制子系統)安裝在停靠站7。輔助控制器9控制步進電機的運動運動參數和采集數據的時間間隔，步進電機拖動牽引索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的水平面內運動，主控制器4可以在溫室I水平面內任意位置停留下來采集數據，優選在懸掛索道2上作循環掃描運動。采集數據期間，主控制器4靠充電電池提供電源。照度傳感器能調整方位角，采集不同方位角的光強。在停靠站7，主控制器4連接充電器自動充電，減少維護工作量。
[0017]主控制器4通過無線路由器連接企業內部網，向管理人員手機終端11發送檢測數據，特別是報警信息，向植物生長控制系統服務器10查詢最佳控制參數。主控制器4根據作物已有的生長量，計算、分析和預測剩余生長期的生長環境參數，調節環境參數的執行裝置9運行控制命令，確保溫室的環境變量在需要的區間內波動。
[0018]系統硬件設計。控制系統包括主控制器、輔控制器，主控制器包括ARM處理器、存儲器、液晶顯示屏、無線網卡、GPRS模塊、攝像頭、檢測裝置和改變環境變量的執行裝置，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，執行裝置包括升溫設備、降溫設備、灌溉設備、噴霧設備、移動溫室覆蓋物電機和溫室通風設備電機。主控制器優選采用三星的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、電源驅動模塊和步進電機組成，接受主控制器的指令，控制步進電機的運動速度、停留、采集數據的時間間隔和協同主控制器采集數據。
[0019]系統硬件設計。軟件流程如圖3所示，系統初始化完畢，采集初始數據，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，主控制器采集數據，主控制器采集完畢回到停靠站，如果參數正常查詢控制策略，執行裝置工作改變環境參數。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，它們在一個區間內波動，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出時間，計算剩余時間段的生長環境參數。每種花卉、蔬菜和水果的生長量以實測經驗數據為下次植物生長控制使用，實驗表明借用不同地域和環境溫室的數據，誤差較大。按計算出的剩余生長期的生長環境參數，執行裝置執行控制命令。在等待時間段，系統空閑時，控制器攝制作物生長視頻，在網絡上能看到溫室內的情況，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的花卉、蔬菜和水果商品，使交易看貨更加方便。如果參數失控，系統通過無線網絡或GPRS向管理者預警，直到管理者回復，控制器結束工作等待管理者維修。視頻保留了意外事故發生的過程，對改進溫室及其種植技術有一定實際意義。
[0020]綜上所述，本發明具有下述的有益效果:
基于物聯網的溫室控制系統的實驗系統用于某西紅柿無土栽培溫室，系統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，分析實驗數據，發現該溫室空氣溫度、空氣濕度、照度和二氧化碳濃度分布不均勻，改進了溫室的結構使該溫室的環境變量更加均勻，比原來的點狀分布傳感器的溫室控制系統提高了 9%生長控制精度。
[0021]基于物聯網的溫室控制系統經過溫室試驗驗證，效果良好，有效地降低工人的勞動強度，降低了農產品的生產成本，保證了溫室蔬菜的生產質量，便于實現蔬菜溫室大規模生產和統一管理。基于物聯網植物生長控制系統人機界面良好、操作簡單方便、自動化程度高、穩定可靠，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點，高效精確控制植物生長環境和生長期，實現農產品的附加值最大化。
[0022]基于物聯網植物生長控制系統實現了高性價比，有效地解決了控制精度與成本的矛盾，在降低成本的同時，提高控制系統的精度，適應我國農業產業分散集中度低，農業科技的推廣嚴重受到成本的制約國情，在廣大農村地區有著良好的應用前景和推廣價值。
[0023]總之，本發明雖然列舉了上述優選實施方式，但是應該說明，雖然本領域的技術人員可以進行各種變化和改型，除非這樣的變化和改型偏離了本發明的范圍，否則都應該包括在本發明的保護范圍內。
【權利要求】
1.基于物聯網的溫室控制系統包括懸掛索道、牽引索、主控制器、輔控制器、調節環境參數的執行裝置、停靠站、植物生長控制系統服務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卡；輔助控制器包括單片機和步進電機，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電機，步進電機連接牽引索，牽引索拖動主控制器在懸掛索道上作掃描運動。
2.按照權利要求1所述的基于物聯網的溫室控制系統，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.按照權利要求1所述的基于物聯網的溫室控制系統，其特征在于:懸掛索道為拉緊的繩索。
4.按照權利要求1所述的基于物聯網的溫室控制系統，其特征在于:主控制器通過無線路由器連接到企業內部網。
5.按照權利要求1所述的基于物聯網的溫室控制系統，其特征在于:主控制器根據作物已有的生長量，預測剩余生長期的生長環境參數，執行裝置運行控制命令，確保溫室的環境變量在需要的區間內波動。
【文檔編號】G05B19/418GK104199393SQ201410369033
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月31日 優先權日:2014年7月31日
【發明者】雷桂斌, 王淑青, 李燦蘋, 殷紅, 李永強 申請人:廣東海洋大學