农业养殖环境监测控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种农业养殖环境监测控制系统，其技术特点是：包括监控服务器、嵌入式中继器、环境采集终端和环境控制器，所述的嵌入式中继器、环境采集终端、环境控制器安装在各个养殖大棚内，嵌入式中继器与环境采集终端和环境控制器通过无线通讯方式相连接，监控服务器通过有线或无线方式与分布在各个养殖大棚内的嵌入式中继器相连接，通过环境采集终端采集现场环境，通过环境控制器对现场环境进行控制。本发明通过对养殖环境下温度、湿度、光照、氨气浓度等环境数据的采集、传输、存储、分析及自动化控制，实现对养殖大棚环境的全自动控制功能，大幅提升养殖业的管理水平，同时可以节省大量的人力，增加产出，节约生产成本，提升生产效率。
【专利说明】农业养殖环境监测控制系统
【技术领域】
[0001]本发明属于自动化监测控制【技术领域】，尤其是一种农业养殖环境监测控制系统。
【背景技术】
[0002]目前，我国的养殖业管理还处于比较低级的发展水平，尤其表现在对养殖环境的监控管理上。一是对养殖环境数据的采集量小，可信度不高。通常只采集温度、湿度信息，同时采集仪器简单粗糙，精度有限。这种简单粗放的数据采集环节无法保证做出科学合理的管理决策，同时也保证不了养殖动物的健康快速生长。二是对养殖环境的控制没有科学的决策依据和理论支撑。养殖过程中对动物生存环境的控制完全依赖养殖人员的个人经验，没有系统的大量数据提供依据，也没有科学的养殖理论的支撑，导致现在的养殖业管理水平得不到提升。正是由于现有的养殖管理水平低下，从而在疫病防治，动物生长控制上容易发生问题和隐患，严重制约了我国现代养殖业的发展。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种系统化、科学化、智能化及自动化水平高的农业养殖环境监测控制系统。
[0004]本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的:
[0005]一种农业养殖环境监测控制系统，包括监控服务器、嵌入式中继器、环境采集终端和环境控制器，所述的嵌入式中继器、环境采集终端、环境控制器安装在各个养殖大棚内，嵌入式中继器与环境采集终端和环境控制器通过无线通讯方式相连接，监控服务器通过有线或无线方式与分布在各个养殖大棚内的嵌入式中继器相连接，通过环境采集终端采集现场环境，通过环境控制器对现场环境进行控制。
[0006]而且，所述的监控服务器与嵌入式中继器采用RS232、RS485、USB、Ethernet、3G/4G、Wif1、RF或ZigBee方式进行通讯。
[0007]而且，所述的环境采集终端包括环境采集CPU、电源模块、显示装置、氨气传感器、温湿度传感器、光照传感器、掉电数据存储器以及RF通讯模块，所述的环境采集CPU分别与显示装置、氨气传感器、温湿度传感器、光照传感器、掉电数据存储器以及RF通讯模块相连接，电源模块输出12V/5V/3.3V为各个模块供电。
[0008]而且，所述的环境采集CPU采用PIC18F45J10芯片并通过GP1接口连接锁存器并与显示装置相连接，环境采集CPU采用单总线方式与温湿度传感器相连接，环境采集CPU通过I2C连接光照传感器和掉电数据存储器，环境采集CPU通过ADC接口与氨气传感器相连接，环境采集CPU通过SPI接口与RF通讯模块相连接。
[0009]而且，所述的显示装置包括4个高亮LED灯和4位8段码LED显示。
[0010]而且，所述嵌入式中继器包括中继器CPU、电源模块、以太网模块、USB模块、RS485模块、3G/WIFI/RF模块、人机交互模块、数据存储模块、RTC模块、掉电数据存储器、低压检测模块和RF通讯模块，中继器CPU分别与以太网模块、USB模块、RS485模块、3G/WIFI/RF模块、人机交互模块、数据存储模块、RTC模块、掉电数据存储器、低压检测模块和RF通讯模块相连接，电源模块输出12V/5V/3.3V为各个模块供电。
[0011]而且，所述的中继器CPU采用STM32F107芯片并通过I/O接口与以太网模块、USB模块、RS485模块相连接，中继器CPU分别通过SPI接口与3G/WIFI/RF模块、数据存储器和RF通讯模块相连接，中继器CPU通过GPIS接口与人机交互模块相连接，中继器CPU通过I2C接口与RTC模块及掉电数据存储器相连接，中继器CPU通过ADC接口低压检测模块相连接。
[0012]而且，所述的环境控制器包括控制器CPU、电源模块、显示装置、固态继电器、晶闸管、继电器、掉电数据存储器、RF通讯模块，控制器CPU分别与显示装置、固态继电器、晶闸管、继电器、掉电数据存储器、RF通讯模块相连接，电源模块输出12V/5V/3.3V为各个模块供电。
[0013]而且，所述的控制器CPU采用PIC18F45J10芯片并通过GP1接口连接锁存器并与显示装置相连接，控制器CPU通过GP1接口连接保护电路并与该固态继电器、晶闸管、继电器相连接，控制器CPU通过I2C连接掉电数据存储器，控制器CPU通过SPI接口与RF通讯模块相连接。
[0014]而且，所述的显示装置包括4个高亮LED灯和4位8段码LED显示。
[0015]本发明的优点和积极效果是:
[0016]1、本发明从采集、传输、分析和控制四个环节着手，建立了一个系统化、智能化、科学化、自动化的现代养殖业控制系统，通过对养殖环境下温度、湿度、光照、氨气浓度等环境数据的采集、传输、存储、分析及自动化控制，实现对养殖大棚环境的全自动控制功能，真正达到科学化养殖目标，让养殖动物在预期的环境下生长，可广泛用于养殖业。
[0017]2、本发明采用模块化设计，具有功能模块划分清晰、可扩展性强、易用性强等特点。
[0018]3、本发明能够大幅提升养殖业的管理水平，同时可以节省大量的人力，增加产出，节约生产成本，提升生产效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明的系统连接示意图；
[0020]图2是环境采集终端的电路框图；
[0021]图3是嵌入式中继器的电路框图；
[0022]图4是环境控制器的电路框图。
【具体实施方式】
[0023]以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
[0024]一种农业养殖环境监测控制系统，如图1所示，包括监控服务器、嵌入式中继器(网关)、环境采集终端和环境控制器，嵌入式中继器、环境采集终端、环境控制器安装在各个养殖大棚内，嵌入式中继器与环境采集终端和环境控制器通过RF通讯方式相连接，监控服务器通过多种通讯方式与分布在各个养殖大棚内的嵌入式中继器相连接，并通过环境采集终端采集现场环境(温度、湿度、光照、氨气浓度等)，并通过环境控制器对现场环境进行控制。监控服务器与嵌入式中继器(网关)可以根据不同用户的需求通过多种方式相连接，例如，可以使用RS232、RS485、USB、Ethernet等有线方式，也可以外扩3G/4G、Wif1、RF、ZigBee等无线方式进行通讯。从图1中可以看出，本控制系统具有较强的扩展性，一个养殖大棚可以作为一个独立的单元连接到大系统中，理论上扩展性是无限制的。下面对系统中的各个设备分别进行说明:
[0025]所述的环境采集终端是对养殖大棚内的温度、湿度、光照和氨气浓度进行实时采集，同时根据嵌入式中继器的通讯指令采用无线方式上传采集数据。如图2所示，环境采集终端包括环境采集CPU、电源模块、显示装置(4位8段码数码管显示和LED显示)、氨气传感器、温湿度传感器、光照传感器、掉电数据存储器以及RF通讯模块，环境采集CPU通过GP1接口连接锁存器并与显示装置相连接，环境采集CPU采用单总线方式与温湿度传感器相连接，环境采集CPU通过I2C连接光照传感器和掉电数据存储器，环境采集CPU通过ADC接口与氨气传感器相连接，环境采集CPU通过SPI接口与RF通讯模块相连接，电源模块输出12V/5V/3.3V为各个模块供电。在本实施例中，环境采集CPU采用MICROCHIP公司的工业级芯片PIC18F45J10，可以保证终端长期稳定运行。无线通讯模块使用的是SI4432，使用免费的ISM频段进行采集数据的传输，通讯距离远，不用单独布置通讯线路，节约人力、物力及线路维护费用。温湿度采集传感器使用性价比高的DHTlI，光照传感器采用BH1750FVI专业芯片和配套的保护透镜，灵敏度高，氨气浓度采集使用MQ137模块。为了提升易用性，环境采集终端同时还提供丰富的人机交互功能，便于用户直观查看采集数据，终端配备了 4个高亮LED灯及4位8段码LED显示，适合养殖大棚环境使用，信息显示清晰易辨识，分时段显示温度、湿度、光照、氨气浓度及本机地址等重要信息，同时适合现场巡视实时观察使用。
[0026]所述的嵌入式中继器是整个系统的粘合剂，其作为网关设备，是系统分层、模块化、可扩展和易用性的关键模块。嵌入式中继器的功能包括:(I)对环境采集终端数据的接收和参数设置，(2)对环境控制器的控制指令的发送和参数设置，(3)与服务器的交互，根据网络情况进行数据的封装、存储、命令转发等。如图3所示，嵌入式中继器包括:中继器CPU、电源模块、以太网模块(Ethernet)、USB模块、RS485模块、3G/WIFI/RF模块、人机交互模块、数据存储模块、RTC模块、掉电数据存储器、低压检测模块和RF通讯模块，中继器CPU通过I/O接口与以太网模块(Ethernet)、USB模块、RS485模块相连接，中继器CPU分别通过SPI接口与3G/WIFI/RF模块、数据存储器和RF通讯模块相连接，主控CPU通过GPIS接口与人机交互模块相连接，中继器CPU通过I2C接口与RTC模块及掉电数据存储器相连接，中继器CPU通过ADC接口低压检测模块相连接。在本实施例中，中继器CPU使用了意法半导体的主流Cortex-M3芯片STM32F107RB，该主控芯片外设资源丰富，具有I2C、SP1、USART、USB、CAN、Ethernet等多种外设。根据本产品功能需要，RTC模块采用PCF8563实时时钟模块，可实现对采集数据时间信息的添加，便于数据的可追溯，同时可以实现用户的一些定时需求。数据存储模块采用FLASH芯片SST25VF032，用于数据流水存储，在脱机情况下，可以存储5万条采集数据，避免因网络问题导致数据丢失。掉电数据存储器采用铁电存储器FM24C04存储关键配置信息和系统核心数据。RF通讯模块采用的芯片也是SI4432，这样可以与环境采集终端、环境控制器使用免费的ISM频段进行采集数据的传输，确保环境采集终端和环境控制器的独立性和模块化。在与服务器通讯方式的选择上，则可根据用户需求，灵活使用RS232、RS485、USB、Ethernet等方式，也可以外扩3G/4G、Wifi等其他无线方式。
[0027]环境控制器的主要功能是接收控制指令对电机、灯光、加热器等功率器件进行开关控制。如图4所示，环境控制器包括控制器CPU、电源模块、显示装置(4位8段码数码管显示和LED显示)、固态继电器、晶闸管、继电器、掉电数据存储器、RF通讯模块，控制器CPU通过GP1接口连接锁存器并与显示装置相连接，控制器CPU通过GP1接口连接保护电路并与该固态继电器、晶闸管、继电器相连接，控制器CPU通过I2C连接掉电数据存储器，控制器CPU通过SPI接口与RF通讯模块相连接，电源模块输出12V/5V/3.3V为各个模块供电。在本实施例中，控制器CPU选择了与环境采集终端相同的PIC18F45J10，RF通讯模块也使用SI4432。环境控制器的主要技术难点在弱电对强电的控制，为了避免大功率设备对弱电系统的干扰，环境控制器在控制电路的设计上采用了多级的防护措施，保护电路有光电隔离、TVS管保护及防雷管等器件的应用。在环境控制器件的选择上，根据功率设备多样的情况，环境控制器提供了稳定性极高的固态继电器接口，有性价比高的晶闸管控制接口，也有针对要求不高的继电器控制接口，确保可以满足不同现场的要求。
[0028]所述的监控服务器使用普通PC或专用服务器，主要功能是数据的接收、存储、分析，通过核心的算法模型对环境控制器进行操作来进行养殖管理，可进行数据的追溯、查询等功能。
[0029]本控制系统的运行过程可概括为:环境采集终端采集养殖大棚内的温度、湿度、光照、氨气浓度等数据信息，通过无线通讯方式发送给嵌入式中继器(网关)，嵌入式中继器对采集数据做封装并转发给服务器，服务器会根据大量的实际数据做分析，以确定是否需要环境控制器执行操作。举一个简单的实例:假设编号为N的环境采集终端采集到环境温度为30摄氏度，服务器根据温度数据，综合历史数据及科学养殖理论模型，最终分析结果为温度过高，需要降温。然后服务器会发送打开编号为M的风扇的指令，该指令发送给嵌入式中继器，嵌入式中继器同样通过无线通讯的方式通知相应环境控制器，环境控制器收到打开风扇M的指令后，会通过继电器或晶闸管等器件控制打开电扇开关，实现通风降温操作。
[0030]本发明的功能模块包括“采集”、“传输”、“分析”、“控制”四部分，下面对各个功能模块分别进行说明。
[0031]1、采集功能模块:通过一个高度集成的数据环境采集终端,通过高精度的传感器实时采集养殖大棚内的温度、湿度、光照和氨气浓度等环境数据。考虑环境采集终端布置数量大，做功能修改或升级难度大，所以在终端功能设计上力求专一，采用系统分层的思想，只负责环境数据的采集和无线传输，不会受后续接入的网络环境影响。
[0032]2、传输功能模块:分为两种，一是养殖大棚环境下嵌入式中继器(网关)与终端、环境控制器使用免费的ISM频段模块进行数据交互，可以保证环境采集终端、环境控制器功能独立，成本低廉；二是嵌入式中继器(网关)与服务器的通讯，可以根据现场实际需求，使用Wif1、Ethernet、3G/4G、RS485、RS232、USB等多种传输方式实现，增强系统的灵活性、易用性。
[0033]3、分析功能模块:服务器针对大量的现场数据和科学理论，建立数学模型，决定控制操作。
[0034]4、控制功能模块:通过嵌入式中继器(网关)接收服务器发送过来的控制指令，对风扇、电机、加热器等执行器进行操作，实现对养殖环境下温度、湿度、光照、氨气浓度等环境参数的控制。
[0035] 需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于【具体实施方式】中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
【权利要求】
1.一种农业养殖环境监测控制系统，其特征在于:包括监控服务器、嵌入式中继器、环境采集终端和环境控制器，所述的嵌入式中继器、环境采集终端、环境控制器安装在各个养殖大棚内，嵌入式中继器与环境采集终端和环境控制器通过无线通讯方式相连接，监控服务器通过有线或无线方式与分布在各个养殖大棚内的嵌入式中继器相连接，通过环境采集终端采集现场环境，通过环境控制器对现场环境进行控制。
2.根据权利要求1所述的农业养殖环境监测控制系统，其特征在于:所述的监控服务器与嵌入式中继器采用或21^66方式进行通
。
3.根据权利要求1或2所述的农业养殖环境监测控制系统，其特征在于:所述的环境采集终端包括环境采集⑶匕电源模块、显示装置、氨气传感器、温湿度传感器、光照传感器、掉电数据存储器以及即通讯模块，所述的环境采集0^分别与显示装置、氨气传感器、温湿度传感器、光照传感器、掉电数据存储器以及即通讯模块相连接，电源模块输出127/57/3.为各个模块供电。
4.根据权利要求3所述的农业养殖环境监测控制系统，其特征在于:所述的环境采集0？^采用91(:18845110芯片并通过即10接口连接锁存器并与显示装置相连接，环境采集0^采用单总线方式与温湿度传感器相连接，环境采集0^通过12(:连接光照传感器和掉电数据存储器，环境采集0^通过仙接口与氨气传感器相连接，环境采集0^通过3？1接口与即通讯模块相连接。
5.根据权利要求3所述的农业养殖环境监测控制系统，其特征在于:所述的显示装置包括4个高亮120灯和4位8段码120显示。
6.根据权利要求1或2所述的农业养殖环境监测控制系统，其特征在于:所述嵌入式中继器包括中继器⑶口、电源模块、以太网模块、口38模块、83485模块、模块、人机交互模块、数据存储模块、模块、掉电数据存储器、低压检测模块和即通讯模块，中继器⑶口分别与以太网模块、^88模块、83485模块、模块、人机交互模块、数据存储模块、模块、掉电数据存储器、低压检测模块和即通讯模块相连接，电源模块输出127/57/3.为各个模块供电。
7.根据权利要求6所述的农业养殖环境监测控制系统，其特征在于:所述的中继器0^采用31132？107芯片并通过1/0接口与以太网模块、^88模块、83485模块相连接，中继器0？^分别通过3？1接口与模块、数据存储器和即通讯模块相连接，中继器通过⑶13接口与人机交互模块相连接，中继器0^通过12(:接口与81(:模块及掉电数据存储器相连接，中继器0^通过仙接口低压检测模块相连接。
8.根据权利要求1或2所述的农业养殖环境监测控制系统，其特征在于:所述的环境控制器包括控制器⑶匕电源模块、显示装置、固态继电器、晶闸管、继电器、掉电数据存储器、即通讯模块，控制器0^分别与显示装置、固态继电器、晶闸管、继电器、掉电数据存储器、即通讯模块相连接，电源模块输出127/57/3.为各个模块供电。
9.根据权利要求8所述的农业养殖环境监测控制系统，其特征在于:所述的控制器0^采用91(:18845110芯片并通过即10接口连接锁存器并与显示装置相连接，控制器0^通过6？10接口连接保护电路并与该固态继电器、晶闸管、继电器相连接，控制器0^通过12(:连接掉电数据存储器，控制器0^通过3？1接口与即通讯模块相连接。
10.根据权利要求8所述的农业养殖环境监测控制系统，其特征在于:所述的显示装置包括4个高亮120灯和4位8段码120显示。
【文档编号】G05B19/418GK104317274SQ201410628086
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月10日 优先权日:2014年11月10日
【发明者】陈长喜 申请人:天津农学院