一种基于边缘计算和智能推荐的桑蚕养殖自动化管理系统的制作方法

1.本发明涉及桑蚕养殖技术领域，尤其涉及一种基于边缘计算和智能推荐的桑蚕养殖自动化管理系统。


背景技术：

2.我国是世界上最大的蚕丝绸生产国。然而在行业转向产业化、规模化的背景下，当前桑蚕产业传统的高成本监督管理方式弊端日益凸显。同时由于茧价的波动下行，水果、花卉等高效种养业快速发展带来的冲击与挤压等诸多因素，蚕桑产业逐步衰退，地区经济受损严重，同时面临劳动力老龄化、装备技术落后、养蚕环境恶化、桑园面积减少等问题，造成了桑叶、蚕种生产成本高，管理、运营效率低等现状。其原因主要有以下几个方面。
3.第一，桑蚕养殖过程中桑园种植与蚕房养殖整体协调滞后。种桑是蚕种繁育的基础环节，种桑与养蚕往往同时进行。工作人员根据生产计划，在对蚕房内蚕种所处繁育阶段和情况进行统计后，统一调配桑园的种植、灌溉、喷药和采摘。然而，单纯依靠人工管理很容易出现疏漏，且由于蚕房和桑园状态实时变化，统计分析很难做到及时反馈，使得桑园种植与蚕房养殖的整体协调和管理效率不高，从而导致生产效益不高，极大地影响了企业的运营效率。
4.第二，蚕房环境监控不到位。蚕房蚕室温湿度状况是决定蚕种能否按照生产规范进行生长、决定蚕种繁育成果的蚕茧成品质量高低的重要因素。不同蚕种在不同的繁育阶段都有着不同的环境需求，繁育过程对温度和湿度要求极高。传统的生产模式下，为了严格控制蚕房温度，工作人员每天需要花费大量时间进行温湿度的检测和控制，极大地增加了人力成本。同时，人工监控很难做到及时排查错误、无法及时确认环境失调的蚕房，对正常生产造成巨大经济损失。
5.近年来随着物联网和“互联网+”技术的发展，传统农业开始逐渐向以智慧农业为特征的现代农业转型。就桑蚕产业而言，物联网技术和智能技术的应用主要集中于温湿度检测(申请号为2016201294859)、异常报警(申请号为2016107510748)、智能传送控制(申请号为2018116209532)、自动喂叶设备(申请号为2019202622996)等，主要局限表现在：在养蚕的全生命周期内适配大规模养蚕环境的智能技术解决方案有待完善；蚕房温湿度设定多根据人工经验设定，没有基于蚕宝宝生长数据和专家知识进行智能推荐。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于边缘计算和智能推荐的桑蚕养殖自动化管理系统。
7.为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种基于边缘计算和智能推荐的桑蚕养殖自动化管理系统，包括终端设备层、边缘计算层，所述终端设备层与边缘计算层连接；所述终端设备层包括传感子层、执行子层；所述边缘计算层包括运算子层、控制子层；
9.所述传感子层，用于采集蚕房以及桑园土壤的温湿度数据，并将采集到的温湿度数据发送至边缘计算层；
10.所述运算子层，用于将传感子层发送的温湿度数据进行协议转换；
11.所述控制子层，用于接收通过协议转换后的温湿度数据，并判断接收的温湿度数据是否处于预设范围内，若否，则向执行子层发送控制指令；
12.所述执行子层，用于执行控制子层发送的控制命令。
13.进一步的，所述传感子层包括蚕房传感子层、桑园传感子层；执行子层包括蚕房执行子层、桑园执行子层；
14.所述蚕房传感子层，用于采集蚕房的温湿度数据；
15.所述桑园传感子层，用于采集桑园土壤的湿度数据；
16.所述蚕房执行子层，用于进行蚕房温湿度控制命令的执行；
17.所述桑园执行子层，用于进行桑园土壤湿度控制命令的执行。
18.进一步的，所述控制子层由工业一体机设备组成，所述工业一体机设备上连接有触屏显示器，所述触屏显示器用于实现温湿度控制的可视化。
19.进一步的，所述控制子层还用于当接收的温湿度数据不处于预设范围内时，则进行报警响应。
20.进一步的，所述边缘计算层中的运算子层与控制子层通过rs485总线连接；所述边缘计算层与终端设备层中蚕房执行子层、蚕房传感子层均通过rs485总线连接。
21.进一步的，所述边缘计算层与终端设备层中桑园传感子层、桑园执行子层均通过无线连接。
22.进一步的，还包括云融合分析层，与所述边缘计算层连接，用于存储边缘计算层中的数据信息。
23.进一步的，所述蚕房传感子层采用防水性金属温湿度传感器，每个蚕房设置4-10个温湿度传感器。
24.进一步的，所述工业一体机设备通过手动控制箱集成，手动控制箱设有观察窗口，所述观察窗口用于观察工业一体机设备上显示的数据。
25.与现有技术相比，本发明基于边缘计算和智能推荐的桑蚕养殖自动化管理系统解决了当前智能蚕房仅能调节温度的局限性，本发明针对蚕房智能监控及桑园自动化灌溉实现的农业物联网系统能够对整个桑蚕养殖园区进行监控管理、进行科学技术管理与温湿度调控，同时设立专家知识库查询表进行智能推荐，保证蚕房环境的稳定性、提高桑叶种植和蚕种繁育的协调性，提高蚕茧培育的成功率和产品品质，从而提高桑蚕养殖行业的技术水平，达到精确化、标准化、规模化桑蚕养殖，最大程度为蚕桑养殖业减轻人力成本、降低生产风险、创造最大经济效益，实现桑蚕养殖业的智能化、现代化转型升级。本发明经推广后具有良好的经济效益和社会效益。
附图说明
26.图1是实施例一提供的一种基于边缘计算和智能推荐的桑蚕养殖自动化管理系统结构图；
27.图2是实施例二提供的基于专家知识库的温湿度智能推荐方法示意图
28.图3是实施例三提供的蚕房智能监控和桑园自动化灌溉系统整体架构图
29.图4是实施例三提供的蚕房智能监控系统设计方案示意图
30.图5是实施例三提供的桑园自动化灌溉系统设计方案示意图。
具体实施方式
31.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
32.本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于边缘计算和智能推荐的桑蚕养殖自动化管理系统。
33.实施例一
34.本实施例提供一种基于边缘计算和智能推荐的桑蚕养殖自动化管理系统，如图1所示，包括终端设备层、边缘计算层，终端设备层与边缘计算层连接。
35.在终端设备层中，终端设备层包括传感子层、执行子层；
36.传感子层，用于采集蚕房以及桑园土壤的温湿度数据，并将采集到的温湿度数据发送至边缘计算层；
37.执行子层，用于执行控制子层发送的控制命令。
38.在本实施例中，传感子层包括蚕房传感子层、桑园传感子层；执行子层包括蚕房执行子层、桑园执行子层；
39.蚕房传感子层，用于采集蚕房的温湿度数据；
40.桑园传感子层，用于采集桑园土壤的湿度数据；
41.蚕房执行子层，用于进行蚕房温湿度控制命令的执行；
42.桑园执行子层，用于进行桑园土壤湿度控制命令的执行。
43.蚕房传感子层采用防水性金属温湿度传感器，每个蚕房设置4-10个温湿度传感器，且温湿度传感器均匀分布在蚕房内；蚕房执行子层模块包括热风机、空调、加湿器、湿帘风机等温湿度控制设备；桑园传感子层模块均采用独立传感器；桑园执行子层模块包括灌溉阀门、灌溉电机等灌溉设备。
44.在边缘计算层中，边缘计算层包括运算子层、控制子层；
45.运算子层由嵌入式协议转换子系统组成，控制子层由工业一体机设备组成。边缘计算层主要利用边缘计算和存储技术，进行分布式推理决策。
46.运算子层中的嵌入式协议转换子系统实现物联网协议与终端设备层协议的转换；控制子层中的工业一体机设备执行数据预处理工作，同时第一时间进行报警响应。具体为：
47.运算子层，用于将传感子层发送的温湿度数据进行协议转换；
48.控制子层，用于接收通过协议转换后的温湿度数据，并判断接收的温湿度数据是否处于预设范围内，若否，则向执行子层发送控制指令。
49.当边缘计算层接收到终端设备层发送的温湿度数据时，通过边缘计算层的工业一体机设备对接收到的温湿度数据进行处理，判断该温湿度是否处于某一预设的温湿度的数
值范围内，若是，则不做处理；若否，则通过工业一体机设备发出控制指令，比如控制终端设备层中的空调进行降温或控制加湿器进行加湿处理。
50.工业一体机设备上连接有触屏显示器，触屏显示器上有参数设置键，用于实现温湿度控制可视化。工业一体机设备可以对终端设备层中蚕房传感子层采集获取到的数据进行校对分析，同时在终端界面实时显示当前每个蚕房中的传感器信息即温湿度数据。
51.工业一体机设备通过手动控制箱集成，手动控制箱采用防水工业设计、不锈钢材料制作。手动控制箱可设置观察窗口，用于观察工业一体机蚕房终端上显示的屏幕数据。
52.边缘计算层经过协议解析转换、校对分析等信息处理后，通过控制板卡对终端设备层进行控制。边缘计算层各子层间、边缘计算层子层与终端设备层中蚕房执行子层、边缘计算层子层与终端设备层中蚕房传感子层的连接由工业rs485总线完成，边缘计算层与桑园传感子层、桑园执行子层的连接采用无线方式。
53.在本实施例中，还包括云融合分析层，与边缘计算层连接，用于存储边缘计算层产生的数据。
54.云融合分析层还可以根据存储的历史数据进行模型训练，并对数据分析和统计，通过训练好的模型实现智能推荐最优算法。
55.在本实施例中，还包括智能应用层，其主要包括蚕房恒温恒湿控制、温湿度参数设定智能推荐、远程监控、数据可视化、预警设定和权限管理等上层应用需求。远程监控可在蚕房入口通道处安装一台显示大屏以显示监控视频，蚕房内监控摄像头同样通过交换机实现网络互通。监控模块包括监控摄像头和信号连接设备，将摄像头信号接入工控机，发给远程服务器。
56.本实施例中，终端设备层中的传感子层用于采集蚕房和桑园的所需实时数据，传感子层通过控制板卡将数据信息发送至边缘计算层，进行元协议分析以及与工业一体机设备的通信，依靠终端设备层中的执行子层完成温湿度控制。蚕房可根据实际需要均匀设置多个温湿度检测点。其中，蚕房通过热风机、空调、加湿器、湿帘风机完成加热、降温、加湿，实现温湿度控制，当检测到的当前温湿度高于或低于设定值时，启动报警装置。
57.在本实施例中，为提高控制蚕房的温湿度控制精度及准确率，可将蚕房分为多个区域，每个子区域独立控制。考虑到连通性，在每个子区域能够独立控制的基础上限制相邻子区域的温湿度设定不能够过大，且在相邻子区域的接壤处，温湿度的控制精度相对较低。桑园可根据实际需要划分为多个不同区域，每个区域安装一套灌溉系统控制器，通过独立传感器检测土壤的湿度，当土壤湿度低于用户设定值时，灌溉系统控制器通过控制交流接触器开启灌溉电机。其中，土壤湿度阈值为安装时设定的通用值，也可通过终端控制软件进行设定。桑园控制模块包含两种方式设定单次灌溉时间。方式一为固定时间，即根据设定值按固定时间频率进行灌溉；方式二为自动化灌溉，通过检测土壤湿度、对比设定值实现。蚕房的温湿度控制及桑园的土壤湿度控制方式均采用开关量控制。控制查询终端为远程电脑，可根据实际需要安装在不同地点，工作人员可通过终端远程设定控制量并安排每日工作。
58.实施例二
59.本实施例提供的一种基于边缘计算和智能推荐的桑蚕养殖自动化管理系统与实施例一的不同之处在于：
60.本实施例还包括可以基于专家知识库对温湿度进行智能推荐。
61.首先从老蚕农处获取养蚕经验知识并根据经验进行数学建模，分析温度与蚕种存活率、湿度与生长周期之间的关系，形成数值化体系。其次，根据数学模型建立温湿度信息和蚕种繁育生长状态数据库，将养蚕经验数据形成推理机制，设计实现蚕房温湿度和蚕宝宝生长状况之间的鬼影规则，与数据库存储的温湿度信息进行映射。使用动态数据库存储系统推理的中间结果，构建完备的温湿度推荐知识库和数据库，并且智能推荐时的推荐周期可以是单日推荐或多日推荐。最后通过工业一体机设备的触屏显示界面展示推荐结果。
62.基于专家知识库的温湿度智能推荐方法如附图2所示。
63.本实施例中对控制量的设定均含有专家知识库查询表，能够根据养殖经验为工作人员智能推荐蚕房温湿度设定或根据种植经验进行土壤湿度的智能推荐。
64.实施例三
65.本实施例提供的一种基于边缘计算和智能推荐的桑蚕养殖自动化管理系统与实施例一的不同之处在于：
66.本实施例根据蚕种繁育实际过程中的不同状态为例具体说明。
67.本实施例将蚕房分为小、中、大三种模式。本案例所使用的系统整体架构图如附图3所示。
68.共含有5间小蚕房、1幢中蚕房和2幢大蚕房。其中，每间小蚕房内均安装4个温湿度检测点，加温通过热风机完成，降温通过空调完成，加湿通过加湿器完成；每幢中蚕房分成三个区域，每个子区域独立控制，中蚕房共计安装10个均匀分布的温湿度检测点，中蚕房内的降温加湿通过湿帘风机完成、加湿通过加湿器完成；每幢大蚕房不分区域，每幢大蚕房均安装6个均匀分布的温湿度检测点，大蚕房通过9台湿帘机完成加湿、9台大功率风机完成降温。蚕房内提供报警功能，当用户设定的目标温度过低、而室外温度过高，系统经过长时间达不到目标温度时，系统自动报警。其中，报警方式采用声光报警。
69.蚕房与交换机的连接部分以及灌溉系统与交换机的连接部分均采用光纤，采用六类网线进行数据传输。温湿度传感器数据的获取均采用工业485总线完成，信号线均采用工业级标准的屏蔽线。手动控制时需要接入220v市电，需要供电功率340w。
70.蚕房智能监控系统设计方案如附图4所示。
71.其中，控制板卡用于温湿度传感器数据的获取，加湿器、热风机的控制、协议的解析，以及与工控机进行通信；触屏工控机采用12.1寸一体式工控机；蚕房控制层模块均放置于手动控制箱内，所述手动控制箱采用防水工业设计、不锈钢材料制作，同时设置观察窗口，用于观察工控机显示屏幕上的数据。手动控制操作时提供远程推荐功能，根据蚕种繁育所处不同阶段所适宜的不同温湿度，在服务器终端存储专家知识库查询表，在各蚕房的工控机上能够进行查阅。蚕房通过手动控制箱中的工控机与蚕房内交换机相连，所述蚕房内交换机与机房的核心交换机连接，从而实现网络的互联互通。
72.蚕房均采用独立控制与集中控制相结合的方式实现独立温湿度控制，控制方式均采用开关量控制。蚕房的温湿度设置既能远程设定，也能够本地手动控制设置。其中，本地设置的优先级高于远程设定，当网络不通的时候，以本地设定参数为准。
73.桑园自动化灌溉系统设计方案如附图5所示。
74.具体实施案例中桑园面积约100亩，分为20个区域，每个区域安装一套灌溉系统控
制器和独立传感器。通过土壤湿度传感器检测土壤湿度，当土壤湿度低于用户设定值的时候，灌溉系统控制器系统通过控制交流接触器开启灌溉电机，实现桑园灌溉自动化。
75.具体实施案例中控制查询终端为远程电脑，安装在具体办公楼内的机房地点，工作人员通过该终端电脑远程设定各个蚕房的温湿度控制量、各区域桑园的土壤湿度控制量。终端服务器中存有所有温湿度传感器所采集的温湿度数据以及专家知识库查询表。
76.本实施例的一种基于边缘计算和智能推荐的桑蚕养殖自动化管理系统解决了当前智能蚕房仅能调节温度的局限性，本发明针对蚕房智能监控及桑园自动化灌溉实现的农业物联网系统能够对整个桑蚕养殖园区进行监控管理、进行科学技术管理与温湿度调控，同时设立专家知识库查询表进行智能推荐，保证蚕房环境的稳定性、提高桑叶种植和蚕种繁育的协调性，提高蚕茧培育的成功率和产品品质，从而提高桑蚕养殖行业的技术水平，达到精确化、标准化、规模化桑蚕养殖，最大程度为蚕桑养殖业减轻人力成本、降低生产风险、创造最大经济效益，实现桑蚕养殖业的智能化、现代化转型升级。本发明经推广后具有良好的经济效益和社会效益。
77.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。