一种可视化温室大棚监控系统

1.本实用新型涉及温室监控领域，具体为一种可视化温室大棚监控系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.温室大棚是现代化农业中的常用设施，通过人为改变温室大棚内的温度、湿度和光照等条件，使温室大棚所种植的作物实现高效率的生长。
4.目前的温室大棚内虽然通过各类传感器实现了温度、湿度以及光照等作物生产环境参数的监控，一部分温室大棚还能够利用传感器获取到的环境参数实现自动或是半自动的控制，从而调节作物所需的生长环境。此种方式下，温室大棚的监控系统或控制系统只能获取温室大棚的环境参数，而无法获取大棚内作物的生长情况，更无法获取作物的生长过程，使得参与温室大棚运行的人员只能通过监控系统或控制系统了解到温室大棚自身的运行参数，而作物的生长过程只能通过在大棚内部进行现场观察得到。


技术实现要素：

5.为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本实用新型提供一种可视化温室大棚监控系统，获取温室大棚内的环境参数和作物生长情况的数据，配合无线传输实现温室大棚环境参数和作物生长过程的远程传输，联动温室大棚内的风扇、压缩机等设施，实现温室大棚的可视化监控。
6.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
7.本实用新型的第一个方面提供一种可视化温室大棚监控系统，包括分别与中央控制器连接的环境参数采集模块、无线通讯模块、数据处理模块和数据交互模块；
8.环境参数采集模块获取温室大棚内的环境湿度、光照强度、二氧化碳浓度、土壤水分、土壤养分和作物图像信息，经无线通讯模块发送给数据处理模块，数据处理模块依据获取到的环境参数控制温室大棚内的驱动机构执行动作并保存作物生长信息，数据交互模块将环境参数采集模块获取的信息和作物生长信息发送给数据交互模块的交互平台实现监控。
9.环境参数采集模块包括环境温湿度传感器、光照强度传感器、二氧化碳传感器、土壤水分传感器、植被图像传感器和土壤养分测试仪中的一种或多种。
10.驱动机构包括喷灌泵、环流排风机、补水泵、电加热管、补光灯、雾化喷头和遮阳设备中的一种或多种。
11.交互平台具有显示装置。
12.交互平台还具有云端服务器，显示装置通过云端服务器获取环境参数采集模块采集的信息。
13.环境温湿度传感器位于温室大棚内部，光照强度传感器位于温室大棚内的顶部空
间，土壤水分传感器和土壤养分测试仪的检测端均位于温室大棚土壤内部。
14.植被图像传感器获取不同高度的作物冠层图像信息。
15.作物冠层图像信息中的植物冠层的叶面积指数，植物冠层孔隙率和植物冠层结构形成作物生长信息。
16.与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
17.1、整个监控系统能够实现温室大棚内部环境参数的调整，从而适应作物生长的环境。
18.2、监测作物生长的过程，配合土壤成分、湿度和温度变化的情况以可视化的方式展示出来，能够更好的监测和保存温室大棚内作物的生长情况，有利于作物采摘后的溯源工作。
附图说明
19.构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
20.图1是本实用新型一个或多个实施例提供的系统结构示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
22.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
23.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
24.正如背景技术中所描述的，现有技术中，温室大棚通过监控系统或控制系统实现环境参数的改变和调节，但这类系统只能获取温室大棚的环境参数，无法获取大棚内作物的生长情况，更无法获取作物的生长过程。因此以下实施例给出了一种可视化温室大棚监控系统的硬件架构，除了获取温室大棚内影响作物生长的环境参数外，还获取了作物的图像信息，由于植物冠层孔隙率与植物冠层结构相关，则利用作物的图像信息获取植物冠层图像，得到的植物冠层叶面积指数和土壤养分参数能够获取并记录作物的生长情况和生长过程，再配合无线传输实现温室大棚环境参数和作物生长过程的远程传输，联动温室大棚内的风扇、压缩机等设施，实现温室大棚的可视化监控。
25.实施例一：
26.如图1所示，本实施例的目的是提供一种可视化温室大棚监控系统，包括分别与中央控制器连接的环境参数采集模块、无线通讯模块、数据处理模块和数据交互模块；
27.环境参数采集模块，即本实施例中的感知层，为环境参数采集系统，包含多组传感器用于实现环境参数采集。
28.无线通讯模块，即本实施例中的传输层，为msn无线传感网络系统。
29.数据处理模块，即本实施例中的处理层：包括联动控制系统和信息处理系统两部分，其中信息处理系统利用感知层获取的环境参数实现预测预警、智能控制、智能决策和视觉信息处理。
30.预测预警：当某一个或某几个环境参数不满足设定的条件时通过中央控制器发出预警信息，例如：温度过低、湿度过高、光照时间不足等。
31.智能控制：利用获取的环境参数信息控制各驱动机构，例如：光照时间不足时通过中央控制器发出关闭遮光设备的指令实现提高光照、温度过高时通过中央控制器发出开启风机通风的指令实现降温等。
32.驱动机构包括喷灌泵、环流排风机、补水泵、电加热管、补光灯、雾化喷头和遮阳设备中的一种或多种。
33.智能决策：依据获取的环境参数信息通过中央控制器发出建议的决策，例如：土壤水分过低时建议开启灌溉泵，此时并不一定会自动开启，取决于此时处于自动控制或是人工控制，通常在人工控制下会显示建议的决策。
34.视觉信息处理：将获取的环境参数信息传递至数据交互模块，数据交互模块中包含一个可视化监控终端交互平台，能够直观的展示温室大棚内的各项环境参数信息。
35.数据交互模块，即本实施例中的应用层，为可视化监控终端交互平台，包括云平台、农产品质量溯源系统和用户终端监控系统；云平台可以实现远程控制，农产品溯源系统即为可视化人机交互界面，用户端监控系统包括但不限于触摸显示屏和pc机等，用户终端监控系统均内含报警模块。
36.环境参数采集系统包括环境温湿度传感器、光照强度传感器、二氧化碳传感器、土壤水分传感器、高清晰度植被图像传感器和土壤养分测试仪；
37.环境温湿度传感器位于温室内部，光照强度传感器位于温室内顶部空间，土壤水分传感器和土壤养分测试仪的检测端位于温室土壤内部，高清晰度植被图像传感器获取作物图像信息。
38.本实施例中，通过环境参数采集系统采集环境数据，将环境数据传输至中央控制器mcu，通过对比设定的参数阈值，中央控制器mcu实时控制各驱动机构(驱动机构为温室大棚内用于改变温度、湿度和光照等环境参数的机构，例如风机、水泵等设施)，控制温室大棚中的作物始终处于最佳的生长环境中，提高作物的生产率，减轻人工劳作的强调。依据环境参数执行改变环境参数的动作时，驱动机构中的多种设备联合动作，形成联动控制系统。
39.上述监控系统可以实现自动控制、人工控制、远程控制三种模式。当系统通电后，各个模块和系统开始工作，并且mcu对各模块和系统进行监控，当需要人工控制时按下相应的按键、产生相应的按键中断转向人工控制。当不需要人工控制时，检测系统将检测到的温湿度及光照强度值传递到主系统，主系统将参数通过显示系统显示在lcd屏上，并将各参数与系统预先设定范围的上下限比较，当发现某参数超出预先设定的界限时，发出控制信号，实现智能联动，启动相应的联动控制系统，调整相应的参数，直至参数返回设定范围。云端服务器可以实现远程监控。
40.本实施例中，中央控制器mcu采用内核为cortrx
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m3的32位低功耗增强型微控制器，内置高速存储器，可以存储和处理来自感知层环境参数采集系统所监测到的各种数据。
整个监控系统安装在温室内，监测环境温湿度、光照强度、土壤湿度、土壤水分、土壤养分等环境参数，控制灌溉时间和灌溉量；控制光何时补光；控制何时换风；控制实时采集生长态势等。环境参数采集系统通过mcu自动检测环境参数，并控制其将参数传输至传输层，遮阳设备通过mcu控制自动开关，环流排风机通过mcu控制自动换风，温室内作物的通风、温湿度和光照时间等也由mcu自动控制。
41.msn无线传感网络系统与监控终端交互平台远程传输数据，并通过多种协议接入云平台。
42.(1)感知层环境参数采集系统
43.感知层环境参数采集系统各部件与mcu的i/o进行电连接，各部件采集到相应的信号经处理后传输给mcu，mcu通过设定阈值智能控制各联动控制系统，将温室环境自动调整为作物生长的最佳环境，大大提升温室环境的调控效率。
44.环境温湿度传感器采用内置已校准数字信号输出温湿度复合传感器，检测温温室内空气的温湿度，直接与mcu进行电连接，通过单总线双向串行通信协议将采集的数据传输到mcu，当温湿度传感器检测到温室内的空气温度超过环境温度阈值，则mcu控制和驱动步进电机正转一定步数，打开窗户，若仍无法达到阈值限定范围内则打开换气扇空气循环设备通风降温；当温湿度传感器检测到温室内的空气温度低于环境温度阈值，则mcu控制和驱动步进电机反转一定步数，关闭窗户，若仍无法达到阈值限定范围内则控制电加热管加热升温。当温湿度传感器检测到温室内湿度超过温室内的空气湿度阈值，则mcu控制和驱动除湿器进行除湿；当温湿度传感器检测到温室内的空气湿度低于环境湿度阈值，则mcu控制和驱动喷灌泵加湿。
45.光照强度传感器的scl端与mcu的pb10电连接，sda端与mcu的pb11电连接，光照强度传感器内置16bit的adc，并通过iic进行数据传输，光照强度传感器监测到光照后，将数据转换为电压值，然后经adc转换为16bit数字形式的数据，直接输出给用户终端显示界面。当光照强度检测到温室内的光照强度超过作物所需要的光照强度阈值，则mcu控制和驱动步进电机正转一定步数，拉下卷帘；当光照强度检测到温室内的光照强度低于作物所需要的阈值，则mcu控制和驱动步进电机转动，升起卷帘，若仍无法达到阈值限定范围内，则mcu控制和驱动补光灯进行补光。
46.二氧化碳传感器是一种固体电解质气体传感器，用来检测温室内的二氧化碳的浓度，二氧化碳传感器土壤作为固体电解质电池，当传感器的电池正负极发生电极反应，使传感器敏感电极与参考电极之间产生电动势，输出电压信号，就可检测到二氧化碳的浓度。
47.土壤水分传感器采用外置式土壤水分电导率传感器，内置采用信号、放大、零漂、温度补偿、电源反接保护、过压保护、过流保护等功能。土壤水分传感器可以直接模拟信号给mcu的adc引脚，mcu便可通过io口提取到对应的水位信息。
48.作物生长可视化监测系统采用高清晰度植被图像传感器实现，由无线成像传感器、无线图像采集与传输系统组成。通过图像采集远程实时传输，数据自动采集，多参数同时被测量。采用比尔定律以及冠层孔隙率与冠层结构相关的原理，利用视觉信息处理技术来获取植物冠层图像。通过ci
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110图像分析软件，获得植物冠层的叶面积指数(即单位土地面积上植物叶片总面积占土地面积的倍数)和冠层其它的参数(如：光合有效辐射、太阳光透光率、冠层孔隙率、叶片平均倾角、叶片分布和植物冠层消光系数等)。图像法测量植物冠
层，仅仅获取一次冠层图像即可，简化了传统能量法要一天定点多次测量的繁复工作；同时可以躲开障碍物，选择合适测量点。可调节镜头聚焦适合不同高度的冠层测量，可以监视农作物的整个生长期。可视化监控，溯源：记录作物的整个生命周期的生长势记录，自动生成报告，捕捉图像数据，分析病害和营养状况。视觉信息处理。实现作物病虫害的预警预报。
49.土壤养分测试仪检测土壤中的铵态氮、速效磷、速效钾、有机质、ph值，同时也可以检测钙、镁、硫、硼、氯、硅等中微量元素。
50.(2)msn无线传感网络系统
51.msn无线传感网络系统用于传输感知层采集到的环境参数，并将其传输至mcu，mcu控制接收到各环境参数后，与各自的阈值进行比较，超出阈值范围的参数通过mcu控制联动控制系统采取相应的动作，从而使作物获得合适的生长环境。
52.(3)联动控制系统
53.联动控制系统接收来自中央控制器mcu和监控终端交互平台的控制信号，并在控制信号的驱动下，执行响应的命令，包括喷溉泵、除湿机、环流排风机、卷帘、补光灯、遮阳设备、报警模块等。
54.补光灯采用led发光二极管作物补光灯。
55.遮阳设备通过mcu控制自动开合。
56.环流排风机通过mcu控制自动换风。
57.除湿机主要是由压缩机、热交换器、风扇、盛水器、机壳以及控制器所组成，工作原理是利用风扇把潮湿的空气抽入机体内，再通过热交换器，把空气中的水份冷凝成水珠，最终变成干燥的空气而排出机外，使得温室内的湿度能够降低；潮湿空气放热冷凝和吸热干燥的过程利用压缩机和相应的工作介质配合，利用压缩、节流、降温(放热)、膨胀和蒸发(吸热)的过程实现。
58.(4)可视化监控终端交互平台实现实时的人机交互，包括但不限于触摸显示屏、pc机等任意一种或多种，实时监控作物的生长情况和生长的环境参数，并采取相应的措施。触摸显示屏和pc机等终端交互平台均通过msn无线传感网络系统与中央控制器mcu进行通信，可用于设定参数阈值。pc机内置信息存储模块，用于保存数据。
59.(5)云端服务器
60.云端服务器可以实现远程控制，为远程用户或管理者展示农作物的生长环境、预警情况、溯源信息等，便于远程管理。
61.(6)数据融合
62.为保证数据的准确可靠及稳定性，采用多传感器混合融合的技术，根据传感器及传感信息的特点，利用卡尔曼滤波方法将检测到的数据进行最佳融合，通过人工神经网络将其信息进行提取典型特征信息，最终通过bayes概率推理法实现对传感器信息进行预处理。保证准确可信，数据融合的时空性，减少信息损失，提到数据的实时性，并保证数据融合的系统性。
63.整个监控系统一方面能够实现内部环境参数的调整，从而适应作物生长的环境；另一方面，将作物生长过程的数据(植被图像信息中的植物冠层的叶面积、植物冠层孔隙率和植物冠层结构等参数)配合土壤成分、湿度和温度变化的情况以可视化的方式展示出来，能够更好的监测和保存温室大棚内作物的生长情况，有利于作物采摘后的溯源工作。
64.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。