基于物联网的植物分布构建方法及系统

1.本发明涉及现代种植技术领域，特别涉及一种基于物联网的植物分布构建方法及系统。


背景技术：

2.阳台和房顶是城市中随处可见的小块土地资源，利用阳台和房顶种植植物不仅可以起到美化的作用，还可以起到减少空气污染的作用。随着现代智能控制技术的广泛应用，更是让阳台和房顶农业的自动化管理成为现实。
3.目前用户主要是通过经验或喜好选择植物在阳台和房顶的种植位置，这样存在规划的时间长和种植效率低的缺陷。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于物联网的植物分布构建方法及系统，能够减少种植规划的时间，提高种植效率。
5.本发明还提供一种基于物联网的植物分布构建方法，所述植物种植分布方法包括：
6.在种植区域的多个位置点分别进行光照采集，得到多组光照数据；
7.将所述多组光照数据三维插值，得到所述种植区域的空间三维分布值；
8.计算所述种植区域的光照时间，根据所述种植区域的空间三维分布值和所述种植区域的光照时间生成所述种植区域的年光照分布图；
9.获取植物生长属性，并根据所述植物生长属性和所述种植区域的年光照分布图构建专家系统；
10.获取用户种植需求，并将所述用户种植需求输入至所述专家系统，得到所述种植区域的植物种植分布图。
11.根据本发明实施例的基于物联网的植物分布构建方法，至少具有如下有益效果：
12.本方法首先在种植区域的多个位置点采集得到多组光照数据，利用三维插值公式，计算得到种植区域的空间三维分布；然后计算种植区域的光照时间，根据种植区域的空间三维分布和种植区域的光照时间计算种植区域的年光照分布图，实现了种植区域的三维空间分布图的构建；最后根据种植区域的年光照分布图构建专家系统，利用专家系统完成对不同用户种植需求的种植区域的植物种植分布图。本方法构建的年光照分布图充分考虑了因时间变化导致不同位置光照也发生改变这一特性，提高了准确度，而且本方法采集多个位置点的光照数据，利用到不同位置的光照变化而设计形成的年光照分布图的准确性更高；本方法结合植物生长属性和种植区域的年光照分布图共同构建专家系统，通过专家系统规划出一个合适的植物分布设计图模型，提供给用户，相比于用户上网查找植物的种植的相关信息，本方法提供给用户一个简洁方便的方式，能极大减少种植规划的时间，提高种植效率。
13.根据本发明的一些实施例，在所述用户种植需求包括期望种植的植物和种植习惯的情况下，所述将所述用户种植需求输入至所述专家系统，得到所述种植区域的植物种植分布图，包括步骤：
14.以最小化种植成本和种植用水水量为策略，将所述用户种植需求输入至所述专家系统，得到所述专家系统推荐的所述种植区域的植物种植分布图。
15.根据本发明的一些实施例，所述植物生长属性包括植物的适宜光照时长、温度、湿度、二氧化碳浓度、ph值和密集度中的至少一种。
16.根据本发明的一些实施例，所述计算所述种植区域的光照时间，根据所述种植区域的空间三维分布值和所述种植区域的光照时间生成所述种植区域的年光照分布图，包括步骤：
17.根据所述种植区域的位置计算太阳高度角；
18.根据所述太阳高度角和所述种植区域的经纬度计算所述种植区域的日出日落时间；
19.根据所述日出日落时间计算时间间隔，得到所述种植区域的光照时间；
20.根据所述光照时间计算所述种植区域的光照量；
21.根据所述光照量和所述种植区域的空间三维分布值进行建模推算，得到所述种植区域的年光照分布图，所述年光照分布图包括四季的光照量分布图和年平均光照量分布图。
22.根据本发明的一些实施例，所述种植区域为阳台或房顶。
23.根据本发明的一些实施例，所述多个位置点为所述阳台的角落点或所述房顶的角落点。
24.本发明还提供一种基于物联网的植物分布构建系统，所述植物种植分布系统包括：
25.光照传感器，布置在种植区域的多个位置点，所述光照传感器用于采集光照数据；
26.处理端，用于接收所述光照传感器采集的多组光照数据，将所述多组光照数据三维插值，得到所述种植区域的空间三维分布值；计算所述种植区域的光照时间，根据所述种植区域的空间三维分布值和所述种植区域的光照时间生成所述种植区域的年光照分布图；获取植物生长属性，并根据所述植物生长属性和所述种植区域的年光照分布图构建专家系统；
27.用户端，用于获取用户种植需求，向所述专家系统发送所述用户种植需求，并接收所述专家系统根据所述用户种植需求推荐的所述种植区域的植物种植分布图。
28.根据本发明实施例的基于物联网的植物分布构建系统，至少具有如下有益效果：
29.本系统首先通过光照传感器在种植区域的多个位置点采集得到多组光照数据；通过处理端利用三维插值公式，计算得到种植区域的空间三维分布；然后计算种植区域的光照时间，根据种植区域的空间三维分布和种植区域的光照时间计算种植区域的年光照分布图，实现了种植区域的三维空间分布图的构建；最后根据种植区域的年光照分布图构建专家系统，利用专家系统完成对用户端的不同用户种植需求的种植区域的植物种植分布图。本系统通过处理端构建的年光照分布图充分考虑了因时间变化导致不同位置光照也发生改变这一特性，提高了准确度，而且通过光照传感器采集多个位置点的光照数据，利用到不
同位置的光照变化而设计形成的年光照分布图的准确性更高；本系统通过处理端结合植物生长属性和种植区域的年光照分布图共同构建专家系统，通过专家系统规划出一个合适的植物分布设计图模型，提供给用户，相比于用户上网查找植物的种植的相关信息，本系统提供给用户一个简洁方便的方式，能极大减少种植规划的时间，提高种植效率。
30.根据本发明的一些实施例，所述处理端为云台服务器。
31.根据本发明的一些实施例，所述植物种植分布系统还包括与所述光照传感器和所述云台服务器通信连接的单片机stc89c52，所述单片机stc89c52用于接收并保存来自所述光照传感器的多组光照数据，并通过wifi将所述多组光照数据发送至所述云台服务器。
32.根据本发明的一些实施例，所述种植区域为阳台或房顶；所述光照传感器布置在所述阳台的角落点或所述房顶的角落点。
33.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
34.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
35.图1是本发明一实施例的一种基于物联网的植物分布构建方法的流程示意图；
36.图2是本发明一实施例的计算年光照分布图的流程示意图；
37.图3是本发明一实施例的知识图谱的结构示意图；
38.图4是本发明一实施例的推荐植物种植分布图的流程示意图；
39.图5是本发明一实施例的植物分布构建系统执行植物分布构建方法的流程框架；
40.图6是本发明一实施例的专家系统根据用户种植需求推荐植物种植分布图的流程框架；
41.图7是本发明一实施例的球面三角形边的余弦定理示意图；
42.图8是本发明一实施例的太阳位于l点时的天球示意图；
43.图9是本发明一实施例的一定角度下的太阳光照示意图；
44.图10是本发明一实施例的一定角度下的太阳光照射出的昼夜分隔线示意图；
45.图11是本发明一实施例的一天中直射辐射强度的变化情况示意图；
46.图12是本发明一实施例的平均日照量与纬度的关系示意图。
具体实施方式
47.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
48.在本发明的描述中，如果有描述到第一、第二等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
49.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不
是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
50.阳台或房顶是城市中随处可见的小块土地资源，利用阳台或房顶种植植物不仅可以起到美化的作用，还可以起到减少空气污染的作用。随着现代智能控制技术的广泛应用，更是让阳台农业的自动化管理成为现实。目前用户主要是通过经验或喜好选择植物在阳台或房顶的摆放位置，这样存在规划的时间长和种植效率低的缺陷。
51.为了解决上述缺陷，参照图1至图4，本发明的一个实施例，提供了一种基于物联网的植物分布构建方法，本方法包括以下步骤：
52.步骤s101、在阳台的多个位置点分别进行光照采集，得到多组光照数据。本实施例利用光照传感器实现光照的采集，光照传感器的型号为gy-485-44009。步骤s101中的多个位置点为阳台(本实施例以阳台为例，也可以作用于房顶)的四个角落，因阳台的不同位置的光照会发生变化，所以本实施例利用到不同位置的光照变化而设计形成的年光照分布图的准确性更高。
53.步骤s102、将多组光照数据三维插值，得到阳台的空间三维分布值。
54.步骤s103、计算阳台的光照时间，根据阳台的空间三维分布值和阳台的光照时间生成阳台的年光照分布图。
55.参照图2，在一些实施例中，步骤s103具体包括如下步骤：
56.步骤s1031、根据阳台的位置计算太阳高度角。
57.步骤s1032、根据太阳高度角和阳台的经纬度计算阳台的日出日落时间。
58.步骤s1033、根据日出日落时间计算时间间隔，得到阳台的光照时间。
59.步骤s1034、根据光照时间计算阳台的光照量。
60.步骤s1035、根据光照量和阳台的空间三维分布值进行建模推算，得到阳台的年光照分布图，年光照分布图包括四季的光照量分布图和年平均光照量分布图。
61.步骤s104、获取植物生长属性，并根据植物生长属性和阳台的年光照分布图构建专家系统。
62.如图3所示，专家系统是一个基于知识的系统，它利用人类专家提供的专业知识，模拟人类专家的思维过程，解决对人类来说有困难的问题。在一些实施例中，植物生长属性包括但不仅限于植物的适宜光照时长、温度、湿度、二氧化碳浓度、ph值以及密集度。
63.步骤s105、获取用户种植需求，并将用户种植需求输入至专家系统，得到阳台的植物种植分布图。
64.参照图4，在一些实施例中，在用户种植需求包括期望种植的植物和种植习惯的情况下，步骤s105中将用户种植需求输入至专家系统，得到阳台的植物种植分布图，包括步骤：
65.步骤s1051、以最小化种植成本和种植用水水量为策略，将用户种植需求输入至专家系统，得到专家系统推荐的阳台的植物种植分布图。
66.本方法首先在阳台的多个位置点采集得到多组光照数据，利用三维插值公式，计算得到阳台的空间三维分布值(即阳台的空间建模)；然后进一步计算阳台的光照时间，根据阳台的空间三维分布值和阳台的光照时间计算阳台的年光照分布图，实现阳台的三维空间分布图的构建；最后根据阳台的年光照分布图结合植物生长属性共同构建专家系统，利
用专家系统完成对不同用户种植需求的阳台的植物种植分布图。
67.本方法构建的阳台的年光照分布图充分考虑了因时间变化导致不同位置光照量也发生改变这一特性，提高了准确度，且本方法采集多个位置点的光照数据，利用到不同位置的光照变化而设计形成的年光照分布图的准确性更高；本方法结合植物生长属性和阳台的年光照分布图共同构建专家系统，通过专家系统规划出一个合适的植物分布设计图模型，提供给用户，用户根据植物分布设计图进行植物的摆放，相比于用户上网查找植物的种植的相关信息或者根据经验、喜好选择植物在阳台的摆放位置，本方法提供给用户一个简洁方便的方式，能极大减少种植规划的时间，提高种植效率。
68.参照图5，本发明的一个实施例，提供了一种基于物联网的植物分布构建系统，所述系统包括光照传感器、单片机stc89c52、云台服务器和用户端，其中：
69.光照传感器布置在阳台的四个角落，光照传感器用于采集光照数据。光照传感器的型号为gy-485-44009。
70.单片机stc89c52与光照传感器和云台服务器通信连接，单片机stc89c52用于接收并保存来自光照传感器的光照数据，并通过wifi将多组光照数据发送至云台服务器。
71.云台服务器接收单片机stc89c52传输的多组光照数据，将多组光照数据三维插值，得到阳台的空间三维分布值；计算阳台的光照时间，根据阳台的空间三维分布值和阳台的光照时间生成阳台的年光照分布图；获取植物生长属性，并根据植物生长属性和阳台的年光照分布图构建专家系统。
72.用户端用于向专家系统发送用户种植需求，并接收专家系统根据用户种植需求推荐的阳台的植物种植分布图。
73.本系统首先通过光照传感器在阳台的角落位置采集得到多组光照数据；通过云台服务器利用三维插值公式，计算得到阳台的空间三维分布；然后计算阳台的光照时间，根据阳台的空间三维分布和阳台的光照时间计算阳台的年光照分布图，实现了阳台的三维空间分布图的构建；最后根据阳台的年光照分布图构建专家系统，利用专家系统完成对用户端的不同用户种植需求的阳台的植物种植分布图。本系统通过云台服务器构建的年光照分布图充分考虑了因时间变化导致不同位置光照也发生改变这一特性，提高了准确度，而且通过光照传感器采集多个位置点的光照数据，利用到不同位置的光照变化而设计形成的年光照分布图的准确性更高；本系统通过云台服务器结合植物生长属性和阳台的年光照分布图共同构建专家系统，通过专家系统规划出一个合适的植物分布设计图模型，提供给用户，相比于用户上网查找植物的种植的相关信息，本系统提供给用户一个简洁方便的方式，能极大减少种植规划的时间，提高种植效率。
74.需要注意的是，本系统实施例与上述的方法实施例是基于相同的发明构思，因此上述的方法实施例的相关内容同样适用于本系统实施例，此处不再赘述。
75.阳台和房顶是城市中随处可见的小块土地资源，利用阳台和房顶种植植物不仅可以起到美化的作用，还可以起到减少空气污染的作用。随着现代智能控制技术的广泛应用，更是让阳台农业的自动化管理成为现实。但是目前阳台植物的存活率不高，所以市面上需要一个可以智能分析光照、温湿度、植物科学分布、节能节水、用户操作简单的系统帮助阳台农业发展。
76.经过以上叙述，本实施例还采用一具体示例进行说明，提供一种基于物联网的植
物分布构建系统及其实现方法，如图5和图6，本系统包括四个gy-485-44009光照传感器、单片机stc89c52中、云台服务器以及用户端，本方法包括如下步骤：
77.步骤s201、将四个光照传感器gy-485-44009分别放置在阳台的四个角落。这样可以最大程度的接收不同方位的光照情况。
78.步骤s202、光照传感器gy-485-44009将收集得到的光照数据存储在单片机stc89c52中。光照传感器收集得到的光照数据将储存在单片机stc89c52中，单片机stc89c52通过wifi模块将光照数据传输至云台服务器。
79.步骤s203、云台服务器通过485通信来控制传输，先连接电脑串口，提供稳定电源，使wifi模块工作，然后云台服务器连接上wifi，当光照传感器gy-485-44009采集完数据后，保存到单片机stc89c52中，利用wifi模块，再调整好一致的频率后，配合串口进行传输，利用串口调试助手接收数据。
80.步骤s204、云台服务器将光照传感器采集到的光照数据进行三维插值计算，从而得到这个阳台空间的其他三维分布值(即为阳台的空间建模)，然后再利用这个区域的经纬度和太阳高度角计算得到光照时间，之后计算出日照量，对日照量进行建模推算出四季的光照量分布图和年平均光照量分布，最后可以分析出一年的适合光照时间还有不同区域的光照度。
81.其中，太阳高度角的计算的方法包括：
82.如图7，先引入球面三角形边的余弦公式：
83.cosa＝cosb
·
cosc+sinb
·
sinc
·
cosa
84.以球体o为实例解释上述公式。在球体o表面上有任意三点a、b、c，其所对应的弧长记为这三边所对应的圆心角为∠a，∠b，∠c。该公式可理解为a点所对的圆心角的余弦值是b、c点所对的圆心角的余弦值的积加上b、c点所对的圆心角的正弦值乘以球面角∠cab余弦值的积。
85.如图8所示，在此天球中,为天赤道，为某地(φ)太阳周日视运动轨迹(周日圈)。假设此时太阳位于l位置，所对圆心角∠lot即当日直射点的纬度(δ)。
86.z为天顶，连接zl并延长，与地平圈相交于k，zk为地球大圆的1/4，因此，所对圆心角∠lok即为此刻太阳的高度角，记为h。
△
pzl即为天文三角形，是计算天体周日运动问题的重要三角形。
87.因op为地轴，所以∠pon＝φ，即所对的圆心角∠poz＝90
°‑
φ，太阳时角角度t即球面角∠zpl的度数。根据球面
△
pzl中边的余弦公式，视∠zol为∠a，视∠pol为∠b，视∠poz为∠c，可得：
88.cos∠zol＝cos∠pol
·
cos∠poz+sin∠pol
·
sin∠poz
·
cos∠zpl
[0089][0090][0091]
由此就可以计算出太阳高度角h，结合经纬度可以得出日出日落的时间。
[0092]
其中，根据太阳高度角h结合经纬度计算日出日落的时间包括：
[0093]
(1)计算正午时间。一个地方的正午时间，可以通过当地经度与当地所属时区经度的差计算得到。全世界有24个时区，每个时区相隔1小时，因此每个时区之间相差的经度是
360/24＝15
°
。地球是自西向东旋转，因此经度小于时区中心的位置，正午来得比时区中心要晚，正午时间是12:00+时差。
[0094]
(2)计算白天的时长。如图9，一个地方白天的时长，可以由一定角度下的太阳光照射出的昼夜分隔线(图9经过b点的斜线)，切割这个地方的纬线比例得到。纬线一圈是24小时，根据切割比例就可以得出当地的白天时长。
[0095]
如图10所示，太阳以一定角度斜射地球，a地点此刻是正午，白天是b1-a-b2，夜晚是b1-c-b2，因此a点的白天时间为b1-a-b2所占的角度在24小时中的占比。在图10的左图，假设图10中阳光入射角为α，a点的纬度为θ，根据三角函数可得：o
′
b＝o
′
o*tanα＝ao*sinθ*tanα(ao是地球半径)。在图10的右图，是这个纬度截面的平面图:已知o
′
b＝r*sinθ*tanα，o
′
b1是这个纬度截面的圆的半径r
′
，r
′
＝r*cosθ，因此o
′
b1与o
′
b的夹角cosβ＝o
′
b/o
′
b1，这样就能计算出β。最终可以得到：a点的白天角度＝(360-β*2)；a点的白天时间＝a点的白天角度/360*24，为了进行上面这些计算，需要知道a点阳光入射角为α。
[0096]
(3)计算阳光入射角α。阳光入射角α是太阳光线与地球赤道面的夹角，春分和秋分时α＝0，夏至时α＝23
°
27
′
，冬至时α＝-23
°
27
′
。因为1年有365天(暂时忽略闰年的误差)，春分(3月20日)、夏至(6月22日)、秋分(9月20日)、冬至(12月22日)把365天分为4个部分，因此可以根据具体日期，得到这个日期的α。
[0097]
日照量计算方法：
[0098]
(1)根据一年中太阳在天空中位置的公式，可以计算出特定倾斜平面上的最大日照量，它的值是其所在纬度和一年中所在天数的函数。
[0099]
(2)图11给出了一天中直射辐射强度的变化情况，单位为kwh/m2。它表示的是一个跟踪太阳的聚光器在没有云的条件下接收到的功率，图11中的时间为地方太阳时。
[0100]
(3)图12给出了平均日照量与纬度的关系。这三个曲线分别是每日总日照量，水平面接收的日照量和如前文“斜面上的太阳辐射”中所定义的倾斜面上的日照量。每日总日射量在数值上等于一天中的日照小时数。假定该组件面向赤道，因此在北半球面向南，在南半球面向北。赤道两侧的纬度值有正负之分，因此组件的朝向也相反。图中曲线在赤道附近的突变是因为组件朝向发生了翻转。
[0101]
由此可以算出日照时间是日出和日落之间的时间差(sunrise and sunset)：
[0102][0103]
步骤s205、云台服务器将由专家、知识工程师提供专业知识并转换成机器能理解的表达形式推理得到专家知识库，结合综合数据库，其中，包含植物的适宜光照时长、温度、湿度、二氧化碳浓度、ph值、密集度，加上人机交互界面共同组成专家系统。
[0104]
构建专家系统具体实现步骤：
[0105]
由专家、知识工程师提供专业知识并转换成机器能理解的表达形式结合综合数据库，推理得到专家知识库，其中包含植物的适宜光照时长、温度、湿度、二氧化碳浓度、ph值、密集度，构建出来的年平均光照分布图等等。用户可以根据自己的需求选择种植的植物种类或提出希望种植的植物种类，配合自身的种植习惯，由用户端收集用户的需求，之后由专
家知识库分析得出一个合适的植物分布设计图，反馈显示到用户端界面，最后根据分布图种植。专家系统的整体结构图如图3所示。
[0106]
步骤s206、用户根据自己的种植需求选择种植的植物种类或者提出希望种植的植物种类，加上自身的种植习惯，由用户端收集用户所选择的需求，在节约用水和低成本种植的情况下，利用之前已经构建好的专家系统采用最优算法，设计出一个合适的方案，系统就能够构建出一个适合的植物种植分布设计图，如图6所示，由用户端展示给用户，用户可以根据这个种植分布图进行种植。
[0107]
本系统及其方法可以大大减少用户的规划时间提高种植效率。在专家系统中加入年光照分布图为用户发展阳台农业提供了更准确可靠的方案。
[0108]
本系统及其方法构建的年平均光照分布图，先是根据光照传感器收集的光照数据，利用三维插值公式，带入进行数据计算，从而得到这个空间其他的三维分布值，之后结合太阳高度角和经纬度计算得到光照时间，推出四季的光照分布图和年平均光照分布图，然后画出年光照分布图，实现阳台屋顶的三维空间分布图的构建。
[0109]
目前市场上还没有较为完备的关于植物种植的专家系统，本系统及其方法运用了它的专业性特点。根据构建出来的年平均光照分布图，结合由专家提供的关于植物生长适宜光照时长，温度，湿度，二氧化碳浓度，ph值，密集度等因素形成专家知识库，加上人机交互界面一同构成了专家系统。利用物联网技术，通过云台服务器完成专家系统的配置和计算，用户在任意用户端上输入种植需求的指令即可获得对应的植物种植分布设计图，提高了效率。本系统及其方法利用专家系统，结合用户节水或低成本等需求，采用最优算法，最后规划出一个合适的植物分布设计图模型，提供给用户，相比于用户上网查找植物的种植的相关信息，本项目提供给用户一个简洁方便的方式，用户可以根据该植物分布图合理规划植物摆放位置，和放什么植物最合适，大大减少了自身用于规划的时间，使种植效率大大提高。
[0110]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0111]
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。