一种家用蔬菜栽培设备的制作方法

一种家用蔬菜栽培设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种家用蔬菜栽培设备，包括发面区、发豆芽区、蔬菜种植区以及控制系统：发豆芽区设置有湿度传感器、湿度调节装置、水循环装置；蔬菜种植区内设置有湿度传感器、湿度传感器、光照传感器、CO2传感器、CO2浓度调节装置、光照调节装置、营养液循环装置；发面区、发豆芽区、蔬菜种植区还均设置有温度传感器、温度调节装置。本发明在现有其它微型植物工厂已有功能的基础上加进了全自动发面，发豆芽的功能，而且生菜、发面、发豆芽可以同时进行，互不干扰。满足人们在日常生活中对这些无污染、纯绿色食品的需求，它在方便省钱的同时，更重要的是满足了人们对健康的要求。
【专利说明】一种家用蔬菜栽培设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及植物栽培领域，具体涉及一种家用蔬菜栽培设备。
【背景技术】
[0002]进入21世纪，世界农业的发展正面临着人口增长、资源短缺、环境恶化和自然灾害频繁的严峻挑战，而在我国随着食品安全，环境污染等问题的出现，人们对食品的安全要求越来越高，无污染、纯绿色食品越来越受到人们的青睐。随着计算机物联网技术、传感器技术等的发展，植物工厂技术也在快速发展，随着植物工厂研究的深入，人们对植物工厂的内涵、分类方法及其基本特征等逐渐取得共识，为植物工厂的研究和发展奠定了基础。植物工厂的分类，因分类的角度不同，类型划分也各异。按照植物生长中最重要的条件一光能的利用方式来划分，共有3大类型，即太阳光利用型、人工光利用型、太阳光和人工光并用型。植物工厂在向工厂化发展的同时，也在向着微型化发展，即家庭植物工厂，从21世纪初开始，微型植物工厂已在世界许多国家得到广泛应用，如美国、日本等，微型植物工厂已进入产业化阶段，已形成产出一体化链条。微型植物工厂是小型化的植物工厂，它是将植物工厂的技术进一步浓缩，集成在一个密闭的环境里，人们可以通过智能自动控制系统控制植物的生长环境，为作物提供适宜的光照、温度、湿度环境，以及合理比例的营养液。
[0003]在我国北方，大多数家庭都离不开面食，豆芽和小菜(如小白菜、生菜、油菜等)也是家常便菜。因此 可以提供一种家用多功能微型植物工厂，用于满足人们在日常生活中对这些无污染、纯绿色食品的需求，在方便省钱的同时，也满足人们对健康的要求。

【发明内容】

[0004]本发明的目的在于提供一种家用蔬菜栽培设备，其可满足我国北方家庭对面食、豆芽和小菜的需求，满足未来城市家庭生活的需要。
[0005]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0006]一种家用蔬菜栽培设备，其特征在于，包括发面区、发豆芽区以及蔬菜种植区；发豆芽区设置有对该单元湿度进行检测和调节的湿度传感器、湿度调节装置以及为发豆芽提供新鲜水源的水循环装置；蔬菜种植区设置有对该单元湿度、CO2浓度、光照进行检测和调节的湿度传感器、湿度传感器、光照传感器、CO2传感器、CO2浓度调节装置、光照调节装置，以及为蔬菜种植提供养分的营养液循环装置；发面区、发豆芽区、蔬菜种植区均设置有对各自单元的温度进行检测和调节的温度传感器、温度调节装置；该植物栽培设备还包括一控制系统，控制系统接受温、湿度传感器、光照传感器、CO2传感器输入的信号和操作人员的操作命令进行分析处理、并相应调控湿度调节装置、CO2浓度调节装置、温度调节装置、光照调节装置、水循环装置和营养液循环装置进行运转。控制系统为嵌入式Iinux操作系统。
[0007]温度调节装置包括进行升温的发热装置以及降温的风扇，湿度调节装置、CO2浓度调节装置均为排气扇构成，发热装置为发热灯。
[0008]光照调节装置为间隔布置的红、蓝两色LED灯板构成，红色LED灯板与色LED灯板按照8~9:I的比例在蔬菜种植区内设置。
[0009]控制系统包括一对各传感器测定的信号进行显示以及供操作人员输入操作命令的LCD触摸显示屏，控制系统内设有储存有各种蔬菜种植的最佳栽培条件参数的数据库，控制系统依据操作人员输入的种植的蔬菜种类调取数据库内相应参数并控制蔬菜种植区内的营养液循环装置、湿度调节装置、CO2浓度调节装置、温度调节装置和光照调节装置进行相应的调节。
[0010]水循环装置包括水槽和水池，水槽上设置用于发豆芽的豆芽筐，水槽的进水口和出水口分别通过两连接管以及两连接管上分别设置的水泵与水池构成循环水路连接。
[0011]蔬菜种植区由复合板材围合而成，复合板材的外层由亚克力板构成、内层由硅酸铝棉做成的保温板构成，保温板的内表面贴有锡纸；发面区和发豆芽区均用亚克力板围合--? 。 [0012]本发明在现有其它微型植物工厂已有功能的基础上加进了全自动发面，发豆芽的功能，而且生菜、发面、发豆芽可以同时进行，互不干扰。满足人们在日常生活中对这些无污染、纯绿色食品的需求，它在方便省钱的同时，更重要的是满足了人们对健康的要求。家用多功能微型植物工厂适于家庭使用，能够满足未来城市家庭生活的需要。
【专利附图】

【附图说明】
[0013]图1为本发明结构示意图；
[0014]图2为本发明中系统硬件基础平台体系示意图；
[0015]图3为本发明中温度传感器电路图；
[0016]图4为本发明中CO2传感器电路图；
[0017]图5为本发明中加热灯和风扇电路图；
[0018]图6为本发明中水循环电路图；
[0019]图7_1为本发明中发面控制流程图；
[0020]图7-2为本发明中发豆芽控制流程图；
[0021]图7-3为本发明中蔬菜种植控制流程图；
[0022]图8为本发明温度传感器采集数据时序图；
[0023]图9为本发明中温、湿度测试图；
[0024]图10为本发明控制系统模块关系图；
[0025]图11-1为嵌入式web Server应用程序开发的网页首页页面；
[0026]图11-2为嵌入式web Server应用程序开发的网页种菜页面；
[0027]图11-3为嵌入式web Server应用程序开发的网页数据显示页面；
[0028]图11-4为嵌入式web Server应用程序开发的网页营养液控制页面；
[0029]图11-4为嵌入式web Server应用程序开发的网页数据设置页面。
【具体实施方式】
[0030]为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。[0031]本发明提供的家用蔬菜栽培设备(以下称为家用多功能微型植物工厂)从功能角度出发可以分为三个生产方面，即发面、发豆芽和种菜。工厂的总体设计如图1所示，其中，植物栽培单元、营养液循环单元、电气控制单元、环境控制单元均位于密闭壳体内部；栽培单元包括蔬菜种植区、发面区、发豆芽区，包含多层栽培床箱；营养液循环单元内部包括底层营养液箱与自动控制系统相连接；核心控制单元包括温度控制设备、湿度控制设备、二氧化碳控制设备、光照控制设备；用户界面即人机交互界面；环境控制单元包括发热装置即加热管，微型内外循环风扇设备及水循环设备。本发明设计的家用多功能微型植物工厂目前采用的是有线连接网络，可以在网络上控制工厂中的各部分功能参数。
[0032]1、核心控制器部分的实现
[0033]家用多功能微型植物工厂蔬菜种植区采用了嵌入式Iinux操作系统来作为控制系统，该系统稳定可靠。该系统支持QT等友好界面。该系统的核心是由S3C2440控制器、DM9000网卡、以及存储器和触摸屏构成。系统是主要用了温湿度传感器采集设施内的温度和湿度，并与系统中所给的最佳值作比较。对于发面和生豆芽单元最佳值是由系统默认同时也支持人工设定，对于蔬菜的种植最佳值是保存到SQLite数据库中的。为了实现家用微型植物工厂内的生产控制，工厂内部的控制系统必须具备数据采集、存储管理、分析处理、自动控制及信息发布的功能。为了能够准确的测量工厂里环境的各个参数，加入了温度传感器，湿度传感器，CO2传感器、光照传感器。用传感器采集的数据达到精确的控制。在发面区，外层用亚克力板做成的，该单元内设置温湿度传感器、发热灯组成。温度传感器通过驱动电路向开放板传输数据，开放板通过程序限定一个标准温度范围，当发面室温度超出标准范围时控制风扇转动降温，如果低于标准温度范围启动发热灯提升发面室温度。从而可以动态的控制发面室的温度恒定。
[0034]发豆芽单元外壳是用亚克力板做成的，该单元内设置豆芽筐、风扇和水循环装置以及温、湿度传感器。在 温度控制方面同发面区是相同的，水循环控制方面，利用开发板程序控制驱动自吸水泵对发豆芽区水的循环进行调节，程序设定定时控制换水功能，在这一区配配备水循环装置是必要的，豆芽在生长的过程中，由于需要呼吸作用释放出热量可能会造成局部温度高，使得豆芽腐烂。为了防止这种情况的发生，需要对水进行定期的自动循环。这样就可以保证设施内豆芽生长的环境参数，还能保证豆芽局部的温度是恒定的。
[0035]蔬菜种植区外壳是用亚克力板做成的，内层是用硅酸铝棉做成的保温层，以保证栽培的温湿度环境和外界隔离，里面贴有锡纸，蔬菜种植区内主要用到的传感器是温、湿度传感器和CO2传感器。在温度控制方面同发面区是相同的，CO2的控制，利用开放板通过驱动电路与CO2传感器连接，实时采集种菜室内CO2浓度数据，设定标准CO2浓度值，通过风扇控制CO2浓度。在光照控制方面，采用红蓝两色LED光照灯对菜室供光。用LED灯板给植物进行光照，LED灯板以红灯为主，中间按一定距离均匀分布着蓝灯，比例大概为8: I到9: I。LED连接驱动电路继电器上，开放板通过输入/输出口控制继电器从而控制光照强度，用户界面可以设定光照时间。在营养液循环控制方面，利用开放板控制与驱动电路连接的水泵后，用户界面可以控制和设定换液时间。核心控制器分别读取温度传感器、湿度传感器及CO2传感器、光照传感器监测的数据，经过所述核心控制器控制相应程序处理执行人机界面的交互动作，用于调节壳体内部温度、湿度、CO2的浓度及光照强度。
[0036]2、各部分所需设备及功能实现[0037]为了实现智能控制与人工控制相结合，为了实现多线程运作，为了给用户一个良好的界面。本文使用嵌入式Linux开发模式。
[0038]2.1硬件设备
[0039]在硬件方面采用如图2所示的结构模式；
[0040]硬件核心是以三星公司的S3C2440处理器为核心，此微处理器是一款由Samsung半导体公司推出的高性能、低功耗、高集成度并具有工业级温度范围和性能的微处理器经过工业级EMC测试，同时具有工业级温度范围、主频高达533MHz、具有数字摄像头接口、更低的内核电压、支持更多分辨率液晶屏等优点。
[0041]处理器外围接有人机交互模块、存储器模块、时钟模块、电源等。人机交互模块主要是通过LCD触摸屏的响应向系统发出不同的用户请求，然后通过LCD液晶屏直观的把数据等显示给用户。
[0042]存储器是由SDRAM和FLASH构成的，SDRAM构建的是内存环境，采用2片4BanksX4MbitsX16bits SDRAM，共64MB ;可扩展至128MB。FLASH构建的是存储介质，采用的是 Nandflash:256MX8bits Nandflash(K9F2G08)和 Norflash:4MB.支持 128 或更高。
[0043]时钟模块采用的是12MHz系统外部时钟源；32.768KHz的RT时钟源。
[0044]电源支持3.3V或5V电压(设计可选)供电。
[0045]温度传感器和湿度传感器合在一起采用的是DHTlI，DHTll数字温度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，有四个引脚分别为VDD (供电3.5-5.5V DC) ；DATA(串行数据，单总线)；NC(空脚)；GND(接地，电源负极)，如图3所示，引脚与一个高性能8位单片机相连接，微处理器读取DHTll的数据的步骤:
[0046]DHTll上电后(DHT11上电后要等待IS以越过不稳定状态在此期间不能发送任何指令)，测试环境温湿度数据，并记录数据，同时DHTll的DATA数据线由上拉电阻拉高一直保持高电平；此时DHTll的DATA引脚处于输入状态，时刻检测外部信号。
[0047]微处理器的I/O设置为输出同时输出低电平，且低电平保持时间不能小于18ms，然后微处理器的I/O设置为输入状态，由于上拉电阻,微处理器的I/O即DHTll的DATA数据线也随之变高，等待DHT11作出回答信号，发送信号。
[0048]DHTll的DATA引脚检测到外部信号有低电平时，等待外部信号低电平结束，延迟后DHTll的DATA引脚处于输出状态，输出80微秒的低电平作为应答信号，紧接着输出80微秒的高电平通知外设准备接收数据，微处理器的I/O此时处于输入状态，检测到I/O有低电平(DHT11回应信号)后，等待80微秒的高电平后的数据接收。
[0049]由DHTll的DATA引脚输出40位数据，微处理器根据I/O电平的变化接收40位数据，位数据“O”的格式为:50微秒的低电平和26-28微秒的高电平，位数据“I”的格式为50微秒的低电平加70微秒的高电平。
[0050]结束信号=DHTll的DATA引脚输出40位数据后，继续输出低电平50微秒后转为输入状态，由于 上拉电阻随之变为高电平。但DHTll内部重测环境温湿度数据，开记录数据，等待外部信号的到来。
[0051]CO2传感器采用MG811来反馈C02的浓度，该传感器是模拟量输出的传感器。可以用于家庭、环境的二氧化碳探测装置。适宜于二氧化碳浓度的探测，二氧化碳气体敏感元件测试浓度范围:OtolOOOOppm。其电路图如图4所示。
[0052]外部响应器件由电风扇、加热灯组成，加热灯和风扇的原理是相同的电路如图5所示:(这个电路图既可以表示风扇也可以表示加热灯的控制图中的N既是用电器，可以代表以上两种电器)。当该电路作为加热灯控制电路的时候，CTRL端接到核心板的GPIO(General Purpose Input Output)当该电路作为风扇的电路时，CTRL端需要接到核心板的GP10。该电路通过DHTll传感器反馈电路做出反应。在家用多功能微型植物工厂中，加热灯和风扇的控制电路都会被LinuuX驱动程序所操作，通过Linux内核抽象成为设备文件。其原理如下:在Linuux操作系统中包括底区的硬件，一切皆文件，当应用程序需要通SreadO函数读取温度的时候，系统将调用驱动函数读取温湿度数据，DHTll从环境中获取到温度和湿度，通过二进制数值传递给驱动程序，驱动程序将传入得数值转换成十进制的数据。该数据与程序中设定的最佳的温湿度作比较。这里假设最佳的温度值是M度。当传入的数据小于M度减2度，应用程序将会往Linux操作系统的加热灯所对应的设备文件中写入I，通过驱动程序，实际上就是设置控制加热灯所对应的GPIO引脚为高电平，就会让CTRL所连接的继电器吸合，从而使得加热管开 始工作。同理，当发豆芽区内的湿度大于了(M+5) % (假设M是最佳的湿度值)，应用程序将会把反馈电路反馈的湿度值与最佳的湿度值作比较，系统调用write O函数往风扇所对应的设备文件中写1，即把风扇所对应的CTRL引脚值变为高电平，这样就使得CTRL所连接的继电器吸合，从而使得风扇开始工作，反之亦然。
[0053]水循环装置，水循环装置是由水槽和两个微型水泵所构成的，一个水泵是往生豆芽单元域泵水的另一个水泵则是往水槽泵水的。电路图和控制加热灯和风扇的电路图是类似的，如图6所示。这里的CTRL端接核心板的GPIO引脚。应用程序采用的是定时的方式来控制水的循环，当所设定的循环时间一到应用程序会往控制水循环的微型水泵所对应的设备文件中写入1，通过驱动程序，设置引脚电平的高低来控制水泵的工作与停止。
[0054]2.2软件实现
[0055]在软件方面采用最小的嵌入式Linux系统的软件平台，此平台需要通过三部分组成，引导程序、内核镜像、文件系统。系统上电后，首先执行引导程序；然后由引导程序调用内核来启动内核，实现对系统硬件的检测和驱动，接着挂载文件系统，运行应用程序，每部分功能实现流程图如图7所示。
[0056]1、引导程序，采用的是U-Boot (Universal Boot Loader)源码来实现，是遵循GPL(General Public License)条款的开放源码项目，不少U-Boot源码就是相应的Linux内核源程序的简化，尤其是一些设备的驱动程序，这从U-Boot源码的注释中能体现这一点。在实现引导程序的过程中，需要实现交叉编译环境的建立和U-Boot的移植，其中交叉编译是由一台机器编译生成在另一台机器上执行的可执行程序。也就是说在主机上安装交叉编译工具链，在主机中进行交叉编译，然后在目标机的平台上运行的代码。之所以采用交叉编译是因为，多数嵌入式目标系统不能提供足够的资源供编译过程，因而只好把编译的工作交给高性能的主机进行。交叉编译为软件在不同平台移植创造了有利的条件。
[0057]2、本文使用的交叉编译工具链是arm-1 inux-gcc-4.5.1它默认采用armv6指令集，支持硬浮点运算，实现步骤如下:[0058]Stepl:解压 arm-linux-gcc_4.5.1-ν6_20101103.tgz
[0059]#tar xvzf arm-1inux-gcc-4.5.1-ν6_20101103.tgz_C/
[0060]St印2:配置环境变量
[0061]#echo “PATH = /arm-1 inux-gcc-4.5.1/bin:$PATH” > > /etc/profile
[0062]Setp3:使得配置的环境变量生效
[0063]#source/etc/profile
[0064]Setp4:测试
[0065]#arm-linux-gcc-V
[0066]U-Boot的移植具体实现步骤如下:
[0067]Stepl:解压u-boot到工作目录下
[0068]Step2:使用patch命令对u_boot进行打补丁
[0069]Step3:执行 make ARCH = arm(指定体系结构)
[0070]CR0SS_C0MPIL E = arm-1 inux-gcc (指定交叉编译工具链)
[0071]Step4:利用j_link v8把编译生成的u_boot.bin文件烧写到arm开发板中去。
[0072]2、内核镜像，采用的是嵌入式Linux内核，并对其进行裁剪和移植。Linux内核功能结构完善，而且集成了主流的大多部分硬件的驱动程序，有了 Iinux内核的支持，这会使得整个家用多功能微型植物工厂的系统更加稳定，而且网络功能强大，在后续的开发过程中本工厂很有可能加入wifi来控制工厂的终端设备。目前发布的标准的Linux内核相对于资源还受限的嵌入式系统来说体积过于庞大，根据嵌入式的定义软硬件可裁剪，我们需要对内核中我们不用的模块或者是选项舍弃。内核裁剪配置的主要选项如表1所示。
[0073]裁剪完了内核，我们要修改内核根目录下的Makefile文件，改变为ARCH =armCR0SS_C0MP ILE = arm-1 inux-gcc,执行 make z Image 来编译内核。
[0074]表1内核裁剪配置的主要选项
[0075]
【权利要求】
1.一种家用蔬菜栽培设备，其特征在于，包括发面区、发豆芽区以及蔬菜种植区；发豆芽区设置有对该单元湿度进行检测和调节的湿度传感器、湿度调节装置以及为发豆芽提供新鲜水源的水循环装置；蔬菜种植区设置有对该单元湿度、CO2浓度、光照进行检测和调节的湿度传感器、湿度传感器、光照传感器、CO2传感器、CO2浓度调节装置、光照调节装置，以及为蔬菜种植提供养分的营养液循环装置；发面区、发豆芽区、蔬菜种植区均设置有对各自单元的温度进行检测和调节的温度传感器、温度调节装置；该植物栽培设备还包括一控制系统，控制系统接受温、湿度传感器、光照传感器、CO2传感器输入的信号和操作人员的操作命令进行分析处理、并相应调控湿度调节装置、CO2浓度调节装置、温度调节装置、光照调节装置、水循环装置和营养液循环装置进行运转。
2.如权利要求1所述的家用蔬菜栽培设备，其特征在于:控制系统为嵌入式Iinux操作系统。
3.如权利要求1所述的家用蔬菜栽培设备，其特征在于:温度调节装置包括进行升温的发热装置以及降温的风扇，湿度调节装置、CO2浓度调节装置均为排气扇构成，发热装置为发热灯。
4.如权利要求1所述的家用蔬菜栽培设备，其特征在于:光照调节装置为间隔布置的红、蓝两色LED灯板构成，红色LED灯板与色LED灯板按照8~9: I的比例在蔬菜种植区内设置。
5.如权利要求1所述的家用蔬菜栽培设备，其特征在于:控制系统包括一对各传感器测定的信号进行显示以及供操作人员输入操作命令的LCD触摸显示屏，控制系统内设有储存有各种蔬菜种植的最佳栽培条件参数的数据库，控制系统依据操作人员输入的种植的蔬菜种类调取数据库内相应参数并 控制蔬菜种植区内的营养液循环装置、湿度调节装置、CO2浓度调节装置、温度调节装置和光照调节装置进行相应的调节。
6.如权利要求1所述的家用蔬菜栽培设备，其特征在于:水循环装置包括水槽和水池，水槽上设置用于发豆芽的豆芽筐，水槽的进水口和出水口分别通过两连接管以及两连接管上分别设置的水泵与水池构成循环水路连接。
7.如权利要求1所述的家用蔬菜栽培设备，其特征在于:蔬菜种植区由复合板材围合而成，复合板材的外层由亚克力板构成、内层由硅酸铝棉做成的保温板构成，保温板的内表面贴有锡纸；发面区和发豆芽区均用亚克力板围合而成。
【文档编号】A01G31/02GK103988771SQ201310703114
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2013年12月12日
【发明者】于合龙, 管伟东, 丁民权, 陈静 申请人:吉林农业大学