一种基于物联网的农业大棚调控系统的制作方法

本发明涉及农业种植技术领域，特别是一种基于物联网的农业大棚调控系统。

背景技术：

目前，农业大棚主要用于低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗，大多数农户加温、浇水、施肥、杀虫等，全凭感觉，没有科学依据，且需要人为操作，劳动强度大，而现有智能农业大棚的执行机构功能单一，效率低，且不能根据植物不同生长阶段进行不同的浇水、施肥、光照等调控方式，不利于农作物的生长，产量低下，网络通讯传输原始海量数据，数据采集的实时性、效率低，易造成误操作。

因此，本发明提供一种新的方案来解决此问题。

技术实现要素：

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的在于提供一种基于物联网的农业大棚调控系统，有效解决了现有智能农业大棚的执行机构功能单一，效率低、且不能根据植物不同生长阶段进行不同的调控方式、数据传输效率低的问题。

其解决的技术方案是，包括农业大棚、调控系统、物联网、人机界面，所述调控系统包括呼吸系统、土壤营养分析系统、生长周期定时系统、生长状态采集系统、控制器、喷施一体装置、施肥装置、光照装置、排风装置，所述呼吸系统包括土壤温度子系统、土壤水分子系统、二氧化碳子系统，其特征在于，土壤温度子系统、土壤水分子系统、二氧化碳子系统、土壤营养分析系统、生长周期定时系统、生长状态采集系统对农业大棚内植物的生长环境、状况实时监测，通过系统上配置的4g通讯网络传送给控制器，控制器经加权平均法数据融合处理分析后，通过4g通讯网络控制喷施一体装置、施肥装置、光照装置、排风装置进行自动调控，同时，通过地理信息系统gis、全球定位系统cps以及4g通讯网络组成的3s技术传送到人机界面，人机界面根据监控到农业大棚的实时状态、历史数据建立预测模型，采用时间序列分析法进行预测；

所述喷施一体装置包括分别布置在农业大棚两侧的导轨1、导轨2，两头横跨在导轨1和导轨2上的平移机构，平移机构由电机驱动在导轨上移动，平移机构上侧一端放置有储水箱，所述储水箱包括固定于储水箱内的对称的搅拌桶，搅拌桶下方设有固定于储水箱的底部的框架，搅拌桶内固定有转动轴，转动轴的上端固定有扇叶，搅拌桶上开设有与扇叶等高的通槽转动轴的下端固定有搅拌杆，搅拌桶的下底面为带有圆孔的摩擦板，搅拌桶的上部设有开设于储水箱上的进料口，进料口上设有进料阀储水箱的底部固定有置于两搅拌桶中间的高压水泵，高压水泵上部连接有一端固定于通槽内的连接管，储水箱的左侧开设有进水口，进水口上设有进水阀，进水口通过水管与水泵连接，储水箱出水口通过水管与伸缩管相连，进水口的下端设有固定于储水箱外壁上的透明材质的测量桶，测量桶内设置有水位传感器h1，储水箱底部设有出水口，出水口上设有出水阀、液体密度传感器p1；

所述伸缩管包括外管，外管内设有多平行固定的第一橡皮套，第一橡皮套内安装有万向管，万向管的上端头的管壁内固定有第二橡皮套，万向管的上端头上连接有第一驱动装置，所述第一驱动装置包括固定于万向管的上端头上的带有圆孔的固定管，固定管上端固定有齿条，齿条上啮合有齿轮，齿轮固定有可随伸缩管左右滑动的电机,外管的下端管壁上均布有四个伸出壁，伸出壁上连接有第二驱动装置，万向管的管头间隙固定有移动盘，移动盘经连接装置连接与第二驱动装置，万向管上设有喷头，所述第二驱动装置为第二电机。

由于以上技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有如下优点：

1，喷施一体装置集浇水、施肥融为一体，进水、进肥的量、伸缩管的长度、搅拌的效果、排出阀自动控制，操作方便、效率高；

2，将采集的数据加权平均法数据融合处理分析，控制喷施一体装置、施肥装置、光照装置、排风装置进行不同方式的自动调控，避免了误操作，调控更加可靠，同时为植物提供最佳的生长条件，缩短了生长周期、提高了产量和质量；

3，地理信息系统gis、全球定位系统cps以及4g通讯网络组成的3s技术传送到人机界面，能以地图的形式，直观显示时间、位置、参数的实时状态，采用时间序列分析法结合历史数据建立预测模型，方便用户提前采取措施，及时调控。

附图说明

图1为本发明的农业大棚的结构示意图。

图2为本发明的伸缩管结构图。

图3为本发明的伸出壁结构俯视图。

图4为本发明的储水箱结构图。

图5为本发明的转轴连接扇叶结构图。

图6为本发明的摩擦板结构图。

图7本发明的整体模块图。

图8为本发明的调控系统的模块图。

图9为本发明的生长周期定时系统的电路原理图。

图10为本发明的光照装置的电路控制原理图。

图11为本发明的储水箱的电路控制原理图。

图12为本发明的控制器的电路原理图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1至图12对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。

下面将参照附图描述本发明的各示例性的实施例。

实施例一，一种基于物联网的农业大棚调控系统，包括农业大棚、调控系统、物联网、人机界面，所述调控系统包括呼吸系统、土壤营养分析系统、生长周期定时系统、生长状态采集系统、控制器、喷施一体装置、施肥装置、光照装置、排风装置，所述呼吸系统包括土壤温度子系统、土壤水分子系统、二氧化碳子系统，其特征在于，土壤温度子系统、土壤水分子系统、二氧化碳子系统、土壤营养分析系统、生长周期定时系统、生长状态采集系统对农业大棚内植物的生长环境、状况实时监测，通过系统上配置的4g通讯网络传送给控制器，控制器经加权平均法数据融合处理分析后，通过4g通讯网络控制喷施一体装置、施肥装置、光照装置、排风装置进行自动调控，此外控制器还连接有按键显示屏,用于按键查询、中断操作，显示屏显示实时状态，同时，通过地理信息系统gis、全球定位系统cps以及4g通讯网络组成的3s技术传送到人机界面，能以地图的形式，直观显示时间、位置、参数的实时状态，采用时间序列分析法结合历史数据建立预测模型，方便用户提前采取措施，及时调控；所述喷施一体装置包括分别布置在农业大棚两侧的导轨1、导轨2，两头横跨在导轨1和导轨2上的平移机构，平移机构由电机驱动在导轨上做前后移动，电机驱动移动的速度由控制器控制，平移机构上侧一端放置有储水箱，储水箱包括固定于储水箱内的对称的搅拌桶7，搅拌桶7固定在置于储水箱底部的框架24上，保证搅拌桶7与储水箱底部存在空间，通过凸起环27卡固在环形凹槽28内实现转动轴8的定位作用，并实现转动轴8可在套筒25内转动，转动轴8上端固定得扇叶9环绕在转动轴8上，保证高压水泵13泵出的水能通过连接管14经高压喷头21喷射在扇叶9转动从而带动转动轴8转动，转动轴8的转动带动搅拌杆91转动，搅拌杆91与下部摩擦板11距离保持2到4毫米距离，保证搅拌杆91在满足能够搅拌的同时具有与下方摩擦板11相互摩擦中研磨肥料的效果，摩擦板11上开设的小圆孔满足肥料要达到的直径，实现直径大于要求的肥料不能通过小圆孔，保证肥料被充分地研末搅拌均匀并符合施肥要求，进水口15的下端设有固定于储水箱外壁上的透明材质的测量桶22，测量桶22内设置有水位传感器h1将进水量传送给控制器，控制器控制进水阀的开启、关闭，从而控制进水量，还可以通过测量桶22上的刻度，方便查看注入储水箱的水量，控制器控制进料阀21的肥料量，由扇叶搅拌后，液体密度传感器p1检测是否为符合要求浓度，控制器控制出水阀的开启、关闭；所述伸缩管中第一橡皮套2的直径大于万向管3的直径，保证万向管3可在第一橡皮套2内来回移动，第二橡皮套4不能脱离万向管3的端头，第一橡皮套2在防水的同时还有定位的作用，保证万向管3能伸出任意长度满足实际工作要求，万向管3的端头上链接的驱动装置能驱动万向管3在外管1内来回移动，并保证第二橡皮套4能穿过第一橡皮套2，第二橡皮套4在通过变形穿过第一橡皮套2时第一橡皮套2始终与第二橡皮套4紧密贴合，伸出壁5上的第二驱动装置通过连接装置能控制移动盘6在移动盘6所在的面上朝此片面内任意方向移动，并通过连接装置固定到所移动的位置，通过电机19的正反转驱动齿轮18的正反转，从而带动齿条17上下移动，通过齿条17的移动实现万向管3在外管1内的上下移动。

实施例二，在实施例一的基础上，所述数据融合采用加权平均法进行融合,得出农业大棚状态的最终结果，再通过4g通讯网络传递到人机界面，避免传输原始海量数据，处理掉大量冗余的数据信息，减少网络数据传输量，降低传输拥塞，降低数据传输延迟，减少传输数据冲突碰撞现象，提高了数据采集的及时性、收集效率，其具体步骤如下：

步骤1，根据影响植物的生长因素，分别设置呼吸系统的权重w1为40％、土壤营养分析系统的权重w2为20％、生长周期定时系统的权重w3为10％、生长状态采集系统的权重w4为30％；

步骤2，根据实时呼吸数据x1、土壤营养x2、生长周期定时x3、生长状态采集x4与其所占权重，计算出加权平均值p，

p=（x1×w1+x2×w2+x3×w3+x4×w4）/w1+w2+w3+w4；

步骤3，根据所测加权平均值p与正常加权平均值p0比较，判断有无异常，若超过正负偏差20，则判断结果为异常y1，否则为y0；

步骤4，根据当前的工作状态，计算在单位时间内，累计采集n次所得的加权平均值p之和再除与n所得计算平均值pp；

步骤5，再计算平均值pp与正常加权平均值p0比较，即可确定最终的结果，异常为yy，否则为y，再通过4g通讯网络传递到人机界面，降低了误报率，具有更高的准确性和可信度。

实施例三，在实施例一的基础上，所述转动轴8中间固定有套接在转动轴8上的套筒25，套筒25内设有环形凹槽28，环形凹槽28设有固定于转动轴上的凸起环27，套筒25两侧固定有一端固定于搅拌桶7内壁上的支撑杆16。

实施例四，在实施例一的基础上，所述光照装置用于根据不同植物的不同的生长阶段、生长状态，光照装置的时长、光强等技术参数也会变化，由单片机u2引脚4、引脚5输出的两路pwm脉冲控制，光照时，两路pwm脉冲分别加到三极管q1、三极管q2的基极，在pwm脉冲下降沿三极管q1、二极管d3、电阻r4和三极管q2、二极管d4、电阻r5组成的驱动电路触发饱和导通，从而功率管q3和功率管q4基极电位为高电平，功率管q3和功率管q4导通，直流电压加到变压器t1初级绕组的两端，变压器t1逆变为交流电，由变压器t1次级绕组经整流桥bg1整流为高压、大电流直流脉动电经电解电容c5的正极、电容c6滤波后加到植物生长灯a组、植物生长灯b组的两端，改变pwm脉冲的占空比可改变功率管对变压器的充电时间，进而改变植物生长灯组的光照时间和光强，一般每天持续照射12-16小时。

实施例五，在实施例一的基础上，所述植物生长灯a组为600w红色植物生长灯（红色光能促进植物根茎生长，有助于开花结果和延长花期，起到增加产量作用）和600w蓝色植物生长灯（蓝色光有助于植物光合作用能促进绿叶生长，蛋白质合成），果实形成的比例为8:1，波长为蓝色(470nm)和红色(630nm)的植物生长灯，即4个红色植物生长灯、中间1个蓝色植物生长灯、4个红色植物生长灯串联的灯组，据植物叶片高度1米，每8米放一个；植物生长灯b组同a组，根据农业大棚的面积，可不断并联相同数量的灯高度1组。

实施例六，在实施例一的基础上，所述生长周期定时系统用于在植物生长的关键阶段（种子发芽期、植物根茎叶生长期、植物开花期、植物结果期）发出控制信息给控制器，包括时钟芯片u1，时钟芯片u1的引脚1分别连接晶振y1的引脚2、电容c1一端，时钟芯片u1的引脚2分别连接晶振y1的引脚1、电容c2一端，电容c1和电容c2另一端连接地，时钟芯片u1的引脚4连接地，时钟芯片u1的引脚3连接单片机u2的引脚20，时钟芯片u1的引脚5、引脚6、引脚7分别连接电阻r3一端和单片机u2的引脚1、电阻r2一端和单片机u2的引脚2、电阻r1一端和单片机u2的引脚21，电阻r1另一端、电阻r2另一端、电阻r3另一端均连接电源+5v，时钟芯片u1的引脚8分别连接二极管d2负极、二极管d1负极、接地电容c3一端、接地电解电容c4正极，二极管d2正极连接电源+5v，二极管d1正极连接电池bt1正极，电池bt1负极连接地。

实施例七，在实施例一的基础上，所述喷施一体装置由控制器控制，也可通过按键手动控制，可根据植物的不同生长阶段，采取不同的喷淋方式（喷雾方式、喷叶方式、喷根方式），还可把液肥、植物生长剂、杀虫剂等融入水箱，经搅拌器搅拌均匀后，通过喷洒进行相应操作，箱体内水位传感器h1检测进水、进肥的量转化为电信号由引脚1输出经二极管d5、电解电容c7、电阻r6整流滤波后送到运算放大器ar1的同相输入端，由于运算放大器ar1的反相输入端分别连接运算放大器ar1的输出端，运算放大器ar1为电压跟随器，再经电阻r7、电阻r8转化为适于单片机的工作电压，送到单片机u2的引脚7；所述储水箱进水阀、进肥阀、搅拌电机、排出阀受控制器控制，当施液肥、喷洒生长剂、喷洒杀虫剂时，单片机u2的引脚8输出高电平控制脉冲，经电阻r9连接npn型三极管q5的基极，由于npn型三极管q5的发射极接地，npn型三极管q5饱和导通，npn型三极管q1的集电极电位拉低，从而继电器k1线圈得电，继电器k1常开触点闭合，此时+24v电源加到进料阀j2电源上，进料阀j2开启，进行进液控制，继电器k1的常闭触点连接进水阀j1的引脚1，此时常闭触点断开，此时没有+24v电源加到进料阀j2电源上，进水阀j1关闭，停止进水操作，直到下一个浇水指令，且水位传感器检测储水箱水位不满时，采予以开启，二极管d6反接为续流二极管，保护npn型三极管q5的ce结反向击穿；搅拌由搅拌杆91与下方摩擦板11相互摩擦中研磨肥料，达到快速溶解的效果；排出阀设有体密度传感器p1检测是否为符合要求浓度，排出阀由单片机u2输出的pwm脉冲控制开闭和开度（此为现有技术，故具体控制过程在此不再详述）。

实施例八，在实施例一的基础上，所述呼吸系统包括土壤温度子系统、土壤水分子系统、二氧化碳子系统，土壤温度、水分的高低及二氧化碳浓度与作物的生长发育、肥料的分解和有机物的积聚等有着密切的关系，是重要的环境因子，分别由ha2002土壤温度传感器、fds-100土壤水分传感器、tgs4160二氧化碳传感器实时采集后经调理电路送给控制器（此为现有技术，故具体采集、调理过程在此不再详述），为确保农业大棚内环境均衡性，可采用多个传感器进行多点测量；所述土壤营养分析系统由yn-4000土壤分析仪检测，其操作简单、速度快，可测土壤、肥料、植株中的氮、磷、钾，土壤（肥料）有机质，并将结果送给控制器；所述生长状态采集系统包括摄像头，摄像头连接图像传感器（优选型号为ov7670），图像传感器采集八位红绿蓝格式的植物图像数据，有源晶振（优选型号为24mhz）为图像传感器提供系统时钟，在控制器与图像传感器之间设有缓存器（优选型号为al422b），解决两者之间传输速率不一致而至图像时延的问题，为了自动将图像数据自动从入缓存器还设有与非门芯片（优选型号为74hc00），产生符合缓存要求的写时序，控制器根据接受到的植物图像数据结合呼吸系统采集的数据、土壤营养分析系统数据进行分析，控制喷施一体装置、施肥装置、光照装置排风装置进行自动调控。

实施例九，在实施例一的基础上，所述控制器包括型号为stc15f2k60s2单片机u2，其功耗低、速度快，有三路pwm口，用于接收土壤温度、水分、营养、二氧化碳浓度、植物生长状态等信息，通过内部程序分析，自动调控农业大棚内环境，控制排风装置、喷施一体装置、施肥装置、光照装置作业，设有通讯接口，与互联网连接，单片机u2的引脚14连接电源+5v，单片机u2的引脚16连接地，单片机u2的引脚11、引脚12为时钟端，由晶振y2、电容c8、电容c9外部震荡来提供时钟信号，单片机u2的引脚39、引脚6分别连接程序下载口p1的引脚3、引脚2，程序下载口p1的引脚4连接电源+5v，程序下载口p1的引脚1连接地，用于把电脑上软件程序烧录到单片机u2；通信接口是单片机与人机接口进行通讯的接口电路，本发明采用通用的rs232接口，包括电平转换芯片u3，电解电容e1、e2、e3、e4组成电平转换芯片u3的电荷泵部分，将+5v电源转换为±12v的电源，电平转换芯片u3的引脚11、引脚12分别连接单片机u2的串行发送端引脚19、串行接收端引脚18，电平转换芯片u3的引脚13、引脚14分别连接通讯接口j2的引脚3、引脚2，电平转换芯片u3的引脚16为电源端，经电解电容e5滤除干扰后接电源+5v，电平转换芯片u3的引脚15连接地，通讯接口j3的引脚1连接电源+5v，通讯接口j3的引脚5连接地，通过网络传送过程为现有技术，故具体传送过程在此不再详述。

实施例十，在实施例一的基础上，所述人机界面根据监控到农业大棚的实时状态、历史数据建立预测模型，对未来调控的对象、参数采用时间序列分析法进行预测，表格式通过打印机打印出来，可设置警报临界值，超过临界值产生警报，通知作业员处理，时间序列分析法是一种动态数据处理的统计方法，步骤为：1，根据监控到农业大棚的实时状态数据得到时间序列动态数,2，根据动态数据作变化的趋势和周期图3，预测到过程要偏离目标时，便可进行必要的控制。

本发明在使用时，型号为stc15f2k60s2单片机u2为核心的控制器预先内部植入程序，上电系统初始化，程序扫描，检测到以下任一值有效时一、呼吸系统中土壤温度传感器（ha2002）、土壤水分传感器（fds-100）、二氧化碳传感器（tgs4160）在植物生长关键阶段内，采集的农业大棚内植物的生长环境参数是否超出阈值，发出控制信息给单片机；二、土壤营养分析系统由yn-4000土壤分析仪检测土壤、肥料、植株中的氮、磷、钾，土壤（肥料）有机质，并将所测结果送给单片机；三、生长状态采集系统中图像传感器（ov7670）将摄像头拍摄的植物生长状态转化为植物图像数据实时传输给单片机；四、生长周期定时系统是否发出植物生长关键阶段（种子发芽期、植物根茎叶生长期、植物开花期、植物结果期）的控制信息给单片机；单片机经加权平均法数据融合处理分析，输出控制指令控制喷施一体装置、施肥装置、光照装置、排风装置进行自动调控，通过地理信息系统gis、全球定位系统cps以及4g通讯网络组成的3s技术传送到人机界面，能以地图的形式，直观显示时间、位置、参数的实时状态，采用时间序列分析法结合历史数据建立预测模型，方便用户提前采取措施，及时调控，具体为当检测植物需要浇水时，单片机控制伸缩管上第一驱动装置和伸出壁上连接的第二驱动装置调节好万向管伸出的长度与角度打开喷头实施喷水，单片机控制高压泵将水抽入储水箱，排出阀由单片机u2输出的pwm脉冲控制开闭和开度，由单片机控制电机驱动平移机构在导轨上做移动，进而喷淋整个大棚，速度快，效率高；当检测植物需要光照时，光照装置根据不同植物的不同的生长阶段、生长状态，调整光照的时长、光强等技术参数，用每天持续照射12-16小时可完全替代阳光；当检测植物需要施肥时，可开启施肥装置（多用于不易溶解的固体施肥，此为现有技术）或采用把液肥或植物生长剂和水按比例融入水箱，经搅拌桶搅拌均匀后，单片机控制伸缩管上第一驱动装置和伸出壁上连接的第二驱动装置调节好万向管伸出的长度与角度打开喷头进行喷淋施肥，还可把杀虫剂和水按比例融入水箱，经搅拌桶搅拌均匀后进行杀虫操作；当检测植物需要排风时，排风装置开启。

以上所述是结合具体实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施仅局限于此；对于本发明所属及相关技术领域的技术人员来说，在基于本发明技术方案思路前提下，所作的拓展以及操作方法、数据的替换，都应当落在本发明保护范围之内。