基于多传感器信息融合的远程菜窖环境智能监控系统的制作方法

本发明属于智能监控系统技术领域，特别是一种基于多传感器信息融合的远程菜窖环境智能监控系统。

背景技术：

目前，随着人民生活水平的不断提高，人们对冬季菜选择的品味越来越高，虽然有了蔬菜大棚技术，但是对于北方大部分地区来说，还是不能满足冬天对于蔬菜的需要，而对于冬储大白菜、萝卜、土豆、包菜、大葱等廉价、无公害，且营养价值高的蔬菜还是具有重要意义，特别是对于北方地区部队来说冬季必须要做好蔬菜的冬储冬备工作，保证冬季蔬菜供应，才能保障好部队的战备和训练，冬天的蔬菜储存工作是北方寒区冬季的一项重要的战备任务。对于冬季蔬菜储藏来说在北方目前还是以使用传统的地下菜窖为主要手段，特别是对于处于寒带地区的部队，还是大量的采用传统的地下菜窖来储存蔬菜。

菜窖内温度、湿度必须控制在一定的范围，储存的蔬菜品种才能正常保存，二氧化碳等有害气体的浓度也需要在人员进入菜窖之前进行检测，以避免二氧化碳浓度较高使进入人员产生窒息中毒。因此有必要对菜窖内的温度、湿度以及二氧化碳浓度等进行检测控制，以达到安全长期储存蔬菜的要求。

在北方，特别是新疆和东北地区，冬季外界温度为- 20至-30摄氏度且空气干燥，地下菜窖一般埋深三到五米，温度在10摄氏度左右，空气潮湿，传统地下菜窖一般依靠人工通过用温湿度计来查看菜窖温湿度，再通过手动启动排风设备进行内外界空气对流，来调节菜窖温湿度，以达到良好的保存蔬菜的目的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：目前应用于冷冻和冷藏的技术主要有冷库中的温度控制系统和气调保鲜库两种方式。

冷库中温度一般在零下十度以下，不需要精确地温度控制。目前冷库中使用最多的是单点温度控制系统，通过冷库内温度传感器测量温度上报给温度控制器，温控器根据设定的温度值来判断打开还是关闭制冷机工作；这种温度控制方式大多是应用在冷库之中，需要的温控精度不高的场合；

这种温控系统不能实现远程监控，温度控制精度不高，且只能检测一个固定点的温度，对于面积较大的菜窖（如某部菜窖蔬菜存储间使用面积为290平方米），整个菜窖温度是不均匀的，进风口温度高，出风口温度低，这种温控系统不能很好的控制菜窖内的温度；而对于湿度和二氧化碳的检测和控制，目前储存蔬菜和水果的冷库中还没有使用；这种方式适合于冷库等粗放式管理储存方式，不适用于精细化管理的菜窖。

气调保鲜库是一种全密封式冷库，通过调节库内温度、湿度、二氧化碳、乙烯浓度等环境参数达到水果长期保鲜，其温湿度控制与冷库控制基本相同，其内部有气体检测控制设备主要有：制氮机、二氧化碳脱除机、乙烯脱除机等；

气调库设备造价高，一般的气调库系统造价均在几十万，且气调库需要全密封环境，人员一般很少进出；由于气调保鲜库造价太高（根据储存量大小价格高低不同，大多数造价达到几十万），目前这种同时检测温湿度及二氧化碳浓度的保鲜库大多应用于昂贵的水果储存领域；这种技术根本不适用于地下菜窖的大量的蔬菜保管；

为克服现有技术的缺点，提供一种基于多传感器信息融合的远程菜窖环境智能监控系统，本发明研究的系统通过智能传感器监测菜窖温湿度以及二氧化碳浓度，并根据不同蔬菜种类所需要的储存环境不同来自动通过空气对流的形式，调节蔬菜储存温度和湿度，并将采集温湿度大数据与蔬菜储存情况进行记录对比，修正菜窖储存蔬菜的温湿度和二氧化碳值，以达到精细化储存蔬菜的目的。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种基于多传感器信息融合的远程菜窖环境智能监控系统，包括服务器，服务器连接主控制器，主控制器分别连接环境设备控制器和智能节点，环境设备控制器连接环境设备，智能节点还连接传感器；

传感器检测菜窖内环境状态得出环境参数，并将环境参数传送至智能节点，智能节点计算出环境参数的平均值，并将平均值发送至主控制器，服务器内存储有预先设置好的环境参数阈值，主控制器从服务器中提取环境参数阈值，并将接收到的平均值与环境参数阈值范围进行比对，通过比对结果判断环境状态是否需要调整，若需要调整则由主控制器发送命令信息到环境设备控制器，环境设备控制器根据命令信息对应的控制指令自动控制环境设备的工作或停止，或通过手动控制环境设备的工作或停止；智能节点采集的环境参数平均值可存储在主控制器中或服务器中；

菜窖内还安装有摄像头，摄像头连接服务器并将视频信息存储在服务器内；

服务器连接控制终端，控制终端可调用、查看服务器内存储的环境参数平均值及视频信息；

控制终端可远程发送控制命令至服务器，由服务器将该控制命令传输给主控制器，主控制器根据控制命令对应的指令自动控制环境设备的工作或停止，直至环境参数平均值在预设值的阈值范围内。

优选地，环境设备包括排风机或加湿器。

优选地，主控制器上设有LED触控显示屏，用于显示环境参数的平均值，以及用于触摸控制环境设备。

优选地，智能节点采用加权平滑算法计算环境参数的平均值。

优选地，控制终端为PC、PAD或智能手机。

优选地，服务器与控制终端采用有线或无线连接，若采用无线连接，则无线连接方法包括网络连接。

优选地，智能节点将采集到的环境参数的数据通过485现场总线技术上传给主控制器。

优选地，智能节点采集的环境参数包括湿度、温度或二氧化碳浓度。

本发明还提供一种基于多传感器信息融合的远程菜窖环境智能监控系统的应用方法，包括如下具体步骤：

（一）在菜窖内设置多个监测点安装传感器和摄像头，不间断测量各个监测点的温度、湿度和二氧化碳浓度，并通过智能节点将测得的数据采用加权平滑算法计算出平均值，即平均温度、平均湿度和平均二氧化碳浓度值；

（二）值班室内的LED触控显示屏上实时显示各个菜窖内的温度、湿度和二氧化碳浓度的平均值，并预先设置各个菜窖内所储存的蔬菜需要的环境参数阈值范围，可以手动控制各个环境设备工作或停止，同时显示各个环境设备相应的工作状态，以及实时显示经手动调整后各个菜窖内的温度、湿度和二氧化碳浓度的平均值，并可以通过LED触控显示屏的操作界面设置自动控制的环境参数阈值；

（三）根据检测计算得到的各个菜窖内的温度、湿度和二氧化碳浓度的平均值，通过主控制器与预先设定的并存储在主控制器或服务器中的各个菜窖的环境参数阈值进行对比，主控制器自动控制相对应的环境设备工作或停止，对菜窖环境进行动态调控，使菜窖内的温度、湿度及二氧化碳浓度的平均值保持在设定的阈值范围之内；

（四）服务器通过网络与主控制器连接，主控制器实时上传监测到的环境参数数据给服务器，工作人员可通过控制终端在值班室以外的地方随时查看调用存储在服务器中的环境参数数据，包括温度、湿度和二氧化碳浓度的平均值，并同时可通过安装在菜窖内的摄像头查看菜窖内部的情况。

前述基于多传感器信息融合的远程菜窖环境智能监控系统不依赖于服务器，可在不开启服务器的情况下，由带有LED触控显示屏的主控制器独立工作，实现温、湿度及二氧化碳浓度的动态控制。

本发明的有益效果是：

为实现集中菜窖内环境的职能监测控制，本发明采用智能节点配合多传感器融合技术进行环境检测，将采集到的参数数据通过485现场总线技术上传给带有触摸屏的主控制器，由主控制器针对个房间所储存蔬菜的不同要求，对各个房间内的环境参数进行分析，基于各个房间预设的温湿度阈值，采用模糊控制的方法，通过光电隔离系统控制相应的排风机以及加湿器工作，对菜窖内的环境进行智能动态调节，从而实现对菜窖内各个功能房间的环境进行智能控制，也可通过触摸屏对菜窖内的各种设备进行手动控制；

本发明设计的系统通过计算机网络连接服务器中的菜窖环境智能监控软件，监控菜窖内的环境情况和控制菜窖内的设备工作，并可以通过视频系统查看蔬菜的储存情况和菜窖内的情况，实现在办公室内就可以对菜窖环境和蔬菜储存情况进行实时监控；可以实现远程实时监测菜窖内各个功能房间的温度、湿度及二氧化碳浓度情况，以及各个排风机和加湿器的工作状态；同时可手动控制排风机和加湿器工作和停止；以及可设定各个功能房间储存蔬菜所需要的温湿度控制阈值；并且可长期记录存储菜窖的温湿度及二氧化碳数据，并能够查看各个参数的变化曲线，可记录整个菜窖内各个房间的环境参数信息大数据，菜窖管理人员可以通过系统所记录的菜窖内的环境数据，对比蔬菜的储存质量从而结合大数据信息得到蔬菜储存的最佳温湿度值；最后还能够通过菜窖内部的摄像头，采用视频的方式监控菜窖内部的情况。

附图说明

图1为本发明系统的整体原理框图；

图2为菜窖内的智能节点与传感器连接框图；

图3为实施例菜窖布局图；

图4为实施例菜窖应用原理框图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种基于多传感器信息融合的远程菜窖环境智能监控系统，原理如图1所示，包括服务器，服务器连接主控制器，主控制器分别连接环境设备控制器和智能节点，环境设备控制器连接环境设备，如图2所示，智能节点还连接传感器；传感器检测菜窖内环境状态得出环境参数，并将环境参数传送至智能节点，智能节点计算出环境参数的平均值，并将平均值发送至主控制器，服务器内存储有预先设置好的环境参数阈值，主控制器从服务器中提取环境参数阈值，并将接收到的平均值与环境参数阈值范围进行比对，通过比对结果判断环境状态是否需要调整，若需要调整则由主控制器发送命令信息到环境设备控制器，环境设备控制器根据命令信息对应的控制指令自动控制环境设备的工作或停止，或通过手动控制环境设备的工作或停止；智能节点采集的环境参数平均值可存储在主控制器中或服务器中；菜窖内还安装有摄像头，摄像头连接服务器并将视频信息存储在服务器内；服务器连接控制终端，控制终端可调用、查看服务器内存储的环境参数平均值及视频信息；控制终端可远程发送控制命令至服务器，由服务器将该控制命令传输给主控制器，主控制器根据控制命令对应的指令自动控制环境设备的工作或停止，直至环境参数平均值在预设值的阈值范围内。

前述环境设备包括排风机和加湿器；主控制器上设有LED触控显示屏，用于显示环境参数的平均值，以及用于触摸控制环境设备；智能节点采用加权平滑算法计算环境参数的平均值；控制终端为PC电脑；服务器与控制终端采用网络连接；智能节点将采集到的环境参数的数据通过485现场总线技术上传给主控制器；智能节点采集的环境参数包括湿度、温度或二氧化碳浓度。

本实施例还提供一种基于多传感器信息融合的远程菜窖环境智能监控系统的应用方法，包括如下具体步骤：

（一）在菜窖内设置多个监测点安装传感器和摄像头，不间断测量各个监测点的温度、湿度和二氧化碳浓度，并通过智能节点将测得的数据采用加权平滑算法计算出平均值，即平均温度、平均湿度和平均二氧化碳浓度值；

（二）值班室内的LED触控显示屏上实时显示各个菜窖内的温度、湿度和二氧化碳浓度的平均值，并预先设置各个菜窖内所储存的蔬菜需要的环境参数阈值范围，可以手动控制各个环境设备工作或停止，同时显示各个环境设备相应的工作状态，以及实时显示经手动调整后各个菜窖内的温度、湿度和二氧化碳浓度的平均值，并可以通过LED触控显示屏的操作界面设置自动控制的环境参数阈值；

（三）根据检测计算得到的各个菜窖内的温度、湿度和二氧化碳浓度的平均值，通过主控制器与预先设定的并存储在主控制器或服务器中的各个菜窖的环境参数阈值进行对比，主控制器自动控制相对应的环境设备工作或停止，对菜窖环境进行动态调控，使菜窖内的温度、湿度及二氧化碳浓度的平均值保持在设定的阈值范围之内；

（四）服务器通过网络与主控制器连接，主控制器实时上传监测到的环境参数数据给服务器，工作人员可通过控制终端在值班室以外的地方随时查看调用存储在服务器中的环境参数数据，包括温度、湿度和二氧化碳浓度的平均值，并同时可通过安装在菜窖内的摄像头查看菜窖内部的情况。

前述基于多传感器信息融合的远程菜窖环境智能监控系统不依赖于服务器，可在不开启服务器的情况下，由带有LED触控显示屏的主控制器独立工作，实现温、湿度及二氧化碳浓度的动态控制。

以下通过具体案例进一步说明本实施例的原理：①②③④⑤⑦⑧⑨⑩

如图3所示，①-⑦为小风机排风口，用于局部调节菜窖温湿度；⑧为进风口；主排风道为菜窖主要排风设备，用于调节菜窖整体的温湿度；根据整个菜窖的排风进风情况，以及菜窖的整体布局，拟布置多个智能节点。

土豆间、萝卜间和腌菜间面积较小，且通风较好采用一个智能节点放置在整个房间的正中央，配合多个温湿度及二氧化碳传感器即可完成环境检测；大白菜间由于蔬菜架比较密集，且房间较大，房间个地方温湿度不均匀，因此采用三个智能节点，安装在室内的三个柱子上，每个智能节点均配三个温度、湿度传感器，一个二氧化碳传感器；主控制节点根据各个位置的智能节点所检测的温湿度情况，依据设定好的环境参数值，通过模糊控制算法来控制①-⑦个风机或主风机以及各个加湿器运行，进而对各个房间内的环境进行动态调节。

原理框图如图4所示：

智能节点采用ARM7内核的微处理器，配合外围电路对各传感器数据进行采集，计算出平均温度、湿度以及二氧化碳浓度，并将环境数据定时通过485总线发送给主控制器；主控制器采用基于ARM cortex-m3核心的微处理器为核心的控制板，采集智能节点发送的温湿度的数据，并通过软件算法计算房间内的温湿度及二氧化碳浓度，将环境参数以及风机设备工作情况的数据通过485总线发送给上位计算机；并根据环境情况和设定的阈值通过设备控制器自动开启或关闭通风设备或加湿设备，通过带有光电隔离的继电器；设备控制器采用光电隔离低压继电器和空气断路器控制开关来控制风机以及加湿器的运行或关闭；温湿度传感器采用FM-KWS温湿度传感器，二氧化碳传感器采用LM393红外空气二氧化碳传感器。

该系统指标：

（1）系统响应速度：小于2秒（每2秒更新一次监测数据）；

（2）温度控制：范围-30～70℃；精度：±0.2℃；分辨率0.1℃；

（3）湿度控制：范围0～100%；精度：±1%；分辨率：0.1%；

（4）二氧化碳测量：范围0～5000ppm，精度：10ppm，分辨率：1ppm，（二氧化碳浓度含量对人体生理反应影响如下：350～450ppm，同一般室外环境；350～1000ppm，空气清新，呼吸顺畅；1000～2000ppm，感觉空气浑浊，并开始觉得昏昏欲睡 ；2000～5000ppm，感觉头痛、嗜睡、呆滞、注意力无法集中、心跳加速、轻度恶心；大于5000ppm，可能导致严重缺氧，造成永久性脑损伤、昏迷、甚至死亡）。

（5）测量数据存储记录时间：根据主控计算机电脑硬盘大小决定。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。