一种远程环境信息实时采集与温室同步控制系统的制作方法

本发明涉及一种远程环境信息实时采集与温室同步控制系统，属于农业物联网的温室远程智能控制技术领域。

背景技术：

目前，随着我国现代化步伐的进一步加快，电子信息和控制技术在农业领域的应用日益广泛，各种智慧农业系统相继问世。

我国虽然地域广阔，物产丰富，但地理环境复杂，南北维度跨度大，区域性气候环境差异显著，且珍惜资源有限，一些高经济作物却无法适应多变的气候环境，导致其异地种植面临巨大挑战，而且对于传统的温室大棚，其环境又无法保证完全适应作物生长发育，与自然环境中一样，温室中植物的生长受诸多因素的影响，比如空气温度、空气湿度、光照强度、土壤温度、土壤湿度、土壤ph、空气中二氧化碳与氧气的浓度等，而传统的温室管理无法满足对环境因素进行数字化监测和实时改变环境因素的需求。此外，整个温室大棚几乎全部由人工进行管理，对温室内水资源等的用量无法科学掌控，造成水资源与劳动力资源等的极大浪费。

因此，本发明提出一种基于混合通信网络的远程环境信息实时采集与温室同步控制系统，实时地采集作物原产地的环境信息，通过通信网络以及云端服务器传输至本地温室同步控制系统，使得本地温室同步控制系统对温室内的温湿度，土壤ph值，以及光照强度等指标进行自动调节，进而解决传统温室大棚面临的问题，使得高经济作物仿野外种植以及南方作物北方温室种植等的普及成为可能。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术中的缺点，提供一种远程环境信息实时采集与温室同步控制系统。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种远程环境信息实时采集与温室同步控制系统，包括远端地理环境信息采集系统、nb-iot无线网络通信系统、云端服务器、本地温室同步控制系统、本地移动访问控制终端和4g网络通信系统；远端地理环境信息采集系统对远端环境农业信息进行采集，通过nb-iot无线网络通信系统实时发送至云端服务器；本地温室同步控制系统通过4g网络通信系统与云端服务器进行通信，将传输至云端服务器的远端环境农业信息作为本地温室同步控制系统中与之对应的各个执行器件的实时控制输入信号，控制本地温室同步控制系统的各个执行器件，从而实现本地温室同步控制与远端环境农业信息采集和传输均为实时进行，使本地温室的温度、湿度、光照强度以及其它环境信息与远端地理环境保持一致，其它环境信息视生物种类不同而不同，以利于温室内生物的生长发育，并通过4g网络通信系统将本地温室内的环境农业信息和监控图像信息上传至云端服务器；本地移动访问控制终端通过访问云端服务器，监视并干预此自动控制过程；当远端出现气候异常或本地温室数据异常，不利于生物生长发育时，本地移动访问控制终端发出报警信号，并中断远端环境农业信息的控制作用，改由本地移动访问控制终端控制。

所述本地温室同步控制系统和所述本地移动访问控制终端均能够通过多种通信方式访问云端服务器，以保证本地在单一网络通信阻塞时，仍能够保持各系统间正常通信以及对本地温室同步控制系统的实时控制。

所述4g网络通信系统主要解决通信的快速性以及视频数据的采集与传输问题。所述4g网络通信系统包括有线宽带和无线4g网络，默认情况下使用有线宽带网络，突发情况下使用无线4g网络。

所述远端地理环境信息采集系统包括多个子系统；各个子系统独立工作，且在空间上多点随机分布；每个子系统包括电源、控制模块、nb-iot网络通信模块以及各种传感器；电源用于给子系统提供所需电力；每个子系统中的土壤信息传感器和空气信息传感器也按照多点随机分布的原则进行排布，且各个传感器成组使用，即每一个分布点上都是一组传感器，对该分布点的整体农业信息进行采集；土壤信息传感器和空气信息传感器通过iic和usart与控制模块进行通信；通过nb-iot通信网络，使各种传感器对远端环境进行全面覆盖，每个节点将各种传感信息汇聚至控制模块，经控制模块滤波处理后，由nb-iot网络通信模块经nb-iot无线网络通信系统，发送至云端服务器。

所述nb-iot无线网络通信系统用于将所述远端地理环境信息采集系统的信息发送至云端服务器；所述nb-iot无线网络通信系统主要解决传感器组网时的网络覆盖、供电和成本等方面的问题。

所述本地温室同步控制系统包括主机、显示器、wifi路由器以及多个子系统，且各子系统间相互独立；每个子系统包括wifi通信模块、环境信息传感器、环境信息采集模块、主控模块、各执行器及其控制器以及视频监控装置；其中，各个子系统的wifi通信模块与wifi路由器组成的wifi通信网络负责对各个执行器的控制信号以及各个传感器采集信号进行实时双向传输；传感器与执行器成对使用，其在温室内的空间排布与远端负责环境信息采集的传感器的排布位置一一对应，实现点对点控制；所述主机与每个子系统的主控模块进行通信，主控模块接收来自所述主机的控制信号给执行器的控制器在执行器上执行；环境信息传感器采集的温室传感信息经由环境信息采集模块传给主控模块，再由主控模块传给所述主机；所述主机与所述云端服务器进行通信，负责控制信号的获取以及温室环境信息数据的上传，主机上通过qt开发的上位机软件能够对云端服务器下传的数据以及本地上传的数据在显示器上进行实时地显示。

在本地温室同步控制系统中，所述主控模块中对执行器件的控制器的设计采用adrc控制器，使得本地温室的环境状态快速无超调的跟踪上远端传回的环境控制信号，而且，为了保证控制效果，控制器的调节时间小于远端环境信息的采样周期，保证控制器使系统状态进入稳态之前，下一个控制信号还未到达。

在所述视频监控装置中，所述摄像头安装于两自由度的摄像头姿态控制模块上，摄像头的姿态由本地温室同步控制系统的摄像头模块控制旋钮以及本地移动访问控制终端的摄像头模块控制旋钮共同控制；所述摄像头姿态控制旋钮是以陀螺仪为核心设计的，从而实现摄像头姿态的快速平滑控制。

所述环境信息传感器包括：土壤温度传感器，土壤湿度传感器，土壤ph传感器，空气温度传感器，空气湿度传感器，空气中氧气与二氧化碳浓度传感器，大气压传感器以及光照强度传感器。

所述云端服务器选用支持nb-iot和4g信号传输所用的udp或tcp/ip协议的网络虚拟服务器，获得虚拟服务器的管理权限，通过数据推流与拉流的方式进行数据实时的上传和下载。所述云端服务器，当检测到远端地理环境信息采集系统传回信息异常或者本地温室同步控制系统上传数据异常时，云端服务器会以拨号的方式向本地移动访问控制终端发送报警信息。

所述本地移动访问控制终端，包括电脑控制终端和手机控制终端，二者均可以通过自行开发的应用软件访问云端服务器后台，获得管理员权限；调取数据与监控摄像信息，对所述控制系统进行监视和控制干预。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种远程环境信息实时采集与温室同步控制系统，与现有技术相比具有这样的有益效果：

1.本发明所述的控制系统，系统组成以及设计过程简单，不需要复杂的专家系统，不需要提前对作物的生长信息进行大量的调研。

2.本发明所述的控制系统，移动控制终端与云端服务器间采用了4g的通信方式，这使得温室的管理者可以远程对温室进行管理，无距离限制，使得温室管理者的活动范围更大。

3.本发明所述的控制系统，使得温室内作物生长环境的某些指标完全模仿其原产地或野外的环境，这些指标是动态变化的，且对于作物的生长发育不一定是最优的。因此，可避免现有的智能温室控制系统将温室环境指标一直维持在所谓的作物所需的最优状态而导致作物的某些营养成分含量下降的问题。

4.本发明所述的控制系统，可以和环境保护相结合，远端环境信息采集系统所采集的环境信息可以用于环境信息监测，通过数据分析可以及时发现污染问题；同时，顾客可以通过下载相应的app访问云端服务器，一方面可以查看远端环境信息，另一方面可以查看本地温室内的环境信息和监控信息，起到监督的作用。

5.本发明所述的控制系统，不仅仅局限于远端环境信息采集系统与本地温室同步控制系统间的一对一或一对多的模式，还可以实现全国甚至全世界范围内的农业信息物理融合系统，实现全国甚至全世界的农业信息与环境信息的共享。

我国是一个农业大国，但非农业强国，希望通过本发明所述系统可以提高温室内所生产的作物的质量，也希望通过信息的共享可以均衡我国南﹑北，东﹑西间的农业发展差距，使我国的农业得到快速的发展。

附图说明

图1是本发明的系统整体结构示意图；

图2是本发明的远端地理环境信息采集系统结构示意图；

图3是本发明的本地温室同步控制系统结构示意图；

图4是本发明的本地温室同步控制系统地表滴灌装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本专利。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本专利的主要内容是，这些描述在这里将要被忽略。

本发明的一种远程环境信息实时采集与温室同步控制系统，其整体结构示意图如图1所示，所述系统包括远端地理环境信息采集系统、nb-iot无线网络通信系统、云端服务器、本地温室同步控制系统、本地移动访问控制终端和4g网络通信系统；远端地理环境信息采集系统对远端环境农业信息进行采集，通过nb-iot无线网络通信系统实时发送至云端服务器；本地温室同步控制系统通过4g网络通信系统与云端服务器进行通信，将传输至云端服务器的远端环境农业信息作为本地温室同步控制系统中与之对应的各个执行器件的实时控制输入信号，控制本地温室同步控制系统的各个执行器件，从而实现本地温室同步控制与远端环境农业信息采集和传输均为实时进行，使本地温室的温度、湿度、光照强度以及其它环境信息与远端地理环境保持一致，其它环境信息视生物种类不同而不同，以利于温室内生物的生长发育，并通过4g网络通信系统将本地温室内的环境农业信息和监控图像信息上传至云端服务器；本地温室同步控制系统中，各种传感器实时采集温室环境农业信息，一方面作为各个执行器件控制器的反馈信号，另一方面，与视频监控信息一起通过4g网络通信系统上传至云端服务器。本地移动访问控制终端通过访问云端服务器，监视并干预此自动控制过程；本地移动访问控制终端通过访问云端服务器，一方面可以实现对远端环境农业信息和本地温室环境农业信息以及生物生长状况的监控，另一方面可以实现对本地温室同步控制系统的控制干预，人为的避免一些远端的极端天气或者系统故障对本地温室环境的影响。当远端出现气候异常或本地温室数据异常，不利于生物生长发育时，本地移动访问控制终端发出报警信号，并中断远端环境农业信息的控制作用，改由本地移动访问控制终端控制。

进一步的，所述本地温室同步控制系统和所述本地移动访问控制终端均能够通过多种通信方式访问云端服务器，以保证本地在单一网络通信阻塞时，仍能够保持各系统间正常通信以及对本地温室同步控制系统的实时控制。

所述4g网络通信系统主要解决通信的快速性以及视频数据的采集与传输问题。所述4g网络通信系统包括有线宽带和无线4g网络，考虑到成本因素，默认情况下使用有线宽带网络，突发情况下使用无线4g网络。其中，无线4g网络由可插在主控模块上的通信模块直接访问云端服务器实现。其中，通信模块由4g公网通信模块，运营商的sim卡以及usb转接板组成，插入主控模块的usb接口后，在主控模块上进行相应上网功能配置即可连接网络，实现网络通信功能。

所述远端地理环境信息采集系统，其结构示意图如图2所示，包括多个子系统；各个子系统独立工作，且在空间上多点随机分布；每个子系统包括电源、控制模块、nb-iot网络通信模块以及各种传感器；电源用于给子系统提供所需电力；每个子系统中的土壤信息传感器和空气信息传感器也按照多点随机分布的原则进行排布，且各个传感器成组使用，即每一个分布点上都是一组传感器，对该分布点的整体农业信息进行采集；土壤信息传感器和空气信息传感器通过iic和usart与控制模块进行通信；通过nb-iot通信网络，使各种传感器对远端环境进行全面覆盖，每个节点将各种传感信息汇聚至控制模块，经控制模块滤波处理后，由nb-iot网络通信模块经nb-iot无线网络通信系统，发送至云端服务器。

所述控制模块采用自行设计的stm32开发板，主控芯片型号为stm32f103zet6；此外，控制模块、nb-iot通信模块、电源以及各个传感器均完全密封于坚实的塑料外壳内，只将各个传感器的探头外露，从而使每个密封单元都是一个独立的环境信息采集子系统；

所述nb-iot无线网络通信系统用于将所述远端地理环境信息采集系统的信息发送至云端服务器；所述nb-iot无线网络通信系统主要解决传感器组网时的网络覆盖、供电和成本等方面的问题。目前农业物联网通常采用m2m、zigbee、433mhz、wifi和有线等通信方式；nb-iot通信技术和传感器结合，全密封外壳，低成本、散布在田野、水下和山林，通过基站与服务器进行通信，只要网络覆盖到位，可辅助农业生产上升一个大台阶。对于城郊和一些覆盖到位的区域，nb-iot可大大促进水产养殖、大棚、花卉等高附加值的农业生产流通领域的发展。

所述本地温室同步控制系统包括主机、显示器、wifi路由器以及多个子系统，且各子系统间相互独立；每个子系统包括wifi通信模块、环境信息传感器、环境信息采集模块、主控模块、各执行器及其控制器以及视频监控装置；其中，主机与云端服务器和主控模块进行通信，负责控制信号的获取以及温室环境信息数据的上传，主机上通过qt开发的的上位机软件能够对云端服务器下传的数据以及本地上传的数据在显示器上进行实时地显示；wifi通信模块与wifi路由器组成的wifi通信网络负责对各个执行器的控制信号以及各个传感器采集信号进行实时双向传输；传感器与执行器成对使用，其在温室内的空间排布与远端负责环境信息采集的传感器的排布位置一一对应，实现点对点控制。

所述本地温室同步控制系统，其结构示意图如图3所示，包括主机、显示器、wifi路由器以及多个子系统，且各子系统间相互独立；每个子系统包括wifi通信模块、环境信息传感器、环境信息采集模块、主控模块、各执行器及其控制器以及视频监控装置；其中，各个子系统的wifi通信模块与wifi路由器组成的wifi通信网络负责对各个执行器的控制信号以及各个传感器采集信号进行实时双向传输；传感器与执行器成对使用，其在温室内的空间排布与远端负责环境信息采集的传感器的排布位置一一对应，实现点对点控制；所述主机与每个子系统的主控模块进行通信，主控模块接收来自所述主机的控制信号给执行器的控制器在执行器上执行；环境信息传感器采集的温室传感信息经由环境信息采集模块传给主控模块，再由主控模块传给所述主机；所述主机与所述云端服务器进行通信，负责控制信号的获取以及温室环境信息数据的上传，主机上通过qt开发的上位机软件能够对云端服务器下传的数据以及本地上传的数据在显示器上进行实时地显示。

主机通过运营商宽带网络访问云端服务器，获得由远端地理环境信息采集系统采集的远端农业环境信息数据，在本地通过wifi通信网络发送至主控模块，主控模块采用第三代加强型树莓派，与此同时，各个传感器采集的数据通过iic和usart通信协议传输至stm32开发板，stm32开发板再通过ttl转usb串口线ch340将传感器数据发送至主控模块，二者的差值作为各个执行器件控制器的输入信号，此外，各个传感器采集的数据传输至主控模块后，由wifi通信网络传输至主机，由主机向云端服务器发送。

在本地温室同步控制系统中，所述主控模块中对执行器件的控制器的设计采用adrc控制器，使得本地温室的环境状态快速无超调的跟踪上远端传回的环境控制信号，而且，为了保证控制效果，控制器的调节时间小于远端环境信息的采样周期，保证控制器使系统状态进入稳态之前，下一个控制信号还未到达。在所述视频监控装置中，摄像头采用raspberrypi标配的500万像素同步的csi摄像头，最高支持2592x1944的静态图片与1080p/30fps的视频录制，整个模块大小为20x25x10mm。该摄像头模块与raspberrypi通过一条15芯的排线进行连接，所述摄像头安装于两自由度的摄像头姿态控制模块上，摄像头的姿态由本地温室同步控制系统的摄像头模块控制旋钮以及本地移动访问控制终端的摄像头模块控制旋钮共同控制；所述摄像头姿态控制旋钮是以陀螺仪为核心设计的，从而实现摄像头姿态的快速平滑控制。

所述环境信息传感器包括：土壤温度传感器，土壤湿度传感器，土壤ph传感器，空气温度传感器，空气湿度传感器，空气中氧气与二氧化碳浓度传感器，大气压传感器以及光照强度传感器。

各执行器件包括feso4·7h2o浓度可调的地表滴灌装置、空气加湿装置、补光与遮光装置、加温装置和通风装置。其中，本发明中本地温室同步控制系统地表滴灌装置结构示意图如图4所示，在地表滴灌装置中，通过控制给水水泵的起停，控制储水箱内液位恒定，根据土壤ph值的变化，向水箱中投入一定量的feso4·7h2o，以调节土壤的酸性，水箱与喷水头之间采用一加压泵与水管连接，最后让混有少量feso4·7h2o的水溶液由喷头喷向地面，同时，土壤湿度与ph检测传感器埋于喷头下方土壤中，实时采集土壤湿度与ph信息，反馈给给水泵与feso4·7h2o添加控制器，与主机给定的湿度和ph信息形成反馈控制，通过调节adrc控制器参数实现土壤湿度与ph的无超调精确控制，当给水泵停止工作时，加压泵也立即停止工作。对于空气加湿装置，加温装置与通风装置，主机实时的给出环境的温湿度信息，由空气温湿度传感器对温湿度信息进行实时的反馈，二者通过adrc调节器控制空气加湿装置，加温装置与通风装置，使温室内的温湿度实时的与远端环境温湿度保持一致。对于补光与遮光装置，主机实时给定环境光照强度信息，温室内光照强度传感器对光照强度信息进行实时的反馈，二者通过adrc控制器控制补光装置与遮光装置，其中，补光装置采用全波段的日光灯，除了为作物补充生长发育所需的红光和紫光外，主要用来模仿太阳光，遮光装置采用透光度可控的人造玻璃，安装于温室顶部，进而实现温室内光照强度与远端环境保持一致。

所述云端服务器选用支持nb-iot和4g信号传输所用的udp或tcp/ip协议的网络虚拟服务器，获得虚拟服务器的管理权限，通过数据推流与拉流的方式进行数据实时的上传和下载。所述云端服务器，当检测到远端地理环境信息采集系统传回信息异常或者本地温室同步控制系统上传数据异常时，云端服务器会以拨号的方式向本地移动访问控制终端发送报警信息。

所述本地移动访问控制终端，包括电脑控制终端和手机控制终端，二者均可以通过自行开发的应用软件访问云端服务器后台，获得管理员权限；调取数据与监控摄像信息，对所述控制系统进行监视和控制干预。其中，电脑控制终端上位机软件一方面对上传至云端服务器的远端环境与本地温室环境监控信息进行显示，另一方面，可以发送控制信号，控制本地温室的信号给定，切换不同控制子系统的监控画面，考虑到wifi网络带宽有限，视频信号数据量较大，因此，通过监控画面切换控制信号，同一时刻只允许当前切换画面视频数据传输，此外，本地电脑终端还拥有摄像头模块控制旋钮，其内部为集成在stm32开发板上的两个单轴的角度传感器，测量旋钮水平和垂直方向上的旋转角度，经stm32开发板处理后，由ttl转usb串口线发送至上位机，与上位机其他控制信号一起通过云端服务器传输至本地温室同步控制系统，转化为摄像头姿态控制模块的控制信号，控制当前切换画面的摄像头的水平和垂直方向上的运动，实现摄像头姿态的平滑控制以及对当前子系统周围的环境的全方位监控。手机控制终端将摄像头模块控制旋钮以一个控件的形式加入到上位机软件中，同样可以实现本地温室同步控制系统中各子系统摄像头的姿态控制。