一种基于物联网的温室大棚环境监测与管理系统及方法

本发明涉及环境监测与管理领域，尤其涉及一种基于物联网的温室大棚环境监测与管理系统及方法。

背景技术：

随着我国种植业的发展，温室大棚种植已经越来越普遍，我国温室大棚发展区域主要分布在华东、华北地区，发展区域相对集中，其温室、大棚的面积已经占总蔬菜种植面积的50％以上，居世界之首。温室大棚通过建立一个模拟各项植物生长环境指标，创造一个人工气象环境，减小当前气候对生长作物的约束，能使不同的农作物在不适合生长的季节产出，大大减少植物对自然条件的依赖。现如今温室大棚技术已经越来越普及，已成为农民增收增产的主要手段，带来了可观的经济效益。

现有的基于物联网的温室大棚环境监测与管理系统方法，不能对环境数据实时监测、储存和传输，不能分析植物当前最适宜环境指标，且不能利用上位机软件对环境进行控制，管理人员不能及时根据当前环境状况制定种植方案并采取相应措施，为此，我们提出一种基于物联网的温室大棚环境监测与管理系统及方法。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的一种基于物联网的温室大棚环境监测与管理系统及方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于物联网的温室大棚环境监测与管理系统，包括环境数据监测模块、数据存储模块、无线传输模块、环境调节模块、环境控制设备和上位机软件；

其中，所述环境数据监测模块通过无线网络的方式与服务器上位机连接，所述环境数据监测模块与环境控制系统采用电连接，所述环境控制设备分别与环境调节模块和上位机软件通信连接，所述上位机软件用于实现同步采集、数据接收、数据存储以及远程命令功能，展示当前环境数据信息。

优选的，所述环境数据监测模块包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器和土壤电导率传感器，所述无线传输模块中的信息主要为数字信息，选用宏电dtu设备，采用4g/5g通信方式对采集信息进行统一传输，且上传服务器终端。

优选的，所述上位机软件通过远程命令控制环境调节模块，所述环境调节模块通过控制环境控制模块实现环境调节，所述环境控制设备包括湿度控制设备、温度控制设备、光照控制设备以及二氧化碳控制设备。

一种基于物联网的温室大棚环境监测与管理方法，该基于物联网的温室大棚环境监测与管理方法具体操作步骤如下：

s1：设计温室大棚的专用物联网架构；

s2：在设计本温室大棚专用物联网架构基础上，设计下位机硬件系统；

s3：感知物联网终端通过总线向采集卡或集线器发送采集指令，并判断指令集中的地址信息是否与自身地址一致；

s4：采集卡生成相应采集命令，并将各通道模拟信号量转换为数字信号，反复采集10次，取平均值作为本次采集结果，并发送至感知物联网终端。

优选的，所述物联网架构由目标对象域、感知控制域以及服务提供域构成，所述下位机硬件系统由感知物联网终端、感知模块和传输模块构成。

优选的，所述目标对象域是系统所需感知对象的集合，所述感知控制域是系统实现温室大棚环境信息感知的核心，获取目标对象域中的对象信息，并实现数据信息的实时传输，从功能组成的角度，感知控制域可分为环境感知系统和采集数据无线传输两部分，所述服务提供域用于对温室大棚环境数据实时接收、实时存储和远程控制，服务系统用于数据存储、基础数据处理和远程控制。

优选的，所述数据存储负责接收原始数据，并将数据按对应类别进行存储，且服务提供域实现对原始数据做基础的数据处理和管理，按类型可分为大棚气象数据分析、大棚土壤数据分析和用户数据管理三类。

优选的，所述感知物联网终端协调各模块工作、保障系统稳定运行的核心，可实现数据存储、数据分析和数据交互功能，实现对温室大棚的环境信息感知和传输，所述感知模块通过外接传感设备实现对环境信息的精准感知，所述传输模块通过传输设备，实现下位机硬件系统与上位机软件系统间的数据通信。

优选的，所述感知物联网终端通过485总线与采集卡相连，核心处理芯片向采集卡发送采集指令后，采集卡生成相应采集命令，并将各通道模拟信号量转换为数字信号，反复采集10次，取平均值作为本次采集结果，采集卡根据通信协议将采集结果打包发送至感知物联网终端。

优选的，所述感知模块所需获取的环境信息包括：空气温度、空气湿度、光照强度、土壤温度、土壤湿度以及土壤电导率，

其中，土壤类传感器选用土壤温度、湿度、电导率三合一传感器：5te，土壤传感器内部采用sdi-12协议数字信号输出，核心处理芯片用于向集线器发送采集指令，集线器将命令信息转换为sdi-12信号后转发给土壤传感器，传感器接收命令后采集土壤环境信息，并按照土壤湿度、土壤电导率和土壤温度的顺序，将土壤环境信息反馈给温室大棚感知物联网终端。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的基于物联网的温室大棚环境监测与管理系统可以准确采集温室大棚内的环境数据，并实现可靠数据储存、传输，并根据适合作物生长的环境指标进行控制，提高作物产量、降低管理成本；

2、本发明提供的上位机通过远程命令功能，将命令传输给环境调节模块，从而调用各类环境控制设备，实现人工管理。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明提出的一种基于物联网的温室大棚环境监测与管理系统的系统框图；

图2为本发明提出的一种基于物联网的温室大棚环境监测与管理系统中上位机软件功能图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。

参照图1-2，一种基于物联网的温室大棚环境监测与管理系统，包括环境数据监测模块、数据存储模块、无线传输模块、环境调节模块、环境控制设备和上位机软件；

其中，环境数据监测模块通过无线网络的方式与服务器上位机连接，环境数据监测模块与环境控制系统采用电连接，环境控制设备分别与环境调节模块和上位机软件通信连接，上位机软件是部署在服务器上的数据处理程序，功能如图2所示，上位机软件用于实现同步采集、数据接收、数据存储以及远程命令功能，展示当前环境数据信息。

环境数据监测模块包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器和土壤电导率传感器，无线传输模块中的信息主要为数字信息，选用宏电dtu设备，采用4g/5g通信方式对采集信息进行统一传输，且上传服务器终端，本系统选用宏电的dtu设备实现数字信息的实时可靠传输，该设备兼容多种通信方式，但由于地理因素限制，故采用4g/5g通信方式对采集信息进行统一传输。

上位机软件通过远程命令控制环境调节模块，环境调节模块通过控制环境控制模块实现环境调节，环境控制设备包括湿度控制设备、温度控制设备、光照控制设备以及二氧化碳控制设备，环境控制设备包括利用湿垫风机降温设备、热风炉供暖设备对温室大棚的环境温度进行调整，利用除湿器、加湿器或湿帘对环境湿度进行调整，利用补光灯等光照设备对光照强度进行调整，环境调节模块通过固态继电器控制器对各类环境控制设备进行远程控制和管理，实现对温室大棚的环境调整。

一种基于物联网的温室大棚环境监测与管理方法，该基于物联网的温室大棚环境监测与管理方法具体操作步骤如下：

s1：设计温室大棚的专用物联网架构；

s2：在设计本温室大棚专用物联网架构基础上，设计下位机硬件系统；

s3：感知物联网终端通过总线向采集卡或集线器发送采集指令，并判断指令集中的地址信息是否与自身地址一致；

s4：采集卡生成相应采集命令，并将各通道模拟信号量转换为数字信号，反复采集10次，取平均值作为本次采集结果，并发送至感知物联网终端。

物联网架构由目标对象域、感知控制域以及服务提供域构成，下位机硬件系统由感知物联网终端、感知模块和传输模块构成。

目标对象域是系统所需感知对象的集合，感知控制域是系统实现温室大棚环境信息感知的核心，获取目标对象域中的对象信息，并实现数据信息的实时传输，从功能组成的角度，感知控制域可分为环境感知系统和采集数据无线传输两部分，服务提供域用于对温室大棚环境数据实时接收、实时存储和远程控制等功能，服务系统用于数据存储、基础数据处理和远程控制，温室大棚环境感知系统通过在棚中布设传感器设备，获取棚内土壤相关信息和棚内气候环境信息；智能信息处理系统通过生成交互信息，协调各传感器稳定工作，保障感知系统的稳定运行。

数据存储负责接收原始数据，并将数据按对应类别进行存储，且服务提供域实现对原始数据做基础的数据处理和管理，按类型可分为大棚气象数据分析、大棚土壤数据分析和用户数据管理三类。

感知物联网终端是协调各模块工作、保障系统稳定运行的核心，可实现数据存储、数据分析和数据交互等功能，感知模块通过外接传感设备实现对环境信息的精准感知，传输模块通过传输设备，实现下位机硬件系统与上位机软件系统间的数据通信。

为提高温室大棚感知物联网终端的信息处理速率，提高设备运行稳定性和可靠性，选用msp430f5438a作为本终端的核心处理芯片，相比较其他多类核心处理芯片的处理能力和性能具有更好优势，该芯片具有87个i/o引脚，4个通用串行通信接口，具备多种时间定时方式和丰富的片内资源，系统采用优化后的复位电路，通过拨码开关选取复位电路，系统调试时，选用传统的简单复位电路，通过利用电阻和电容实现系统复位；系统正常运行工作时，选用基于max811芯片的复位电路，通过检测电压低于该芯片复位门限电压2.93v时，触发系统自动复位，返回初始状态，此外该电路还具备看门狗防护功能，在系统崩溃后触发系统自动复位，能够较好处理温室大棚多项环境数据。

温室大棚感知模块所需获取的环境信息包括：空气温度、空气湿度、光照强度、土壤温度、土壤湿度以及土壤电导率等，选取适合的空气温湿度、光照强度及土壤类等各类传感器，并将传感器连接到相应的采集卡或集线器上，采集卡以485总线与感知物联网终端相连，实现对温室大棚环境信息的透彻感知，感知物联网终端通过总线向采集卡或集线器发送采集指令，采集卡或集线器接收到采集指令后，判断指令集中的地址信息是否与自身地址一致，若不一致则不执行任何操作，若一致，则生成采集命令，采集卡或集线器将多项环境信息整合后，生成完整的数据采集信息并反馈给感知物联网终端，从而实现对温室大棚环境信息的精准获取，核心处理芯片向采集卡发送采集指令后，采集卡生成相应采集命令，并将各通道模拟信号量转换为数字信号，反复采集10次，取平均值作为本次采集结果，采集卡根据通信协议将采集结果打包发送至感知物联网终端。

其中，土壤类传感器选用土壤温度、湿度、电导率三合一传感器：5te，土壤传感器内部采用sdi-12协议数字信号输出，核心处理芯片用于向集线器发送采集指令，集线器将命令信息转换为sdi-12信号后转发给土壤传感器，传感器接收命令后采集土壤环境信息，并按照土壤湿度、土壤电导率和土壤温度的顺序，将土壤环境信息反馈给温室大棚感知物联网终端。

本发明的工作原理及使用流程：首先通过分析物联网体系架构特点，结合温室大棚管理需求和信息监测的实际状况，设计温室大棚的专用物联网架构，然后结合不同作物对环境的要求，在设计本温室大棚专用物联网架构基础上，设计下位机硬件系统，实现大棚环境信息的透彻感知和实时传输，选取适合的空气温湿度、光照强度及土壤类等各类传感器，并将传感器连接到相应的采集卡或集线器上，采集卡以485总线与感知物联网终端相连，实现对温室大棚环境信息的透彻感知。感知物联网终端通过总线向采集卡或集线器发送采集指令，采集卡或集线器接收到采集指令后，判断指令集中的地址信息是否与自身地址一致，若不一致则不执行任何操作，若一致，则生成采集命令；采集卡或集线器将多项环境信息整合后，生成完整的数据采集信息并反馈给感知物联网终端，从而实现对温室大棚环境信息的精准获取，核心处理芯片向采集卡发送采集指令后，采集卡生成相应采集命令，并将各通道模拟信号量转换为数字信号，反复采集10次，取平均值作为本次采集结果，采集卡根据通信协议将采集结果打包发送至感知物联网终端，核心处理芯片用于向集线器发送采集指令，集线器将命令信息转换为sdi-12信号后转发给土壤传感器，传感器接收命令后采集土壤环境信息，并按照土壤湿度、土壤电导率和土壤温度的顺序，将土壤环境信息反馈给温室大棚感知物联网终端。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。