一种智能温室大棚控制系统的制作方法
【专利摘要】一种智能温室大棚控制系统，包括采集温室内环境信息的信息采集单元、处理信息采集单元所采集信息的处理器和对温室内环境进行调控的调控单元，其中，信息采集单元采集温室大棚内环境的各项信息以及土壤的数据信息，调控单元对各项参数进行调控补充。本发明通过预先在处理器中设置作物生长所需的各项数据指标，然后在生长过程中实时监测温室大棚中的环境指标和土壤指标，并将这些指标与预先设置好的数据指标进行比对，若某项指标出现偏差，则通过对应的设备进行调控，从而使其满足作物生长的最优环境，整个过程完全为处理器的智能控制，在不出现大的变故的情况下实现了自动化生产，降低了对人的依赖程度，提高了效率。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及到农作物种植领域用到的温室大棚，具体的说是一种智能温室大棚控 制系统。 一种智能温室大棚控制系统
【背景技术】
[0002] 温室大棚是植物栽培生产中必不可少的设施之一，它的作用是用来改变植物的生 长环境，避免外界四季变化和恶劣气候对作物生长的不利影响，为植物生长创造适宜的良 好条件。温室一般以采光和覆盖材料作为主要结构材料，利用植物生长模型智能的控制温 室大棚设施，可以在冬季或其他不适宜植物露地生长的季节栽培植物，从而达到对农作物 调节产期、促进生长发育、防治病虫害及提高产量的目的。温室环境指的是作物在地面上的 生长空间，它是由光照、温度、湿度、二氧化碳浓度、土壤成分等因素构成的。温室控制主要 是控制温室内的温度、湿度、通风、灌溉与光照。
[0003] 近年来，我国的温室大棚产业得到迅猛的发展，以蔬菜大棚、花卉为主植物栽培设 施在大江南北遍地开花，不同种类的蔬菜对温度及湿度等生长所需条件的要求也不尽相 同。温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶 劣天气对其影响的场所，它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不 适宜露地植物生长的季节栽培植物。而温室设施的关键技术是环境控制，目前温室的各种 设备采用人工或者设置简单的自动化控制，不能解决植物生长过程智能化调控。本系统在 自动化的基础上向着免人工操作的智能化方向发展。
[0004] 目前温室大多采用手动和自动控制，自动化程度低，这种控制系统需要种植者输 入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器实际的测量值与事先设定的目标 进行比较，以决定温室环境因子的控制过程，控制相应机构进行加热、降温和通风等动作。 计算机自动控制的温室控制技术实现了生产的自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到 了提高。通过改变温室环境设定目标值，可以自动的进行温室内环境气候调节，但是这种控 制方式对作物生产状况的改变难以及时做出反应，难以介入作物生长的内在规律。目前我 国绝大部分自主开发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式。虽然有些 温室也安装有各种加热、加湿、通风、降温、灌溉和光照调整的设备，但其主要操作大多仍 是由人工来完成的无法达到特定农作物对温、湿度的生长环境准确控制。
【发明内容】
[0005] 为解决现有温室大棚各项参数指标的控制依赖工作人员进行调控的问题，本发明 提供了一种智能温室大棚控制系统，通过设置各种传感器来实时监测温室内的各项指标， 并通过与之相配套的设备对各指标进行智能调控，从而实现了不依赖人工的智能调整。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为：一种智能温室大棚控制系统，包 括采集温室内环境信息的信息采集单元、处理信息采集单元所采集信息的处理器和对温室 内环境进行调控的调控单元，所述信息采集单元包括检测温室内温度的温度传感器I、检 测温室内湿度的湿度传感器I、检测温室内二氧化碳含量的二氧化碳含量测定仪、检测土 壤中水分的湿度传感器II、检测土壤温度的温度传感器II以及检测土壤特征的土壤养分测 试仪；所述调控单元包括控制通风窗开启或关闭以调节室内二氧化碳浓度的空气成分调控 机构、向空气和土壤补充水分的喷淋补水机构、向土壤中补充肥料和有机质的施肥机构以 及打开或放下大棚表面遮盖物以调整温室内光照的卷被机，该卷被机为内、外遮阳或者日 光温室使用的夜晚保温用的卷被机，此处可供调控的为2种设备，一种遮光，一种保温。遮 光有2种，安装于温室内的是内遮阳，安装于温室外顶部的是外遮阳。保温是日光温室冬天 用于夜间温室内保温的设备，是两种不同温室结构和使用季节的温室用设备，遮光（内遮阳 和外遮阳）主要用于夏季，保温被用于冬季。
[0007] 还设有设备工作状态信息监测单元，该工作状态信息监测单元包括设备工作与否 的监测和根据限位开关的开合情况监测到的例如开窗和关窗状态等； 还包括用于监视作物生长的视频监视单元。
[0008] 所述控制通风窗开启或关闭的空气成分调控机构包括由处理器控制的电机和由 电机驱动其在运动过程中带动通风窗开合的可移位机构。
[0009] 所述调控单元中还设有二氧化碳释放机构，以调整室内的二氧化碳含量。
[0010] 所述调控单元中还设有调节土壤温度的地暖供热装置，该地暖供热装置包括一热 水源和埋藏于土壤内的换热管，太阳能利用装置产生的热水储存与热水源中，热水在换热 管内流动的过程中与土壤完成热交换。
[0011] 所述调控单元中还设有补光灯和强制通风的风机。
[0012] 所述调控单元中还设有湿帘降温机构，该湿帘降温机构包括一湿帘箱、向湿帘箱 内供水的循环水管以及风机，风机采用轴流风机，且多个风机安装于温室同一侧的墙上，打 开风机后温室内产生负压，湿帘安装于温室内风机对面的墙上，空气经湿帘进入温室后，吸 收湿帘的冷湿气达到降低温室内温度的目的。
[0013] 所述喷淋补水机构和施肥机构为一体结构，包括一搅拌筒、增压器和喷头，肥料在 搅拌筒内与水混合后经增压器施压后经喷头喷出，在补水的同时完成施肥作业，当然也可 单独补水。
[0014] 本发明所述控制系统的控制方法包括以下步骤： 1) 采集作物生长过程中最适宜的环境参数，如环境温度、湿度、二氧化碳含量、光照时 间、土壤湿度以及成分等信息，并将这些信息输入到处理器内存储； 2) 信息采集单元中的各传感器和仪器采集相应的数据信息，并将这些信息反馈给处理 器； 3) 处理器将采集到信息跟已存储的信息分类比较，并根据比较结果输出相应的控制指 令给调控单元，从而控制调控单元中相应的设备和机构工作以弥补某些参数的差额。
[0015] 本发明中，可以预先设置农业专家提供的病虫害防治信息，并在视频监视模块发 现病虫害时调用这些防治信息，并通过喷淋补水模块喷洒农药。
[0016] 有益效果：本发明通过预先在处理器中设置作物生长所需的各项数据指标，然后 在生长过程中实时监测温室大棚中的环境指标和土壤指标，并将这些指标与预先设置好的 数据指标进行比对，若某项指标出现偏差，则通过对应的设备进行调控，从而使其满足作物 生长的最优环境，整个过程完全为处理器的智能控制，在不出现大的变故的情况下实现了 自动化生产，降低了对人的依赖程度，提高了效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1为本发明硬件连接结构示意图； 附图标记：1、信息采集单元，101、温度传感器I，102、湿度传感器I，103、二氧化碳含 量测定仪，104、湿度传感器II，105、温度传感器II，106、土壤养分测试仪，2、处理器，3、调控 单元，301、空气成分调控机构，302、喷淋补水机构，303、施肥机构，304、卷被机，305、二氧化 碳释放机构，306、地暖供热装置，307、补光灯，308、风机，309、湿帘降温机构，4、视频监视单 J Li 〇
【具体实施方式】
[0018] 如图所示，一种智能温室大棚控制系统，包括采集温室内环境信息的信息采集单 元1、处理信息采集单元1所采集信息的处理器2和对温室内环境进行调控的调控单元3， 所述信息采集单元1包括检测温室内温度的温度传感器I 101、检测温室内湿度的湿度传 感器I 102、检测温室内二氧化碳含量的二氧化碳含量测定仪103、检测土壤中水分的湿 度传感器II 104、检测土壤温度的温度传感器II 105以及检测土壤特征的土壤养分测试仪 106;所述调控单元3包括控制通风窗开启或关闭以调节室内二氧化碳浓度的空气成分调 控机构301、向空气和土壤补充水分的喷淋补水机构302、向土壤中补充肥料和有机质的施 肥机构303以及打开或放下大棚表面遮盖物以调整温室内光照的卷被机304。
[0019] 以上为本发明的基本实施方式，可以在以上基础上做进一步的改进或限定： 如，还可以设置用于监视作物生长的视频监视单元4 ; 如，所述控制通风窗开启或关闭的空气成分调控机构301包括由处理器控制的电机和 由电机驱动其在运动过程中带动通风窗开合的可移位机构，比如，通过电机带动拉杆运动 从而打开或关闭通风窗； 如，所述调控单元中还设有二氧化碳释放机构305,以调整室内的二氧化碳含量； 如，所述调控单元中还设有调节土壤温度的地暖供热装置306,该地暖供热装置306包 括一热水源和埋藏于土壤内的换热管，太阳能利用装置产生的热水储存与热水源中，热水 在换热管内流动的过程中与土壤完成热交换； 如，所述调控单元中还设有补光灯307和强制通风的风机308,补光灯307用于提供光 照以备光线不足或日照时间短的情况使用，风机308用于强制通风，使温室内外的空气发 生交换； 如，所述调控单元中还设有湿帘降温机构309,该湿帘降温机构309包括一湿帘箱、向 湿帘箱内供水的循环水管以及风机，风机向湿帘箱鼓风，加速湿帘箱内水的蒸发从而达到 降温效果，湿帘箱是常规的冷却降温设备； 如，所述喷淋补水机构302和施肥机构303为一体结构，也就是说两者可以合二为一， 包括一搅拌筒、增压器和喷头，肥料在搅拌筒内与水混合后经增压器施压后经喷头喷出，在 补水的同时完成施肥作业。
[0020] 本发明所述控制系统的控制方法包括以下步骤： 1)采集作物生长过程中最适宜的环境参数，如环境温度、湿度、二氧化碳含量、光照时 间、土壤湿度以及成分等信息，并将这些信息输入到处理器内存储； 2) 信息采集单元中的各传感器和仪器采集相应的数据信息，并将这些信息反馈给处理 器； 3) 处理器将采集到信息跟已存储的信息分类比较，并根据比较结果输出相应的控制指 令给调控单元，从而控制调控单元中相应的设备和机构工作以弥补某些参数的差额。
[0021] 在实际应用中，本发明可设置成几大部分： 一、植物生长过程中相关数据的收集部分 这些数据包括环境数据、土壤特征、视频生长图像、病虫害防治、农业专家种植经验等 数据； 具体方法如下：1)采集自然环境的温度、湿度、二氧化碳、土壤水分、土壤温度、光照度 等的数据采集并自动输入计算机；2)检测土壤特征(酸碱度、有机质含量等)并输入计算机； 3)采集作物生长过程中的视频信号，并配以高清照片，以供判断生长情况是否良好；4)采集 农作物生长各阶段病虫害防治数据：根据历年种植过程中出现的过的病虫害情况，进行科 学整理，预防和治理方法、分生长阶段录入计算机；5)选取农业专家种植经验数据，是由资 深农业专家把农作物的生长习性数据进行量化，输入计算机。
[0022] 二、服务器部分 这部分包括计算机服务器和基于植物生长模型的软件，软件功能包括数据采集、设备 监测、设备控制； 该部分是整个系统的核心，软件安装在计算机服务器上，具备植物生长模型的建立以 及根据大棚内部传感器采集的信息，依据植物生长模型中的数据，控制设备达到植物适宜 的生长环境。
[0023] 三、传输部分 可以使用以太网有线数据传输，WiFi、3G、4G、GPRS等无线数据传输。信息传输的多样 性可以适应各种不同的环境特点，便于系统的实地安装运行实施。
[0024] 四、实时信息的采集部分 分成两部分，一块负责采集温室内的温度、湿度、二氧化碳、土壤水分、土壤温度、光照 度等的数据采集，另一块负责通过温室大棚外安装小型气象站，用于采集大棚外环境温湿 度、二氧化碳、光照度、雨雪数据采集。这些数据由控制服务器根据内外环境数据对比智能 控制开关窗、打开放下卷被机，以及选择使用通风或者使用设备来调整大棚内二氧化碳浓 度、加温、降温、补光等智能控制。
[0025] 五、设备状态监测系统： 实时监控设备的工作状态，包括温室大棚现场工作人员临时需要打开或者停止设备的 情况；实时监测通风窗、外遮阳、卷被机等的是否处于开窗或者关窗的状态；设备运行安全 限位开关的监测和控制，当开启通风窗时，待通风窗电机驱动通风窗打开以后，运行到最大 开窗位置时，触碰开位置的限位监测开关闭合，控制电机停止运行，保护设备运行安全；当 关闭通风窗时，待通风窗完全关闭以后，触碰关位置的限位开关闭合，控制电机停止运行， 保护设备运行安全。同时限位开关的闭合信息传至服务器，使得技术人员可以远程知道通 风窗等的开关状态，便于技术人员和植物生长模型软件根据具体的需要智能做相应的操 作。
[0026] 六、设备控制部分：可以实时根据各种信息数据控制设备的启动和停止操作。包含 但不限于以下设备的控制： 1、 水泵控制，根据植物生长模型中的土壤水分需求范围和植物生长习性，智能的调节 浇水，使得土壤湿度控制在该农作物适宜的范围； 2、 水肥混合，将肥料倒入水肥混合池，或者通过自动加料机自动按量加进水肥混合池， 并由搅拌机充分搅匀； 3、 施肥控制，根据农作物的需要，将混合后的水肥通过滴灌管路滴灌入土壤根部区域， 即增加植物的吸收，提高水肥利用率，又不破坏土壤结构； 4、 二氧化碳释放装置控制，当大棚内采集到的二氧化碳数据值较低时，或者依据植物 生长模型中的二氧化碳施肥数据，根据植物的各生长期特点，释放二氧化碳调节达到增产 的目的； 5、 外遮阳展开合拢控制，当大棚光照度采集到的数据过强，或者大棚内温度较高而采 用的一种技术手段，通过合拢或者展开遮阳部件遮挡一部分阳光调节光照度和大棚的温 度； 6、 加温设备，此设备分两种，大棚内土壤温度加热和大棚内环境温度加热。冬季连续雨 雪天气，土壤温度较低时，减弱植物是生长。通过在大棚外安装太阳能集热器，大棚土壤内 根部以下安装管道，根据集热器温度结合植物生长需要的温度值，控制泵的启动热循环加 热大棚内土壤温度，温度适宜后自动停止加温，并在天黑后将热水保存在大棚的蓄水桶内， 晚上缓慢释放增加大棚内夜间温度。大棚内环境温度加温通过控制打开热风机等加热设备 达到植物生长适宜的环境温度； 7、 内遮荫展开合拢控制，当大棚光照度采集到的数据过强，或者大棚内温度较高而采 用的一种技术手段，通过合拢或者展开遮阳部件遮挡一部分阳光降低光照度和大棚的温 度； 8、 卷被机控制，冬季日光温室夜晚保温用。当夜晚来临，小型气象站检测到大棚外光照 度和温度低过植物生长要求的预定值，控制卷被机放下保护日光温室的热量。清晨时，通过 小型气象站检测到的光照度达到预定值，控制卷被机卷起； 9、 太阳能集热器，北方的冬季，当空气温度低于零下时，土地会产生冻土层，冻土层的 深度随地区不同而有变化，冻土的产生破坏植物的根部。所以温室大棚一方面需要夜晚保 护温室内的空气温度，也需要提高土壤温度，利于植物生长。太阳能集热器安装于大棚外， 白天采集太阳辐射的热量加热集热器内的水，控制电磁阀打开循环水泵，循环热水通过埋 在大棚土壤内的管道加温植物根部区域的土壤温度，促进植物生长； 10、 风机，有两个用途，其一强制通风，其二配合湿帘降温，在要求的风速下，达到将冷 气在温室大棚内部循环的目的； 11、 补光灯，当光照度不够时，控制主机根据植物生长需要打开补光灯，促进植物生 长； 12、 屋顶通风窗，温室大棚内空间狭小，加上农药和肥料的使用，致使温室大棚内二氧 化碳含量不断降低，越来越多的聚集有害气体，造成温室大棚内农作物病害的发送，给温室 大棚内作物的生长发育带来不利的影响。所以，当温室大棚内的空气成分含量达不到棚内 作物的生长需求时，必须进行通风处理，配出棚内的污浊空气，同时，将棚外的新鲜空气置 换进来。控制中心软件检测小型气象站和温室大棚内采集器采集的数据，进行对比，自动控 制打开关闭通风窗； 13、 侧通风窗，功能同上，同时打开屋顶通风窗和侧通风窗可以产生空气对流，效果更 好； 14、 湿帘降温，温室大棚内温度过高时降温用。由湿帘箱、循环水系统、轴流式风机、控 制电路组成。湿帘一风扇强制降温系统是利用水的蒸发降温原理实现降温目的，降温系统 的核心是能让水蒸发的湿帘。湿帘由波纹状的纤维纸粘结而成，特制的输水湿帘能确保水 均匀地淋湿整个降温湿帘墙，保证有大的湿表面与流过的空气接触，当空气穿透湿帘介质 时，与湿润介质表面进行的水气交换将空气的显热转化为汽化潜热，从而实现对空气的加 湿与降温。与湿帘相配合的风机实现温室内外空气的流动，将室内高温高湿气体排出，并补 充足够的新鲜空气。控制中心软件在检测棚外小型气象站数据和棚内温湿度传感器采集的 信息对比后，根据植物生长模型中的参数需要，启动风机，将温室内的空气强制抽出，造成 负压；同时，启动水泵将水打在安装在风机对面的湿帘墙上。室外空气被负压吸入室内时， 以一定的速度从湿帘的缝隙穿过，导致水分蒸发、降温，冷空气流经温室，吸收室内热量后， 经风扇排出，从而达到降温目的，同时也经循环风更新了大棚外的新鲜空气。
[0027] 七、故障检测部分 包括传感器故障检测和设备故障检测，监测传感器的数据是否异常，对于异常的传感 器提示，使得整套设备采集的环境数据真实，对于温室智能控制的准确性提供依据。智能控 制的依据来自于温室现场环境的数据采集，若传感器故障导致采集的数据错误时，智能控 制器将无法根据实际环境需要做出正确的工作指令输出，整套系统也将无法准确运行。故 传感器的准确性将起到至关重要的作用。采用的方式是，智能控制器实时监测传感器的数 据，当传感器的数据在5秒钟内变动值是整个量程的3% (可更改设置值）以上、10小时(可 更改设置值）数值不变的、在24个小时内传感器数据仅在整个量程数值的3% (可更改设置 值）（以内变动的时候，提示采集器数据异常，技术人员需要检查相应的传感器，以确保采集 的数据准确性。设备故障检测，保证设备运行状态是否正常，方法是在发出设备启动运行命 令后，检测设备运行状态，若设备没有正常运行，视为故障。在未发出设备停止信息(包括人 工和手动停止控制)，而设备运行停止，视为故障。此时发出提示信息，指导工作人员检查和 维修。
[0028] 八、视频监控部分 用于农作物生长过程的视频图像采集、录制，可远程查看、录制，通过比对植物生长模 型中的视频生长过程，验证植物生长模型的智能化工作效率和工作成果，也为农作物溯源 提供了植物生长环境的直观图像数据。
[0029] 九、远程登录查看和控制部分 可以通过网络远程查看温室大棚植物生长情况的各项运行参数，特殊情况可人工干预 各项任务的执行，如设备维修、农作物种植品种成熟后的种植种类更换等。可以查看温室内 外环境，设备工作情况，控制设备工作等操作。
[0030] 通过以上设置之后可以实现"数字化温室大棚"，把采集、监测、视频监控、智能控 制等农业生产子系统做为数据采集源点。采用自动化数据采集设备（比如传感器，设备工 作状态实时监测），通过有线网络如先纤环网、以太网，或者无线网络如GPRS/CDMA、WiFi、 3G等传输手段，将多个温室大棚的子系统运行数据等海量数据实时采集、存储，之后进入 信息管理中心的数据库；根据植物生长模型运行数据的组织管理，在此基础上通过大量的 农产品生长模型运行知识，应用智能计算的技术，完成农产品生产的实时监测、智能控制以 及远程管理，在决策管理层、执行层和过程控制层，全面提升生产技术能力和经营管理能力 和效率。
【权利要求】
1. 一种智能温室大棚控制系统，包括采集温室内环境信息的信息采集单元（1)、处理 信息采集单元（1)所采集信息的处理器（2)和对温室内环境进行调控的调控单元（3)，其特 征在于：所述信息采集单元（1)包括检测温室内温度的温度传感器I (101)、检测温室内湿 度的湿度传感器I (102)、检测温室内二氧化碳含量的二氧化碳含量测定仪（103)、检测土 壤中水分的湿度传感器II (104)、检测土壤温度的温度传感器II (105)以及检测土壤特征 的土壤养分测试仪（106);所述调控单元（3)包括控制通风窗开启或关闭以调节室内二氧 化碳浓度的空气成分调控机构（301)、向空气和土壤补充水分的喷淋补水机构（302)、向土 壤中补充肥料和有机质的施肥机构（303)以及打开或放下大棚表面遮盖物以调整温室内光 照的卷被机（304)，该卷被机（304)为内、外遮阳或者日光温室使用的夜晚保温用的卷被机 (304)。
2. 根据权利要求1所述的一种智能温室大棚控制系统，其特征在于：还包括用于监视 作物生长的视频监视单元（4)。
3. 根据权利要求1所述的一种智能温室大棚控制系统，其特征在于：所述控制通风窗 开启或关闭的空气成分调控机构（301)包括由处理器控制的电机和由电机驱动其在运动过 程中带动通风窗开合的可移位机构。
4. 根据权利要求1所述的一种智能温室大棚控制系统，其特征在于：所述调控单元中 还设有二氧化碳释放机构（305)，以调整室内的二氧化碳含量。
5. 根据权利要求1所述的一种智能温室大棚控制系统，其特征在于：所述调控单元中 还设有调节土壤温度的地暖供热装置（306)，该地暖供热装置（306)包括一热水源和埋藏 于土壤内的换热管，太阳能利用装置产生的热水储存与热水源中，热水在换热管内流动的 过程中与土壤完成热交换。
6. 根据权利要求1所述的一种智能温室大棚控制系统，其特征在于：所述调控单元中 还设有补光灯（307 )和强制通风的风机（308 )。
7. 根据权利要求1所述的一种智能温室大棚控制系统，其特征在于：所述调控单元中 还设有湿帘降温机构（309)，该湿帘降温机构（309)包括一湿帘箱、向湿帘箱内供水的循环 水管以及风机，风机采用轴流风机，且多个风机安装于温室同一侧的墙上，打开风机后温室 内产生负压，湿帘安装于温室内风机对面的墙上，空气经湿帘进入温室后，吸收湿帘的冷湿 气达到降低温室内温度的目的。
8. 根据权利要求1所述的一种智能温室大棚控制系统，其特征在于：所述喷淋补水机 构（302)和施肥机构（303)为一体结构，包括一搅拌筒、增压器和喷头，肥料在搅拌筒内与 水混合后经增压器施压后经喷头喷出，在补水的同时完成施肥作业。
【文档编号】A01G9/18GK104106432SQ201410308514
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月1日 优先权日:2014年7月1日
【发明者】赵平, 茹钢, 刘铮, 张礼锋 申请人:河南本易信息工程有限公司