温室大棚环境智能监控系统

1.本发明涉及物联网技术领域和自动化控制领域，特别是一种温室大棚环境智能监控系统。


背景技术：

2.我国作为传统的农业大国，目前温室面积居世界之首，随着国民经济的快速增长，关于温室大棚的研究和应用技术越来越受到重视，为了实现农作物优质、高效、高产的栽培目的，对农业生产环境中的一些重要参数进行监测和控制是非常有必要的。例如，空气温湿度、土壤温湿度、光线照度等。


技术实现要素：

3.本发明的目的是克服现有技术的不足，而提供一种温室大棚环境智能监控系统，它能对温室大棚中的一些重要参数进行监测和控制。
4.本发明的技术方案是：温室大棚环境智能监控系统，包括大棚；大棚包括主框架和包覆安装在主框架上的透光薄膜；主框架下端安装在土壤中，透光薄膜与土壤表面合围形成棚内空间；其还包括传感器组件、动作执行装置和单片机；传感器组件包括空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器和光照强度传感器；空气温湿度传感器设置在棚内空间中，其用于检测棚内空间的空气温度和湿度；土壤温湿度传感器埋设在主框架正下方的土壤中，其用于检测土壤温度和湿度；光照强度传感器设置在大棚外部，其用于检测大棚外部的光照强度；动作执行装置包括换气扇、空气加湿器、灌溉组件、遮阳组件和led补光灯；换气扇安装在主框架上，并将棚内空间与外界连通；空气加湿器设置在棚内空间中，其用于增加棚内空间的空气湿度；灌溉组件设置在主框架正下方的土壤中，其用于增加主框架正下方土壤的湿度；遮阳组件设置在棚内空间的上部，其用于调节外界自然光进入棚内空间的进光量；多个led补光灯间隔设置在棚内空间的上部，其用于补充棚内空间的光照强度；单片机的信号输入端口分别与空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器和光照强度传感器电连接，单片机的信号输出端口分别与换气扇、空气加湿器、灌溉组件、遮阳组件及led补光灯电连接。
5.本发明进一步的技术方案是：灌溉组件包括支水管、分水器和主水管；多条支水管并列布置埋设在主框架正下方的土壤中，每条支水管上等间隔设置有喷灌头，支水管一端封闭，另一端为进水端；分水器一端设有进水口，另一端设有多个出水口，分水器的每个出水口分别与一条支水管连接；主水管一端与分水器的进水口连接，另一端与具有一定压力的水源连通，主水管中部设有流量阀。
6.本发明再进一步的技术方案是：棚内空间的上端设有纵横交错的骨架，骨架上部固定安装有透明且水平布置的硬质塑料板；遮阳组件包括弹性卷绕器、遮光布、刚性杆、齿
条、滑轨、双轴电机和齿轮；弹性卷绕器安装在硬质塑料板上，并位于棚内空间的长度方向的一侧；遮光布的两端分别定义为内端和外端，遮光布的内端卷绕设置在弹性卷绕器内，遮光布的外端伸出在弹性卷绕器的外部并呈水平布置；刚性杆水平布置并固定连接在遮光布的外端边缘处；两条齿条固定安装在硬质塑料板上并相互平行布置；滑轨固定安装在硬质塑料板上并位于两条齿条之间并平行于齿条布置；双轴电机滑动安装在滑轨内，其两根机轴向滑轨两侧伸出；两个齿轮分别固定安装在双轴电机的两根机轴上，并分别与两条齿条啮合。
7.本发明更进一步的技术方案是：单片机的信号输入端口分别与空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器和光照强度传感器电连接，单片机的信号输出端口分别与换气扇、空气加湿器、流量阀、双轴电机及led补光灯电连接。
8.本发明更进一步的技术方案是：遮阳组件的数量为一组或多组；当遮阳组件的数量为一组时，遮光布可遮蔽大棚上方进光；当遮阳组件的数量为多组时，所有的遮光布可共同遮蔽大棚上方进光。
9.本发明与现有技术相比具有如下优点：其实现了温室大棚内部环境参数的实时监测与控制，可监测的环境参数包括土壤温湿度、空气温湿度和光强，然而不同的作物对于上述环境参数的要求不同，可针对作物种类对各项参数进行合理的预设置，并依托传感器组件与动作执行装置的联动机制，实时控制各项环境参数处在合理范围内，即可满足作物的种植需求。一方面有助于提升作物的产量和品质，另一方面有助于实现大棚的大型化、集约化、智能化、产业化、网络化管理。
10.以下结合图和实施例对本发明作进一步描述。
附图说明
11.图1为本发明的结构示意图；图2为灌溉组件与土壤温湿度传感器的位置关系示意图；图3为遮阳机构在棚内空间的结构及位置示意图；图4为图3的p向视图；图5为图3的a部放大图；图6为本发明中各需电部件的电连接关系图。
12.说明：图2为俯视视角图，其中的土壤温湿度传感器位于灌溉组件的下方；图3为沿大棚宽度方向的竖直平面剖切视角图。
具体实施方式
13.实施例1：如图1-6所述，温室大棚环境智能监控系统，包括大棚、传感器组件、动作执行装置和单片机4。
14.大棚包括主框架11和包覆安装在主框架11上的透光薄膜15。主框架11下端安装在土壤中，透光薄膜15与土壤表面合围形成棚内空间12。棚内空间12的上端设有纵横交错的骨架13，骨架13上部固定安装有透明且水平布置的硬质塑料板14。
15.传感器组件包括空气温湿度传感器21、土壤温湿度传感器22和光照强度传感器
23。空气温湿度传感器21设置在棚内空间12中，其用于检测棚内空间12的空气温度和湿度。土壤温湿度传感器22埋设在主框架11正下方的土壤中，其用于检测土壤温度和湿度。光照强度传感器23设置在大棚外部，其用于检测大棚外部的光照强度。
16.动作执行装置包括换气扇31、空气加湿器32、灌溉组件、遮阳组件和led补光灯35。
17.换气扇31安装在主框架11上，并将棚内空间12与外界连通。
18.空气加湿器32设置在棚内空间12中，其用于增加棚内空间12的空气湿度。
19.灌溉组件设置在主框架11正下方的土壤中，其用于增加主框架11正下方土壤的湿度。灌溉组件包括支水管331、分水器332和主水管333。多条支水管331并列布置埋设在主框架11正下方的土壤中，每条支水管331上等间隔设置有喷灌头3311，支水管331一端封闭，另一端为进水端。分水器332一端设有进水口3321，另一端设有多个出水口3322，分水器332的每个出水口分别与一条支水管331连接。主水管333一端与分水器332的进水口连接，另一端与具有一定压力的水源(图中未示出)连通，主水管333中部设有流量阀334。
20.遮阳组件设置在棚内空间12的上部，其用于调节外界自然光进入棚内空间12的进光量。遮阳组件包括弹性卷绕器341、遮光布342、刚性杆343、齿条344、滑轨345、双轴电机346和齿轮347。弹性卷绕器341安装在硬质塑料板14上，并位于棚内空间12的长度方向的一侧。遮光布342的两端分别定义为内端和外端，遮光布342的内端卷绕设置在弹性卷绕器341内，遮光布342的外端伸出在弹性卷绕器341的外部并呈水平布置。刚性杆343水平布置并固定连接在遮光布342的外端边缘处。两条齿条344固定安装在硬质塑料板14上并相互平行布置。滑轨345固定安装在硬质塑料板14上并位于两条齿条344之间并平行于齿条344布置。双轴电机346滑动安装在滑轨345内，其两根机轴向滑轨345两侧伸出。两个齿轮347分别固定安装在双轴电机346的两根机轴上，并分别与两条齿条344啮合。
21.多个led补光灯35间隔设置在棚内空间12的上部，其用于补充棚内空间12的光照强度。
22.单片机4的信号输入端口分别与空气温湿度传感器21、土壤温湿度传感器22和光照强度传感器23电连接，单片机4的信号输出端口分别与换气扇31、空气加湿器32、灌溉组件、遮阳组件和led补光灯35电连接。
23.优选，遮阳组件的数量为一组或多组。当遮阳组件的数量为一组时，遮光布342可遮蔽大棚上方进光。当遮阳组件的数量为多组时，所有的遮光布342可共同遮蔽大棚上方进光。具体的，常规大棚的宽度通常为定值，仅在长度有所区别，当大棚长度小于或等于4m时，遮阳组件的数量为一组，当大棚长度大于4m时，遮阳组件的数量为多组，所有组的遮光布342的宽度根据大棚宽度均匀分配，并保证遮光布的宽度不小于2m。例如：大棚长度为5m，遮阳组件的数量为两组，每组遮阳组件的遮光布的宽度均为2.5m。
24.优选，空气温湿度传感器21的数量为一个或多个，所有的空气温湿度传感器21沿大棚长度方向等间隔布置在棚内空间12中，当大棚的长度小于5m时，空气温湿度传感器21的数量为一个。
25.优选，多个土壤温湿度传感器22呈矩形阵列埋设在主框架11正下方的土壤中。
26.优选，换气扇31的数量为两个，两个换气扇31沿大棚的长度方向对称设置在大棚的两面侧壁的中部。
27.优选，空气加湿器32的数量为一个或多个，所有的空气加湿器32沿大棚长度方向
等间隔布置在棚内空间12中，当大棚的长度小于5m时，空气加湿器32的数量为一个。
28.优选，所述弹性卷绕器341内部的卷布轴(图中未示出)始终具有向一个方向转动的趋势，可使遮光布342在收布或放布的过程中都保持张紧状态。
29.优选，遮光布342的透光率为40%-70%。
30.优选，所有的led补光灯32呈矩形阵列排布在棚内空间12的上部，并均固定安装在骨架13下端，当所有led补光灯35开启时，棚内空间12下方土壤表面各处的光强差距不超过10%。
31.简述本发明的工作原理：关于遮阳组件的工作原理：双轴电机346启动时，通过两根机轴带动两个齿轮347同步转动，通过齿轮347与齿条344的啮合关系，带动双轴电机346沿滑轨345做直线移动。双轴电机346移动时，通过刚性杆343拉动遮光布342的外端移动，进而达到遮蔽或敞开大棚上部空间，调整大棚上部空间进光量的效果。
32.关于传感器组件与动作执行装置的联动机制说明：1、空气温湿度传感器21实时检测棚内空间12的空气温度和湿度，检测数据实时传递给单片机4。当空气温度高于设定值(例如夏天中午，温度40℃)时，单片机4随即控制换气扇31启动，进行棚内空间12与外界的换气操作，以略微降低棚内空间12的温度(实测经换气可降低空气温度1-2℃)。若换气扇31启动10min内，温度降至40℃以下，则单片机4控制换气扇31停止运行，若换气扇31启动超过10min，温度仍超过40℃，则单片机4控制遮阳组件动作，通过遮光布342遮蔽大棚上方的日光。
33.2、土壤温湿度传感器22实时检测棚内空间12下方土壤中的温度和湿度，当土壤中的湿度低于第一设定值(例如55%的相对湿度)时，单片机4随即控制灌溉组件启动，对土壤进行灌溉操作，随着灌溉过程的持续进行，土壤湿度持续提高，当土壤湿度高于第二设定值(例如65%的相对湿度)时，单片机4随即控制灌溉组件停止运行。其中，第一设定值相对较低，第二设定值相对较高。
34.3、光照强度传感器23实时检测大棚外部的光照强度，当光照强度低于第一设定值(例如10lux）时，单片机4随即控制led补光灯35打开，以补充光照，当光照强度高于第二设定值(例如500lux)时，单片机4随即控制led补光灯关闭，当光照强度高于第三设定值(例如2000lux)时，单片机4随即控制遮阳组件动作，通过遮光布342遮蔽大棚上方的日光。
35.关于遮阳组件的复位机制说明：所述的复位是指遮光布342从遮蔽日光的状态恢复到敞开大棚上方进光的状态。遮阳组件复位需进行三方共同判定：1、棚内空间12的温度低于38℃；2、土壤中的相对湿度低于55%；3、大棚外部的光照强度低于1000lux。同时满足上述三个条件的情况下，单片机4控制遮阳组件自动复位。