一种智能植物培养箱及其在线监控与管理系统的制作方法

本实用新型涉及培养箱技术领域，特别是涉及一种智能植物培养箱及其在线监控与管理系统，尤其涉及大量培养箱的统一监控与管理。

背景技术：

现有植物培养箱，主要有两种用途，一是用于实验条件下进行植物生长环境控制研究，二是用于小规模人工环境植物生产，如家庭植物种植柜应用等。这些植物培养箱针对不同植物的生长特点采用预设定或手动设置环境控制条件，调整植物生长环境达到控制植物生长目的。

如申请号为cn201711114874.x的专利公开了一种微型植物培养箱，包括箱体、环境检测模块、主控模块和环境控制模块，环境检测模块，设置在所述箱体内侧，用于检测所述培养箱内部的环境信息；主控模块，与所述环境检测模块和环境控制模块相连，用于通过所述环境检测模块采集所述培养箱中的环境信息，并控制所述环境控制模块调节所述培养箱中的环境状况；所述环境控制模块，设置在所述箱体内侧，用于根据所述主控模块的控制信息调整所述培养箱内部的环境；其中，所述环境信息包括：温度、湿度、光照强度和二氧化碳浓度。

这些植物培养箱系统不具备数据通信的能力，因此无法实现环境控制条件实时更新和生长状态实时采集的能力，只能按照设定的参数调整生长环境。在用于植物培养环境研究时难以进行大样本的连续实验，如正交试验通常高达几十上百组数据，如果加上平行组，则数量更多，通过对培养箱进行单个数据设置与采样非常慢，也容易出现问题；在小规模人工环境植物生产时难以具备多样化和可变的培养模式，从而灵活地根据实际生长状况进行参数调整；同时也存在工作量大、费时费力等缺点，因此在应用上存在着较大的局限性。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型实施例提供了一种智能植物培养箱及其在线监控与管理系统，可实现大量培养箱的在线大规模的设置与采样，能根据每个培养箱的环境情况与植物生长情况进行多样化、实时调整。另外，还能对分散的培养箱采集的数据进行保存与分析，便于大数据分析。所述方案如下：

一方面，本实用新型实施例提供了一种智能植物培养箱，包括箱体11及其上的控制模块、采样模块114、执行装置、图像采集模块、编号设置与显示模块、植物高度采集模块和通信模块，所述采样模块114用于采样光照、温度、co2浓度和湿度信息，图像采集模块用于获取植物生长情况的图像信息；编号设置与显示模块151用于设置并显示编号；植物高度采集模块用于获取植物的生长高度；通信模块，用于与上位机进行通信；所述执行装置包括执行模块及与其电连接的制冷结构、加热结构115、换气风扇117、co2气阀112、加湿结构14和光源，所述采样模块114、执行模块、图像采集模块、编号设置与显示模块151、植物高度采集模块和通信模块与控制模块电连接。

其中，本实用新型实施例中的箱体11前侧设有可开闭的箱门15，其内中部设有隔板13将其由上至下分割为培养空间与设备空间；所述隔板13上设有通气孔且其上放置有培养槽131；所述光源包括箱体11内顶部均匀分布的多个led灯124；所述编号设置与显示模块151设于箱门15上部；所述加湿结构14和加热结构115设于设备空间中；所述co2气阀112与培养空间连通；所述换气风扇117设于培养空间的侧壁上且与大气连通；所述采样模块114设于培养空间内且靠近培养槽131设置；所述制冷结构设于箱体11后侧，其蒸发器113设于培养空间内；所述控制模块和执行模块设于箱体11顶部的控制板121上。

具体地，本实用新型实施例中的图像采集模块为设于箱体11内顶部的摄像头123；所述植物高度采集模块为多个设于箱体11内顶部的距离传感器125。

进一步地，本实用新型实施例中的光源还包括光源电源单元122和led恒流驱动单元126，所述控制模块通过执行模块与光源电源单元122电连接，所述led恒流驱动单元126与光源电源单元122、控制模块和led灯124电连接。

具体地，本实用新型实施例中的控制模块包括stm32微控制器；所述执行模块包括多个继电器，所述制冷结构、加热结构115、co2气阀112、换气风扇117、加湿结构14和光源电源单元122的供电回路上均设有继电器；所述距离传感器125与stm32微控制器的iic接口电连接；所述通信模块和编号设置和显示模块151与stm32微控制器的串行接口电连接；所述采样模块114和摄像头123通过485接口单元与stm32微控制器的串行接口电连接；所述继电器的控制端与stm32微控制器的i/o接口电连接；所述led恒流驱动单元126的控制端通过光耦与stm32微控制器的pwm接口电连接。

优选地，本实用新型实施例中的led灯124包括多个蓝色led灯、多个红色led灯和多个白色led灯，所述led恒流驱动单元126包括至少三个led恒流驱动电路；10-15个红色led灯串联后构成一串，两串红色led灯再并联构成一组；6-12个蓝色led灯串联后构成一串，两串蓝色led灯再并联构成一组；6-12个白色led灯串联后构成一串，两串白色led灯再并联构成一组；每组led灯各自与一个led恒流驱动电路电连接；所述白色led灯、红色led灯和蓝色led灯均匀分布在箱体11内顶部的灯板12上，所述摄像头123设于灯板12中部，3-6个距离传感器125设于灯板12上且围绕摄像头123均匀分布。

具体地，本实用新型实施例中的通信模块为wifi模块111。

具体地，本实用新型实施例中的编号设置与显示模块151包括微控制器单元、触摸按键单元、多个移位寄存器和多个数码管，每个数码管与一个移位寄存器电连接，所述微控制器单元与触摸按键单元、移位寄存器和控制模块电连接。

另一方面，本实用新型实施例还提供了一种智能植物培养箱的在线监控与管理系统，该系统包括上位机2及多个前述的智能植物培养箱1，所述智能植物培养箱1的通信模块通过网络与上位机2连接。

本实用新型实施例提供的技术方案的有益效果为：

1、采用了具有网络接入能力的植物培养箱，以及能够进行数据收集和分析的上位机，使得植物培养过程可以在较为稳定和可控的植物培养箱中进行，并能够在不需要人工干预的情况获得稳定可控的植物培养过程。

2、培养过程中的相关参数的收集和分析由上位机自动完成，可以极大地减轻农业科研人员或种植人员的劳动强度，实现无人栽培。

3、通过网络可以进行集中式或分布式的大规模植物培养，满足特定农业生产需要，如家庭植物工厂智能远程管理，特殊生产环境下的远程种植等。

4、通过在植物培养箱内设置加湿结构、二氧化碳气阀、蒸发器、辅助加热器、压缩机、换气风扇、冷凝器、led灯等环境调节结构，可通过控制板根据上位机设置的植物培养箱环境设置参数，控制各环境调节结构完成相关参数调整。

5、通过在植物培养箱内安装摄像头，高度传感器等植物生长状态参数监测结构，可以实时采集植物生长状况。植物培养箱通过通信模块定期将植物培养箱环境参数和植物生长状态参数上传到控制上位机，存入控制上位机数据库，为后续优化培养过程提供依据。

6、利用上位机，收集植物培养箱环境参数和植物生长状态参数数据，从中不断自动优化调整植物培养箱环境参数，达到增产、降耗、减少生产周期等优化农业生产目的。

附图说明

图1是本实用新型实施例中的智能植物培养箱的电控部分的原理框图；

图2是本实用新型实施例中的智能植物培养箱的结构示意图；

图3是本实用新型实施例中的智能植物培养箱内的后视图；

图4是本实用新型实施例中的智能植物培养箱内顶部的结构示意图；

图5是箱门的结构示意图；

图6是本实用新型实施例中的智能植物培养箱的电控部分的详细原理框图；

图7是图6中控制模块的电路图；

图8是图6中继电器的电路图；

图9是图6中485接口单元的电路图；

图10是图4中灯板上不同颜色led灯的连接示意图；

图11是图6中led恒流驱动单元的电路图；

图12是图6中光耦的电路图；

图13是微控制器单元的电路图；

图14是移位寄存器和数码管组合的电路图；

图15是触摸按键单元的电路图；

图16是本实用新型实施例中的智能植物培养箱的在线监控与管理系统的原理框图。

图中：1智能植物培养箱、2上位机、11箱体、12灯板、13隔板、14加湿结构、15箱门、111wifi模块、112co2气阀、113蒸发器、114采样模块、115加热结构、116压缩机、117换气风扇、118冷凝器、121控制板、122光源电源单元、123摄像头、124led灯、125距离传感器、126led恒流驱动单元、131培养槽、151编号设置与显示模块。

具体实施方式

下面结合实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

实施例1

参见图1-15，实施例1提供了一种智能植物培养箱，包括箱体11及其上的控制模块、采样模块114、执行装置、图像采集模块、编号设置与显示模块151、植物高度采集模块和通信模块等，采样模块114用于采样光照、温度、co2浓度和湿度信息等，包括光照传感器单元、温度传感器单元、co2浓度传感器单元和湿度传感器单元等。执行装置包括执行模块（主要为继电器，设于各结构的供电回路上）及与其电连接的制冷结构、加热结构115、换气风扇117、co2气阀112、加湿结构14和光源等，制冷结构和加热结构115用于调整箱体11内的温度；其中，加热结构115为电加热器；制冷结构包括压缩机116、蒸发器113和冷凝器118等。换气风扇117和co2气阀112用于调整箱体11内的co2浓度，co2气阀112具体为电磁阀。加湿结构14和换气风扇117用于调整箱体11内的湿度。光源用于调整箱体11内的光照强度和波长。其中，图像采集模块用于获取植物生长情况的图像信息；编号设置与显示模块151用于设置并显示编号；植物高度采集模用于获取植物的生长高度；通信模块用于通过有钱网络或/和无线网络与上位机进行通信。采样模块114、执行模块、图像采集模块、编号设置与显示模块151、植物高度采集模块和通信模块等与控制模块电连接用于实现数据通信和整个培养箱的控制。当然，本实施例中的智能植物培养箱内还设有电源模块为各模块进行供电，电源模块将220v市电转化为dc12v（继电器、采样模块114）、3.3v（控制模块、rs485芯片等）和5v（光耦、通信模块、摄像头123、编号设置与显示模块151、距离传感器125等）等。

其中，本实施例中的采样模块114具体可以为戈龙电子四合一集成变送器同时对多种参数进行采集；当然，也可以分别采用相应的传感器对各种参数分别进行采集。其中，加热结构115为ptc防潮电加热器，具体型号为hg140-50w。

其中，参见图2-5，本实用新型实施例中的箱体11前侧设有可开闭的箱门15，其内中部设有隔板13将其由上至下分割为培养空间与设备空间。具体地，箱体11可以为矩形结构，其侧壁内可设置保温层，箱门15具体可以为由双层中空玻璃门。隔板13上设有通气孔且其上放置有培养槽131，其具体水平设于箱体11中部或中下部。光源包括箱体11内顶部均匀分布的多个led灯124，其设于培养槽131上方；多个led灯124采用不同颜色的led灯并分为多组进行单独控制（对应一个led恒流驱动电路）以得到不同光照强度。编号设置与显示模块151设于箱门15上部以便于控制。加湿结构14和加热结构115设于设备空间中；具体地，加热结构115设于隔板13相邻下方且位于箱体11内的后侧壁上。具体地，加湿结构14包括水箱、超声波加湿器和风扇组成等，水箱设于箱体11底部，超声波加湿器设于水箱中，继电器控制超声波加湿器，超声波加湿器可以将水箱中的水雾化，通过风扇将雾化的水气吹出水箱，形成培养箱内对流。co2气阀112与培养空间连通；其同时与co2储气罐连接，本实施例中设于箱体11后侧上部。换气风扇117设于培养空间的侧壁（具体为后侧壁上部）上且与大气连通。采样模块114设于培养空间内且靠近培养槽131设置；具体设于箱体11内侧壁上。制冷结构设于箱体11后侧，其蒸发器113设于培养空间内（具体设于箱体11内后侧壁上），其冷凝器118（对应设有散热孔）和压缩机116可设于设备空间内。具体地，控制模块和执行模块设于箱体11顶部的控制板121上。

其中，参见图4，本实施例中的图像采集模块为设于箱体11内顶部的摄像头123，其具体型号为ptc20串口摄像头。植物高度采集模块为多个设于箱体11内顶部的距离传感器125，其具体型号为gp2y0e03。摄像头123和距离传感器125均设于培养槽131上方。

进一步地，参见图6，本实用新型实施例中的光源还包括光源电源单元122和led恒流驱动单元126，光源电源单元122与市电电连接，控制模块通过执行模块（继电器）与光源电源单元122电连接用于控制光源的开启与关闭，led恒流驱动单元126与光源电源单元122、控制模块和led灯124电连接用于控制光源的强度与波长。其中，光源电源单元122的具体型号可以为明纬电源lrs-350-36。

具体地，参见图7-9，本实用新型实施例中的控制模块包括stm32微控制器；具体型号可以为stm32f429igt6。执行模块包括多个继电器，制冷结构（压缩机116）、加热结构115、co2气阀112、换气风扇117、加湿结构14和光源电源单元的供电回路（220v）上均设有继电器；继电器型号可以为hf32f-g。其中，距离传感器125与stm32微控制器的iic接口电连接。通信模块和编号设置和显示模块151与stm32微控制器的串行接口电连接。采样模块114和摄像头123通过485接口单元与stm32微控制器的串行接口电连接。继电器的控制端与stm32微控制器的i/o接口电连接。led恒流驱动单元126的控制端通过光耦与stm32微控制器的pwm接口电连接。更具体地，本实施例中的485接口单元具体包括rs485芯片（型号为sp3485）。

优选地，参见图9-11，本实用新型实施例中的led灯124包括多个蓝色led灯、多个红色led灯和多个白色led灯。led恒流驱动单元126包括至少三个led恒流驱动电路。根据led恒流驱动电路的驱动能力，10-15个（具体为12个）红色led灯串联后构成一串，两串红色led灯再并联构成一组；6-12个（具体为9个）蓝色led灯串联后构成一串，两串蓝色led灯再并联构成一组；6-12个（具体为9个）白色led灯串联后构成一串，两串白色led灯再并联构成一组；每组led灯各自与一个led恒流驱动电路电连接。具体地，led恒流驱动电路包括mh9416芯片，三极管q1，电容c1、c3与c4，电阻r1、二极管d1和电感l1，其输出功率会随着pwm信号的占空比的变化而变化，pwm信号占空比越大，则输出功率越大。

进一步地，参见图4，本实用新型实施例中的白色led灯、红色led灯和蓝色led灯均匀分布在箱体11内顶部的灯板12上，摄像头123设于灯板12中部（同时最好位于箱体11内顶部的中部），3-6个（本实施例为4个，呈正方形分布）距离传感器125设于灯板12上且围绕摄像头123均匀分布。具体地，灯板12和控制板121可设于同一块pcb板上，该pcb板设于箱体11内顶部，其上还同时设有光源电源单元122和led恒流驱动单元126。更具体地，灯板12设于中部，led恒流驱动单元126设于前部，光源电源单元122和控制板121并排设于后部。

其中，参见图3，本实用新型实施例中的通信模块为wifi模块111，通过无线路由与上位机进行通信。当然根据需要也可以为常见的其他通信模块。其具体可以为型号为esp8266，其具体可以设于箱体11后侧板的上部。

其中，参见图13-15，本实施例中的编号设置与显示模块151包括微控制器单元、触摸按键单元、多个移位寄存器和多个数码管等，每个数码管各自与一个移位寄存器电连接，微控制器单元与触摸按键单元、移位寄存器和stm32微控制器电连接。具体地，本实施例包括3个数码管和3个移位寄存器，数码管具体采用共阳极8段数码管，每个数码管对应设置一个移位寄存器。微控制器单元具体包括atmega8a芯片，触摸按键单元具体包括ai05-touch5(具有3个控制按键)，移位寄存器具体可以为sn74hc595d。

实施例2

实施例2提供了一种植物培养箱，其包括具有保温功能的箱体11和箱门15，箱体11内设有内腔，其内固定设有压缩机116和冷凝器118，箱体11内壁上还固定设有蒸发器113。压缩机116和冷凝器118、蒸发器113构成回路，蒸发器113和冷凝器118间设置有节流阀。其中，箱体11及其内设置的压缩机116、冷凝器118和蒸发器113通过直接采购具有展示功能的冷藏柜获得。压缩机116用于实现制冷介质的压缩和循环；冷凝器118用于辅助压缩机116实现制冷介质冷凝，将携带的热量散发到箱体11外空间；蒸发器113用于将压缩机116的制冷介质蒸发，从而降低箱体11内的温度。

其中，箱体11内由上至下依次设有顶板、隔板13和加湿结构14。其中，加湿结构14可为箱体11内增加湿度，其包括水箱，雾化器和风扇等，水箱固定设置在箱体11底层，水箱内设有雾化器和风扇，且风扇设置在靠近水箱的出气口处。利用雾化器可以将水箱中的水雾化，通过风扇将雾化的水气吹出水箱，形成智能植物培养箱1内对流，从而达到增加箱体11内湿度的目的。顶板上设置有控制板121、光源电源单元122、摄像头123、led灯124、距离传感器125和led恒流驱动单元126等，光源电源单元122、控制板121和led灯124与led恒流驱动单元126电连接。本实施例中，距离传感器125设有4组。其中，控制板121是智能植物培养箱1的控制核心，通过与上位机2通信，能够将箱体11内的植物培养箱环境参数（温度、湿度、co2浓度、光照强度等参数）和植物生长状态参数（植物当前图片、植物高度等参数）发送到上位机2作为其分析和改进相关参数的依据，并接收由上位机2发送的环境参数控制信息，通过执行装置完成对箱体11内环境参数的调整。光源电源单元122（其型号为明纬电源lrs-350-36）将220v交流转换为36v直流，为led恒流驱动单元126提供低压电源。摄像头123（其型号为ptc20串口摄像头）用于实时获取智能植物培养箱1内的植物图片，由控制板121读取后上传给上位机2。led灯124为箱体11内的植物提供不同颜色比例、不同光照强度的照明，由控制板121根据上位机2确定的环境参数控制信息（通过手动或自动的方法设置的温度、湿度、co2浓度、光照强度等参数）调整到相应状态。距离传感器125用于在箱体11顶部测量箱体11内植物的相对高度变化，由控制板121读取，上传给上位机2。led恒流驱动单元126用于为led灯124提供恒流驱动电流，保证led灯124的稳定工作，它在pwm信号的控制下调整对led灯124的供电，实现led亮度调整，从而实现不同颜色灯光强度的调整和照度的改变。

其中，箱体11上固定安装有co2气阀112、采样模块114、加热结构115和换气风扇117，co2气阀、采样模块114、加热器115和换气风扇117均与stm32微控制器电连接。箱体11上开设有安装口，co2气阀112（可具体为直流电磁气阀）和换气风扇117（可具体为小型直流风扇）固定安装在安装口内，且co2气阀112和外置二氧化碳气瓶连通。当co2气阀112打开时可通入co2，从而提高箱体内co2浓度。换气风扇117用于实现箱体11内外空气交换，以调节箱体11内的co2浓度与湿度等参数。采样模块114（可具体为龙戈电子四合一集成变送器）用于探测箱体11内的温度、湿度、co2浓度和光照强度；加热结构115用于在箱体11温度低于设定温度值时，通过电加热方式提高箱体11内空气温度，通过采购电气柜箱ptc防潮加热模块（型号为hg140-50w）实现。其中，co2气阀112、采样模块114、加热结构115和换气风扇117均可采用卡接、螺栓、螺丝和螺纹的方式安装在箱体11上。

其中，箱门15上还固定安装有编号设置与显示模块151，编号设置与显示模块151与stm32微控制器电连接。具体地，箱门15由双层中空玻璃构成，门顶部安装有用于箱体编号设置的编号设置与显示模块151。编号设置与显示模块151用于设置植物培养箱1的编号，并传送给控制板121，该编号用于区分不同的智能植物培养箱1。

其中，控制板121上设有多个接口。控制板121包括stm32微控制器，且stm32微控制器（型号为stm32f429igt6）为控制板121的控制核心。stm32微控制器上设置有多组串行通信接口和多组i/o控制接口。具体的，stm32微控制器上共设有5组串行通信接口。其中，两组接口（串口一和串口三）通过sp3485芯片与采样模块114和摄像头123电连接，另外两组接口（串口二和串口四）直接与通信模块和编号设置和显示模块151电连接，从而进行数据交换。一组同步串行iic通信接口与四个距离传感器125通信，以获取植物高度数据。stm32微控制器通过i/o控制接口来控制继电器（其型号为hf32f-g），进而控制压缩机116、加热结构115、co2气阀112、换气风扇117、加湿结构14和光源电源单元122等，从而实现相应控制功能。stm32微控制器的pwm接口通过光耦将不同pwm信号（图7中pb6，pb7，pb8）转换成5v的ttl电信号用于控制led恒流驱动单元126的输出，以实现不同颜色的led灯124的光照比例和光照强度。

具体地，stm32微控制器上用于控制继电器的i/o控制接口包括加热结构控制信号heater_in（标识j2_1），压缩机控制信号compat_in（标识j2_2），光源电源控制信息220_36v_in（标识j2_3），co2气阀控制信号co2_in（标识j2_10），换气风扇控制信号cycle_in（标识j2_7），加湿结构控制信号wet_in（标识j2_9）。用于控制led恒流驱动单元126的pwm接口包括蓝色光控制pwm信号输出口tim4_in1（标识j1_24），红色光控制pwm信号输出口tim4_in2（标识j1_25），白光控制pwm信号输出口tim4_in3（标识j1_26）。用于通信的异步串行通信接口包括串口一、串口二、串口三和串口四。其中，串口一引脚为usart1-tx（标识j1_52），usart1-rx（标识j1_51），usart1-re（标识j1_50），分别用于发送数据、接收数据和控制rs485芯片的数据方向（发送还是接收），串口一用于与采样模块114通信；串口二引脚为usart2-tx（标识j1_4）、usart2-rx（标识j1_44），分别用于发送数据、接收数据，串口二用于与wifi模块111通信；串口三引脚为usart3-tx（标识j1_58）、usart3-rx（标识j1_59）、usart3-re（标识j1_60），分别用于发送数据、接收数据和控制rs485芯片的数据方向（发送还是接收），串口三用于与摄像头123进行通信；串口四引脚为usart4-tx（标识j1_40）、usart4-rx（标识j1_39），分别用于发送数据、接收数据，串口四用于与编号设置与显示模块151通信。用于通信的同步串行iic通信接口引脚包括i2c1-scl（标识j1_46）、i2c1-sda（标识j1_45），分别用于传送iic的时钟和数据，通过该接口与距离传感器125连接从而实现植物高度数据的读取。为了能够区分四个不同的距离传感器125，stm32微控制器使用信号rf1-in（标识j2_39）、rf2-in（标识j2_38）、rf3-in（标识j2_37）和rf4-in（标识j1_36）分别与四个距离传感器125的使能信号连接，每次读数据时只将其中一个距离传感器125使能打开，逐一完成四个距离传感器125数据读取。

如图8，控制板121上采用12v常开型继电器控制对象的电源开关，被控制对象的电源线将连接到p2的1、2脚。stm32微控制器通过i/o控制接口（compat_in，_36v_in,co2_in，cycle_in，wet_in）在i/o信号线上给出高电压时，q27将被打开其2、3脚之间导通，从而使继电器k5吸合，将220v电源的火线连接到输出接口p2的1脚，输出接口p2的2脚接220v电源的零线，被控制对象电源输入，开始工作；当stm32微控制器在i/o信号线上给出低电压时，q27的2、3脚不导通，使继电器k5释放，断开接口p2的1脚上的220v火线，被控制对象失去供电，停止工作。

如图9，rs485芯片u2的1，4脚分别与stm32微控制器的串口usart1（或者usart2，或者usart3）的tx、rx连接，并通过一个stm32微控制器的i/o引脚连接到u2的2、3脚，用于控制rs485芯片处于何种工作状态（低电平时为收，高电平为发）。当需要发送时，stm32微控制器将u2的2、3脚置为高电平，则stm32微控制器的tx引脚上的串口通信电平将被转换成rs485传输电平经u2引脚6、7输出到接口p3，通过接口连线传送给相应的摄像头123和采样模块114实现数据发送。当接收数据时，stm32微控制器将u2的2、3脚置为低电平，则u2的6、7脚上收到的由p3传入的rs485通信电平可以转换为相应的串口通信电平给stm32微控制器的rx引脚，完成数据接收。接口p3的1，2脚分别接到5v（采样模块114为12v）和地，通过该接口为通信模块111、摄像头123和采样模块114供电。

进一步地，箱体11上还固定设有wifi模块111，stm32微控制器与上位机2通过wifi模块111连接。具体的，控制板121通过wifi模块111与通信网络中的无线路由器设备连接从而与上位机2进行通信。

本实施例中，led灯124均匀分布在灯板12上，其中心位置设置有摄像头123，摄像头123用于实时获取智能植物培养箱1内植物图片，摄像头123与stm32微控制器电连接。具体的，led灯124和摄像头123均可采用螺纹连接的方式固定在灯板12上。

本实施例中，在灯板12上且位于摄像头123的四周还固定设有4组距离传感器125（型号为gp2y0e03），距离传感器125用于探测植物的高度。距离传感器125与控制板121通信（与stm32微控制器电连接），在控制板121的控制下完成相应的距离测量，并将测量的距离传送给控制板121，作为植物生长的一个参考数据。

本实施例中，led灯124具有蓝、白、红三种颜色，且每种相同颜色的led灯124按照一定的数目通过串联的方式连成一串，两串同种颜色的led灯124并联成一组。灯板12上固定设有多组led灯124，每组led灯124通过一个led恒流驱动电路驱动，且led恒流驱动电路的组数与led灯124的组数一致。如图10，在安装过程中，由于红色led灯124的单个压降较小，采用12个串联，然后两串并联的方式连接，而蓝色和白色led灯单个压降较大则采用9个串联，然后两串并联的方式连接。

如图11，led恒流驱动电路使用专用的恒流驱动芯片mh9416-const-5a（图11中标识为ic1）设计，其恒流输出值由电阻r1决定，其电流i=0.18/r1。当ic1的引脚2上输入pwm信号时，其恒流输出功率会随着pwm信号的占空比的变化而变化，pwm信号占空比越大，则输出功率越大，占空比越小则输出功率越小。stm32微控制器通过调节pwm信号的占空比来控制led灯124不同颜色光强比例和总光强的输出。如图12，stm32微控制器的输出信号为0-3.3v，为保证其对led恒流驱动单元126有效控制，采用了光耦实现电压隔离和转换。当stm32微控制器的pwm信号（tim4_in1，tim4_in2，tim4_in3）输出高电平到pwm引脚时，经电阻r65使op1中1、2脚连接的发光二极管导通，使op1光电管电路3、4脚导通，实现3.3v高电平转换为5v电压加到led_pwm信号上，该信号与恒流驱动芯片的控制引脚（图11中ic1引脚2）连接，使恒流驱动芯片正常输出。当stm32输出到pwm引脚为低电平时，则op1中1、2脚连接的发光二极管不导通，则op13、4脚处于断开状态，通过r66将led_pwm引脚为低电平，恒流驱动芯片暂停输出，从而实现pwm信号对led灯124光照的调节。

本实施例中，隔板13上放置有培养槽131，培养槽131用于植物培养。具体的，隔板13上开设有通孔，从而使箱体11内位于隔板13上下两侧的空气流通。待种植的植物将放在培养槽131中培养，培养槽131中的营养液由种植前调配好。

本实施例中，编号设置与显示模块151包括微控制器单元、移位寄存器、显示器件和触摸按键单元等，微控制器单元与stm32微控制器、移位寄存器、显示器件和触摸按键单元电连接。

如图13和14，编号设置与显示模块151中使用了atmega8a（u5）作为控制单元，通过74hc595移位寄存器u1、u3、u4作为显示寄存和驱动器件，使用三个共阳极8段数码管ds1，ds2，ds3作为显示器件，每个8段数码管用一个74hc595驱动，分别显示智能植物培养箱1的三位编号。u5通过引脚pc0、pc1、pc2分别与各移位寄存器u1、u3、u4的数据输入14脚，输入控制12脚和输出控制11脚连接，将数据以串行方式由u1逐位发送到移位寄存器。移位寄存器u1、u3、u4以并行方式显示输入的各位值到u1、u3、u4的引脚qa-qh’，驱动对应的八段数码管的一段显示，从而构成相应的数字字符。三极管q1、q3、q4的引脚2分别在微控制器单元的pc3、pc4、pc5的控制下，可以关闭八段数码管的阳极，使数码管不显示相应数字。

如图15，用户操作键盘采用了触摸式键盘，使用ai05触摸专用芯片ic2完成触摸按键的识别。三个触摸按键t1、t2、t3通过电阻分别连接到ic2的6、7、8脚，作为ic2的输入信号，当检测到有人触摸按键t1、t2、t3时，与按键对应的输出引脚11、10或9脚将输出高平。经pd4、pd5、pd6输入到微控制器单元u5，由微控制器单元u5识别出哪个按键按下，从而产生相应的设置操作。微控制器单元u5通过串口引脚rxd，txd与stm32微控制器的串口四的usart4-tx、usart4-rx分别连接，用于完成微控制器单元u5与stm32微控制器之间的数据交换，包括将手动按键设置后的植物培养箱编号发送给控制板121，由控制板121通过通信模块发送至上位机2。

其中，控制板121上还设有电源模块，该电源模块用于将220v交流电转换成控制板121工作所需的直流12v（具体型号为na36v2s12，用于继电器和采样模块114）；直流12v经mp2359转换为直流5v为wifi模块111、摄像头123、编号设置与显示模块151、距离传感器125和光耦等供电，再经ams1117-3.3转换为直流3.3v为485接口单元和stm32微控制器等供电。

实施例3

实施例3提供了一种植物在线监控与管理系统，该系统包括上位机2及多个实施例1和实施例2公开的智能植物培养箱1，智能植物培养箱1的通信模块通过网络与上位机2连接。如本专利采用三位数码管显示，最大可支持999个培养箱的在线监控与管理；同时根据需要可进行分组。其中，上位机2包括：网络通信模块，用于通过网络与智能植物培养箱1的通信模块进行通信。分析模块，用于对数据进行分析并对整个上位机进行控制。存储模块，用于存储数据；数据包括编号、环境参数控制信息、环境参数信息和植物生长信息等。显示模块，用于显示数据和环境参数控制信息等。设置模块，用于设置环境参数控制信息。

智能植物培养箱1通过通信模块接入上位机。智能植物培养箱1内的控制板接收控制上位机2发出的环境参数控制信息，控制智能植物培养箱1的环境条件达到参数要求。并实时更新培养箱内的植物图片和高度测量结果给控制上位机2，上位机2中的软件对接收到的测量结果保存，形成不同培养对象，不同培养环境条件下的原始数据。上位机2根据这些原始数据，分析和判断（包括部分人工获取数据，如称重，成分分析等）后，作为下一次改进或优化实验的依据。在使用自动设置方式时，在下一组植物培养实验或生产过程中，根据前面的原始数据分析结论对植物培养环境参数进行自动调整，从而不断自动调整筛选某种植物的培养环境参数组合，连续完成多组实验；当然也可以直接采用手动控制。如果使用大规模实验箱联网（100台以上），则可以通过分阶段、分组别开展大量实验，从而快速获取优化数据，为植物种植或植物工厂运行提供更优的培养方案，达到增产降耗、优化生产过程的目的。

本实用新型改变了传统农业科学实验以人工方式进行环境参数设定和人工分析实验数据，人工筛选优化实验参数，人工指导反复实验的实验模式，通过利用现代信息技术部署大规模自动化设备，代替人工开展实验过程，并根据实验结果的分析自动优化下一轮实验参数，大大提高实验效率，降低人工负担。该系统应用于小规模植物种植时，同样可以通过网络，对分散的植物培养箱进行实时监控和种植参数优化，既可以减少非专业人员的人工干预导致的种植质量波动，又可以不断收集相关数据，为进一步优化参数提供依据。

实施例4

实施例4提供了一种植物在线监控方法，该方法包括：通过编号设置与显示模块151设置每个智能植物培养箱1的编号并通过通信模块发送至上位机2；上位机2获取各智能植物培养箱1的编号与ip地址并保存；智能植物培养箱1获取采样模块114采样的环境信息和图像采集模块与植物高度采集模采样的植物生长信息并通过通信模块发送至上位机2；上位机2获取智能植物培养箱1发送的环境信息与植物生长信息并保存和分析或不分析；上位机2向智能植物培养箱1发送环境参数控制信息；智能植物培养箱1通过通信模块获取上位机2发送的环境参数控制信息并保存，根据环境参数控制信息和环境信息判断是否符合要求，如果不符合要求，则驱动相应的执行装置动作直至符合要求。

具体地，其具体过程为：

1、智能植物培养箱1开机后经串行通信口2到rs485通信1，通过通信模块连接到网络，并与上位机2的网络通信模块连接。上位机2读取智能植物培养箱1编号，该编号存储于编号编号设置与显示模块151的mcu中的eeprom中，仅用于区分不同的实验箱，以方便人工查看实验过程和实验结束后更换实验对象等。编号可通过编号设置与显示模块151进行手工设置。

2、智能植物培养箱1通过网络接收来自上位机2的环境参数控制信息。该环境参数控制信息由上位机2自动或人工设置，设置后的参数将通过web服务以参数命令方式存入数据库中。tcp循环服务查看数据库，并将其中的参数命令发送给不同的智能植物培养箱1。

3、智能植物培养箱1中的控制模块，分析上位机2传来的环境参数控制信息，控制板121通过rs485通信2读取各传感器数据，以确认相关参数的状态是否满足参数要求，并根据箱体内当前温度、湿度、co2浓度和光照等条件作出相动作，主要包括：控制继电器1开启制冷降低温度或者控制继电器2制热升高温度或不动作（温度已达到要求）；控制继电器3打开co2气阀增加co2浓度或关闭并控制继电器4打开换气风扇换气降低co2浓度或不动作（co2浓度满足要求）；控制继电器5打开加湿结构增加箱内湿度或关闭，打开继电器4利用换气风扇降低箱体内湿度，或不动作（湿度满足要求）；根据不同光照比例和强度要求，按照控制要求输出pwm信号，控制灯板工作,点亮led灯。控制板，每间隔一段时间再次读取各传器数据，以确认相关参数的状态是否满足参数要求，并再次确定是否作出相应动作。从而使箱内环境能够满足控制上位机给出的环境参数要求。

4、智能植物培养箱1中的控制板，按照一定的时间间隔，通过rs485通信3，操作摄像头获取箱体内植物生长情况的图像信息，通过iic通信接口控制距离传感器获取箱体内植物的生长高度，与当前箱体内温度、湿度、co2浓度、光照强度等参数一起发送给上位机2。上位机2对各智能植物培养箱1数据分离和整理，然后保存在数据库中。

5、管理人员或科研人员通过浏览器可以打开培养箱数据查看程序，可以通过web服务查看植物生长及数据库中各植物生长箱的当前参数设置和植物生长状况图片（包含叶片的大小，形态，颜色）和高度值。也可以将人工收集的植物生长数据（如植物平均重量、平均高度、叶片中有效物含量，收获期等）通过该界面录入到数据库中，用于对植物培养过程进行评价，为进一步比较和优化提供依据。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。