基于物联网和云计算技术的温室环境调控系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于计算机技术和电子信息技术的农林业技术应用领域，更具体地涉 及一种基于物联网和云计算技术的温室环境调控系统和方法。
【背景技术】
[0002] 农业物联网，指运用温度、湿度、pH值、光照、CO2等传感器设备，检测环境中的温 度、相对湿度、pH值、光照强度、土壤养分、CO 2浓度等物理量参数，通过实时的远程传输和存 储实现农户对环境信息的感知，是工业反哺农业的典型体现。
[0003] 然而，正如行业专业人士所提出的，我们关注的重点不应该是物联网本身，而是如 何利用物联网实现对生产生活有用的业务和应用。对于农业物联网，获取农业信息的目的 归根结底是通过信息的获取，结合知识进行决策支持，进行农机设备的智能控制，例如保温 帘的自动升降、温室的降温设施的开关等。
[0004] 传统的农业专家系统承担部分的决策支持功能，但是基本是基于历史数据，未与 物联网实时获取的数据建立联系。另一方面，随着硬件技术成熟到一定程度，温室甚至工厂 化农业生产的精细管理在于如何根据环境和作物生长情况进行硬件的智能控制，以提高温 室管理效率，降低成本，增加产出。因此，未来温室农业所面临的挑战是基于农业物联网的 感知进行农机设备在线的控制决策，提供远程的信息深加工和服务。
[0005] 不同于工业生产，温室中的作物为生命体，具有各自的生长规律与环境需求。如何 利用物联网信息和作物需求，提出环境控制策略，实现投入小产出大的温室环境精细控制， 是研发人员需要应对的一个技术难题。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明欲解决的核心问题之一是如何结合作物需求确定温室环境调控 方案，包括：（1)根据作物需求给出环境控制的建议；（2)根据可用的控制设备给出环境设 备的控制方案，从而解决常见的温室环境控制中不考虑作物类别和需求、缺乏精准的控制 目标的问题。
[0007] 为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种基于物联网和云 计算技术的温室环境调控系统，包括温室环境传感器模块、环境数据传输模块、云平台服务 器模块、温室环境控制模块和温室环境执行机构，其特征在于，
[0008] 所述温室环境传感器模块使用数据采集器和各种环境传感设备对温室内空气或 土壤数据进行测量，包括温室空气温湿度、二氧化碳浓度、光照强度和/或土壤温湿度；
[0009] 所述环境数据传输模块用于传输环境监测数据到所述云平台服务器模块，传输方 式包括有线和/或无线方式；
[0010] 所述云平台服务器模块使用接收到的所述环境监测数据和作物模型进行环境控 制决策方案计算，进行数据的存储与处理、作物模型计算和求解温室环境调控方案，并将所 述温室环境调控方案发送给所述温室环境控制模块；
[0011] 所述温室环境控制模炔基于所述云平台服务器模块计算所得的温室环境调控方 案，对所述温室环境执行机构直接进行自动控制，或者将所述温室环境调控方案发送到管 理者的移动客户端，由所述移动客户端对所述温室环境执行机构进行控制；以及
[0012] 所述温室环境执行机构用于对所述温室内环境因子进行调整。
[0013] 其中，所述云平台服务器模块执行的所述作物模型计算步骤是基于环境信息和作 物模型进行环境因子对作物生长或发育影响的模拟，提炼出反映作物需求的指标，并据此 决定对一个或多个环境因子进行调控的温室环境调控方案。
[0014] 其中，所述作物模型计算步骤包括计算所述作物模型的作物瞬时光合响应曲线：
【主权项】
1. 一种基于物联网和云计算技术的温室环境调控系统，包括温室环境传感器模块、环 境数据传输模块、云平台服务器模块、温室环境控制模块和温室环境执行机构，其特征在 于， 所述温室环境传感器模块使用数据采集器和各种环境传感设备对温室内空气或土壤 数据进行测量，包括温室空气温湿度、二氧化碳浓度、光照强度和/或土壤温湿度； 所述环境数据传输模块用于传输环境监测数据到所述云平台服务器模块，传输方式包 括有线和/或无线方式； 所述云平台服务器模块使用接收到的所述环境监测数据和作物模型进行环境控制决 策方案计算，进行数据的存储与处理、作物模型计算和求解温室环境调控方案，并将所述温 室环境调控方案发送给所述温室环境控制模块； 所述温室环境控制模炔基于所述云平台服务器模块计算所得的温室环境调控方案，对 所述温室环境执行机构直接进行自动控制，或者将所述温室环境调控方案发送到管理者的 移动客户端，由所述移动客户端对所述温室环境执行机构进行控制；以及 所述温室环境执行机构用于对所述温室内环境因子进行调整。
2. 根据权利要求1所述的基于物联网和云计算技术的温室环境调控系统，其中所述云 平台服务器模块执行的所述作物模型计算步骤是基于环境信息和作物模型进行环境因子 对作物生长或发育影响的模拟，提炼出反映作物需求的指标，并据此决定对一个或多个环 境因子进行调控的温室环境调控方案。
3. 根据权利要求2所述的基于物联网和云计算技术的温室环境调控系统，其中所述作 物模型计算步骤包括计算所述作物模型的作物瞬时光合响应曲线：
其中，PgS作物瞬时总光合速率，单位为μ mol CO2HT2s^PgIax为光饱和作物总光 合速率，单位为μ mol CO2HT2s' ε为作物光化学系数，即每吸收一个光子所消耗的CO2 的量，单位为（mol PAR) PPFD为光合光子通量密度，单位为μ mol HTWPg^x (O)与 ε (0)分别表示没有水分胁迫、温度最佳时的光饱和作物总光合速率与作物光化学系数； 「(T)Pg,"iax 与f (T) ε分别表示温度对光饱和作物总光合速率与作物光化学系数的影响作 川，『0^?)[3&11._与f (WP) ε分别表示土壤水势对光饱和作物总光合速率与作物光化学系数 的影响作用；I为植物最适宜温度，T为离地1. 5米处的空气温度，由温度传感器测量得到； WP为土壤水势，单位为kPa，WP。为土壤临界水势，b 3和b 4分别表示光饱和作物总光合速率 与作物光化学系数随着土壤水势的变化率。
4. 根据权利要求1所述的基于物联网和云计算技术的温室环境调控系统，其中所述温 室环境调控方案根据所述温室中种植的作物类别和相应的作物模型计算出对应的温室环 境调控方案。
5. 根据权利要求4所述的基于物联网和云计算技术的温室环境调控系统，其中所述温 室环境调控方案包括灌溉调控方案；以及 所述灌溉调控方案包括：在温度和光照均不可控的情况下，灌溉阀门的开关可以根据 水势的增加对瞬时总光合速率增益的比例来确定，即阀门控制State可以设置为：
其中，Λ WP为土壤水势变化量，Λ Pg为作物光合速率变化量，R。为水势的增加对瞬时总 光合速率增益的比例的临界值。
6. -种基于物联网和云计算技术的温室环境调控方法，包括以下步骤： 采用物联网技术，对温室环境信息进行实时采集； 根据温室内种植的主要作物的类别和相应的模型，计算温室环境调控方案； 根据所述温室环境调控方案，将控制信息传输到相应的控制设备或管理端，进行环境 的调控。
7. 根据权利要求6所述的基于物联网和云计算技术的温室环境调控方法，其中所述温 室环境信息包括温室空气温湿度、二氧化碳浓度、光照强度和/或土壤温湿度。
8. -种基于物联网和云计算技术的温室环境调控方法，包括以下步骤： 通过温室环境传感器模块采集温室环境信息数据； 将采集到的所述温室环境信息数据传输到云平台服务器模块； 将所述温室环境信息数据存储在所述云平台服务器模块，并利用环境因子上下限区间 法处理和校验所述温室环境信息数据； 结合所述温室环境信息数据和温室内主要作物的作物模型，计算出基于所述主要作物 需求的温室环境调控方案； 基于所述温室环境调控方案计算得到灌溉调控方案； 基于所述温室环境调控方案和/或灌溉调控方案对所述温室内可控设备进行直接自 动控制，或者将所述温室环境调控方案和/或灌溉调控方案发送到客户端，由客户端对所 述温室内可控设备进行控制。
9. 根据权利要求8所述的基于物联网和云计算技术的温室环境调控方法，其中所述温 室环境信息包括温室空气温湿度、二氧化碳浓度、光照强度和/或土壤温湿度。
10. 根据权利要求8所述的基于物联网和云计算技术的温室环境调控方法，其中所述 将采集到的所述温室环境信息数据传输到云平台服务器模块的步骤可以采用有线或无线 传输方式。
【专利摘要】本发明公开了一种基于物联网和云计算技术的温室环境调控系统，包括：温室环境传感器模块、环境数据传输模块、云平台服务器模块、温室环境控制模块和温室环境执行机构；以及一科基于物联网和云计算技术的温室环境调控方法。本发明对环境的调控结合了作物本身的需求，而不是单一阈值控制，从而使温室的环境控制更为精细；利用自动监测的环境数据，避免了关于作物-环境互作的复杂建模过程，直接将环境视为输入量；利用作物模型，可预测作物的采收上市时间以及产量；对于提高温室管理的智能性、自动性，提高温室生长的经济效益具有重要意义。
【IPC分类】G05B19-418, G01D21-02, H04L29-08
【公开号】CN104656617
【申请号】CN201510019263
【发明人】康孟珍, 范兴容, 郭少鑫, 王飞跃
【申请人】青岛智能产业技术研究院
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年1月15日