一种具有专用无线通信链路的植物栽培智能监控管理装置的制作方法

本发明涉及植物栽培的技术领域，尤其涉及一种具有专用无线通信链路的植物栽培智能监控管理装置。

背景技术：

目前的植物栽培智能监控管理系统主要作为创意家居或实验室科研仪器的形式出现，前者功能相对单一，仅支持单一的光照补偿及水份提醒等功能，智能化程度不足，后者虽然可监控更多的植物生成环境参数，但设备复杂，多为非标定制产品，生产及维护成本很高，并不适用于现代农业及普通家庭使用。而且，现有的植物栽培智能监控管理系统的无线通信功能普遍缺失或较弱，即使具备无线通信功能，也多采用简单的wifi协议，传输距离及速率均有限，难以满足需要远程监控和管理的特殊场合。

技术实现要素：

本发明是针对植物栽培领域的技术现状和不足，提供一种配置有tls2561光强传感器、大气温湿度测量模块、土壤温湿度测量模块以及土壤ec值传感器，并包含有植物成长保障模块、led补光灯、营养液补给槽和水箱，可支持各种植物生长的具有专用无线通信链路的植物栽培智能监控管理装置。

为了解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

一种具有专用无线通信链路的植物栽培智能监控管理装置，包括放置于植物生长环境内的现场系统、收发天线、以及与收发天线相连的远程控制系统，所述的现场系统包括视频监控子系统、与视频监控子系统连接的现场数据处理子系统、与现场数据处理子系统连接的传感器阵列子系统和无线通信子系统一，所述的无线通信子系统一与收发天线相连，所述的远程控制系统包括与收发天线相连的无线通信子系统二、以及与无线通信子系统二连接的人机交互子系统，所述的无线通信子系统一以现场可编程门阵列fpga和ad9361单片集成射频收发器为核心，完成与远程控制系统的全双工通信，通信频段采用2.4g免执照频段(2400mhz-2483.4mhz)。

所述的视频监控子系统包括安装在植物生长环境内的多个监控摄像头、以及通过同轴电缆与多个监控摄像头均连接的多路视频压缩编码器和红外光源控制器，所述的多个监控摄像头均含有红外光源，所述的多路视频压缩编码器和红外光源控制器均与现场数据处理子系统相连接，所述的现场数据处理子系统向多路视频压缩编码器和红外光源控制器分别分送控制信号1与控制信号2，所述的现场数据处理子系统的控制信号1与控制信号2的电气物理接口采用rs422差分电平异步传输模式，所述的多路视频压缩编码器和红外光源控制器内部均设置有一颗电平转换芯片，用于将rs422电平转成嵌入式微处理器(mcu)可识别的ttl电平。

所述的传感器阵列子系统包括安装在植物生长环境内的多个tls2561光强传感器、多个大气温湿度测量模块、多个土壤温湿度测量模块、以及多个magr-06a土壤ec值传感器，所述的多个tls2561光强传感器、多个大气温湿度测量模块、多个土壤温湿度测量模块、以及多个magr-06a土壤ec值传感器通过i2c总线与现场数据处理子系统相连接，所述的magr-06a土壤ec值传感器与i2c总线之间设置有现场可编程门阵列(fpga)低端芯片ep1c3t100，所述的现场可编程门阵列(fpga)低端芯片ep1c3t100用于异步串行ttl电平与i2c总线的相互转换。

所述的大气温湿度测量模块包括大气温湿度探头和sht20温湿度传感器，所述的土壤温湿度测量模块包括土壤温湿度探头和sht20湿温度传感器。

所述的现场数据处理子系统包括与视频监控子系统连接的以太网收发器、与i2c总线相连的i2c总线主机模块、以及接受无线通信子系统一的命令的远程指令译码模块，所述的以太网收发器依次通过视频码流提取器和无线通信数据封装模块与无线通信子系统一相连接，所述的i2c总线主机模块通过传感数据处理模块分别连接有无线通信数据封装模块和植物生长保障模块，所述的植物生长保障模块连接有led补光灯、营养液补给槽、水箱和电热丝，所述的植物生长保障模块与红外光源控制器相连接，所述的远程指令译码模块可根据接收到的无线通信子系统一的命令，直接控制i2c总线主机模块和植物生长保障模块，所述的植物生长保障模块根据实时传感数据或远程控制指令，加上内建的植物生长数据库，动态调节监控红外光源控制器、led补光灯、营养液补给槽、水箱和电热丝。

所述的无线通信子系统一包括接受无线通信数据封装模块发出的数据的上行链路和向远程指令译码模块发送数据的下行链路，所述的上行链路和下行链路采用了非对称频分复用设计，大部分频谱资源用于传输上行链路信息，下行链路只占用少量带宽，所述的上行链路包括依次相连的模2加法器1、ldpc编码器1、比特交织器1、qpsk调制器1和基带成形滤波1，所述的基带成形滤波1与ad9361单片集成射频收发器相连接，所述的ad9361单片集成射频收发器与收发天线的发射天线之间连接有功率放大器，所述的模2加法器1连接有伪随机序列产生器1，所述的无线通信数据封装模块发出的数据与伪随机序列产生器1和模2加法器1进行模2和运算完成加密以保证通信的安全性，所述的下行链路包括依次相连的信道均衡器1、qpsk解调器1、比特解交织器1、ldpc译码器1和模2加法器2，所述的信道均衡器1通过ad9361单片集成射频收发器与收发天线的接受天线相连接，所述的信道均衡器1的输出端连接有同步模块1，所述的同步模块1的输出端分别qpsk解调器1和模2加法器2相连接，所述的同步模块1的输出端与模2加法器2之间还连接有伪随机序列产生器2，所述的信道均衡器1用于补偿无线信道的失真，同步模块1用于实现接收信号的载波同步、位同步、帧同步，并用于qpsk的相干解调，所述的同步模块1同时也控制伪随机序列产生器2产生与伪随机序列产生器1内容完全一致，但时间上有固定延迟的伪随机序列，与ldpc译码数据2再次进行模2和运算，即可完成数据解密运算，并将最终得到的通信信息送至现场数据处理子系统的远程指令译码模块。

所述的无线通信子系统二包括接受人机交互子系统发出的数据的发射链路和向人机交互子系统发送数据的接受链路，所述的发射链路包括依次相连的模2加法器3、bch编码器1、比特交织器2、qpsk调制器2和基带成形滤波2，所述的基带成形滤波2与ad9361单片集成射频收发器相连接，所述的模2加法器3连接有伪随机序列产生器3，所述的接受链路包括依次相连的信道均衡器2、qpsk解调器2、比特解交织器2、bch译码器1和模2加法器4，所述的信道均衡器2通过ad9361单片集成射频收发器与收发天线的接受天线相连接。

所述的人机交互子系统包括接受无线通信子系统二输出数据的视频与传感分离模块、接受视频与传感分离模块处理后的视频数据的视频监控循环记录器、接受视频与传感分离模块处理后的传感数据的植物生长监视数据库、与视频监控循环记录器和植物生长监视数据库均连接的大容量存储器、以及与植物生长监视数据库相连的人机交互界面，所述的人机交互界面则利用键盘鼠标、显示终端完成与操作者的信息交互，可实现远程指令发送、监控视频管理、植物生长数据库管理系列功能。

本发明的增益效果是：

本发明对植物生长参数的测量功能齐全，具备多路视频监控功能，系统自带独立的无线收发链路，通信距离远且支持数据加密，集成度高，在现代农业和智能家居领域可取得良好的社会效益和经济效益。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明的视频监控子系统的结构框图。

图3为本发明的传感器阵列子系统的结构框图。

图4为本发明的现场数据处理子系统的结构框图。

图5为本发明的无线通信子系统一的结构框图。

图6为本发明的无线通信子系统二的结构框图。

图7为本发明的人机交互子系统的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

参见图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7，本发明一种具有专用无线通信链路的植物栽培智能监控管理装置，包括放置于植物生长环境内的现场系统、收发天线、以及与收发天线相连的远程控制系统，所述的现场系统包括视频监控子系统、与视频监控子系统连接的现场数据处理子系统、与现场数据处理子系统连接的传感器阵列子系统和无线通信子系统一，所述的无线通信子系统一与收发天线相连，所述的远程控制系统包括与收发天线相连的无线通信子系统二、以及与无线通信子系统二连接的人机交互子系统，所述的无线通信子系统一以现场可编程门阵列fpga和ad9361单片集成射频收发器为核心，完成与远程控制系统的全双工通信，通信频段采用2.4g免执照频段(2400mhz-2483.4mhz)。

所述的视频监控子系统包括安装在植物生长环境内的多个监控摄像头、以及通过同轴电缆与多个监控摄像头均连接的多路视频压缩编码器和红外光源控制器，所述的多个监控摄像头均含有红外光源，所述的多路视频压缩编码器和红外光源控制器均与现场数据处理子系统相连接，所述的现场数据处理子系统向多路视频压缩编码器和红外光源控制器分别分送控制信号1与控制信号2，所述的现场数据处理子系统的控制信号1与控制信号2的电气物理接口采用rs422差分电平异步传输模式，所述的多路视频压缩编码器和红外光源控制器内部均设置有一颗电平转换芯片，用于将rs422电平转成嵌入式微处理器(mcu)可识别的ttl电平。本发明的监控摄像头输出为标清pal模拟视频，该信号通过同轴电缆传输至多路视频压缩编码器，由其完成视频的模数转换，并利用h.264标准对其进行压缩编码，由于植物生长环境监控画面变化较缓慢，h.264的压缩效率很高，经实际测试，1路标请pal视频经压缩后的ts平均码率为1mbps时即可达到较高的视频保真度，无线通信子系统一的上行链路最高传输净比特率50mbps，考虑到设计裕度及其它数据填充，视频监控子系统最高可支持40路监控摄像，多路视频压缩编码器最终将ts码流重新封装为以太网协议，通过网线送至现场数据处理子系统，同时多路视频压缩编码器也受现场数据处理子系统的控制信号1，可对视频压缩比、视频流数量参数进行详细设置。视频监控子系统使用的监控摄像头的感光元件为红外可见光2用ccd，在夜视环境下可根据现场数据处理子系统的控制信号2指令利用红外光源控制器打开监控摄像头的红外光源并调节至合适的亮度，保证系统正常工作，白天则关闭红外光源以降低功耗。现场数据处理子系统的控制信号1与控制信号2的电气物理接口采用rs422差分电平异步传输模式，只需要1对双绞线即可完成所有控制指令传输，由于控制指令数据较少，rs422的比特率设置为100kbps即可满足需要，多路视频压缩编码器与红外光源控制器内部均包括有一颗电平转换芯片，用于将rs422电平转成嵌入式微处理器(mcu)可识别的ttl电平，并最终由mcu完成协议译码及后续的处理。

所述的传感器阵列子系统包括安装在植物生长环境内的多个tls2561光强传感器、多个大气温湿度测量模块、多个土壤温湿度测量模块、以及多个magr-06a土壤ec值传感器，所述的多个tls2561光强传感器、多个大气温湿度测量模块、多个土壤温湿度测量模块、以及多个magr-06a土壤ec值传感器通过i2c总线与现场数据处理子系统相连接，所述的magr-06a土壤ec值传感器与i2c总线之间设置有现场可编程门阵列(fpga)低端芯片ep1c3t100，所述的现场可编程门阵列(fpga)低端芯片ep1c3t100用于异步串行ttl电平与i2c总线的相互转换。由于传感器芯片种类及对外接口繁多，为降低系统复杂度，除土壤ec值传感器需采用异步串行ttl电气接口，本发明其它传感器可直接选用具有i2c输出的芯片，本发明通过价格低廉的现场可编程门阵列(fpga)低端芯片ep1c3t100完成异步串行ttl电平与i2c总线的相互转换，i2c总线只需要使用2条物理线路，且具有良好的单主机/多从机支持能力，多个传感芯片输出数据可直接挂载至同一组i2c总线(按照i2c协议标准，连接到同一i2c总线的集成芯片数量只受到总线的最大电容400pf限制)，从而有效节约了电缆数量，降低布线难度，本发明的传感器阵列子系统的tls2561光强传感器检测植物生长环境的光照强度，sht20温湿度传感器检测大气与土壤的温湿度，magr-06a土壤ec值传感器检测土壤ec值。

所述的大气温湿度测量模块包括大气温湿度探头和sht20温湿度传感器，所述的土壤温湿度测量模块包括土壤温湿度探头和sht20湿温度传感器。

所述的现场数据处理子系统包括与视频监控子系统连接的以太网收发器、与i2c总线相连的i2c总线主机模块、以及接受无线通信子系统一的命令的远程指令译码模块，所述的以太网收发器依次通过视频码流提取器和无线通信数据封装模块与无线通信子系统一相连接，所述的i2c总线主机模块通过传感数据处理模块分别连接有无线通信数据封装模块和植物生长保障模块，所述的植物生长保障模块连接有led补光灯、营养液补给槽、水箱和电热丝，所述的植物生长保障模块与红外光源控制器相连接，所述的远程指令译码模块可根据接收到的无线通信子系统一的命令，直接控制i2c总线主机模块和植物生长保障模块，所述的植物生长保障模块根据实时传感数据或远程控制指令，加上内建的植物生长数据库，动态调节监控红外光源控制器、led补光灯、营养液补给槽、水箱和电热丝。现场数据处理子系统是现场系统的中心调度器，视频监控子系统输出的以太网数据经以太网收发器解包后得到视频码流，并经无线通信数据封装模块重新打包后送到无线通信子系统一；同样地，传感器阵列子系统的i2c总线数据经i2c总线主机模块处理后送至传感数据处理模块，传感数据处理模块输出的实时传感数据一路送往无线通信数据封装模块后也传输至无线通信子系统一，另一路则直接送往植物生长保障模块；远程指令译码模块可根据无线通信子系统一接收到的命令不同，直接控制i2c总线主机模块和植物生长保障模块；植物生长保障模块则根据实时传感数据或远程控制指令，加上内建的植物生长数据库，动态调节监控红外光源控制器(保证夜视监控性能)、led补光灯(补充光强)、营养液(补给必要的营养液)、水箱(补充土壤水分)，电热丝(埋入土壤，保证土壤温度)，使植物处于最佳的生长环境。

所述的无线通信子系统一包括接受无线通信数据封装模块发出的数据的上行链路和向远程指令译码模块发送数据的下行链路，所述的上行链路和下行链路采用了非对称频分复用设计，大部分频谱资源用于传输上行链路信息，下行链路只占用少量带宽，所述的上行链路包括依次相连的模2加法器1、ldpc编码器1、比特交织器1、qpsk调制器1和基带成形滤波1，所述的基带成形滤波1与ad9361单片集成射频收发器相连接，所述的ad9361单片集成射频收发器与收发天线的发射天线之间连接有功率放大器，所述的模2加法器1连接有伪随机序列产生器1，所述的无线通信数据封装模块发出的数据与伪随机序列产生器1和模2加法器1进行模2和运算完成加密以保证通信的安全性，所述的下行链路包括依次相连的信道均衡器1、qpsk解调器1、比特解交织器1、ldpc译码器1和模2加法器2，所述的信道均衡器1通过ad9361单片集成射频收发器与收发天线的接受天线相连接，所述的信道均衡器1的输出端连接有同步模块1，所述的同步模块1的输出端分别qpsk解调器1和模2加法器2相连接，所述的同步模块1的输出端与模2加法器2之间还连接有伪随机序列产生器2，所述的信道均衡器1用于补偿无线信道的失真，同步模块用于实现接收信号的载波同步、位同步、帧同步，并用于qpsk的相干解调，所述的同步模块同时也控制伪随机序列产生器2产生与伪随机序列产生器1内容完全一致，但时间上有固定延迟的伪随机序列，与ldpc译码数据2再次进行模2和运算，即可完成数据解密运算，并将最终得到的通信信息送至现场数据处理子系统的远程指令译码模块。无线通信子系统一的上行链路为现场系统送至远程控制系统的通信链路(包括视频监控与实时传感信息)，下行链路则是远程控制系统送往现场系统的通信链路(包括各种远程操控指令)，由于上行数据量远大于下行数据量，本发明采用了非对称频分复用设计，大部分频谱资源用于传输上行链路信息，下行链路只占用少量带宽。对上行发射链路，发送数据与伪随机序列产生器1进行模2和运算完成加密以保证通信的安全性，随后利用ldpc编码器1实现信道纠错，加入比特交织改善抗突发错误干扰能力，在调制方式上采用qpsk星座图映射，它与bpsk具有相同的比特误码率性能，但在相同带宽下可承载的比特率则改善了一倍，最后经基带成形滤波后得到复基带信号，并送至ad9361完成后续的正交上变频功能。由于ad9361最大发射功率仅为8dbm，辐射范围有限，图5中为其增加了一片功率放大器，使最终的发射功率达到28dbm。下行接收链路基本是上行发射链路的逆过程，由于ad9361内部已经集成了高性能低噪放，该芯片可直接与接收天线相连，故不再需要专门的低噪放；信道均衡器1用于补偿无线信道的失真，同步模块1用于实现接收信号的载波同步、位同步、帧同步，并用于qpsk的相干解调，同步模块1同时也控制伪随机序列产生器2产生与发送端伪随机序列产生器1内容完全一致，但时间上有固定延迟的伪随机序列，与ldpc译码数据再次进行模2和运算，即可完成数据解密运算，并将最终得到的通信信息送至现场数据处理子系统的远程指令译码模块。

所述的无线通信子系统二包括接受人机交互子系统发出的数据的发射链路和向人机交互子系统发送数据的接受链路，所述的发射链路包括依次相连的模2加法器3、bch编码器1、比特交织器2、qpsk调制器2和基带成形滤波2，所述的基带成形滤波2与ad9361单片集成射频收发器相连接，所述的模2加法器3连接有伪随机序列产生器3，所述的接受链路包括依次相连的信道均衡器2、qpsk解调器2、比特解交织器2、bch译码器1和模2加法器4，所述的信道均衡器2通过ad9361单片集成射频收发器与收发天线的接受天线相连接。无线通信子系统二与现场系统的无线通信子系统一基本相同，只是由于远程控制指令传输比特率较低，发射链路不需要专门的功率放大器亦可保证可靠解调，同时复杂的ldpc编解码也简化为bch编解码，使该子系统的设计更为简单，功耗也得到了降低。

所述的人机交互子系统包括接受无线通信子系统二输出数据的视频与传感分离模块、接受视频与传感分离模块处理后的视频数据的视频监控循环记录器、接受视频与传感分离模块处理后的传感数据的植物生长监视数据库、与视频监控循环记录器和植物生长监视数据库均连接的大容量存储器、以及与植物生长监视数据库相连的人机交互界面，所述的人机交互界面则利用键盘鼠标、显示终端完成与操作者的信息交互，可实现远程指令发送、监控视频管理、植物生长数据库管理系列功能。

因现场系统的无线通信子系统一的上行链路的传输数据量大，对该链路各个环节的增益及损耗进行了详细分析，如表1所示，可以看出，在考虑各种损耗后，收发距离为20km时，链路ebn0的余量仍达到了8.22db，这已经可以保证整个接收端的正常工作。

表1现场系统上行链路分析计算表

本发明对植物生长参数的测量功能齐全，具备多路视频监控功能，系统自带独立的无线收发链路，通信距离远且支持数据加密，集成度高，在现代农业和智能家居领域可取得良好的社会效益和经济效益。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。