物联网智能农业基地边缘控制装置、综合控制系统及方法与流程

1.本发明涉及物联网技术领域，具体的说是一种物联网智能农业基地边缘控制装置、综合控制系统及方法。


背景技术：

2.随着物联网技术的快速发展，在众多领域中都得到了广泛的应用。在农业领域，物联网技术的应用加速了智能农业基地的发展，显著降低了信息采集和种植设备控制的难度，大幅提高了生产效率。为了进一步提升智能农业基地控制系统的智能化程度和整体的控制效率，边缘计算技术也在逐步推广中。通过设置边缘控制装置，可以更加高效地对智能农业基地中的信息采集器和执行器进行控制，并且显著降低了核心主机的负载和通信压力。但是，边缘控制装置因为需要设置在离农田较近的位置，甚至直接设置在农田中，而农田中适宜植物生长的环境会对电子设备造成侵蚀，很容易导致故障发生，现有技术中尚无能够很好地应用在农业环境中的边缘控制装置。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种物联网智能农业基地边缘控制装置、综合控制系统及方法，设备安全性和数据安全性都得到了大幅提升。
4.为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：物联网智能农业基地边缘控制装置，包括控制组件、上位连接组件、下位连接组件、级联组件和存储模块；所述控制组件包括相连接的核心处理器和协处理器；所述上位连接组件包括上位无线连接模块，并且上位无线连接模块与所述核心处理器相连接；所述下位连接组件包括下位有线连接模块，并且下位有线连接模块与所述协处理器相连接；所述级联组件包括级联无线连接模块，并且级联无线连接模块与所述核心处理器相连接；所述存储模块与所述核心处理器和所述协处理器相连接。
5.作为上述物联网智能农业基地边缘控制装置的进一步优化：还包括电源组件，电源组件包括多个储能器和电源切换模块，电源切换模块用于控制其中一个储能器提供电能。
6.作为上述物联网智能农业基地边缘控制装置的进一步优化：还包括安装机构，安装机构包括底板，底板上固定设置有多个支撑件，所述储能器与支撑件对应可拆卸连接，多个所述支撑件共同固定连接有壳体，所述控制组件和所述存储模块均设置在壳体中。
7.作为上述物联网智能农业基地边缘控制装置的进一步优化：所述壳体可拆卸连接有盖板，盖板朝向壳体的一侧固定连接有第一密封垫，盖板固定连接有伸入到壳体中的定位框，定位框的外壁上固定连接有与壳体内壁相贴合的第二密封垫，壳体中还固定设置有控制箱，所述控制组件和所述存储模块均设置在控制箱内部，控制箱上设置有多个用于连接所述上位连接组件、所述下位连接组件或者所述级联组件的接线座，接线座与控制组件
相连接。
8.作为上述物联网智能农业基地边缘控制装置的进一步优化：所述盖板上开设有安装孔，安装孔中设置有定位板，定位板上开设有多个用于容纳所述接线座与所述上位连接组件、所述下位连接组件或者所述级联组件之间线缆的穿线孔，定位板与安装孔的内壁之间以及线缆与穿线孔的内壁之间均通过密封胶密封。
9.作为上述物联网智能农业基地边缘控制装置的进一步优化：所述支撑件包括呈圆筒状的本体，并且本体由第一单体和第二单体沿径向拼接而成，第一单体上开设有至少一个沿轴向延伸的穿线通道，第一单体的内侧固定连接有两个相互平行的端板，端板上固定设置有用于接触所述储能器的弹性触点，并且两个弹性触点相对设置，弹性触点连接有供电线，供电线从穿线通道中穿过。
10.作为上述物联网智能农业基地边缘控制装置的进一步优化：所述第一单体和所述第二单体通过拼接组件相连接，拼接组件包括环绕在所述本体周侧的捆扎带，捆扎带的两端各固定连接有一个连接片，两个连接片通过连接螺栓相连接。
11.物联网智能农业基地综合控制系统，包括上位主控设备和多个物联网智能农业基地边缘控制装置，所述上位主控设备包括上位主机和多个用于采集农业基地实时信息的信息采集器，上位主机与所述边缘控制装置的所述上位连接组件相连接，信息采集器与至少两个边缘控制装置的下位连接组件相连接。
12.物联网智能农业基地综合控制方法，包括如下步骤：s1、部署所述综合控制系统并且初始化；s2、通过所述上位主机和所述上位连接组件向所述边缘控制装置发送控制指令；s3、边缘控制装置根据控制指令通过所述下位连接组件控制所述信息采集器采集农业基地的实时信息；s4、边缘控制装置对获取到的实时信息进行初步处理后进行本地存储，并且上传至上位主机。
13.作为上述物联网智能农业基地综合控制方法的进一步优化：s3中，同一个所述信息采集器连接的所有所述边缘控制装置中，其中一个边缘控制装置控制信息采集器采集所述实时信息。
14.有益效果：本发明通过采用核心处理器和协处理器配合的控制组件，能够更加高效地与上位机通信以及控制信息采集器和执行器，避免出现负载过高的情况；通过设置级联组件使多个边缘控制能够自组网，并且相互备份数据，避免数据丢失，提升了数据的安全性；通过设置外置并且可拆卸的储能器，可以方便地更换储能器，并且无需额外敷设供电线缆，更加容易安装边缘控制装置；通过优化安装机构，即便于将边缘控制装置安装在需要的位置上，也充分保证了边缘控制装置的密封性能，从而避免受到农业基地中腐蚀因素的侵蚀，延长了装置的使用寿命。
附图说明
15.图1是边缘控制装置的整体结构示意图；图2是壳体的结构示意图；图3是连接件的结构示意图；
图4是套筒和导柱的设置方式示意图；图5是支撑件的结构示意图。
16.附图说明：1-地脚螺栓，2-延伸板，3-底板，4-支撑件，5-套筒，6-蓄水槽，7-壳体，8-盖板，9-紧固螺栓，10-连接件，11-紧固螺孔，12-控制箱，13-接线座，14-定位框，15-通孔，16-第一密封垫，17-第二密封垫，18-第一通槽，19-定位板，20-密封胶，21-线缆，22-密封块，23-连接线，24-导柱，25-第一密封圈，26-感应头，27-第一单体，28-穿线通道，29-密封条，30-捆扎带，31-连接片，32-连接螺栓，33-第二密封圈，34-端板，35-弹性触点，36-第二单体。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.物联网智能农业基地边缘控制装置，包括控制组件、上位连接组件、下位连接组件、级联组件和存储模块。
19.控制组件包括相连接的核心处理器和协处理器。
20.上位连接组件包括上位无线连接模块，并且上位无线连接模块与核心处理器相连接。
21.下位连接组件包括下位有线连接模块，并且下位有线连接模块与协处理器相连接。
22.级联组件包括级联无线连接模块，并且级联无线连接模块与核心处理器相连接。
23.存储模块与核心处理器和协处理器相连接。
24.在使用时，核心处理器通过上位连接组件与上位主机相连接，并且接收来自于上位主机的控制指令，然后对控制指令进行解析，得到需要进行的控制操作，并且将控制指令和控制操作存储存储在存储模块中，之后将控制操作发送给协处理器，协处理器根据控制操作通过下位连接组件对末端的信息采集器或者执行器进行控制，并且接收信息采集器反馈的实时信息或者执行器反馈的实时状态，并且对实时信息或者实时状态进行处理，处理后存储到存储模块中，同时发送给核心处理器，由核心处理器通过上位连接组件上传至上位主机。核心处理器和协处理器的分工不同，与单独一个处理器的方案相比，能够降低处理器的负载，保证边缘控制过程的稳定性，在此基础上，因为核心处理器需要与上位主机通信，需要解析更加复杂的通信协议和通信数据，因此需要采用性能更好的处理器，可以采用arm处理器，而协处理器仅需要根据控制操作对信息采集器或者执行器进行控制，所涉及到的数据处理任务难度较低，因此可以采用性能较低的处理器，例如可以采用fpga芯片。此外，核心处理器在接收到协处理器处理后的实时信息和实时状态后，通过级联组件传输给相邻的其它边缘控制装置，其它边缘控制装置接收到后存储到自身的存储模块中实现备份存储，避免数据丢失。考虑到边缘控制装置的数量多，而且分布分散，因此上位连接组件包括上位无线连接模块，使核心处理器能够与上位主机无线通信连接，无需额外敷设通信线路，降低了成本和施工难度；类似的，级联组件主要实现不同边缘控制装置之间数据的备份
存储，对数据的时效性和稳定性要求都不是很高，因此级联组件包括级联无线连接模块，能够实现不同边缘控制装置之间的无线通信连接，而下位连接组件需要有更好的传输稳定性，并且距离信息采集器或者执行器很近，因此下位连接组件包括下位有线连接模块，使协处理器能够与信息采集器或者执行器有线通信连接，保证实时信息和实时状态能够稳定传输。
25.在本实施例中，上位无线连接模块采用4g模块或者5g模块等移动通信模块，也可以采用wifi模块，下位有线连接模块根据信息采集器或者执行器的实际型号选择合适的模块，例如rs485模块，级联无线连接模块采用zigbee模块。
26.除了需要考虑通信线路之外，为了更加方便地将边缘控制装置设置在农业基地的各种位置上，还应当考虑供电线路带来的影响，为了无需单独敷设供电线路，同时保证边缘控制装置能够有持续地电能供给，边缘控制装置还包括电源组件，电源组件包括多个储能器和电源切换模块，电源切换模块用于控制其中一个储能器提供电能。在使用时，其中一个储能器为各个组件和模块供电，当该储能器电能下降到预设的阈值时，利用电源切换模块切换到一个新的储能器继续提供电能，从而避免边缘控制装置失去个供电而造成数据丢失，而电能不足的储能器可以由工作人员取下后充电，并且换上新的储能器，从而保证电源组件能够持续输出电能。在本实施例中，储能器可以采用常用的18650或者21700等锂电池产品，电源切换模块以及需要与储能器配合的调理电路均作为成熟的现有技术，在此不再赘述。
27.请参阅图1至5，为了更加方便地在智能农业基地中安装边缘控制装置，边缘控制装置还包括安装机构，安装机构包括底板3，底板3上固定设置有多个支撑件4，储能器与支撑件4对应可拆卸连接，多个支撑件4共同固定连接有壳体7，控制组件和存储模块均设置在壳体7中。在安装时，将底板3固定到目标位置上即可通过将储能器设置在支撑件4上，使储能器位于壳体7的外部，可以使工作人员在不打开壳体7的情况下更换储能器，以避免对壳体7内的各组件造成影响，并且更加便于操作。
28.底板3的边缘处一体连接若干个延伸板2，并且延伸板2与底板1共面，每个延伸板2上穿设至少一个地脚螺栓1，通过地脚螺栓1可以将边缘控制装置固定在智能农业基地的土地中，使边缘控制装置靠近农作物，从而更加高效准确地对信息采集器或者执行器进行控制。
29.支撑件4具体的结构为：支撑件4包括呈圆筒状的本体，并且本体由第一单体27和第二单体36沿径向拼接而成，第一单体27上开设有至少一个沿轴向延伸的穿线通道28，第一单体27的内侧固定连接有两个相互平行的端板34，端板34上固定设置有用于接触储能器的弹性触点35，并且两个弹性触点35相对设置，弹性触点35连接有用于向各个组件和模块供电的供电线，供电线从穿线通道28中穿过。当需要更换储能器时，将第二单体36与第一单体27分离，然后将电量不足的储能器取下，接着在第一单体27的内侧放入新的储能器，并且使储能器与弹性触点35接触，然后将第二单体36重新与第一单体27连接即可，操作简单方便。
30.为了对储能器进行保护，避免受到外界环境侵蚀，特别是避免外界水汽进入到支撑件4中造成短路等故障，需要充分提升支撑件4的密封性能，因此第一单体27的边缘处设置有密封条29，当第一单体27和第二单体36拼接时，密封条29被第二单体36挤压变形，并且
充分将第一单体27和第二单体36之间的缝隙填充满，从而实现密封的效果；另一方面，两个端板34均固定连接有第二密封圈33，当第一单体27和第二单体36拼接时，第二密封圈33与第一单体27和第二单体36均紧密贴合，实现密封的效果。
31.第一单体27和第二单体36具体的固定方式为：第一单体27和第二单体36通过拼接组件相连接，拼接组件包括环绕在本体周侧的捆扎带30，捆扎带30的两端各固定连接有一个连接片31，两个连接片31通过连接螺栓32相连接。在将第一单体27和第二单体36拼接成本体之后，将捆扎带30绕过本体的周侧壁，并且利用连接螺栓32将两个连接片31固定，即可利用捆扎带30将第一单体27和第二单体36箍筋，操作简单方便。拼接组件可以设置有多个，从而确保支撑件4的形态稳定，进而保证密封效果。
32.类似的，为了控制组件和存储模块受到外界环境侵蚀而损坏，壳体7可拆卸连接有盖板8，盖板8朝向壳体7的一侧固定连接有第一密封垫16，盖板8固定连接有伸入到壳体7中的定位框14，定位框14的外壁上固定连接有与壳体7内壁相贴合的第二密封垫17，壳体7中还固定设置有控制箱12，控制组件和存储模块均设置在控制箱12内部，控制箱12上设置有多个用于连接上位连接组件、下位连接组件或者级联组件的接线座13，接线座13与控制组件相连接。通过设置控制箱12，并且将控制组件和存储模块设置在控制箱12内部，可以利用壳体7和控制箱12对控制组件和存储模块进行双重保护，从而充分避免控制组件和存储模块损坏。另外，将控制组件和存储模块设置在控制箱12内部，而降上位连接组件、下位连接组件或者级联组件设置在控制箱12的外部，可以减少对各组件信号的干扰，提升通信过程的稳定性，接线座13的类型根据实际采用的上位连接组件、下位连接组件和级联组件的型号确定，在此不再赘述，根据实际选用的组件型号的防护性能，可以选择将组件设置在壳体7内部或者壳体7的外部。通过设置第一密封垫16和第二密封垫17，可以将盖板8与壳体7之间以及定位框14与壳体7内壁之间的间隙填满，从而实现密封的效果，提升壳体7整体的密封性能，进一步对壳体7内部的各个部件进行保护。
33.当将上位连接组件、下位连接组件或者级联组件设置在壳体7外部时，各组件的线缆21需要穿过盖板8，为了避免因为穿设线缆21造成盖板8的密封性能下降，进而造成壳体7内部的部件因为受到外界环境侵蚀而损坏，盖板8上开设有安装孔，安装孔中设置有定位板19，定位板19上开设有多个用于容纳接线座13与上位连接组件、下位连接组件或者级联组件之间线缆21的穿线孔，定位板19与安装孔的内壁之间以及线缆21与穿线孔的内壁之间均通过密封胶20密封。在确定好边缘控制装置的安装位置以及需要连接的信息采集器和执行器之后，所采用的上位连接组件、下位连接组件或者级联组件对应的接线座13也能够确定，进而能够确定所有线缆21的位置，可以将线缆21对应穿过穿线孔后利用密封胶20将定位板19、盖板8和所有线缆21粘接为一个整体的连接件10，既能够利用密封胶20保证密封性能，也便于安装和拆解边缘控制装置。
34.为了便于确定定位板19的位置，避免定位板19偏斜，盖板8上开设有相互连通的第一通槽18和第二通槽，其中第一通槽18贯通盖板8的内壁，第二通槽贯通盖板8的外壁，并且第一通槽18的宽度小于第二通槽的宽度形成一个台阶面，定位板19设置在台阶面上。
35.盖板8与壳体7具体的连接方式为：盖板8上穿设有多个紧固螺栓9，第一密封垫16上开设有用于供紧固螺栓9穿过的通孔15，壳体7上开设有多个与紧固螺栓9对应配合的紧固螺孔11。采用螺栓连接盖板8和壳体7，连接稳定性强，并且操作简单，使用寿命长。
36.因为控制组件在工作时会产生热量，并且在智能农业基地中，会采用大棚等高温培养环境，边缘控制装置在这些环境中热量更加难以发散，容易造成寿命缩短，甚至损坏，为了提升边缘控制装置的散热性能，壳体7的外壁上固定连接有蓄水槽6，蓄水槽6中可以存储一部分水，利用水吸收边缘控制装置发出的热量，从而实现散热降温的效果，对控制组件和存储模块进行保护。当边缘控制装置设置在户外环境中时，可以直接利用蓄水槽6接雨水使用，当边缘控制装置设置在大棚等封闭环境中时，可以人工想蓄水槽6中补水。
37.在智能农业基地中，主要需要对土壤环境和空气环境进行监测，当边缘控制装置需要控制用于采集土壤环境的信息采集器时，例如土壤湿度传感器等，这些信息采集器需要设置在土壤中，即需要设置在边缘控制装置的下方，为了便于连接这些信息采集器，壳体7的底部固定连接有套筒5，并且套筒5竖直设置，套筒5中滑动设置有导柱24，信息采集器的感应头26固定在导柱24的下端，信息采集器的连接线23穿过导柱24后伸入到壳体7内部，并且与下位连接组件相连接。利用套筒5与导柱24的配合，可以控制信息采集器的感应头26能够顺利插入到土壤中，并且能够利用导柱24对连接线23进行保护，避免连接线23受到土壤中的腐蚀因素腐蚀而损坏。
38.为了保证信息采集器的感应头26能够顺利到达目标深度，需要在套筒5中必须预留一定长度的连接线23，以使导柱24能够顺利移动而不会拉断连接线23，为了对预留的连接线23进行保护，套筒5的内壁上固定设置有多个沿轴向均匀分布的第一密封圈25，利用第一密封圈25避免土壤中的腐蚀因素侵入到套筒5中，实现对预留连接线23的保护。
39.为了进一步避免土壤中的腐蚀因素通过套筒5侵入到壳体7中，套筒5靠近壳体7的一端的内部固定设置有密封块22，连接线23穿过密封块22，密封块22可以采用橡胶块，利用自身弹性实现与套筒5和连接线23均紧密接触，进而实现密封效果，也可以利用热熔胶等粘接材料直接填充在套筒5中形成。
40.物联网智能农业基地综合控制系统，包括上位主控设备和多个物联网智能农业基地边缘控制装置，上位主控设备包括上位主机和多个用于采集农业基地实时信息的信息采集器，上位主机与边缘控制装置的上位连接组件相连接，信息采集器与至少两个边缘控制装置的下位连接组件相连接。
41.每个信息采集器与至少两个边缘控制装置相连接，即一个信息采集器能够被两个边缘控制装置控制，在控制信息采集器的过程中，两个边缘控制装置可以互为备份，保证能够对信息采集器进行控制，在采集完成后上传实时信息的过程中，两个边缘控制装置可以相互备份实时信息，避免因为网络问题或者设备问题造成实时信息丢失。
42.在本实施例中，信息采集器可以包括用于采集土壤湿度的第一湿度传感器、用于采集土壤温度的第一温度传感器、用于采集空气湿度的第二湿度传感器以及用于采集空气温度的第二温度传感器，上位主机可以采用基于arm架构或者x86架构的普通计算机或者专用服务器，执行器可以包括用于控制灌溉水的水泵和用于控制光照的灯具等，均属于本领域的常规选择，在此不再赘述。
43.物联网智能农业基地综合控制方法，包括s1至s4。
44.s1、部署综合控制系统并且初始化。s1具体包括s11至s15。
45.s11、根据智能农业基地的种植情况确定信息采集器和执行器的安装位置。
46.s12、根据信息采集器和执行器的安装位置确定边缘控制装置的安装位置，使一个
边缘控制装置能够与至少一个信息采集器或者执行器相连接，一个边缘控制装置也可以与多个信息采集器和执行器同时连接，并且一个信息采集器或者执行器同时连接至少两个边缘控制装置。
47.s13、将边缘控制装置与上位主机相连接。
48.s14、初始化系统，为每一个信息采集器、执行器和边缘控制装置赋予独立的身份代码，并且根据边缘控制装置的连接情况生成连接数据库，连接数据库中的每个条目表征一个边缘控制装置相连接的所有信息采集器和执行器，因为信息采集器和执行器都同时连接至少两个边缘控制装置，所以信息采集器和执行器的身份代码可能出现在不同的条目中。
49.s15、利用级联组件使多个边缘控制装置自动组成一个局域的边缘控制网络。
50.s2、通过上位主机和上位连接组件向边缘控制装置发送控制指令。控制指令包括边缘控制装置以及信息采集器和/或执行器的身份代码。发送过程中可以直接将控制指令发送给边缘控制装置，也可以采用广播的方式发送，边缘控制装置接收到控制指令后进行解析得到控制指令中包含的边缘控制装置的身份代码，当与自身的身份代码匹配时确定接收控制指令，否则丢弃控制指令。
51.s3、边缘控制装置根据控制指令通过下位连接组件控制信息采集器采集农业基地的实时信息，或者根据控制指令通过下位连接组件控制执行器执行动作。因为信息采集器和执行器都能够连接至少两个边缘控制装置，为了避免两个边缘控制装置相互冲突，在控制指令中包含的边缘控制装置的身份代码可以设定优先级，优先级可以根据边缘控制装置身份代码在控制指令中出现的次数确定，出现次数越少则优先级越高，以避免一个边缘控制装置需要同时控制过多的信息采集器或者执行器，之后，s3中，同一个信息采集器连接的所有边缘控制装置中，其中一个边缘控制装置控制信息采集器采集实时信息。
52.s4、边缘控制装置对获取到的实时信息进行初步处理后进行本地存储，并且上传至上位主机。另一方面，边缘控制装置还将实时信息广播到边缘控制网络中，实现互相备份的效果，充分避免实时信息丢失。对于执行器执行动作所生成的实时状态也按照与实时信息相同的方式处理，不再赘述。
53.考虑到边缘控制装置中存储模块的存储容量有限，为了避免存储溢出，可以按照固定的周期将自身存储的实时信息和实时状态上传到上位主机中，由上位主机进行存储，然后删除自身存储的所有实时信息和实时状态，上位主机在接收到实时信息和实时状态后，根据实时信息和实时状态对应的信息采集器或者执行器的身份代码以及生成时间进行数据清洗，即去除多余的实时信息或者实时状态，以节约存储空间。
54.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。