設施農業智能閉環控制傳感器網絡系統的製作方法
2023-09-22 11:50:25 2
專利名稱：設施農業智能閉環控制傳感器網絡系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及設施農業中關鍵環境因子的控制方法，以及模型的製作和在現實中的應用。
背景技術：
國外對設施農業環境控制技術的研究始於20世紀70年代，先是採用模擬式的組合儀表採集現場信息並進行指示、記錄和控制，80年代末出現了分布式控制系統。目前正在開發和研製計算機數據採集、控制的多因子綜合控制系統。現在世界各國設施農業控制技術的發展都非常快，一些國家的控制技術在實現自動化得基礎上，正朝著完全自動化、無人化的方向發展。我國對設施農業控制技術的研究較晚，20世紀80年代，我國先後從歐美和日本等發達國家引進了大量的連棟溫室，揭開了我國現代化溫室生產、研究和普及的序幕。從國內外對設施農業環境控制的研究來看，目前基於有線的測量控制系統相對比較成熟，但是有線通信方式導致溫室內的信號線、動力線錯綜複雜，安裝維護難度大，而且溫室環境易導致線纜老化，使系統可靠性降低。本發明根據以上論述，在綜合前人工作的基礎上，創造性的提出了設施農業智能閉環控制傳感器網絡系統以及一套控制技術和解決方案。針對有線方式的缺點，採用無線傳感器網絡，具有無需布線、組網靈活、易升級等相對明顯的優點。
發明內容
本發明的目的是製作一個設施農業的微模型，用來模擬現實環境中的一些關鍵因子(溫度、溼度、光照、二氧化碳、土壤溼度)，並研究這些環境因子的變化對作物生長的影響。本發明的另一個目的是一種環境因子的控制方法，解決現有技術中存在的問題，使用本發明的這種方法可以有效的調控環境因子，使作物處於最適合生長的環境，從而提高產量，增加經濟效益。本發明的總體結構如圖1所示。圖中矩形方框表示一個大棚模型。尺寸為(lm*2m)。3個終端節點布置其中，分別攜帶溫度、溼度、光照、二氧化碳以及土壤溼度傳感器，實時的獲取環境參數，通過匯聚節點轉送到監控中心，供管理員查看。管理員可以手動或者通過程序設定預值來控制環境。例如當土壤溼度傳感器探測到土壤較乾燥時，可以通過控制晶片發出信號來打開滴灌設備的閥門，灌溉多長時間，需要根據土壤的乾燥程度和作物的生長環境來調節。
圖1是設施農業模型總體圖 圖2是無線通信節點結構圖 圖3是控制晶片總體結構圖 圖4是設施農業模型架構概略圖 圖5是上位機軟體結構圖
具體實施例方式系統主要模塊功能
下面分模塊的具體說明本發明的內容。本發明可以分為上位機軟體的設計與實現、無線環境監測網絡的構建、農業信息獲取以及設備控制三個方面。上位機軟體的主要功能有
(I)環境數據以及各種農業設備狀態的實時顯示。(2)對一些重要數據進行保存並能夠隨時查看歷史數據以屏幕顯示，列印等方式。(3)當某些環境參數超過預定值時，自動報警，並向信息感知節點發出控制信號，感知節點收到控制信號後，將命令傳送給與它連接的控制晶片，通過控制晶片來控制農業設備的狀態，如水閥的閉合，燈光的強弱等。無線環境監測網絡的主要功能就是為設施農業信息控制提供通訊載體。通訊頻率2.4Ghz。整個網絡由5個無線節點(0-4)構成。0號節點為主控節點。I號節點為匯聚節點。2、3、4、分別是3個信息信息感知節點。分別攜帶溫溼度、光照、二氧化碳和土壤溼度傳感器，並實時的將這些數據發送到I號匯聚節點，繼而發送到0號主控節點。主控節點通過RS232串口與計算機連接。上位機軟體對接收到的數據包進行有效性檢查、存儲等一系列操作，實時顯示監測區域的環境參數。農業信息獲取以及設備的控制主要是通過一塊集成晶片。片上系統主要靠MCU控制與協調。集成4種傳感器，通過命令將獲取的數據保存在MCU的存儲器中。通過RS232接口，可以將這些數據傳送給無線通訊節點，繼而通過無線信號發射到上位機。繼電器的作用主要是用來控制滴灌設備，當控制晶片接收到打開水閥的命令時，就會通過繼電器來控制一個電磁閥的開關，達到控制灌溉的目的。數字電位器的作用主要是用來控制燈光和風扇。由於這兩個設備不能是簡單的開關，需要根據環境適當的調整燈光的明暗和風扇的轉速。數字電位器就是可以通過命令改變其電阻大小來控制電路中電流的大小。達到控制燈光和風扇的功能。系統硬體設計
系統的硬體結構主要包括3個方面。無線通信節點的硬體設計、控制晶片的硬體設計、模型的架構。無線通信節點通信節點的硬體有以下幾個主要部分組成MC13213控制晶片、信號放大器、天線、串口通信模塊等。如圖2所示，控制晶片用來控制和協調整個片上系統，信號放大器將控制晶片輸出的信息放大轉化通過射頻天線發射出去，串口通信模塊用來連接輻射傳感器與上位機。控制晶片就是一個簡單的51單片機系統，結構圖如圖3所示。主要分為MCU控制晶片(51晶片)、RS232通信口(與無線通信節點相連)、傳感器、控制器件(繼電器、數字電位器)。表I是控制晶片中各種電子元器件的型號及描述。
權利要求
1.一種及設施農業中關鍵環境因子的控制方法，以及模型的製作和在現實中的應用。
2.硬體上主要有無線通信節點、控制感知晶片和物理模型組成。
3.軟體上主要有上位機軟體、控制感知晶片嵌入式程序以及無線節點自組網程序。
4.按照權利要求1所述的無線通信節點，其中主控晶片為Freescale產的MC13213，配合外圍電路(232電平轉換、射頻模塊)。
5.按照權利要求1所述的控制感知晶片，其特徵在於主控晶片採用51系列單片機，集成溫度、溼度、光照、二氧化碳、土壤溼度傳感器，控制器件採用繼電器和數字電位器。
6.按照權利要求1所述無線節點自組網程序，其特徵在於設計了適合無線傳感器網絡的動態路由路由，可以更好的適合無線傳感器網絡，在微型傳感器系統中可以很好的正常工作，提高了網絡性能。
全文摘要
本發明涉及設施農業中關鍵環境因子的控制方法，以及模型的製作和在現實中的應用。設施農業智能閉環傳感器網絡系統是一種自動化採集數據，處理數據並進行控制的智能系統。可用於現實環境的模擬，讓農作物處於最適合生長的環境。能夠為植物生長的研究提供理論和現實的參考依據。由傳感器採集的環境參數(空氣溫度、空氣溼度、光照、二氧化碳濃度、土壤溼度)，通過無線網絡傳輸系統送到主控端，由計算機進行加工處理，首先能夠實時的顯示環境參數，其次能根據程序設定或手動控制來調節環境參數。整個系統如圖1所示，該系統是融計算機技術、通訊技術、控制技術和編程技術為一體的高科技產品，為科研人員提供有效的研究手段。
文檔編號G05B19/418GK102999017SQ20111028174
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月14日 優先權日2011年9月14日
發明者楊餘旺, 曹宏鑫, 葛道闊, 陳超, 劉巖, 田磊, 趙煒, 王磊, 胡小霞, 儲波 申請人:南京理工大學, 江蘇省農業科學院