CN108376009A - 一种基于ZigBee协议控制温湿度的植物培养装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于ZigBee协议控制温湿度的植物培养装置，其包括培养架主体、温湿度调节***和照明装置；温湿度调节***由ZigBee温湿度传感器、中央控制器、加湿器、制冷及制热模块、除湿器和取暖器组成；培养架主体为多层不锈钢置物架，其相邻两层之间设有塑料板；多层不锈钢置物架的四周包裹有塑料布，相邻两块塑料布的连接处之间留有缝隙；加湿器的排气口设于每层不锈钢置物架的左侧上方，在每层不锈钢置物架的顶端安装有ZigBee温湿度传感器和多个扰流风扇。本发明采用基于ZigBee协议的智能控制模块，具有成本低、安装维护简单、温湿度均一性高等优势，适合具有植物培养需求的实验室进行植物的水培、组培实验，亦可用于家庭种植水培蔬菜。
Description
技术领域
本发明属于一种植物培养装置，尤其涉及一种基于ZigBee协议控制温湿度的植物培养装置。
背景技术
植物学、农学、环境科学等学科通常会涉及实验室规模的植物培养，如植物水培和植物组织培养。为了保证植物的正常生长和实验的严谨性，通常需要对环境变量进行控制，如光照、温度、湿度等参数。
光照是植物生长发育过程中的重要条件。采用自然光的温室占地面积大，且易受天气的影响。采用多层式植物培养架辅以人造光源是大多数小规模植物培养实验室的选择。传统的人造光源如日光灯、卤素灯等，具有发热量大、光谱利用率低、功耗大等缺点。目前市场上的LED植物生长灯则可根据植物生长的需求定制光谱，且光照均匀度较高(与农用钠灯相比)，适合实验室使用。对于一般的长日照植物，选择红光(660nm)和蓝光(450nm)比为3:1的灯管，每天照射16h。
温度的变化直接影响植物的光合作用、呼吸作用、蒸腾作用等生理作用。每种植物都有适合生长的温度范围，温度过高或过低都会导致植物生长停滞，甚至死亡。对于常见的草本植物，其适宜的温度范围通常在20～30℃，一般将温室的温度调节为白天25℃，夜间20℃。
湿度也是植物培养实验中需要严格控制的因素之一，湿度的大小通常用相对湿度(RH)来表示，即空气中水蒸气量与当前饱和水蒸气量的百分比。过低或过高的湿度都会造成植物的损伤和病害。湿度过低时，植物叶片会出现萎蔫现象，且易导致红蜘蛛等虫害爆发。湿度过高时，植物的蒸腾作用减弱，且为真菌的生长创造了条件。实验室研究中，对于湿度控制的要求更加严格。一般植物培养适宜的湿度范围为60～80％。
实验室常见的植物培养方案具有如下缺点：(1)无湿度调节***，直接将植物培养架放置在有空调的房间。由于空调运行过程中会带走周围环境的水分，测定表明房间相对湿度通常低于40％，显然不利于大部分植物的生长；(2)在植物培养室中放置加湿设备，测定表明，普通加湿器的作用范围很小，仅对其附近的空气湿度起到调节作用，而对于距离较远的区域，湿度变化不明显；(3)使用商业化的植物培养箱(人工气候室)，植物培养箱通常由内腔和外腔组成，内腔放置植物样品，外腔为风道，加湿、除湿、制冷、制热等模块都安装在此处，用于改变空气的温湿度。培养箱的内壁有多个开孔，用于内外腔的气体交换。培养箱对温湿度的控制较为精密，但在植物样品较多的情况下，风道会受到影响，造成箱体内温湿度分布不均匀，从而导致不同植物的湿度条件出现差异。此外，商业化的培养箱成本高、维护困难，也难以在一般的植物培养实验室普及。
综上所述，有必要研发一种基于ZigBee协议控制温湿度的植物培养装置来弥补上述缺陷。
发明内容
为解决上述缺陷，本发明提出一种基于ZigBee协议控制温湿度的植物培养装置，其温湿度控制***采用基于ZigBee协议的智能控制模块，具有成本低、安装维护简单、温湿度均一性高、可实时在手机APP等客户端查看环境参数等优势，适合具有植物培养需求的实验室进行植物的水培、组培实验，亦可用于家庭种植水培蔬菜。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明公开一种基于ZigBee协议控制温湿度的植物培养装置，其包括培养架主体、温湿度调节***和照明装置；温湿度调节***由ZigBee温湿度传感器、中央控制器、加湿器、制冷及制热模块、除湿器和取暖器组成；培养架主体为多层不锈钢置物架，其相邻两层之间设有塑料板；多层不锈钢置物架的四周包裹有塑料布，相邻两块塑料布的连接处之间留有缝隙；加湿器的排气口设于每层不锈钢置物架的左侧上方，ZigBee温湿度传感器安装在每层不锈钢置物架的顶端，且每层不锈钢置物架的顶端安装有多个扰流风扇；照明装置包括LED植物生长灯和定时插座，LED植物生长灯的红光和蓝光的比例为3:1；除湿器、取暖器均安装在培养架主体的外侧，且加湿器、除湿器、取暖器均配备有ZigBee智能插座，ZigBee智能插座信号连接至中央控制器。
其中，不锈钢置物架设有三层、四层或五层。
其中，加湿器的数量、ZigBee温湿度传感器的数量均与不锈钢置物架的层数相同。
其中，ZigBee温湿度传感器、加湿器、制冷及制热模块、除湿器、取暖器均通过ZigBee协议连接至中央控制器。
其中，缝隙的宽度为1-2cm。
其中，ZigBee温湿度传感器用于监测培养架主体内的温湿度值，当其监测到培养架主体内的温湿度值高于或低于预设值时，中央控制器触发预设程序，向智能插座发出信号，实现对加湿器的控制。
其中，培养架主体外侧进一步设有传感器，传感器用于启闭取暖器和除湿器。
其中，中央控制器设有ZigBee通讯模块和WiFi模块，WiFi模块用于添加控制程序和实现远程监控。
其中，制冷及制热模块为空调；中央控制器上设有ZigBee空调遥控器模块，ZigBee空调遥控器模块用于预先设置程序，对空调进行控制。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
现有的人工气候箱风道设计不合理，在样品放满的情况下，中心处测得的湿度和四周测得的湿度偏差较大。本发明通过改进风道，使培养架内湿度的均一性提高，即便是每层都放满样品的情况下，不同位置测得的湿度偏差都在5％以内。
本发明采用基于ZigBee协议的智能控制模块作为植物培养架的温湿度控制***，不仅可以对培养架内的温湿度进行有效调节，还可实时在客户端查看参数和推送警报通知，以便在第一时间处理***故障。
现有的人工气候箱价格偏高，本发明在满足实验要求的前提下，大幅降低了成本，且安装维护简单。
本发明运行稳定性高；温湿度传感器因耗能低，在无外接电源供电的情况下可长时间续航，在互联网意外断开的情况下，基于ZigBee协议的自动控制***仍可继续运行，为温室的稳定运行提供保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于ZigBee协议控制温湿度的植物培养装置的结构框图；
图2为本发明培养架主体的安装示意图。
具体实施方式
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。
参照图1及图2，ZigBee是近年来发展起来的一种基于IEEE 802.15.4的无线通信协议，具有传输距离短、速率低、功耗低以及成本低等特点，适合设备之间的近距离通信。本发明公开一种基于ZigBee协议控制温湿度的植物培养装置，其包括培养架主体、温湿度调节***和照明装置；温湿度调节***由ZigBee温湿度传感器、中央控制器、加湿器1、制冷及制热模块、除湿器和取暖器组成；ZigBee温湿度传感器2、加湿器、制冷及制热模块、除湿器、取暖器均通过ZigBee协议连接至中央控制器；培养架主体为多层不锈钢置物架，其相邻两层之间设有塑料板；多层不锈钢置物架的四周包裹有塑料布，相邻两块塑料布的连接处之间留有缝隙，用于与外界气体进行交换，且缝隙的宽度为1-2cm；加湿器的排气口设于每层不锈钢置物架的左侧上方，ZigBee温湿度传感器安装在每层不锈钢置物架的顶端，且每层不锈钢置物架的顶端安装有多个扰流风扇4；照明装置包括LED植物生长灯3和定时插座，LED植物生长灯的红光和蓝光的比例为3:1；除湿器、取暖器均安装在培养架主体的外侧，且加湿器、除湿器、取暖器均配备有ZigBee智能插座，ZigBee智能插座信号连接至中央控制器。
本发明不锈钢置物架的层数由本领域技术人员根据实际需求进行设计，可以设置为三层、四层、五层或其他的层数，本发明实施例采用的是三层不锈钢置物架，其外形尺寸为1200mm×500mm×1800mm；且加湿器的数量、ZigBee温湿度传感器的数量均与不锈钢置物架的层数相同。
本发明ZigBee温湿度传感器用于监测培养架主体内的温湿度值，当其监测到培养架主体内的温湿度值高于或低于预设值时，中央控制器触发预设程序，向智能插座发出信号，实现对加湿器的控制。
本发明培养架主体外侧进一步设有传感器，传感器用于启闭取暖器和除湿器。
本发明中央控制器设有ZigBee通讯模块和WiFi模块，WiFi模块用于添加控制程序和实现远程监控。
本发明制冷及制热模块为空调；中央控制器上设有ZigBee空调遥控器模块，ZigBee空调遥控器模块用于预先设置程序，可设置昼夜不同温度，从而对空调进行控制。
本发明加湿器为高频雾化式加湿器，其加湿量为280～380mL/h；扰流风扇的直径为10cm，功率为2.5W；本实施例中不锈钢置物架每层顶端安装有2个扰流风扇和1个ZigBee温湿度传感器，本领域技术人员根据实际需求可以对扰流风扇和ZigBee温湿度传感器的数量进行调整。通过设置扰流风扇，培养架每层的上部的湿度趋于一致，由于水蒸气密度较大，上层湿度高的空气可自动向下对流，从而有效调节培养架内的湿度。
培养架的照明装置采用LED植物生长灯，红光(660nm)和蓝光(450nm)比例为3:1，灯管长1.2m，功率24W，每层设置3根灯管；光照时间为每天7:00～23:00，共16h；灯管的启闭由定时插座控制。
考虑到严寒天气空调的制热效果有限，本发明通过设置取暖器作为温度补偿，空调运行过程中，周围环境湿度下降明显，为增加培养架内的湿度，考虑到湿度高、温度正常的天气时空调的除湿效果有限，故本发明在植物培养架外设置有除湿器。
本发明培养架主体内的温度控制目标为白天25±2℃，夜间20±2℃，故中央控制器的程序设置具体如下：
每天7:00，调节空调温度至25℃；
每天23:00，调节空调温度至20℃；
架外温湿度传感器温度低于15℃，启动取暖器；
架外温湿度传感器温度高于20℃，关闭取暖器；
架内温湿度传感器温度低于15℃，推送警报通知；
架内温湿度传感器温度高于30℃，推送警报通知。
本发明培养架主体内的湿度控制目标为70％±5％，故中央控制器的程序设置如下：
架外温湿度传感器湿度高于80％，启动除湿器；
架外温湿度传感器湿度低于75％，关闭除湿器；
架内温湿度传感器湿度低于65％，启动加湿器；
架内温湿度传感器湿度高于75％，关闭加湿器；
架内温湿度传感器湿度低于60％，推送警报通知；
架内温湿度传感器湿度高于80％，推送警报通知。
本发明采用基于ZigBee协议的智能控制模块作为植物培养架的温湿度控制***，不仅可以对培养架内的温湿度进行有效调节，还可实时在客户端查看参数和推送警报通知，以便在第一时间处理***故障；且运行稳定性高，ZigBee温湿度传感器因耗能低，在无外接电源供电的情况下可长时间续航，在互联网意外断开的情况下，基于ZigBee协议的自动控制***仍可继续运行，为温室的稳定运行提供保障，适合具有植物培养需求的实验室进行植物的水培、组培实验，亦可用于家庭种植水培蔬菜。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于ZigBee协议控制温湿度的植物培养装置，其特征在于，其包括培养架主体、温湿度调节***和照明装置；温湿度调节***由ZigBee温湿度传感器、中央控制器、加湿器、制冷及制热模块、除湿器和取暖器组成；
培养架主体为多层不锈钢置物架，其相邻两层之间设有塑料板；多层不锈钢置物架的四周包裹有塑料布，相邻两块塑料布的连接处之间留有缝隙；
加湿器的排气口设于每层不锈钢置物架的左侧上方，ZigBee温湿度传感器安装在每层不锈钢置物架的顶端，且每层不锈钢置物架的顶端安装有多个扰流风扇；
照明装置包括LED植物生长灯和定时插座，LED植物生长灯的红光和蓝光的比例为3:1；
除湿器、取暖器均安装在培养架主体的外侧，且加湿器、除湿器、取暖器均配备有ZigBee智能插座，ZigBee智能插座信号连接至中央控制器。
2.如权利要求1所述的基于ZigBee协议控制温湿度的植物培养装置，其特征在于，不锈钢置物架设有三层、四层或五层。
3.如权利要求2所述的基于ZigBee协议控制温湿度的植物培养装置，其特征在于，加湿器的数量、ZigBee温湿度传感器的数量均与不锈钢置物架的层数相同。
4.如权利要求3所述的基于ZigBee协议控制温湿度的植物培养装置，其特征在于，ZigBee温湿度传感器、加湿器、制冷及制热模块、除湿器、取暖器均通过ZigBee协议连接至中央控制器。
5.如权利要求4所述的基于ZigBee协议控制温湿度的植物培养装置，其特征在于，缝隙的宽度为1-2cm。
6.如权利要求1-5中任一项所述的基于ZigBee协议控制温湿度的植物培养装置，其特征在于，ZigBee温湿度传感器用于监测培养架主体内的温湿度值，当其监测到培养架主体内的温湿度值高于或低于预设值时，中央控制器触发预设程序，向智能插座发出信号，实现对加湿器的控制。
7.如权利要求6所述的基于ZigBee协议控制温湿度的植物培养装置，其特征在于，培养架主体外侧进一步设有传感器，传感器用于启闭取暖器和除湿器。
8.如权利要求7所述的基于ZigBee协议控制温湿度的植物培养装置，其特征在于，中央控制器设有ZigBee通讯模块和WiFi模块，WiFi模块用于添加控制程序和实现远程监控。
9.如权利要求8所述的基于ZigBee协议控制温湿度的植物培养装置，其特征在于，制冷及制热模块为空调；中央控制器上设有ZigBee空调遥控器模块，ZigBee空调遥控器模块用于预先设置程序，对空调进行控制。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180807 |
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