CN114190203B - 一种物联网农业大棚温度控制装置与方法 - Google Patents
一种物联网农业大棚温度控制装置与方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及室内温度控制技术领域，尤其涉及一种物联网农业大棚温度控制装置与方法。本发明提供一种物联网农业大棚温度控制装置与方法，其物联网温室大棚监控***具有四层结构，包括感知层、执行层、网络层和应用层。感知层包括数字式温度传感器；执行层包括执行设备和控制器，通过控制器接受指令控制执行设备；执行设备包括有通风窗、冷风机、加热器和热风机。根据自动控制原理为理论基础，应用无线传感器、汇聚节点和总控制站点构建区域网络和数据集中处理子***并与执行设备组成内循环控制***。
Description
技术领域
本发明涉及室内温度控制技术领域，尤其涉及一种物联网农业大棚温度控制装置与方法。
背景技术
农业大棚是基于日光温室效应发展壮大的，在影响蔬菜生长发育的环境条件下，以温度最为敏感，是温室中最重要的被测、被控参数。而农业大棚作为半开放，半封闭的***，与外界环境直接进行空气循环，外界的温度、光照、风速等对大棚内部的温度有直接的影响。仅依靠手动调控，或者简单的功能控制难以达到将大棚内的环境保持在最佳状态；其次，简单的功能调控方式具有一定的滞后性，而且需要大幅度地进行温度调整，不仅能耗较高，还不利于植物的生长。
为进一步减轻农民工作量，降低农业生产成本，农业大棚远程监控***已成为当前研究和应用热点之一，温室环境监测和调控也作为温室生产关键技术，也向与物联网相结合的方向发展，为此是本领域人员所急需解决的技术问题。
发明内容
为了克服温室环境监测不够准确以及调控滞后性的缺点，要解决的技术问题：提供一种物联网农业大棚温度控制装置与方法。
技术方案是：一种物联网农业大棚温度控制装置与方法，物联网温室大棚监控***具有四层结构，包括感知层、执行层、网络层和应用层。
进一步地，感知层包括数字式温度传感器，在此选用DS18B20温度传感器，内含微处理单元，可进行简单地编程实现9-12位的数字值转换输出；多只数字式温度传感器分布于各方位同时监测温度；
进一步地，执行层包括执行设备和控制器，通过控制器接受指令控制执行设备；执行设备包括有通风窗、冷风机、加热器和热风机；
控制器基于以下步骤：
1）如果被检测的温度高于设定值，控制器就会发出相应的指令控制开启通风窗和冷风机；如果测量值与设定值相等，则关闭通风窗和冷风机；
2）如果测量值低于设定值，则打开加热器和热风机对温室进行加温。此外，通过光照、温度和二氧化碳浓度的测定与调节达到适应不同植物生长的需求，从而广泛应用于实际中，提高农作物产量；
进一步地，网络层包括物联网网关设备和互联网通信设备，
物联网网关设备是以ZigBee无线网络技术搭建的数字式传感网络结构，包括有若干传感器、若干控制器、若干汇聚节点和一个环境控制站点；汇聚节点分别连接传感器与控制器，收发监测数据并传输控制指令；环境控制站点连接汇聚节点，汇总各方位采集的数据信息集中处理与控制，并通过互联网通信设备将现场实时数据传输到云端服务器上；
互联网通信设备是以GSM/4G等无线网络技术，结合ineter网络协议组建的远程网络传输设备，用于环境控制站点、云端服务器和用户终端之间的互联互通；
进一步地，应用层包括云端服务器和用户终端；云端服务器与互联网连通入网，并进行数据存储、分析和处理操作；用户终端接收现场实时信息以及实现数据可视化等功能。
进一步地，环境控制站点设有内循环程序和外循环程序；内循环程序根据搭建的数字式传感网络，汇总各方位采集的数据信息集中处理与调控；外循环程序接入互联网，并从云端服务器中获取未来七日的天气预报，与历史相应模型匹配得出最佳近似数据并作为下一阶段室内预设温度范围值，然后进入内循环程序运行模式。
内循环程序如下：
首先进入初始化，刷新时间、温度值；
将温度值与预设范围值对比，判断是否超限；
若测定的温度值超出预设范围值，则发出指令启动冷风机和通风窗；若测定的温度值低于预设范围值，则发出指令启动加热器和热风机；
若测定的温度值位于预设范围值内，则静默检测是否收到调节指令；
若收到调节指令，则根据变量的标定值重新改写***内的预设范围值。
进一步地，外循环程序如下：
***上电后先进行软硬件初始化，接着环境控制站点向云端服务器发送入网请求；
入网成功后环境控制站点进入休眠状态；
当一个时间段终结，环境控制站点的RCT计时中断；
环境控制站点从云端服务器中获取种植地区的历史气候信息，包括该种植周期内的所有历史室内外温度数据；
根据所述所有历史室内温度数据建立各历史周期多时间段的温度范围值模型；
根据所述所有历史室外温度数据建立各历史周期多时间段内的温差波动系数的集合{K}；
环境控制站点从云端服务器中获取未来七日的天气预报，分解出未来各时间段平均温度值C’，求C’与相应时间段的温差波动系数K’；
根据所述时间段的温差波动系数K’与各历史周期相应时间段的温差波动系数的集合{K}近似匹配，取最佳近似数据K，追溯温差波动系数K’的该历史时间段室内预设温度范围值T；
环境控制站点发送调节指令，根据所述预设温度范围值T改写内循环***内的预设范围值，RCT开始下一时间段的计时；
根据改写的预设温度范围值T重新运行内循环程序，调控相应执行器。
进一步地，时间段分为上午、下午和夜间三个时间段，当一个时间段终结，环境控制站点的RCT计时中断后再次进入初始化，重置该时间段的温度预设范围值。
进一步地，还包括有室外温度传感器，用于获取所述大棚的室外温度值，并上传至云端服务器；判断与未来时间段的预测温度范围值T’是否相符；若否，则判断所述室内温度是否符合所述预设温度范围值T；若否，则通过内循环程序控制执行器将所述室内温度调整至温度预设范围值。
有益效果：1、根据自动控制原理为理论基础，应用无线传感器、汇聚节点和总控制站点构建区域网络和数据集中处理子***并与执行设备组成内循环控制***，共同为植物提供适宜的生长环境。
2、以历史周期模型为目标，在未来时间段前使用温差波动系数K匹配最优数据替代预设温度范围值，以此作为外循环程序，与用户手动输入的经验值相比，避免调控的滞后性，具有显著的智能和增产效果。
附图说明
图1为本发明基于物联网搭建的无线网络结构原理图。
图2为本发明环境控制站点内外循环程序的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
实施例1
本发明选取的农业大棚环境变量作为主要控制对象，其它变量亦如此为参照做出综合运作模式。如图1所示，一种物联网农业大棚温度控制装置与方法，物联网温室大棚监控***具有四层结构，包括感知层1、执行层2、网络层3和应用层4。
感知层1包括数字式温度传感器，在此选用DS18B20温度传感器，内含微处理单元，可进行简单地编程实现9-12位的数字值转换输出；多只数字式温度传感器分布于各方位同时监测温度；
执行层2包括执行设备和控制器，通过控制器接受指令控制执行设备；执行设备包括有通风窗、冷风机、加热器和热风机；
控制器基于以下步骤：
1）如果被检测的温度高于设定值，控制器就会发出相应的指令控制开启通风窗和冷风机；如果测量值与设定值相等，则关闭通风窗和冷风机；
2）如果测量值低于设定值，则打开加热器和热风机对温室进行加温。此外，通过光照、温度和二氧化碳浓度的测定与调节达到适应不同植物生长的需求，从而广泛应用于实际中，提高农作物产量；
网络层3包括物联网网关设备和互联网通信设备，
物联网网关设备是以ZigBee无线网络技术搭建的数字式传感网络结构，包括有若干传感器、若干控制器、若干汇聚节点和一个环境控制站点；汇聚节点分别连接传感器与控制器，收发监测数据并传输控制指令；环境控制站点连接汇聚节点，汇总各方位采集的数据信息集中处理与控制，并通过互联网通信设备将现场实时数据传输到云端服务器上；
互联网通信设备是以GSM/4G等无线网络技术，结合ineter网络协议组建的远程网络传输设备，用于环境控制站点、云端服务器和用户终端之间的互联互通；
应用层4包括云端服务器和用户终端；云端服务器与互联网连通入网，并进行数据存储、分析和处理操作；用户终端接收现场实时信息以及实现数据可视化等功能。
根据自动控制原理为理论基础，应用无线传感器、汇聚节点和总控制站点构建区域网络和数据集中处理子***并与执行设备组成内循环控制***，共同为植物提供适宜的生长环境。是本发明的一个重要创新点。
实施例2
如图2所示，在实施例1的基础之上，环境控制站点设有内循环程序和外循环程序；
根据各历史周期储存信息数据，使用粒子群算法优化得到该日各时间段平均温度初始设定值Ca、Cf、Cm；求Ca、Cf、Cm与相应时间段的温差波动系数Ka、Kf、Km；综合得出数据集：
上午时间段的温差波动系数集合K=｛Ka，Ka+1…Ka+n｝， 同理得出下午和夜间时间段的温差波动系数集合。
结合一周天气预报信息，使用滚动优化的方式对日平均温度进行二次优化，截取最优的该日各时间段平均温度值Ca’、Cf’、Cm’；求Ca’、Cf’、Cm’与相应时间段的温差波动系数Ka’、Kf’、Km’；
将未来时间段的温差波动系数Ka’与历史相应时间段的温差波动系数集合K=｛Ka，Ka+1…Ka+n｝进行近似匹配；溯源其最佳近似数据K的温度范围值T。以历史周期模型为目标，在未来时间段前使用温差波动系数K匹配最优数据替代预设温度范围值，以此作为外循环程序，是本发明的一个重要创新点。
内循环程序如下：
首先进入初始化，刷新时间、温度值；
将温度值与预设范围值对比，判断是否超限；
若测定的温度值超出预设范围值，则发出指令启动冷风机和通风窗；若测定的温度值低于预设范围值，则发出指令启动加热器和热风机；
若测定的温度值位于预设范围值内，则静默检测是否收到调节指令；
若收到调节指令，则根据变量的标定值重新改写***内的预设范围值。
外循环程序如下：
***上电后先进行软硬件初始化，接着环境控制站点向云端服务器发送入网请求；
入网成功后环境控制站点进入休眠状态；
当一个时间段终结，环境控制站点的RCT计时中断；
环境控制站点从云端服务器中获取种植地区的历史气候信息，包括该种植周期内的所有历史室内外温度数据；
根据所述所有历史室内温度数据建立各历史周期多时间段的温度范围值模型；
根据所述所有历史室外温度数据建立各历史周期多时间段内的温差波动系数{K}；
环境控制站点从云端服务器中获取未来七日的天气预报，分解出未来各时间段平均温度值C’，求C’与相应时间段的温差波动系数K’；
根据所述时间段的温差波动系数K’与各历史周期相应时间段的温差波动系数的集合{K}近似匹配，取最佳近似数据K，追溯温差波动系数K’的该历史时间段室内预设温度范围值T；
环境控制站点发送调节指令，根据所述预设温度范围值T改写内循环***内的预设范围值，RCT开始下一时间段的计时；
根据改写的预设温度范围值T重新运行内循环程序，调控相应执行器。
进一步地，时间段分为上午、下午和夜间三个时间段，当一个时间段终结，环境控制站点的RCT计时中断后再次进入初始化，重置该时间段的温度预设范围值。
进一步地，还包括有室外温度传感器，用于获取所述大棚的室外温度值，并上传至云端服务器；判断与未来时间段的预测温度范围值T’是否相符；若否，则判断所述室内温度是否符合所述预设温度范围值T；若所述室内温度不符合所述预设温度范围值T，则通过内循环程序控制执行器将所述室内温度调整至温度预设范围值。
上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。
Claims (3)
1.一种物联网农业大棚温度控制方法，物联网温室大棚监控***具有四层结构，包括感知层、执行层、网络层和应用层；其特征在于，
感知层包括数字式温度传感器，在此选用DS18B20温度传感器，内含微处理单元，可进行简单地编程实现9-12位的数字值转换输出；多只数字式温度传感器分布于各方位同时监测温度；
执行层包括执行设备和控制器，通过控制器接受指令控制执行设备；执行设备包括有通风窗、冷风机、加热器和热风机；
控制器基于以下步骤：
如果被检测的温度高于设定值，控制器就会发出相应的指令控制开启通风窗和冷风机；如果测量值与设定值相等，则关闭通风窗和冷风机；
如果测量值低于设定值，则打开加热器和热风机对温室进行加温;
网络层包括物联网网关设备和互联网通信设备，
物联网网关设备是以ZigBee无线网络技术搭建的数字式传感网络结构，包括有若干传感器、若干控制器、若干汇聚节点和一个环境控制站点；汇聚节点分别连接传感器与控制器，收发监测数据并传输控制指令；环境控制站点连接汇聚节点，汇总各方位采集的数据信息集中处理与控制，并通过互联网通信设备将现场实时数据传输到云端服务器上；
互联网通信设备是以GSM/4G无线网络技术，结合ineter网络协议组建的远程网络传输设备，用于环境控制站点、云端服务器和用户终端之间的互联互通；
应用层包括云端服务器和用户终端；云端服务器与互联网连通入网，并进行数据存储、分析和处理操作；用户终端接收现场实时信息以及实现数据可视化功能；
环境控制站点设有内循环程序和外循环程序；
内循环程序如下：
首先进入初始化，刷新时间、温度值；
将温度值与预设范围值对比，判断是否超限；
若测定的温度值超出预设范围值，则发出指令启动冷风机和通风窗；若测定的温度值低于预设范围值，则发出指令启动加热器和热风机；
若测定的温度值位于预设范围值内，则静默检测是否收到调节指令；
若收到调节指令，则根据变量的标定值重新改写***内的预设范围值；
外循环程序如下：
***上电后先进行软硬件初始化，接着环境控制站点向云端服务器发送入网请求；
入网成功后环境控制站点进入休眠状态；
当一个时间段终结，环境控制站点的RCT计时中断；
环境控制站点从云端服务器中获取种植地区的历史气候信息，包括种植周期内的所有历史室内外温度数据；
根据所述所有历史室内温度数据建立各历史周期多时间段的温度范围值模型；
根据所述所有历史室外温度数据建立各历史周期多时间段内的温差波动系数的集合{K}；
环境控制站点从云端服务器中获取未来七日的天气预报，分解出未来各时间段平均温度值C’，求C’与相应时间段的温差波动系数K’；
根据所述时间段的温差波动系数K’与各历史周期相应时间段的温差波动系数的集合{K}近似匹配，取最佳近似数据K，追溯温差波动系数K’的历史时间段室内预设温度范围值T；
环境控制站点发送调节指令，根据所述预设温度范围值T改写内循环***内的预设范围值，RCT开始下一时间段的计时；
根据改写的预设温度范围值T重新运行内循环程序，调控相应执行器。
2.根据权利要求1所述的一种物联网农业大棚温度控制方法，其特征在于，时间段分为上午、下午和夜间三个时间段，当一个时间段终结，环境控制站点的RCT计时中断后再次进入初始化，重置该时间段的温度预设范围值。
3.根据权利要求1所述的一种物联网农业大棚温度控制方法，其特征在于，还包括有室外温度传感器，用于获取所述大棚的室外温度值，并上传至云端服务器；判断与未来时间段的预测温度范围值是否相符；若否，则判断室内温度是否符合所述预设温度范围值T；若否，则通过内循环程序控制执行器将所述室内温度调整至温度预设范围值。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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