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一种花卉种植监控系统及其使用方法与流程

花匠小妙招
2024-11-09 04:28

一种花卉种植监控系统及其使用方法与流程

本发明涉及物联网种植技术领域，具体涉及一种花卉种植监控系统及其使用方法。

背景技术：

随着物联网技术的发展，采集花卉生长环境数据并可视化，实现花卉种植的远程智能化监控与管理，摆脱传统种植方式完全依靠人工管理的费时费力模式，已经成为花卉种植行业发展的必然趋势。近年来，对于种植智能监控系统的研究，国内外许多学者已经做了大量的工作。laktionov等利用规模转换法建立温室微气候监控模型，通过土壤水分蒸发蒸腾损失总量和植物光合作用效率的变化来研究微气候参数对蔬菜种植的影响。rubanga等利用有限资源设计一种简化的智能农业系统，由wsn终端实时采集温室的微气候环境数据，建立web数据库用于指导日本西红柿生产管理和种植决策。somov等采用wsn、云计算和人工智能技术监控植物生长和温室环境变化，并用来预测俄罗斯西红柿的增长率。danita等利用物联网和嵌入式技术采集温湿度数据，通过树莓派控制灌溉管、冷却风扇和推拉窗来调节温室环境，促进植物生长以获得最大产量。momand等利用wsn、arduino云服务器、web网页和手机app等技术设计温室监控系统，用来解决阿富汗传统温室所面临的问题。thu等分析了越南不同的温室模型及其监测参数的要求，利用wsn设计温室环境监测系统，并比较了单径和多径路由协议的性能。

目前，我国这方面的研究进展也比较快，李云月采用树形网络拓扑结构设计wsn，实现了实时数据展示、视频监制、智能浇水、植友家微社区等功能。针对我国北方寒冷地区的温室环境，刘雨娜等设置了保温、自然通风、强制通风和强制降温4种模式以及特殊天气调控规程，提高了番茄种植的自动化水平；洪宝棣等采用有线和无线相结合的方式进行传感器数据传输，实现了采集节点与服务器和客户端的稳定高效通信。张芳等以樱桃番茄金珠为研究对象，采用lora设计传感节点及网关，传感数据保存到云数据库且可视化。潘小红等提出模糊功率控制算法对传感器节点的发射功率进行自动调整，王立华等采用了rt-thread嵌入式操作系统和micropython编程语言进行软件设计，李建军等利用台达dx2100l1网络模块和diaview物联网平台实现木耳温室远程控制和环境信息远程管理。任延昭等将物联网、云服务和微信平台相结合来设计温室环境监测系统，并采用时间序列方法进行温度预测；徐焕良等提出多变量模糊控制方法来解决温室环境变量之间的耦合问题，采用节点动态组包主动传输和多种环境变量加权控制传输这两种低功耗机制实现花卉环境监测。

通过现有种植智能监控系统的研究可以发现，不同学者采用不同的嵌入式芯片和通信模组进行硬件设计，可移植性弱，更换新款芯片困难，影响系统升级换代。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种花卉种植监控系统及其使用方法，把通用计算机概念引入嵌入式系统设计，将bios与用户程序分离，构建gec并用来设计网关，可简化嵌入式软件的开发，解决其可移植性弱的问题。

为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：

一种花卉种植监控系统，包括若干个wsn终端节点、信息邮局以及监控终端；所述监控终端通过所述信息邮局实现对每个wsn终端节点的远程监测和控制；其中，每个所述wsn终端节点采用zigbee自组网，所述zigbee自组网包括zigbee终端节点以及gec网关，所述zigbee终端节点连接数据采集模块、控制模块以及存储模块；所述数据采集模块至少一个，用于采集种植数据，所述种植数据包括土壤温湿度、空气温湿度、光照强度以及位置数据；所述控制模块用于接收每个所述数据采集模块采集的所述种植数据，对所述种植数据进行分析并控制所述处理模块对花卉种植环境进行调整；所述存储模块与所述控制模块相连，所述存储模块用于存储各种花卉的预设标准种植数据；以及所述监控终端，包括显示模块以及修改模块，所述监控终端通过信息邮局与所述控制模块相连。

进一步地，所述信息邮局包括基站以及云服务器，所述基站接收所述wsn终端节点的所述种植数据后将所述种植数据转发至所述云服务器；所述监控终端通过所述云服务器实现对实际种植数据的远程监测和控制。

进一步地，每个所述数据采集模块分别与一个土壤温湿度传感器、一个空气温湿度传感器以及一个光照强度传感器相连。

进一步地，所述土壤温湿度传感器为带铜镀镍防锈护套的sht35数字温湿度传感器模块，i2c接口输出，湿度范围为0～100％rh，湿度精度为±1.5％rh，温度范围为-40～+125℃，温度精度为±0.2℃。

进一步地，所述空气温湿度传感器采用带防水防尘护套的sht35数字温湿度传感器模块。

进一步地，所述光照强度传感器采用bh1750带继电器的数字光照传感器模块，串行接口输出，测量范围为1～65535lux，测量精度为±20％。

进一步地，所述监控终端为移动终端，所述移动终端为手机或电脑，所述监控终端采用监控程序进行控制，所述监控程序为web网页、微信小程序或手机app。

本发明还提供了一种基于以上任意一种花卉种植监控系统的使用方法，包括如下步骤：s10设置标准种植数据，技术人员根据每个种植室内所种植的花卉的品种通过监控终端查看并修改所述标准种植数据，其中，所述标准种植数据存储在存储模块；s20采集数据，通过数据采集模块采集单个种植室的实际种植数据；s30处理数据，所述控制模块接收所述数据采集模块采集的实际种植数据并同所述标准种植数据比对，判断所述实际种植数据是否符合所述标准种植数据的种植需求，同时将实际种植数据输出至所述监控终端查看；以及s40调节种植环境，当所述实际种植数据不符合所述标准种植数据的种植需求时，所述控制模块计算调整量输出至处理模块，所述处理模块控制调节设备进行调节。

进一步地，所述调节设备包括加湿器、风扇、加热管、led灯、遮阳板以及水泵。

进一步地，所述步骤s40还包括技术人员通过所述监控终端直接输入种植数据至所述控制模块调节种植环境。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明的一种花卉种植监控系统及其使用方法，把通用计算机概念引入嵌入式系统设计，将基本输入/输出系统(basicinputandoutputsystem,bios)与用户程序分离，构建gec并用来设计网关，可简化嵌入式软件的开发，解决其可移植性弱的问题，系统丢包率低，缩短项目开发周期。

(2)本发明的一种花卉种植监控系统及其使用方法，zigbee软件升级或功能再配置时可无线重编程，现场烧写程序简单而且受应用环境的影响少，用户可以通过web网页或微信小程序随时查询数据，实时监控温室环境，实现花卉种植过程的无人值守，采集的花卉生长环境大数据，可以为花期调控提供理论依据。

(3)本发明的一种花卉种植监控系统及其使用方法，通过无线网络实现了数据的传输与处理，可实现花卉种植的自动化管理，亦可通过监控终端实现主动修改种植数据，提高了花卉种植的灵活性，增加了种植的乐趣，大大减少了大量的人工，避免了劳动时间的浪费。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。

图1所示为本发明一实施例的花卉种植监控系统实物架构图；

图2所示为本发明一实施例的花卉种植监控系统的结构图；

图3所示为kw01-zigbee模块kw01最小系统构件电路图；

图4所示为kw01-zigbee模块前端电路构件电路图；

图5所示为pcb板实物图；

图6所示为gec网关硬件结构框架；

图7所示为zigbee终端节点软件流程；

图8所示为gec网关中的kw01-zigbee

图9所示为gec软件执行流程；

图10所示为web网页的数据访问时序；

图11所示为微信小程序数据访问时序；

图12所示为gec网关和pc端显示结果；

图13所示为微信小程序实时数据和历史数据查询功能展示图；

图14所示为本发明一实施例的花卉种植监控系统使用方法流程图。

图中部件编号如下：

11控制模块、12数据采集模块、13处理模块、14存储模块、2信息邮局、3监控终端。

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，本领域技术人员在没有作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。

本实施例提供了一种花卉种植监控系统，如图1～2所示，包括若干个wsn终端节点1、信息邮局2以及监控终端3，所述监控终端3通过所述信息邮局2实现对每个wsn终端节点1的远程监测和控制。其中，每个所述wsn终端节点采用zigbee自组网，所述zigbee自组网包括zigbee终端节点以及gec网关，所述zigbee终端节点连接数据采集模块12、控制模块11以及存储模块14。

所述数据采集模块12至少一个，用于采集种植数据，所述种植数据包括土壤温湿度、空气温湿度、光照强度以及位置数据。每个所述数据采集模块12分别与土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器以及光照强度传感器相连。所述土壤温湿度传感器为带铜镀镍防锈护套的sht35数字温湿度传感器模块，i2c接口输出，湿度范围为0～100％rh，湿度精度为±1.5％rh，温度范围为-40～+125℃，温度精度为±0.2℃。所述空气温湿度传感器采用带防水防尘护套的sht35数字温湿度传感器模块。所述光照强度传感器采用bh1750带继电器的数字光照传感器模块，串行接口输出，测量范围为1～65535lux，测量精度为±20％。所述数据采集模块12用于采集种植数据，所述种植数据包括土壤温湿度、空气温湿度、光照强度以及位置数据。

所述控制模块11用于接收每个所述数据采集模块12采集的所述种植数据，对所述种植数据进行分析并控制所述处理模块13对花卉种植环境进行调整。所述存储模块14与所述控制模块11相连，所述存储模块14用于存储各种花卉的预设标准种植数据，所述监控终端3包括显示模块以及修改模块，所述监控终端3通过信息邮局2与所述控制模块11相连。

所述信息邮局2为无线通信网络，所述信息邮局包括基站以及云服务器，所述基站接收所述wsn终端节点1的所述种植数据后将所述种植数据转发至所述云服务器，所述监控终端3通过所述云服务器实现对实际种植数据的远程监测和控制。每个种植室内采用zigbee自组网，不同检测位置设置若干个zigbee终端节点，每个所述zigbee终端节点均连接一个土壤温湿度传感器、一个空气温湿度传感器以及一个光照强度传感器，多个所述土壤温湿度传感器、所述空气温湿度传感器以及所述光照强度传感器组成了数据采集模块12。所述数据采集模块12、所述控制模块11、所述存储模块14以及所述处理模块13间的数据传输均通过所述zigbee自组网完成。所述zigbee自组网采用gec网关实现与所述监控终端3数据传输。所述gec网关的位置采用小体积bn-180gnss天线一体模块定位，串行接口输出，水平位置误差小于2m。

如图3～5所示，zigbee终端节点包括zigbee模块、传感器接口电路和传感器模块，其中zigbee模块选用集成了armcortex-m0+内核和sx1233射频收发器的mkw01z128模块(简称kw01)。硬件采用构件化设计。

如图6所示，所述gec网关的硬件组成，通信模组选用me3616nb-iot模块，kw01-zigbee模块的硬件设计与zigbee终端节点相同，通过串口与gec通信。gec内嵌bios，上电即可进行硬件测试。对于不同的通信模组，需要保证终端通信构件和所述监控终端3客户端构件的对外接口保持一致，将不同通信模组的差异封装在通信构件中，更换通信模组时仅需要替换对应的通信构件即可完成程序的修改。面对不同的需求可能需要使用不同的，因此mcu最小系统的对外引脚编号要保持一致，对应修改bios程序即可。硬件功能由bios进行封装并提供函数调用接口，简化嵌入式软件的开发，用户程序具有较高的可移植性。

所述zigbee终端节点软件包含两个部分：bootloader和用户程序，其执行流程如图7～9所示。当需要对已部署的zigbee节点应用系统进行软件升级或功能再配置时，bootloader将按更新机器码生成机制对目标节点进行无线重编程，该过程受应用环境的影响少，没有传统现场烧写程序那么繁琐。

所述监控终端3为移动终端，所述移动终端为手机或电脑，所述监控终端采用监控程序进行控制，所述监控程序为web网页、微信小程序或手机app。花卉生长需要适宜的空气温湿度、土壤温湿度和光照强度，可通过所述数据采集模块12采集花卉种植基地智能大棚的空气温湿度、土壤温湿度和光照强度等数据，所述控制模块11控制所述处理模块12控制土壤滴灌浇水器、空气雾化加湿器、风扇、加热管、led灯和遮阳板步进电机等执行器进行自动调节，也可由所述监控终端3进行人工干预。所述移动终端为电脑或手机。所述监控终端3软件选用microsoftsqlserver数据库存储相关数据，采用c#语言编写。如图10～11所示，web网页的数据访问时序以及微信小程序的数据访问时序。其中微信小程序的数据访问时序主要包括3个部分：建立websocket连接、接收数据和回发数据。

以所述监控终端3为pc端进行说明，如图12所示，为了测试花卉种植监控系统通信的稳定性和可靠性，gec网关每60秒向云服务器组帧发送一次数据包，每天发送1440次，共测试5天，通过查询历史数据可知每天收到数据包为1440个，丢包率为0，完全能满足系统稳定性要求。如图13所示，当所述监控终端3为手机时，可通过微信小程序实时查看实时种植数据以及历史种植数据。本发明利用wsn和nb-iot搭建花卉温室种植监控系统的数据通信架构，系统丢包率低，通信稳定可靠。把通用计算机概念引入嵌入式系统设计，将嵌入式系统的bios与用户程序分离，构建gec并用来设计网关，可简化嵌入式软件的开发，解决其可移植性弱的问题，缩短项目开发周期。zigbee软件升级或功能再配置时可无线重编程，现场烧写程序简单而且受应用环境的影响少。用户可以通过web网页或微信小程序随时查询数据，实时监控温室环境，实现花卉种植过程的无人值守。采集的花卉生长环境大数据，可以为花期调控提供理论依据。

一种基于以上花卉种植监控系统的使用方法，包括如下步骤：s10设置标准种植数据，技术人员根据每个种植室内所种植的花卉的品种通过监控终端3查看并修改所述标准种植数据，其中，所述标准种植数据存储在存储模块14。s20采集数据，通过数据采集模块12采集单个种植室的实际种植数据。s30处理数据，所述控制模块11接收所述数据采集模块12采集的实际种植数据并同所述标准种植数据比对，判断所述实际种植数据是否符合所述标准种植数据的种植需求，同时将实际种植数据输出至所述监控终端3查看。以及s40调节种植环境，当所述实际种植数据不符合所述标准种植数据的种植需求时，所述控制模块11计算调整量输出至处理模块13，所述处理模块13控制调节设备进行调节。

所述步骤s40还包括技术人员通过所述监控终端3直接输入种植数据至所述控制模块11调节种植环境。所述调节设备包括加湿器、风扇、加热管、led灯、遮阳板以及水泵。

以上所述仅为本发明的示例性实施例，并非因此限制本发明专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。