專利名稱：一種溫室環(huán)境信息智能數(shù)據(jù)采集分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于智能數(shù)據(jù)采集分析儀領(lǐng)域，特別涉及一種能夠同時(shí)測(cè)量多種植物 生理生態(tài)參數(shù)并給予生產(chǎn)指導(dǎo)的溫室環(huán)境信息智能數(shù)據(jù)采集分析儀。
背景技術(shù)：
溫室農(nóng)業(yè)不僅僅是對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的一項(xiàng)革命，更是對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的運(yùn)用和推動(dòng)。 縱觀國(guó)內(nèi)外溫室種植業(yè)的發(fā)展，不難發(fā)現(xiàn)要發(fā)揮溫室農(nóng)業(yè)的高效性，除了采用先進(jìn)的栽 培技術(shù)之外，現(xiàn)代化的溫室計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制與管理系統(tǒng)在節(jié)能、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高產(chǎn)品質(zhì) 量和品質(zhì)方面也發(fā)揮著舉足輕重的作用。盡管目前的溫室控制系統(tǒng)可以滿足一般的控制 要求，但溫室環(huán)境調(diào)控能力普遍不強(qiáng)，智能化水平低，植物生理生態(tài)信息獲取與傳輸手段落 后。在農(nóng)業(yè)方面，已開發(fā)的能夠用于各種植物信息獲取的無線傳感器節(jié)點(diǎn)非常少，特別是 低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)。因此，如何集成現(xiàn)有技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)展開無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研 究，開發(fā)適合于我國(guó)國(guó)情的低成本、低功耗的無線智能傳感器節(jié)點(diǎn)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的主要任務(wù) 之一。智能無線傳感器和在此基礎(chǔ)上集成的低成本、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)化植物生理生態(tài)監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)尚屬空白。植物外部生長(zhǎng)環(huán)境測(cè)試技術(shù)相對(duì)發(fā)展較快，環(huán)境溫度、濕度、光照 強(qiáng)度等測(cè)試傳感器已經(jīng)得到了推廣應(yīng)用。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化和信息化程度的不斷提 高，各種新型自動(dòng)控制系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種溫室環(huán)境信息智能數(shù)據(jù)采集分析儀，可以監(jiān)控和管 理作物的生長(zhǎng)情況。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下設(shè)計(jì)方案一種溫室環(huán)境信息智能數(shù)據(jù)采集分析儀，其包括有用于提供分析儀工作的供電模塊；負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析處理的主機(jī)控制終端；一組傳感器，該組傳感器為溫室室溫傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器、 葉片溫度傳感器、光合作用傳感器和莖稈生長(zhǎng)速率傳感器中的至少一個(gè)；至少有一個(gè)用于采集各傳感器數(shù)據(jù)的ZigBee子節(jié)點(diǎn)；用于匯集ZigBee子結(jié)點(diǎn)采集的植物生理生態(tài)參數(shù)的ZigBee主節(jié)點(diǎn)；所述ZigBee子節(jié)點(diǎn)將采集的各傳感器信號(hào)經(jīng)過處理后，利用消息發(fā)送給ZigBee 主節(jié)點(diǎn)；ZigBee主節(jié)點(diǎn)將所有采集到的ZigBee子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的傳感器信息發(fā)送到控制終端。還配設(shè)有一用于顯示分析儀的工作狀態(tài)以及采集到的數(shù)據(jù)信息的顯示模塊，與 ZigBee子節(jié)點(diǎn)和電源模塊連接。亦可同時(shí)配設(shè)有一用于語音提示指導(dǎo)生產(chǎn)的真人語音發(fā)音模塊，與所述供電模塊 和ZigBee子節(jié)點(diǎn)模塊的控制端連接本實(shí)用新型基于作物生長(zhǎng)生理生態(tài)參數(shù)的溫室環(huán)境信息智能數(shù)據(jù)采集分析儀不僅可以按照作物的生長(zhǎng)階段反應(yīng)作物的生理生態(tài)參數(shù)即生長(zhǎng)情況，而且能夠?qū)⒎植荚诓煌?溫室的環(huán)境參數(shù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)接入PC機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)控和管理并在需要時(shí)為用戶提 供便捷的語音信息提示，方便指導(dǎo)用戶及時(shí)進(jìn)行調(diào)控。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)以ZigBee無線模塊為核心的溫室環(huán)境信息智能 數(shù)據(jù)采集分析，能夠在第一時(shí)間對(duì)溫室大棚等設(shè)施內(nèi)的空氣溫度和濕度、土壤溫度、光照強(qiáng) 度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和分析，并根據(jù)所種植的作物給出語音提示的指導(dǎo)意見。分析儀操作簡(jiǎn) 單、功能豐富、便于溫室環(huán)境的方便使用，可快速高效的獲取溫室各分支點(diǎn)植物的生理生態(tài) 參數(shù)以給予及時(shí)的生產(chǎn)指導(dǎo)，成為溫室優(yōu)秀的小管家。

圖1為本實(shí)用新型溫室環(huán)境信息智能數(shù)據(jù)采集分析儀構(gòu)成原理示意圖；圖2為溫室環(huán)境信息智能數(shù)據(jù)采集分析儀一實(shí)施例構(gòu)成原理示意圖；圖3為本實(shí)用新型的供電模塊一實(shí)施例電路原理圖；圖4為本實(shí)用新型一實(shí)施例得語音發(fā)音模塊電路原理圖；圖5為本實(shí)用新型一實(shí)施例的液晶模塊電路原理圖。
以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型具體說明如下
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本實(shí)用新型溫室環(huán)境信息智能數(shù)據(jù)采集分析儀包括有負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分 析處理的主機(jī)控制終端(上位機(jī)1)、用于匯集ZigBee子結(jié)點(diǎn)采集的植物生理生態(tài)參數(shù)的 ZigBee主節(jié)點(diǎn)2、至少有一個(gè)用于采集各傳感器數(shù)據(jù)的ZigBee子節(jié)點(diǎn)3和一組傳感器(傳 感器模塊4)；帶有用于提供分析儀工作的供電模塊5。無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中ZigBee主節(jié)點(diǎn)，將所有采集到的ZigBee子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的傳感器信息發(fā)送到控制終 端；ZigBee子節(jié)點(diǎn)，將采集的各個(gè)傳感器信號(hào)經(jīng)過處理后，利用消息發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)；傳感器模塊，若干個(gè)傳感器(多采用六種)與子節(jié)點(diǎn)連接，分別負(fù)責(zé)采集溫室室 溫，土壤溫度，葉片溫度，土壤水分，溫室光合作用，莖稈生長(zhǎng)速率；—個(gè)主機(jī)控制終端，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析處理。本實(shí)用新型溫室環(huán)境信息智能數(shù)據(jù)采集分析儀可有效地調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育要求 有適宜的溫度、濕度、土壤含水量、光照度等，使其在要求的范圍內(nèi)變化。ZigBee子節(jié)點(diǎn)的數(shù)量設(shè)置可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所配傳感器具體需要的數(shù)量而配套設(shè)置； ZigBee子節(jié)點(diǎn)與傳感器設(shè)置的種類及數(shù)量可以根據(jù)需要而單獨(dú)設(shè)計(jì)，可以不相同配置。本實(shí)用新型溫室環(huán)境信息智能數(shù)據(jù)采集分析儀還配設(shè)有一用于顯示分析儀的工 作狀態(tài)以及采集到的數(shù)據(jù)信息的顯示模塊(可以是液晶顯示模塊)6，與ZigBee模塊和電源 模塊連接。還可配設(shè)有一用于語音提示指導(dǎo)生產(chǎn)的真人語音發(fā)音模塊7，與所述供電模塊和 控制模塊連接。參見圖2，為本實(shí)用新型一具體實(shí)施例架構(gòu)示意圖。本實(shí)施例中，基于ZigBee的溫室環(huán)境信息智能數(shù)據(jù)采集分析儀，將接收到的ZigBee子節(jié)點(diǎn)采集的各個(gè)傳感器信號(hào)進(jìn)行 處理，并通過液晶模塊實(shí)時(shí)顯示采集到傳感器數(shù)據(jù)。采集到的各傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過比較分析 后通過真人語音提示指導(dǎo)用戶及時(shí)進(jìn)行調(diào)控。所述的ZigBee子節(jié)點(diǎn)和ZigBee主節(jié)點(diǎn)均可分別或共同采用ZigBee模塊來實(shí)現(xiàn) 其各功能。所述ZigBee模塊采用英國(guó)Jennie公司推出的高性能、低功耗的一系列無線 Soc模塊JN5139。JN5139是一款兼容于IEEE802. 15. 4的低功耗、低成本無線微型控制器。 JN5139內(nèi)置ROM存儲(chǔ)器中集成了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信與網(wǎng)狀網(wǎng)通信的完整協(xié)議棧；而其內(nèi)置的RAM 存儲(chǔ)器，可以支持網(wǎng)絡(luò)路由和控制器功能而不需要外部擴(kuò)展任何的存儲(chǔ)空間。內(nèi)置的硬件 MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器，減小了系統(tǒng)的功耗和處理器的負(fù)載。它還支 持晶振休眠和系統(tǒng)節(jié)能功能，同時(shí)提供了 4路12位的ADC。本實(shí)施例中ZigBee子節(jié)點(diǎn)的4 路12位ADC可分別與4個(gè)傳感器連接采集4路傳感器數(shù)據(jù)并利用消息發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)。本實(shí)施例中，所述的傳感器采用了土壤溫度傳感器41、土壤水分傳感器43、葉片 溫度傳感器45、光合作用傳感器42以及莖稈生長(zhǎng)速率傳感器44等五種植物生理生態(tài)傳感 器，傳感器采集的各項(xiàng)植物生理生態(tài)信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)使分析人員、數(shù)據(jù)采 集人員能夠方便、直觀的從計(jì)算機(jī)屏幕或者液晶顯示屏上了解植物生理生態(tài)狀況。其中，土壤溫度傳感器采用PTWD-3A溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤溫度的測(cè)量，該傳 感器測(cè)量精度高、線性度好，測(cè)量范圍0-50°C，測(cè)量精度為士0. 2°C。其中，葉片溫度傳感器采用JCJ100R溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片溫度的測(cè)量，該傳 感器測(cè)量精度高、線性度好，測(cè)量范圍0-50°C，測(cè)量精度為士0. 2°C。其中，土壤水分傳感器采用壓阻式土壤水勢(shì)傳感器，該傳感器由陶土頭、塑料連接 管、壓阻傳感器、真空表頭4部分組成，其特點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn)確度高，該傳感器輸出為電壓值，且 電壓值隨土壤水份含量的增加而增大。其中，光照傳感器。選用硅太陽(yáng)能電池的感應(yīng)元件及濾光系統(tǒng)構(gòu)成光照傳感器，該 傳感器可將0-150000LX的光照信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過放電路放大為0-5V電壓 輸出。其中，莖稈生長(zhǎng)傳感器采用接觸式測(cè)量的傳感器，以高精度軟磁合金直線位移計(jì) 為敏感器件，調(diào)理電路采用進(jìn)口芯片。高精度軟磁合金直線位移計(jì)可以保證測(cè)量的分辨率 到達(dá)lum以上，線性精度0. 05% .其輸入電源要求士 12V，電壓線性輸出范圍0-5V，電流 輸出范圍4-20mA，信號(hào)不衰減電纜傳輸距離5m。適用于測(cè)量樹木莖桿生長(zhǎng)速率，測(cè)試范圍 0-300mm?？梢栽诟稍锘虺睗竦沫h(huán)境中長(zhǎng)期測(cè)量，且輸出穩(wěn)定，并能有效的避免因振動(dòng)等干 擾引起的線性漂移。本實(shí)施例中，鑒于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布特點(diǎn)，多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合供電條件受限，節(jié) 點(diǎn)模塊采用電池供電。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，紐扣電池供電能力不足。本設(shè)計(jì)采用兩節(jié)7號(hào)電池供 電，電源芯片采用SP6201，它是CM0SLD0器件，適用于要求高精度、快速操作和方便使用的 應(yīng)用。芯片輸入電壓2. 5-6V，輸出電壓3. 3V。為保證在電壓轉(zhuǎn)換時(shí)芯片工作穩(wěn)定性，從VIN 到GND需要連接一個(gè)luF或更大的小電容，使LD0放大器對(duì)高頻旁路，在V0UT和GND之間 需要連接一個(gè)輸出電容器以防止產(chǎn)生振蕩。低至0.22uF的電容可滿足大多數(shù)應(yīng)用的穩(wěn)定 性要求。luF的電容就可確保器件在整個(gè)輸入電壓、輸出電壓和溫度范圍內(nèi)從空載到滿載條 件下的穩(wěn)定工作。[0041 ] 圖3示出了供電模塊一實(shí)施例電路原理圖。本實(shí)施例采用的語音發(fā)音模塊工作原理如下PM60500智能語音芯片由專用的語 音單片機(jī)和FLASHRAM存儲(chǔ)器集合構(gòu)成，它既有125秒到4000秒的多段語音播放功能，也有 單片機(jī)可編程的智能特性，大規(guī)模復(fù)雜電路已經(jīng)縮微到只有C0B28封裝(18*36mm)的印板 上，可以方便地作為DIP28封裝的標(biāo)準(zhǔn)集成電路來使用。我們選用PM60系列芯片的并行控 制方式，在這種方式下可以分8段語音錄放，如圖所示K1 K8腳可以分別觸發(fā)與其對(duì)應(yīng)的 8段語音(低有效)，在燒錄芯片的時(shí)候，可以設(shè)置為下降沿觸發(fā)或者低電平觸發(fā)。K1 K8 端口有內(nèi)置上拉電阻和防抖動(dòng)設(shè)計(jì)，可直接外接按鍵來觸發(fā)放音。也可用單片機(jī)口線直接 對(duì)其操作。。圖4示出了語音發(fā)音模塊電路原理圖。本實(shí)施例中還包括能夠直觀、方便地顯示采集到的數(shù)據(jù)(土壤溫度、葉片溫度，光 照、莖稈生長(zhǎng)、土壤水份)顯示模塊，與ZigBee模塊和電源模塊連接。該顯示模塊包括一 128X64象素的圖形液晶顯示屏，用于顯示儀器的工作狀態(tài)以及采集到的數(shù)據(jù)信息。圖5為 該顯示模塊電路原理圖，圖中VDD可為3V或?yàn)?V，根據(jù)所使用的液晶進(jìn)行選擇，V0，VR兩端 外接一電阻，用于亮度調(diào)節(jié)，D2用于分壓，保證液晶進(jìn)行背光時(shí)工作在4. 0V 4. 4V，起到保 護(hù)液晶的作用，C0N1為液晶屏接口。在本實(shí)施例中對(duì)液晶采用的操作方式為串行方式。以下是本實(shí)用新型溫室環(huán)境信息智能數(shù)據(jù)采集分析儀具體工作的幾個(gè)環(huán)節(jié)(1)溫度調(diào)控。一般溫室在15-30°C，如系統(tǒng)檢測(cè)溫度不在正常工作范圍內(nèi)，系統(tǒng) 首先會(huì)以語音報(bào)警的方式通知用戶，之后系統(tǒng)可采用手動(dòng)或自動(dòng)方式對(duì)溫室進(jìn)行降溫或升 溫控制。降溫采用措施為開啟側(cè)窗、水簾、遮陽(yáng)簾；升溫采用措施為暖氣加熱。升、降溫系統(tǒng) 與控制系統(tǒng)連接可實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)控。(2)濕度調(diào)控。范圍一般在60% -80% RH，精度為士5%，同樣如果系統(tǒng)檢測(cè)濕度 不在正常范圍內(nèi)，系統(tǒng)首先會(huì)以語音報(bào)警的方式通知用戶，之后系統(tǒng)可采用手動(dòng)或自動(dòng)方 式對(duì)溫室濕度調(diào)控。濕度的調(diào)控影響溫度，要求按一定的程序進(jìn)行排濕換氣、加熱控制。(3)光控。光合作用傳感器檢測(cè)光照的強(qiáng)弱，適時(shí)以語音方式提醒用戶用于控制遮 陽(yáng)簾的啟閉，使作物得到合理的光照度，提高光合作用，防止超過光飽和點(diǎn)。(4) 土壤水分。控制水泵，使土壤含水量保持在85% -95%田持之間。本實(shí)用新型通過一些實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)溫室環(huán)境因子(土壤 溫度、葉片溫度，光照、莖稈生長(zhǎng)、土壤水份等)的數(shù)據(jù)采集和有效控制。液晶顯示屏和智能 語音模塊輔助完善強(qiáng)化了該系統(tǒng)的功能。上述各實(shí)施例可在不脫離本實(shí)用新型的范圍下加以若干變化，故以上的說明所包 含及附圖中所示的結(jié)構(gòu)應(yīng)視為例示性，而非用以限制本實(shí)用新型的申請(qǐng)專利范圍。
權(quán)利要求一種溫室環(huán)境信息智能數(shù)據(jù)采集分析儀，其特征在于包括有用于提供分析儀工作的供電模塊；負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析處理的主機(jī)控制終端；一組傳感器，該組傳感器為溫室室溫傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器、葉片溫度傳感器、光合作用傳感器和莖稈生長(zhǎng)速率傳感器中的至少一個(gè)；至少有一個(gè)用于采集各傳感器數(shù)據(jù)的ZigBee子節(jié)點(diǎn)；用于匯集ZigBee子結(jié)點(diǎn)采集的植物生理生態(tài)參數(shù)的ZigBee主節(jié)點(diǎn)；所述ZigBee子節(jié)點(diǎn)將采集的各傳感器信號(hào)經(jīng)過處理后，利用消息發(fā)送給ZigBee主節(jié)點(diǎn)；ZigBee主節(jié)點(diǎn)將所有采集到的ZigBee子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的傳感器信息發(fā)送到控制終端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫室環(huán)境信息智能數(shù)據(jù)采集分析儀，其特征在于還配設(shè)有 一用于顯示分析儀的工作狀態(tài)以及采集到的數(shù)據(jù)信息的顯示模塊，與ZigBee子節(jié)點(diǎn)和電 源模塊連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫室環(huán)境信息智能數(shù)據(jù)采集分析儀，其特征在于還配設(shè)有 一用于語音提示指導(dǎo)生產(chǎn)的真人語音發(fā)音模塊，與所述供電模塊和ZigBee子節(jié)點(diǎn)模塊的 控制端連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫室環(huán)境信息智能數(shù)據(jù)采集分析儀，其特征在于所述的溫 度傳感器采用PTWD-3溫度傳感器；所述的葉片溫度傳感器采用JCJ100R溫度傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫室環(huán)境信息智能數(shù)據(jù)采集分析儀，其特征在于所述的土 壤水分傳感器采用壓阻式土壤水勢(shì)傳感器。
專利摘要一種溫室環(huán)境信息智能數(shù)據(jù)采集分析儀，其包括有用于提供分析儀工作的供電模塊、負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析處理的主機(jī)控制終端、一組傳感器、至少一個(gè)用于采集各傳感器數(shù)據(jù)的ZigBee子節(jié)點(diǎn)和用于匯集ZigBee子結(jié)點(diǎn)采集的植物生理生態(tài)參數(shù)的ZigBee主節(jié)點(diǎn)；所述ZigBee子節(jié)點(diǎn)將采集的各傳感器信號(hào)經(jīng)過處理后，利用消息發(fā)送給ZigBee主節(jié)點(diǎn)；ZigBee主節(jié)點(diǎn)將所有采集到的ZigBee子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的傳感器信息發(fā)送到控制終端。其可在第一時(shí)間對(duì)溫室大棚等設(shè)施內(nèi)的空氣溫度和濕度、土壤溫度、光照強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和分析，并根據(jù)所種植的作物給出語音提示的指導(dǎo)意見。該溫室環(huán)境信息智能數(shù)據(jù)采集分析儀操作簡(jiǎn)單、功能豐富、便于溫室環(huán)境的方便使用。
文檔編號(hào)G01J1/42GK201607248SQ200920350849
公開日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者卜云龍, 吳建紅, 張曉文, 楊瑋, 王浚峰, 董明明 申請(qǐng)人:北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司