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CN107917932A - 一种用于植物工厂栽培微环境检测装置及系统 - Google Patents

一种用于植物工厂栽培微环境检测装置及系统 Download PDF

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CN107917932A
CN107917932A CN201711020681.8A CN201711020681A CN107917932A CN 107917932 A CN107917932 A CN 107917932A CN 201711020681 A CN201711020681 A CN 201711020681A CN 107917932 A CN107917932 A CN 107917932A
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CN
China
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sensor
upper cover
plant
circuit board
cultivation
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Application number
CN201711020681.8A
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鲍锋
张馨
郑文刚
张钟莉莉
姚远方
乔晓军
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Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture
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    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • GPHYSICS
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Abstract

本发明提供一种用于植物工厂栽培微环境检测装置及系统,所述装置包括:上罩、下罩、电导率传感器、pH传感器和电路板,所述上罩和所述下罩通过延长导管相连,用于感知植物工厂的气体环境和营养液环境,所述电导率传感器和所述pH传感器安装于所述延长导管中,所述电路板固定在所述上罩底部,用于为所述电导率传感器和pH传感器提供防水接口和信号调节;其中,所述上罩和所述下罩的四周包含均匀的开孔;其中,所述电路板上还安装有温湿度传感器、二氧化碳传感器和测距传感器,分别用于测量植物工厂中的温湿度、二氧化碳浓度以及植物生长高度。本发明提供的环境检测装置,空气与营养液环境参数监测,实现高集成设计。

Description

一种用于植物工厂栽培微环境检测装置及系统
技术领域
本发明涉及植物栽培领域,更具体地,涉及一种用于植物工厂栽培微环境检测装置及系统。
背景技术
植物工厂是当前设施农业发展的最高形态,专利所提植物工厂是采用人工光源、立体营养液栽培方式,环境完全受控密闭环境。为了给作物提供适宜的环境,需要准确测量植物工厂内部环境,空气温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度以及营养液参数。
在现有的植物工厂内部环境检测手段中,很多采用分立方式,单参数独立测量,在栽培现场需要布置多个传感器,导致设备集成度不够。部分集成度较高的环境监测设备,很多在温室中应用,具有较大的体积,能耗高,无法有效运用在植物工厂中,另一方面,植物工厂由于有较好的环境调控能力,很多环境测量位于立体栽培架外,只有光照传感器放置于栽培架内部。由于栽培过程中难以保证植物工厂环境均一,同时植物生长过程中会阻止环境整体均一,传统测量方式不能完全代表植物附近的环境;同时营养液监测更多在首部或者取样离线进行测量,由于营养液不是24小时一直循环,由于部分营养离子被植物吸收,导致根系附近参数发生变化,传统测量方法则在水肥系统外对电导率和pH值进行测量,不能够在线很好反映植物根系营养液情况,测量结果不能够很好反映栽培架内植物附近的环境;同时在环境测量过程中,传感器一般固定位置监测,而植物生长一直处于变化过程中,为了给植物提供更适宜的环境,环境测量需要动态找到最佳测量点,而传统固定位置、固定高度不能满足植物工厂环境精细调控要求。
发明内容
为克服现有技术中,对植物工厂栽培微环境检测中,检测装置集成度低,需要多个检测装置进行检测,同时检测装置位置固定,无法在动态环境中实时检测营养液的信息,提供一种用于植物工厂栽培微环境检测装置及系统。
根据本发明的第一方面,提供一种用于植物工厂栽培微环境检测装置,包括:上罩、下罩、电导率传感器、pH传感器和电路板,所述上罩和所述下罩通过延长导管相连,用于感知植物工厂的气体环境和营养液环境,所述电导率传感器和所述pH传感器安装于所述延长导管中,所述电路板固定在所述上罩底部,用于为所述电导率传感器和pH传感器提供防水接口和信号调节。
其中,所述上罩和所述下罩的四周包含均匀的开孔,分别用于空气流通和营养液流通。
其中,所述电路板上还安装有温湿度传感器、二氧化碳传感器和测距传感器,分别用于测量植物工厂中的温湿度、二氧化碳浓度以及植物生长高度。
优选的,所述延长导管外侧还安装有锯齿,所述锯齿与带齿轮的步进电机相连,用于控制所述栽培环境检测装置的水平位置。
其中,所述控制所述栽培环境检测装置的水平位置具体为,通过测距传感器通过红外照射附近植物,获得植物与所述装置的距离,通过所述步进电机将所述装置的最高处与植物顶部持平,使得所述电导率传感器、所述pH传感器、所述温湿度传感器和所述二氧化碳传感器和植物冠层在同一水平位置。
优选的,所述装置还包括太阳能电池板和锂电池,所述太阳能电池板安装于所述上罩顶部,用于给所述锂电池充电,所述锂电池与所述电路板相连,用于给整个装置提供能源。
其中,所述上罩,下罩和延长导管之间通过密封圈旋转加固。
其中,所述上罩,下罩和延长导管之间的连接处预留有所述pH传感器和所述电导率传感器的的通过孔,用于所述pH传感器和所述电导率传感器的电极进入所述上罩和所述下罩。
优选的,所述通过孔之间安装有橡胶圈。
其中,所述装置还包括控制接口,所述控制接口所述电路板连接,用于向所述电路板发送控制指令,控制所述装置的水平位置。
其中,所述电路板上还包括通信模块,所述通信模块包含2.4G和433M两种通信频段的物理接口。
根据本发明的第二方面,提供一种用于植物工厂栽培微环境检测系统,包括:至少一个上述第一方面提供的的用于植物工厂栽培微环境检测设备和一个服务器;
所述服务器用于接收所述用于植物工厂栽培微环境检测设备采集的环境信息,并对植物工厂栽培微环境提供数据支持。
本发明提出的一种用于植物工厂栽培微环境检测设备,支持植物工厂生产所需空气与营养液环境参数监测,实现高集成度的一体化设计,漂浮式调节结构根据植物生长情况通过营养液高度调节环境测量高度,满足营养液位可控立体栽培系统,与栽培槽无缝结合;参数测量贴近植物冠层与根系环境。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种用于植物工厂栽培微环境检测装置的结构图;
图2为本发明一实施例提供的一种用于植物工厂栽培微环境检测装置中装置距离调整示意图
图3为本发明一实施例提供的一种用于植物工厂栽培微环境检测装置中电路板整体示意图;
图4为本发明另一实施例提供的一种用于植物工厂栽培微环境检测系统的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
参考图1,图1为本发明一实施例提供的一种用于植物工厂栽培微环境检测装置的结构图,所述装置包括:上罩2、下罩1、电导率传感器4、pH传感器5和电路板6,所述上罩2和所述下罩1通过延长导管3相连,用于感知植物工厂的气体环境和营养液环境,所述电导率传感器4和所述pH传感器5安装于所述延长导管3中,所述电路板6固定在所述上罩2底部,用于为所述电导率传感器和pH传感器提供防水接口和信号调节;
其中,所述上罩2和所述下罩1的四周包含均匀的开孔,分别用于空气流通和营养液流通;
其中,所述电路板上6还安装有温湿度传感器7、二氧化碳传感器8和测距传感器9,分别用于测量植物工厂中的温湿度、二氧化碳浓度以及植物生长高度。
其中,所述延长导管3外侧还安装有锯齿12,所述锯齿与带齿轮的步进电机相连,用于控制所述栽培环境检测装置的水平位置。
其中,所述装置还包括太阳能电池板10和锂电池11,所述太阳能电池板安装于所述上罩顶部,用于给所述锂电池充电,所述锂电池与所述电路板相连,用于给整个装置提供能源。
具体的,感知设备采用外部中密度聚乙烯和内部高强度聚氨酯泡沫塑料,一共15mm,质量轻、浮力大、抗冲击、耐腐蚀。上罩为营养液传感器提供防水接头,上罩和下罩四周均匀开孔,分别方便气体和液体流通,使得内部传感器与环境充分接触。上罩顶端放置微功率非晶硅太阳能电池板给罩内锂电池充电为整个系统供能。电路板固定在上罩的低部,上表面安装空气环境传感器如空气温湿度、二氧化碳传感器,TOF侧距传感器安装在上罩的侧上部,用于测量植物生长高度。电路板为EC传感器、pH传感器提供防水接头和信号调理电路。传感器、电池、控制接口采用直接连接或线缆连接到电路板上。EC、pH电极感知部分位于下罩。延长导管侧面有锯齿,与带齿轮防水步进电机连接,电机通过控制接口与电路板连接,实现正传、反转,带动感知设备升高和降低。固定遮光盖与感知设备配合使用,放置光照射到营养液内部。
通过此装置,将多个传感器集成与一个检测装置中,支持植物工厂生产所需空气与营养液环境参数监测,实现高集成度的一体化设计,漂浮式调节结构根据植物生长情况通过营养液高度调节环境测量高度,满足营养液位可控立体栽培系统,与栽培槽无缝结合;参数测量贴近植物冠层与根系环境。
在上述实施例的基础上,所述上罩,下罩和延长导管之间通过密封圈旋转加固。
其中,所述上罩,下罩和延长导管之间的连接处预留有所述pH传感器和所述电导率传感器的的通过孔,用于所述pH传感器和所述电导率传感器的电极进入所述上罩和所述下罩。其中,所述通过孔之间安装有橡胶圈。
具体的,由上罩(气体环境区)、延长导管、下罩(营养液感知区)三个部分通过密封圈旋转加固,三个部分之间连接处只预留EC电极、pH电极通过孔,每个孔之间有橡胶圈,与电极安装有挤压过程从而减少水气进入。
通过此装置,防水设计防止了浸入营养液的下罩的液体不会对电路造成影响,提升了装置使用的稳定性。
在上述各实施例的基础上,所述装置还包括控制接口,所述控制接口所述电路板连接,用于向所述电路板发送控制指令,控制所述装置的水平位置。
其中,所述控制所述栽培环境检测装置的水平位置具体为,通过测距传感器通过红外照射附近植物,获得植物与所述装置的距离,通过所述步进电机将所述装置的最高处与植物顶部持平,使得所述电导率传感器、所述pH传感器、所述温湿度传感器和所述二氧化碳传感器和植物冠层在同一水平位置。
具体的,控制接口采用直接连接或线缆连接到电路板上。EC、pH电极感知部分位于下罩。延长导管侧面有锯齿,与带齿轮防水步进电机连接,电机通过控制接口与电路板连接,实现正传、反转,带动感知设备升高和降低,图2示出了电机控制所述环境检测装置水平位置的示意图,TOF测距传感器通过红外照射附近植物,测量植物与感知设备的距离,通过步进电机调控将感知设备最高处与植物持平,确保环境测量为植物冠层位置。如果不安装电机,由于感知设备能够浮在营养液中,在实际应用中可以通过营养液水位控制感知设备的高度。电机移动控制感知设备高度,采用移动倾角(与垂直方向)60°测量感测区域离感知设备的距离L,并更具公式H=Lcos(60°)如过H距离低于15mm则需要,降低高度动态调整H值小于15mm。如果测量H值不变,则感知设备低于植物,需要升高感知设备。
通过此装置,微电机调节结构可根据测量植物高度自动调节测量高度,确保传感器获得栽培植物冠层附近空气环境信息与光环境信息。
在上述实施例的基础上,所述电路板上还包括通信模块,所述通信模块包含2.4G和433M两种通信频段的物理接口。
具体的,图3示出了用于植物工厂栽培微环境检测设备中电路板结构图,多协议无线微处理器FEM32FG系列内嵌多种协议,提供2.4G、433M两种频段物理接口,通过板载无线天线,实现433M远距离无线通讯、2.4G平台支持的WIFI、蓝牙及Zigbee Thread通讯。空气温湿度传感器采用SHT75、二氧化碳传感器采用GSS、压力传感器采用MS5607-02BA03、TOF传感器采用VL530X,EC,pH电极通过调理电路与微处理器连接,同时输出驱动电机运行。
无线通讯方面433MHz和2.4GHz可以同时存在,可以满足多场景应用。无线433MHz可以实现远距离星型网络传输.采用2.4G蓝牙实现移动设备现场采集数据,wifi能够方便接入网络直接将数据传输到远端服务器,植物工厂的控制设备可以直接通过网络访问网络。ZigbeeThread网络方便无线自组网网络。在实际过程中2.4G可以选择其中一种传输方式,也可以两种传输方式同时存在,例如蓝牙/WiFi,WiFi/Zigbee,Zigbee/蓝牙复用,感知设备采用分时复用方式实现两种2.4G通讯方式。
通过此设备,无线通讯方面433MHz和2.4GHz可以同时存在,可以满足多场景应用。无线433MHz可以实现远距离星型网络传输.采用2.4G蓝牙实现移动设备现场采集数据,wifi能够方便接入网络直接将数据传输到远端服务器,植物工厂的控制设备可以直接通过网络访问网络。Zigbee Thread网络方便无线自组网网络。在实际过程中2.4G可以选择其中一种传输方式,也可以两种传输方式同时存在,例如蓝牙/WiFi,WiFi/Zigbee,Zigbee/蓝牙复用,感知设备采用分时复用方式实现两种2.4G通讯方式。。
参考图4,图4为本发明另一实施例提供的一种用于植物工厂栽培微环境检测系统的结构图,所述系统包括至少一个上述实施例提供的用于植物工厂栽培微环境检测设备41和一个服务器42。
所述服务器42用于接收所述用于植物工厂栽培微环境检测设备41采集的环境信息,并对植物工厂栽培微环境提供数据支持。
具体的,无线通讯方面433MHz和2.4GHz可以同时存在,可以满足多场景应用。无线433MHz可以实现远距离星型网络传输.采用2.4G蓝牙实现移动设备现场采集数据,wifi能够方便接入网络直接将数据传输到远端服务器,植物工厂的控制设备可以直接通过网络访问网络。Zigbee Thread网络方便无线自组网网络。在实际过程中2.4G可以选择其中一种传输方式,也可以两种传输方式同时存在,例如蓝牙/WiFi,WiFi/Zigbee,Zigbee/蓝牙复用,感知设备采用分时复用方式实现两种2.4G通讯方式。
最后,本申请的方法仅为较佳的实施方案,并非用于限定本发明的保护范围。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 (10)

1.一种用于植物工厂栽培微环境检测装置,其特征在于,包括:上罩、下罩、电导率传感器、pH传感器和电路板,所述上罩和所述下罩通过延长导管相连,用于感知植物工厂的气体环境和营养液环境,所述电导率传感器和所述pH传感器安装于所述延长导管中,所述电路板固定在所述上罩底部,用于为所述电导率传感器和pH传感器提供防水接口和信号调节;
其中,所述上罩和所述下罩的四周包含均匀的开孔,分别用于空气流通和营养液流通;
其中,所述电路板上还安装有温湿度传感器、二氧化碳传感器和测距传感器,分别用于测量植物工厂中的温湿度、二氧化碳浓度以及植物生长高度。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述延长导管外侧还安装有锯齿,所述锯齿与带齿轮的步进电机相连,用于控制所述栽培环境检测装置的水平位置。
3.根据权利要求2所述的装置,其特征在于,所述控制所述栽培环境检测装置的水平位置具体为,通过测距传感器通过红外照射附近植物,获得植物与所述装置的距离,通过所述步进电机将所述装置的最高处与植物顶部持平,使得所述电导率传感器、所述pH传感器、所述温湿度传感器和所述二氧化碳传感器和植物冠层在同一水平位置。
4.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述装置还包括太阳能电池板和锂电池,所述太阳能电池板安装于所述上罩顶部,用于给所述锂电池充电,所述锂电池与所述电路板相连,用于给整个装置提供能源。
5.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述上罩,下罩和延长导管之间通过密封圈旋转加固。
6.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述上罩,下罩和延长导管之间的连接处预留有所述pH传感器和所述电导率传感器的的通过孔,用于所述pH传感器和所述电导率传感器的电极进入所述上罩和所述下罩。
7.根据权利要求6所述的装置,其特征在于,所述通过孔之间安装有橡胶圈。
8.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述装置还包括控制接口,所述控制接口所述电路板连接,用于向所述电路板发送控制指令,控制所述装置的水平位置。
9.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述电路板上还包括通信模块,所述通信模块包含2.4G和433M两种通信频段的物理接口。
10.一种用于植物工厂栽培微环境检测系统,其特征在于,包括:
至少一个如权利要求1-9所述的用于植物工厂栽培微环境检测设备和一个服务器;
所述服务器用于接收所述用于植物工厂栽培微环境检测设备采集的环境信息,并对植物工厂栽培微环境提供数据支持。
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