Plant Internet of Things teeltsysteem op basis van multispectrale continu instelbaar

Abstract: Met het oog op het tekort aan verse groenten in de eilandgrensgebieden en onvruchtbare gebieden langs de "One Belt and One Road", gecombineerd met landbouwplantheorie en -ervaring, met behulp van Internet of Things technologie om de omgevingsfactoren te analyseren die nodig zijn voor elke schakel in het plantengroeiproces, ontwierpen we een A-set van plant Internet of Things teeltsysteem op basis van multispectrale continu instelbaar. Gewone groenten kunnen worden geteeld en vers gehouden met minder energie. Door middel van gesloten teeltexperimenten werd geverifieerd dat dit systeem kan voldoen aan bepaalde behoeften op het gebied van groenteteelt en plantenteelt in extreme omgevingen zonder afhankelijk te zijn van land, de plantcyclus kan verkorten en de efficiëntie van de landbouw kan verbeteren.

Abstract: De plant IOT Intelligent cropping systeem is ontworpen op basis van de theorie en ervaring van de landbouw teelt, het analyseren van de omgevingsfactoren die nodig zijn in het proces van plantengroei en het gebruik van IOT-technologie． Het systeem kan cultiveren en te behouden gemeenschappelijke groenten alleen met behulp van minder energie． Het is bewezen dat het systeem kan voldoen aan de behoeften van groenten etable aanbod, korte plantperiode en verbetering van de landbouw-efficiëntie zonder land door het doen van gesloten experimenten．

Met de ontwikkeling van het internet van de dingen en intelligente sensortechnologie heeft het internet van de dingen in de landbouw zich de afgelopen jaren ook snel ontwikkeld. Intelligente landbouwproductiesystemen, vertegenwoordigd door plantenfabrieken, hebben zich het snelst ontwikkeld en veel onderzoekers in binnen- en buitenland hebben hier diepgaand onderzoek naar gedaan. Li Dongxing et al.

De aseptische circulatietechnologie voor voedingsoplossingen wordt gebruikt in plantenfabrieken; Zhu Zhou et al. bestudeerden de groei van planten met behulp van LED-lichtbronarrays. Veel landen en regio's hebben ook de technologie voor het kweken van kasplanten sterk ontwikkeld. Landen als Nederland, het Verenigd Koninkrijk en Japan zijn erin geslaagd om vakkundig computer Internet of Things technologie en sensortechnologie toe te passen om verschillende omgevingsindicatoren in de kas te monitoren, zoals temperatuur, vochtigheid, kooldioxideconcentratie, pH-waarde en voeding. Vloeistof, lucht, enz. kunnen nauwkeurig worden gecontroleerd en kunnen op afstand worden bewaakt en bestuurd. Mijn land is laat begonnen met de technologie voor het kweken van kasplanten, maar heeft zich de afgelopen jaren snel ontwikkeld. In 2010 vestigde Jingpeng Plant Factory een grootschalige plantenfabriek in Tongzhou, mijn land, en vormde een compleet kweekplan voor kassystemen. Dit artikel integreert op effectieve wijze agrarische plantervaring met computer Internet of Things technologie om een plant Internet of Things teeltsysteem te ontwerpen op basis van multispectrale continue aanpassing. Door middel van praktische beplanting is bewezen dat het systeem zeer modulair, energiebesparend en waterbesparend is, en niet afhankelijk is van land en grond. Klimaat, kan snel worden ingezet en in productie worden genomen, en kan goed worden gebruikt in gebieden die een bepaalde hoeveelheid verse groente nodig hebben.

1. Analyse van systeemfuncties

Met het oog op de problemen van arme grond, gebrek aan waterbronnen, en kleine ruimte in de werkelijke toepassingsgebieden, omvat het ontworpen IoT-teeltsysteem voor plantengroei een draadloos omgevingsdetectiesysteem, een intelligent omgevingscontrolesysteem, een intelligent beveiligingssysteem, een op zonne-energie gebaseerd energievoorzieningssysteem, en een grootschalig systeem voor plantengroei. De databank van de plantengroeifuncties wordt weergegeven in figuur 1. Elk systeem heeft een modulair ontwerp en kan worden uitgebreid of verkleind op basis van de werkelijke behoeften om later onderhoud te vergemakkelijken.

1) De groei van planten wordt beïnvloed door verschillende omgevingsfactoren, zoals lichtintensiteit, temperatuur en vochtigheid, dauwpunt, kooldioxideconcentratie, voedingsstoffengehalte, enz. en wordt ook beïnvloed door insectenplagen. Dit systeem is ontworpen om de bovenstaande omgevingsfactoren nauwkeurig te monitoren op basis van realtime gegevens die door sensoren zijn verzameld en worden geüpload naar het datacentrum in de cloud, zodat het systeem de juiste beslissingen kan nemen en feedback kan geven.

2) Om het probleem op te lossen dat de plantomgeving niet op tijd kan worden beheerd wanneer het plantgebied en het beheergebied gescheiden zijn, is een intelligent aanpassingssysteem ontworpen zodat de beheerder het PLC-touchscreen kan gebruiken om elk gebied te controleren.

Bediening van de actuators op locatie en bediening van elke actuator op afstand via de computer en mobiele APP.

3) Om de veiligheid van personeel en eigendommen tijdens het plantproces te garanderen, is er een intelligent beveiligingssysteem ontworpen en zijn er binnenshuis rooksensoren, geluids- en lichtalarmen, deursensoren en infraroodsensoren voor het menselijk lichaam geïnstalleerd.

Bij een noodgeval kan het samenwerken met het geluids- en lichtalarm om alarm te slaan.

4) Met het oog op het gebrek aan stroomvoorziening in eilandgebieden en onvruchtbare gebieden is een op zonne-energie gebaseerd energievoorzieningssysteem ontworpen, inclusief zonnepanelen en accubanken. Het ontwerp van de zonnepanelen in het systeem kan worden bepaald aan de hand van de schaal van de beplanting. Het kan worden gebruikt voor normaal gebruik van het systeem en batterijopslag onder lichte omstandigheden. De batterij kan worden gebruikt om het systeem ook 's nachts te laten werken. Bovendien is het systeem ontworpen met meerdere voedingsinterfaces en kan het worden gemengd. Energievoorziening, waardoor de energievoorziening van het systeem stabiel blijft.

5) Om managers in staat te stellen het teeltsysteem te gebruiken na een eenvoudige training, is er een database met plantengroeifuncties ontworpen. Dit is de spil van het hele uitvoeringsmechanisme en de regeling van de gewasgroei. Het bevat een groot aantal parameters van de groeiomgeving van gewassen in verschillende stadia, en alle parameters komen overeen met Intelligente aanpassing van elke actuator in het systeem bereikt de functie van koppelingscontrole. Daarnaast zijn er interfaces gereserveerd voor managers en landbouwdeskundigen om onafhankelijk agrarische plantgegevens toe te voegen om de integratie van traditionele landbouw en moderne Internet of Things technologie te bereiken.

2. Systeemkader en functioneel ontwerp

Naast de programmering van de hostcomputer is het belangrijkste onderdeel van het plantenteeltsysteem de constructie en implementatie van het besturingssysteem op een lager niveau. Zoals te zien is in Figuur 2, is het besturingssysteem van de plantenteelt voornamelijk verdeeld in twee blokken: Het eerste blok is een PLC-controller gecombineerd met programmeerbare On-site besturing van het aanraakscherm, dit deel kan direct bekijken en de on-site omgeving parameters in real-time op basis van de ontwikkelde touch screen mens-machine interface; het tweede deel is verdeeld in twee delen. Het eerste deel gebruikt het RS485 busprotocol om de PLC te programmeren en sluit de geïntegreerde RS485 protocol Wi-Fi gatewaymodule aan, waarna bidirectionele informatieoverdracht met de coördinator plaatsvindt. Dit deel omvat een multispectraal continu instelbaar systeem en een on-site omgevingscontrolesysteem, dat omgevingsfactoren zoals lichtchromatografische intensiteit, temperatuur en vochtigheid en CO2-concentratie kan controleren en aanpassen. ;Het tweede deel bespreekt de ZigBee module

Het circuitontwerp is gebaseerd op het blok om een draadloos bewakingsknooppunt met unieke functies te vormen. De knooppuntmodule kan worden aangesloten op de fotogevoelige module, rooksensor, deursensor, relais, temperatuur- en vochtigheidsmodule, bodemtemperatuur- en vochtigheidsmodule, enz. en vormt tweewegcommunicatie met de coördinator via ZigBee. Dit deel Het omvat een controlesysteem voor milieuparameters op afstand, beveiligingsalarmsysteem, enz. Tot slot wordt door de verbinding tussen het coördinatornetwerk en de cloud-database een complete set van het controlesysteem voor plantenteelt gevormd.

Figuur 2 Stroomdiagram functioneel ontwerp

Vervolgens ontwerpen en analyseren we het op PLC gebaseerde multispectrale continu instelbare systeem, het controlesysteem voor de IoT-plantgroeifunctiebibliotheekparameter en het ontwerp van de softwarearchitectuur. 2.1 Multispectraal continu instelbaar systeem op basis van PLC. Traditionele kunstmatige lichtbronnen gebruiken voornamelijk hogedruknatriumlampen of fluorescentielampen. De spectrale energie is enkelvoudig en vast en de lichtintensiteit en verlichtingstijd kunnen alleen worden geregeld. Het spectrum en de lichtintensiteit die nodig zijn voor elke groeifase van een plant verschillen echter. Traditionele lichtbronnen hebben problemen zoals een lage effectieve stralingsratio, een lage lichtefficiëntie en een hoog energieverbruik [7] tijdens het toepassingsproces. Daarom is het gebruik van een lichtbron met instelbare lichtintensiteit en spectrum een goede oplossing. Dit systeem maakt gebruik van een besturingsmodus die LED-lichtpanelen, lichtbrondrivers en PLC combineert, waardoor het spectrum en de lichtintensiteit nauwkeurig en continu kunnen worden geregeld.

Het is een lamppaneel dat gebruik maakt van drie primaire kleuren LED-lampkralen van R, G en B. De lampkraal concentreert de lichtbronnen van de drie primaire kleuren rood, groen en blauw in een kleine lampkraal, zoals getoond in afbeelding 3. Elke lampkraal heeft drie sets pinnen, die de positieve en negatieve polen zijn van de drie primaire kleuren lampen. Elke lampkraal heeft 3 sets pinnen, die de positieve en negatieve polen zijn van de drie primaire kleurenlampen. Door elke set pinnen van stroom te voorzien, kan de corresponderende kleur respectievelijk branden. Door de stroomgrootte van elke set pinnen te veranderen, kan de helderheid dienovereenkomstig worden aangepast en kunnen verschillende kleuren worden aangepast door de helderheid van de drie primaire kleuren in verschillende verhoudingen te mengen. Zoals getoond in afbeelding 4, is een LED-lichtpaneel gemaakt van drie LED-lampjes met primaire kleuren. Het lichtpaneel bestaat in totaal uit 6 RGB-lichtstroken en 3 UV-lichtstroken.

Afbeelding 3 RGB drie primaire kleurenlamp beads werkelijke beeld

Elke RGB-lichtstrip bestaat uit 8 RGB-lampkralen. Het vermogen van elke lampkraal is 3W. Het licht dat nodig is voor de plantengroei wordt volledig geleverd door de RGB-lampkralen. De UV-ultraviolette lamp speelt een rol in extra sterilisatie en aanvullend licht.

Afbeelding 4 Werkelijk beeld van LED-lichtpaneel

De maximale lichtstroom die de RGB-lampkralen in het volledige lamppaneel kunnen leveren, kan worden uitgedrukt als: =Ki×P×CU×Mf

In formule (1) is Ki de optische efficiëntie, P het totale vermogen van de lampkraal, CU de lichtbenuttingscoëfficiënt en Mf de onderhoudscoëfficiënt (de onderhoudscoëfficiënt wordt getest aan de hand van de experimentele omstandigheden. Als het lamppaneel omgeven is door spiegelmaterialen, is de gebruikscoëfficiënt hoger; als daarentegen het open type wordt gebruikt, is de gebruikscoëfficiënt lager), waarbij Ki=351m/W, CU=0,8, Mf=0,4, dan is de overeenkomstige lichtstroom:

=35×3×8×6×0.8×0.4＝1612.81m

Het vermogen van elke RGB-lichtstrook is 24 W en het vermogen van elke UV-lichtstrook is 5 W. Het totale vermogen van het lichtpaneel is:

P＝24×6＋5×3＝169W

Onder normale omstandigheden is de helderheid van een LED-lichtbron lineair evenredig met de stroom die er doorheen vloeit. Om de instellingen van de verlichtingsparameters in de groentefabriek nauwkeurig en betrouwbaar te maken, moet de LED-voeding een constante stroom leveren. Daarom wordt een instelbare constante stroombron gebruikt als de LED. De aandrijfvoeding voor de lamp is de beste keuze. Volgens de berekening van het vermogen en de stroom van elk rood, groen, blauw en ultraviolet licht van elke lichtkaart, wordt de drijvende voeding geselecteerd zoals weergegeven in tabel 1:

1 Voedingsselectie voor LED-verlichting

Voor dit type driver kan de PLC de D/A-uitgangsfunctie gebruiken om 0~100% van de analoge hoeveelheid uit te voeren die overeenkomt met 0~10V voor elke kleur, nauwkeurig de intensiteit van elke lichtkleur respectievelijk uitvoeren en verschillende chromatogrammen en intensiteit vormen door licht en kleurfusie. De verlichting voldoet volledig aan de lichtomstandigheden die planten in alle groeistadia nodig hebben.

2.2 Gebaseerd op het Internet of Things besturingssysteem voor de plantengroeifunctie bibliotheekparameters, worden alle gegevens van het gehele teeltsysteem opgeslagen in het datacentrum in de cloud, en de server wordt gebruikt voor interactie met elke terminal om het doel van intelligente besturing op afstand te bereiken, en het totale systeem kan normaal werken en effectief verschillende omgevingsparameters aanpassen zodat planten normaal en efficiënt kunnen groeien.

Dit vereist een redelijk ontwerp van databaseparameters, coördinatie en samenwerking van verschillende knooppunten en nauwkeurige terugkoppeling van informatie.

Door een universeel aanpasbare plantengroei-specifieke functiebibliotheek te bouwen om te interfacen met het onderliggende hardware-uitvoeringsmechanisme en bestaande Internet of Things technologie te integreren, kan de snelle productie en aanplant van verschillende planten in verschillende gebieden worden gerealiseerd. Deze methode kan de traditionele plantervaring in een specifiek gebied omzetten in verschillende planten. Het plantplan met milieuparameters kan ook rechtstreeks de bestaande plantengroeifunctiebibliotheek oproepen om de empirische landbouw te integreren met de moderne landbouw, zoals getoond in figuur 5, het aanpassingsproces van de plantengroeifunctie database.

Figuur 5 Aanpassingsproces plantaardige groeifunctie database

De onderste laag van de plantfunctiedatabase lost het probleem op van hoe uitvoeringsparameters worden omgezet in hardware uitvoeringscontrole, terwijl de uitgebreide controle van meerdere omgevingsparameters een complexer probleem is. De bovenste laag van de plantfunctie database moet verschillende problemen oplossen onder meerdere omgevingsparameters. De functionele relatie tussen omgevingsvariabelen en hoe uitvoeringsparameters te genereren. Als we de regeling van twee omgevingsvariabelen, temperatuur en vochtigheid, als voorbeeld nemen, hebben temperatuur en vochtigheid tijdens het omgevingsbesturingsproces een bepaalde koppelingsrelatie en zijn ze afhankelijk van elkaar, wat de nauwkeurigheid van de regeling beïnvloedt. Daarom moet er rekening worden gehouden met de functionele relatie tussen de twee variabelen temperatuur en vochtigheid en moet er een ontkoppelingsmethode worden toegepast.

Zoals getoond in Figuur 6 worden twee ontkoppelingscomponenten R1 en R2 geïntroduceerd.

Links, de temperatuur- en vochtigheidsregeling worden gevormd in:

Temperatuuruitgang: T＝（1-R1）×Mt＋R1×Mh (3)

Vochtigheidsuitgang: H＝(1-R2)×Mb+R2×Mt (4)

In formules (3) en (4) zijn R1 en R2 de verhoudingen van invloed van temperatuur en vochtigheid op hun respectievelijke aanpassingsprocessen (bepaald door de werkelijke omgeving), R1 + R2 = 1; Mt is de ingestelde temperatuurparameter, Mh is de ingestelde vochtigheidsparameter; T is de uiteindelijke uitvoeringsparameter van het systeem, en H is de uiteindelijke uitvoeringsparameter van het systeem.In het werkelijke plantenteeltproces zijn er een groot aantal koppelingsverschijnselen van aanpassing van omgevingsparameters. De parameters die zijn ingesteld in verschillende plantgebieden zullen ook verschillend zijn, zoals lichtintensiteit en kooldioxide.

De regulerende relatie tussen de concentratie en de omgevingsparameters die planten in verschillende plantstadia nodig hebben, zal ook verschillend zijn.

De database met groeifuncties voor planten bevat soortgelijke functies en stelt dergelijke algoritmen in de hostcomputer in. Tijdens het besturingsproces wordt het algoritme uitgebreid verwerkt aan de hand van de parameters die het plantpersoneel invoert om de uiteindelijke uitvoeringsparameters te verkrijgen en naar elk uitvoeringsknooppunt te sturen om de corresponderende De regeling van de omgevingsparameters moet zoveel mogelijk voldoen aan de eisen van de omgevingsparameters onder de werkelijke plantomstandigheden.

2.3 Ontwerp van de architectuur van systeemsoftware

Zoals getoond in Figuur 7 is de coördinator het belangrijkste onderdeel van het hele systeem. Het softwareontwerp van de coördinator is eenvoudig en efficiënt, waardoor de stabiliteit en transmissie-efficiëntie van de coördinator kunnen worden gemaximaliseerd. Tijdens het ontwerpproces van de coördinatorsoftware worden meerdere mechanismen voor foutpreventie met zelfdetectie gebruikt om de coördinator te detecteren en terug te koppelen tijdens de inschakelinitialisatie, netwerkinitialisatie en gegevensontvangst. Als er een fout optreedt, wordt dit gemeld.

3. Systeemconstructie en testanalyse

Er werd een klein plantsysteem gebouwd volgens het ontwerpkader voor plantsysteemapparatuur om de haalbaarheid van het systeem te verifiëren. Zoals getoond in Figuur 8 werd een driedimensionaal architectuurontwerp aangenomen. De LED-lichtpanelen werden in twee lagen geplaatst. De LED-drivers werden allemaal op de bovenste laag van het frame geplaatst voor eenvoudig onderhoud. 35 cm eronder Plaats de voedingsbodembak, waar de lichtefficiëntie het hoogst is getest. Apparatuur voor druppelirrigatie met watercirculatie wordt in de bak geïnstalleerd. Het kweekwater wordt opgeslagen in de onderste watertank. Verschillende soorten sensoren worden tussen de frames geplaatst. De PLC-controller en coördinator worden voor het gemak van de managers op een geschikte hoogte geïnstalleerd. Tijdens het gebruik worden verschillende dataleidingen aangesloten op de PLC en coördinator via de draadgoot van het frame, en uiteindelijk wordt de apparatuur gedebugged om een stabiele werking te garanderen.

8 Fysiek beeld van beplantingssysteem

In dit experiment werd gekozen voor het kweken van sla. Eerst werden de slazaadjes ontkiemd en gekweekt zoals getoond in Figuur 9. Vervolgens werden de zaailingen in de beugels geplaatst en parameters zoals lichtintensiteit, temperatuur en vochtigheid, tijdsinterval voor waterapplicatie, lichtinterval en tijd voor insecticide met paars licht ingesteld. Zet het apparaat aan voor de kweek.

9 Werkelijke foto van kiemende kweek van sla

Na 38 dagen groeide de sla zoals te zien is op de tweede plank in Figuur 8. Er werd geverifieerd dat de apparatuur een omgeving kan vormen voor de normale groei van groenten door de parameters aan te passen en de groei-efficiëntie van groenten te verbeteren.

4. Conclusie

Het IoT-plantengroei en -teeltsysteem in dit artikel heeft nog enkele tekortkomingen op het gebied van bodemelementdetectie, bodemelementen en microbiële toevoeging. De volgende onderzoeksstap zal zich richten op hoe bodemelementen intelligent kunnen worden gedetecteerd en hoe het voedingsstoffengehalte van de bodem nauwkeurig kan worden aangepast, waardoor het intelligentieniveau en de efficiëntie van het planten van gewassen van het IoT-plantgroei- en teeltsysteem verder worden verbeterd.