环境传感器和感测方法与流程

1.本发明尤其涉及但不限于农业或园艺应用中的环境传感器、传感器装置(unit)、传感器系统和/或感测方法。


背景技术：

2.环境传感器用于农业或园艺背景中以监测生长条件。已知的环境传感器包括例如温度、湿度和土壤水分传感器。
3.典型系统使用专用于感测单个环境条件的单独的传感器。现有传感器在使用和/或安装中也遇到困难，其中一些传感器具有高功率要求并且需要物理连接到主电源(mains power source，市电电源)。一些传感器被布置用于感测到的数据的无线通信。然而，这些传感器可能具有有限的范围并且在大的区域中的数据的传达通常需要使用分开的通信中继器(repeater)。
4.现有的单独的传感器可以被安装在百叶窗式外壳中以试图保护传感器，同时允许准确测量外壳外部的条件。然而，准确性仍然有问题。
5.现有的传感器装置价格昂贵并且无法提供准确或可靠的数据。现有的传感器装置难以安装和/或使用并且在运行期间需要太多电力。
6.本发明的一个目的是提供环境传感器布置和/或系统和/或方法和/或相关的农业或园艺系统的改进，或至少为公众提供有用的选择。


技术实现要素：

7.一种农业或园艺环境多传感器装置可以包括多个环境传感器，该多个环境传感器包括至少：入射光传感器、温度传感器、二氧化碳传感器和相对湿度传感器。传感器装置还可以包括无线通信接口，多传感器装置被配置为经由无线通信接口传输来自环境传感器的数据。传感器装置可以包括：用于从位于多传感器装置上或位于多传感器装置中的电池接收电力的电池连接器；以及用于从外部电源接收电力的有线供电连接器。
8.环境传感器还可以包括大气压力传感器。
9.入射光传感器可以是太阳辐照度(irradiance)传感器。传感器装置还可以包括光合有效辐射(radiation)传感器。
10.替代地，入射光传感器可以是光合有效辐射传感器。
11.传感器装置可以被配置为与同类的(like，同样的)多传感器装置形成网状网络。
12.传感器装置可以被配置为仅当从外部电源接收电力时才在网状网络中充当中继器。
13.传感器装置可以被配置为广播数据，其中不需要配对。
14.传感器装置可以包括一个或多个取向传感器。
15.传感器装置可以包括百叶窗式外壳，多个环境传感器被安装在百叶窗式外壳中，其中在不使用动力风扇的情况下百叶窗式外壳允许气流通过多传感器装置。
16.传感器装置可以被布置为接收来自一个或多个外部辅助传感器的数据。一种传感器组件可以包括这样的农业或园艺环境多传感器装置和外部辅助传感器。辅助传感器可以是土壤水分传感器。
17.一种农业或园艺环境多传感器装置可以包括多个环境传感器；以及百叶窗式外壳，多个环境传感器被安装在百叶窗式外壳中。环境传感器可以包括至少：入射光传感器，该入射光传感器被定位在外壳的顶部表面附近，该顶部表面被配置为允许光进入外壳以照射在入射光传感器上；以及温度传感器，该温度传感器与入射光传感器间隔开并且被定位成使得空气可以通过百叶窗式外壳并且在温度传感器之上自由地流动。
18.温度传感器可以是组合式温度和相对湿度传感器。
19.入射光传感器可以是第一传感器组件的部分，并且温度传感器可以是第二传感器组件的部分，每个传感器组件包括一个或多个另外的环境传感器。
20.环境传感器可以包括二氧化碳传感器和相对湿度传感器。
21.环境传感器可以包括大气压力传感器。
22.传感器装置可以包括无线通信接口，多传感器装置被配置为经由无线通信接口传输来自环境传感器的数据。
23.传感器装置可以包括用于从位于多传感器装置上或位于多传感器装置中的电池接收电力的电池连接器；以及用于从外部电源接收电力的有线供电连接器。
24.入射光传感器可以是太阳辐照度传感器。传感器装置可以包括光合有效辐射传感器。
25.替代地，入射光传感器可以是光合有效辐射传感器。
26.传感器装置可以包括一个或多个取向传感器。
27.一种农业或园艺环境传感器装置可以包括：外壳；被定位在外壳内的入射光传感器；以及一个或多个光学元件，其被定位在外壳的顶部表面上并且被配置使得，在使用时，来自一系列入射角的光将照射到入射光传感器上。
28.一个或多个光学元件可以被布置为分散入射光，分散的入射光照射到入射光传感器上。
29.一个或多个光学元件可以被布置为将入射光引导到入射光传感器上。
30.一个或多个光学元件可以包括被布置为允许入射光通过外壳的一个或多个光学窗口。
31.一个或多个光学元件可以包括一个或多个透镜。
32.一种农业或园艺环境传感器系统可以包括多个多传感器装置，每个多传感器装置包括：多个环境传感器；以及百叶窗式外壳，多个环境传感器被安装在百叶窗式外壳中；无线通信接口；其中，多传感器装置被配置为经由其各自的无线通信接口互相通信，从而形成用于传感器数据在受控的农业或园艺环境内的传达的网状网络。
33.农业或园艺环境传感器系统可以被配置用于与支持互联网连接的网关的无线通信。
34.每个传感器装置可以被配置为仅当从外部电源接收电力时才在网状网络中充当中继器。
35.一种农业或园艺系统可以包括：受控的生长环境；受控的生长环境中的多个多传
感器装置，每个多传感器装置都根据上文所讨论的任一项实施方案；一个或多个环境调节设备；以及一个或多个控制器，其被布置为接收来自多传感器装置的数据并且基于接收到的数据控制一个或多个环境调节设备。
36.该系统可以被配置为基于接收到的数据和多传感器装置在受控的生长环境中的各自的位置，在受控的生长环境的不同区域中不同地控制一个或多个环境调节设备。
37.每个多传感器装置可以包括位置传感器。
38.环境调节设备可以包括以下中的一个或多个：一个或多个喷洒器、一个或多个灌溉设备、一个或多个加湿器、一个或多个浓雾或薄雾产生设备、一个或多个营养物施用设备、一个或多个加热设备、一个或多个冷却设备、一个或多个通风装置、一个或多个气流设备、一个或多个二氧化碳注入设备、一个或多个二氧化碳提取设备、一个或多个除湿器、一个或多个光源以及一个或多个遮光装置。
附图说明
39.将参考附图仅以实施例的方式描述本发明，其中：
40.图1是根据一个实施方案的传感器装置的第一透视图；
41.图2是图1的传感器装置的前视图；
42.图3是图1的传感器装置的第二透视图；
43.图4是穿过图1的传感器装置的横截面；
44.图5是来自图1的传感器装置的上部传感器组件的分解视图；
45.图5a是示出了根据一个实施方案的传感器装置的一些部件的示意图；
46.图6是例示了生长环境中的多个传感器装置以及传感器装置到外部设备的连接的示意图；
47.图6a是例示了传感器网络内的传感器数据的传达的示意图；
48.图7例示了传感器数据的显示和/或与传感器系统的用户交互；
49.图8进一步例示了传感器数据的显示和/或与传感器系统的用户交互；
50.图9例示了使用热图的传感器数据的显示；
51.图10进一步例示了传感器数据的显示和/或与传感器系统的用户交互；
52.图11是根据一个实施方案的第一传感器组件的上视图；
53.图11a是图11的第一传感器组件的仰视图；
54.图12是根据一个实施方案的第二传感器组件的俯视图；
55.图12a是图12的传感器组件的仰视图；
56.图13是根据一个实施方案的另外的组件的俯视图；以及
57.图13a是图13的组件的仰视图。
具体实施方式
58.为了本说明书的目的，术语“大约”或“约”以及其语法变体意指相对于参考数量、参考水平、参考程度、参考值、参考数目、参考频率、参考百分比、参考尺寸、参考大小、参考量、参考重量或参考长度变化多达30％、25％、20％、15％、10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％或1％的数量、水平、程度、值、数目、频率、百分比、尺寸、大小、量、重量或长度。
59.术语“大体上”或其语法变体是指至少大约50％，例如75％、85％、95％或98％。
60.术语“包括”以及其语法变体应具有包括性意义——即，该术语将被认为意指不仅包括其直接提及的所列部件，而且还包括其他未指定的部件或元件。
61.申请人的传感器装置、系统和感测方法可以特别适合于受控的农业或园艺环境中的应用。例如，这样的受控的环境可以包括温室、室内生长室、室内农场等。
62.传感器布置可以提供受控的环境中的环境条件的详细视图。
63.传感器装置可以包括所需的环境传感器的任何组合。在单个外壳中集成多个传感器提供了多个传感器数据的方便收集。
64.此外，传感器装置可以被布置为互相通信和/或与通信网关通信，以提供来自传感器的数据的稳健和方便的传达。在一些实施方案中，可以在传感器装置和网关之间实施网状网络。这可以使用任何合适的无线通信协议来实现。可以使用蓝牙，它可以提供使用蜂窝电话的容易的配置以及在大规模生长环境中操作所需的范围。蓝牙5协议允许低功率使用但仍然可以穿透生物质。然而，如果需要更大的范围，则可以使用其他无线通信技术，诸如lora。
65.可以收集数据并且将其提供给基于云的服务，该基于云的服务向用户提供丰富的可视化和洞察力(insight)。传感器装置可以被布置为当设置有外部供电连接时在网络内自动地充当中继器。
66.可以布置和/或控制传感器装置以限制或防止传感器之间的可能影响数据准确性的不期望的交互。传感器装置可以以相对低的功率要求运行，并且可以是电池供电的或者可以从外部源(例如主电源(mains power，市电))接收电力。因此，许多类型的测量由一个低功率无线设备提供。所进行的测量可以包括以下中的一个或多个：温度、相对湿度、太阳辐照度、光合有效辐射、空气压力、co2浓度和土壤水分。如果需要，可以添加其他期望的测量。
67.在传感器装置包括一个或多个入射光传感器的情况下，可以使用透镜布置以将入射光传递给光传感器，并且在一些实施方案中以减少传感器输出对光的入射的角度的依赖性。此外，可以包括一个或多个取向传感器以为传感器装置提供取向数据。取向数据可以被用于基于传感器数据随取向的已知变化来校正任何传感器数据。这在校正来自一个或多个入射光传感器的数据时可以是特别有用的。
68.传感器可以包括二氧化碳传感器。此传感器可以被布置为感测空气中的二氧化碳的浓度。红外气体传感器可能是合适的。非分散红外(ndir)co2传感器可能是合适的。例如，在一些实施方案中，来自传感器系列的传感器可能是合适的。
69.传感器可以包括一个或多个入射光传感器。可以使用任何合适的环境光传感器或其他光电探测器。光电二极管传感器可能是合适的。入射光传感器可以在所需波长范围内是敏感的。一个或多个光传感器可以包括以下中的任一或两者：太阳辐照度传感器和光合有效辐射传感器。光合有效辐射是植物在光合作用中使用的辐射(通常被认为在400nm至700nm的波长范围内)。例如，在一些实施方案中，欧司朗(osram)sfh2200和/或sfh2240传感器可能是合适的。
70.可以包括被布置为将入射光传递到一个或多个入射光传感器的光学布置。这可以被设置在传感器装置的顶部处。在一些实施方案中，光学布置可以包括被布置为收集来自
大范围的入射角的光并且将其传递给(一个或多个)传感器的透镜结构。这确保了无论入射角度(其可能例如由于太阳的移动而变化)如何，测量都是准确的。这可以通过确保传感器装置是水平的(level)来进一步改善。可以使用一个或多个集成取向传感器(例如加速度计和陀螺仪)以在安装期间提供取向信息，从而协助安装人员将传感器装置调平。取向传感器也可以被用于监测产品的角度以便可以检测调平误差(levelling error，水平误差)。
71.此外，此透镜部件还可以提供从设备内部的几个led灯到外壳的外表面的光管路径，以针对安装、配置和/或使用提供用户反馈。在一些实施方案中，led可以在安装期间提供反馈并且然后被关闭以节省电力。例如，在一个实施方案中，可以提供足够的led以允许提供以下反馈：传感器装置正在运行安装测试、测试成功了、通信故障(例如超出范围)，传感器测试失败(优选针对传感器装置内的每个传感器具有单独的指示)。可以使用led颜色、固体光(solid light)、闪光灯、led的数目等的任何组合来显示此信息。
72.传感器可以包括湿度传感器。传感器可以包括温度传感器。可以使用测量相对湿度和温度的单个传感器。例如，在一些实施方案中，sensirion(盛思锐)sht35相对湿度和温度传感器可能是合适的。
73.传感器可以包括大气压力传感器。例如，在一些实施方案中，博世(bosch)bmp280数字气压计可能是合适的。
74.传感器可以包括一个或多个位置传感器。例如，可以使用任何合适的gps传感器，诸如ubox gps-sam-m8q。可以使用其他定位传感器，例如基于本地定位系统的。此外，在一些实施方案中，用户可以输入传感器装置位置而不是依赖于位置传感器的使用。
75.传感器可以包括一个或多个取向传感器，包括例如3轴加速度计。
76.传感器可以被安装在外壳内。在一些实施方案中，可以使用百叶窗式外壳，从而提供通过外壳(并且到传感器)的气流，而不需要动力流动设备，诸如风扇。百叶窗式设计将入射到每个百叶窗上的能量与其他百叶窗去耦，从而使热能难以传输到传感器装置的内部区域。这在对温度的准确测量方面可能特别有利。此外，在一些实施方案中，可以保护温度传感器免受可以使测量向上偏离的太阳辐射的影响。这可以通过百叶窗式外壳实现，并且此外，可以在温度传感器与其他传感器中的至少一些之间提供物理分离。
77.将对太阳辐射和温度的测量组合到同一设备中提出一个挑战，因为光传感器必须被暴露于太阳，从而导致局部发热。温度传感器可以与入射光传感器分离以提供准确的测量。具体地，(一个或多个)入射光传感器可以位于传感器装置的顶部处，而温度传感器在传感器装置中位于较低处(例如在传感器装置的中部或底部附近)，从而将其与光加热传感器装置的顶部的效果隔离。百叶窗式设计将入射到每个板上的能量与其他板去耦，从而使热能难以传输到设备的内部区域。此外，此结构促进通过设备的自然对流从而允许气流同时提供对水和阳光的防护。
78.无需单独的风扇单元的情况下管理通过传感器装置的气流允许传感器装置在传感器上接收所需的空气并且减少电池消耗。在一些实施方案中，一对c单元电池(c cell battery)被预计为持续最长达12个月。
79.外部传感器或辅助传感器可以连接到传感器装置。例如，外部土壤水分传感器可以连接到传感器装置。外部传感器可以经由有线连接与传感器装置通信，例如连接到辅助传感器端口。替代地，外部传感器可以通过无线连接与传感器装置通信。外部传感器可以包
含它们自己的电池或外部供电连接，或者可以从传感器装置汲取电力。
80.高质量和数量的传感器数据可以经由网络被传达并且被上传到远程存储器。传感器装置可以由应用程序(app)或任何其他期望的界面驱动以给出对温室或其他生长环境的微气候/环境的一个或多个指示。此外，数据可以被存储以用于监测环境历史和/或以用于集成到控制系统中。可以向用户提供或显示可视化和洞察力。如果任何环境条件满足警报条件(例如超过阈值、落到允许范围以外等)，则可以经由任何合适的输出或显示设备发出用户提示或警告。提示或警告可以是经由应用程序或其他界面用户可配置的。
81.更进一步地，可以在更广泛的控制系统中使用传感器数据，在该控制系统中，根据该传感器数据控制环境条件。可以被控制的环境条件包括：温度、相对湿度、通风、太阳能、土壤水分等。通风系统、供水系统、供暖系统、冷却系统、遮光系统、照明系统等都可以基于传感器数据进行控制。环境条件的期望值或范围可以由用户设置，例如经由应用程序或其他合适的界面。
82.可以控制传感器装置内的传感器来以交错的时间收集数据，以降低传感器装置的峰值功率需求。具体地，二氧化碳传感器可以在其自身的时间间隔期间操作，因为其功耗是相对高的。
83.可以以任何合适的方式安装传感器装置，并且可以在外壳上设置合适的配件用于杆安装、悬挂等。
84.工作实施例
85.现在通过参考具体实施例描述上文所描述的装置、方法和用途。
86.实施例1
87.图1至图4示出了根据一个实施方案的传感器装置。传感器装置1包括百叶窗式外壳2，多个内部环境传感器被安装在百叶窗式外壳2中。通常，多个环境传感器可以被安装在外壳2内的一个或多个位置中。在图4中示出的实施方案中，第一传感器组件3可以被安装在外壳2的顶部附近，而第二传感器组件4可以在外壳2中被安装在较低处，例如在外壳2的中部或底部附近。因此，第二传感器组件4可以与第一传感器组件3间隔开。
88.在此实施方案中，上部的第一传感器组件3可以包括至少入射光传感器，而下部的第二传感器组件4可以包括至少温度传感器。其他传感器可以位于第一或第二传感器组件(3、4)上，或者可以被单独地安装或被安装在一个另外的传感器组件中。在示出的实施方案中，co2、入射光、gps和取向传感器被包括在第一传感器组件3中，而相对湿度/温度和大气压力传感器被包括在第二传感器组件4中。
89.图11至图13a示出了可以在传感器装置——诸如图1至图4的传感器装置——中使用的电路板组件。图11和图11a是第一传感器组件3的俯视图和仰视图。图12和图12a是第二传感器组件4的俯视图和仰视图。图13和图13a是一个另外的传感器装置组件的俯视图和仰视图。
90.在位置31处安装到第一电路板的处理器可以经由无线通信接口与网络通信，并且可以收集所有传感器数据。
91.可以经由电池端子32、33或通过位于底板上的外部供电连接器34提供电力。
92.传感器数据由众多传感器提供，该众多传感器可以包括使用连接器4连接到顶板的co2传感器、位于51处的安装到顶板的太阳辐照传感器、位于52处的安装到顶板的光合有
效辐射传感器、位于35处的安装到顶板的取向传感器、位于36处的安装到顶板的gps传感器、位于37处的安装到中间板的温度和相对湿度传感器以及位于38处的安装到中间板的大气压力传感器。连接器39可以被安装到底板，允许外部辅助传感器或外部辅助传感器端口的有线连接。
93.外壳2包括多个百叶窗6，在该多个百叶窗之间有空隙7，从而允许空气流动通过外壳2的内部并且至少在需要气流的那些传感器之上流动。在示出的实施方案中，向第一传感器组件3上的co2传感器以及向第二传感器组件4上的传感器提供气流。这为位于外壳2内的温度、相对湿度、空气压力和co2浓度传感器提供可接受的气流，而不需要动力流动设备，诸如风扇。
94.如图3和图4中示出的，可以在外壳2的顶部表面中设置光学元件8，从而允许入射光传播通过外壳2以用于由入射光传感器感测，如将要在下文中详细描述的。图3还示出了适合于从支撑结构悬挂传感器装置的构造9。
95.图5是上部传感器组件的分解视图。电路板30可以承载用于电力和通信连接的合适的电路系统。入射光传感器51、52可以被安装到电路板30的上表面。co2传感器50可以被安装到电路板30的底表面。上部部件可以包括一个或多个光学元件8(诸如被布置为允许入射光照射到入射光传感器51、52上的光学窗口、透镜、过滤器、反射镜(mirror)等。一个或多个光学元件8可以使入射光分散，使得分散的入射光照射在入射光传感器51、52上。一个或多个光学元件8可以将入射光引导到入射光传感器51、52上。在一些实施方案中，一个或多个光学元件8中的至少一个可以被成形为或被布置为减少入射光读数对入射光的入射角的依赖性。图5a是例示了传感器装置1的一些部件的示意图。处理器45经由无线通信接口46与网络通信。电池47和/或外部供电连接器48为传感器装置1的各种部件提供电力。装置1包括多个环境传感器，该多个环境传感器向处理器45提供数据，并且该多个环境传感器可以包括co2传感器50、太阳辐照传感器51、光合有效辐射传感器52、取向传感器53、温度和相对湿度传感器54、大气压力传感器55和gps传感器56。端口57可以允许外部辅助传感器的有线连接。可以包括其他传感器。
96.还可以包括重置/测试开关12(图1)以允许用户重置传感器装置1和/或运行测试程序。
97.图6是例示了传感器系统60的示意图，该传感器系统60包含分布在受控的农业或园艺环境65中的多个传感器装置61、62、63、64。通常，可以使用任何合适数目的传感器装置。当被安装并且被供电时，传感器装置61、62、63、64可以经由无线通信链路66互相自动地形成网状网络。在一些实施方案中，所有传感器装置61、62、63、64可以充当网络中的全节点(full node)/中继器。在其他实施方案中，仅连接到外部电源的传感器装置将自动地充当中继器。网状网络可以经由一个另外的无线链路67与网关设备68连接。在一些实施方案中，网关设备68也可以是网状网络的一部分和/或可以被包含到传感器装置中的一个中或通过有线连接连接到传感器装置中的一个。网关可以连接到一个或多个本地处理器70、数据库71和/或云72。用户可以通过本地处理器70与该系统交互，或者可以使用任何合适的用户设备——包括智能电话、平板电脑、计算机或其他合适的设备——连接到网关68、本地处理器70、数据库71或云72。传感器数据可以被存储在数据库71、云72或其他合适的存储器中。
98.图6a是示出了可以如何通过网络传输数据的示意图。第一传感器装置61将第一传
感器数据传输到第二传感器装置62。第二传感器数据中继(repeat，重复)第一传感器数据，并且将第二传感器数据发送到第三传感器装置64。第三传感器装置64中继第一传感器数据和第二传感器数据，并且将第三传感器数据发送到网关设备68。
99.传感器可以连续地或周期性地捕获数据。在一个实施方案中，传感器可以连续地测量，但是数据可以被周期性地——例如每3到5分钟——从传感器装置传输。
100.可以在生长空间内设置任何合适的传感器装置的阵列，并且这可以取决于通信范围、传感器数据的期望的空间密度和可以干扰通信的任何枝叶的密度。在一个实施方案中，蓝牙5远程通信可以在直接视线(direct line of sight)的情况下提供数百米的范围，但是提供通过枝叶的约40米的范围。因此，在一些实施方案中，传感器装置之间的间隔可以是40米或更小。
101.传感器装置阵列可以针对特定生长环境的大小被容易地缩放。另外的传感器装置可以使用自动连接被添加到网络而无需任何配对或手动连接过程。
102.可以向用户/客户显示或提供任何期望的可视化和洞察力。例如，可以显示生长环境中存在的环境条件的详细视图。可以显示每个环境条件的原始数据、平均值、随时间推移的趋势、热图、在一时间段内的累积值等。图7示出了用户显示，该用户显示给出每个环境条件的值并且允许用户为每个条件设置警报。图8示出了几个环境条件相对于时间的历史数据的显示。图9示出了生长环境中的温度的热图。图10示出了允许用户设置警报和添加或移除传感器装置的一个另外的界面。
103.虽然已经通过对本发明的实施方案的描述例示了本发明，并且虽然已经详细描述了实施方案，但是申请人的意图不是将随附权利要求的范围限定于这样的细节或以任何方式将其限制于这样的细节。此外，以上实施方案可以被单独实施，或者可以在兼容的情况下被组合。附加的优点和改型——包括以上实施方案的组合——对于本领域技术人员将是容易显现的。因此，本发明在其更广泛的方面不限于示出的和描述的具体细节、代表性装置和方法以及例示性实施例。因此，在不脱离申请人的总体发明构思的精神或范围以及本文的权利要求的范围的情况下，可以脱离这样的细节。