CN101052147A - 大田作物病虫害智能预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大田作物病虫害智能预警系统，由数据采集模块、汇聚节点及计算机子系统组成。数据采集模块将采集到的环境温度、湿度、光强数据无线发送到汇聚节点，汇聚节点通过GSM模块将数据无线发送至计算机子系统，计算机子系统中智能预警程序对近期收到的数据进行汇总，调用相应预测模型计算出作物病虫害等级，将警告信息及防治策略通过GSM短信猫发送到用户手机。计算机接入Internet，可接收农技人员上传的作物病虫害防治知识、历史数据及大田与传感器事实数据。智能预警程序采用遗传规划/遗传算法混合算法，根据作物病虫害历史数据计算出作物病虫害预测模型。本发明解决了对无人值守的大田进行低成本病虫害自动预警的技术问题。

Description

大田作物病虫害智能预警系统

技术领域  本发明属于智能系统领域，更具体地说是一种涉及传感器网络、GSM无线通讯、智能计算、软件、数据库、Internet网络等技术的大田作物病虫害智能预警系统。

背景技术  农田病虫害监测预警过程有五个环节组成：“监测数据采集→监测数据传输→监测数据处理→灾害预警分析→测报信息发布”。

针对这五个环节，已有多个相关发明专利申请，但这些相关发明由于适用范围窄、难以扩展、产品成本高等原因，在无人值守的多作物大田进行大规模应用存在较大问题，下面分别予以介绍。

中国农业大学沈佐锐于2003年5月15日申请了名为“温室生态健康的智能监控系统”的发明专利，该专利申请于2003年12月24日公开，申请号为03131063.X。该发明公开了一个温室生态健康的智能监控系统，包括测量温室内的温度、湿度、光照各参数的传感器及监视作物病虫害图像获取处理器，温室内各参数测量依照计算机的程序，经历三个子系统处理，它们是：

1)在单片机控制下，进行各参数的实时采集、显示、保存，此为“电子眼”监测子系统；

2)将采集的数据传给由单片机组成的作物专家系统知识库，进行数据分析，与设定的所需数据进行比较、保存，以及对作物病虫害做出防治建议，此为“电子脑”智能子系统。

3)数据比较之后，根据温度、湿度、光照超出作物的适宜生长范围或达到作物常发病虫害适发条件范围、或病虫害超过防治指标，即以手机短信的方式及时通知用户，此为“电子嘴”呼叫子系统。

该温室生态健康的智能监控系统可以对节能型塑料大棚日光温室内的温、湿度，光照及作物病虫害进行自动监测，当作物的生态健康遇到危机时可及时呼叫，提醒用户采取措施。

该发明确实完成了病虫害监测预警的五个环节。但该发明是针对温室大棚设计的，无法远距离监控大田环境数据，只适于单用户、单作物、单专家系统，其中的“电子脑”子系统是通过将环境数据与专家设定的所需数据进行比较得出病虫害等级及防治结论的，即通过一系列的判断得出结论，对专家知识的依赖性强，无法处理多种作物大田的多种病虫害情况，对各地的病虫害历史数据利用率低，可扩展性不强。

深圳市宝安区农业科学技术推广中心于2004年2月24日申请了名为“远程无线作物信息反馈和可控环境农业智能化系统”的发明专利，该专利申请于2005年1月5日公开，申请号为200410004716.5。该发明公开了一种远程无线作物信息反馈和可控环境农业智能化系统，包括变频同步灌溉施肥机，特征是还包括气候与灌溉控制操作系统、生理诊断监测系统、可编程序控制器和计算机。该发明还包括作物生长情况及环境情况数据库系统、黄瓜栽培专家控制与咨询系统、内置防雷系统和故障监测与警报系统。该发明能对温室内的作物的生长环境、自身生长状况、施肥灌溉和病虫害的诊断防治均能进行监测、控制、诊断，通过网络进行远程操作。该发明具有设计先进、诊断准确、决策科学、智能化程序高、可控性好、实践性强、功能强大、稳定可靠等优点，可广泛应用于大田节水灌溉、农业设施栽培和温室无土栽培系统。

该发明的目的在于复杂的作物环境监测及对农业设施的智能控制调节农作物环境，是服务于精准农业的高成本智能化系统，无法对于大田进行规模化应用。在病虫害诊断防治方面只针对温室内的作物提供有限的诊断功能，并未建立完整的预警系统。对于大田，该发明只提供节水灌溉等功能，并未提到病虫害预警，也不具有对多种作物及病虫害的可扩展性。

中国科学院合肥智能机械研究所于2003年11月14日申请了名为一种用于农作物病虫害监测及农药处方生成装置的发明专利，该专利申请于2004年11月10日公开，申请号为200310106307.1。该发明使用摄像机和农药检测仪对农作物进行实时监测，结合计算机内的相关数据库、模式识别程序进行知识推理智能决策，生成病虫害防治处方。

该发明主要利用摄像机及农药检测仪进行实时监测，利用实时数据与数据库进行病虫害监测与诊断。该发明未用到温湿光传感器，没有远程传输环境数据及预警信息的设备，没有提供农技人员上传多种作物病虫害数据的能力，所以不适于无人值守多种作物大田的病虫害自动预警。

发明内容  本发明的目的是：大田病虫害智能预警系统，解决了对无人值守的多种作物大田进行低成本病虫害自动预警的技术问题。本发明使用低功耗的传感器网络进行大田环境数据采集与短距离传送，采用GSM模块进行远程数据传送，解决大范围内综合信息高效采集与远程无线传输的技术问题。计算机采用GP/GA(遗传规划/遗传算法)的智能预警程序，实现了对多种作物与病虫害计算病虫害预测模型的支持，从而解决了单计算机系统对多大田及作物的病虫害预警的技术问题。

本发明的技术方案是：大田作物病虫害智能预警系统，包括数据采集模块、汇聚节点和计算机子系统，计算机子系统包括GSM短信猫、短信收发平台，特别是：大田作物病虫害智能预警系统的计算机子系统还包括智能预警程序与作物病虫害预警信息数据库，系统构成与处理过程是：

1.1多个数据采集模块对应一个汇聚节点，数据采集模块由压电振动电源、传感网络天线、RF发送装置、微控制器、温湿度传感器和光强传感器组成，汇聚节点由无线接收装置、微控制器、GSM模块、基本电源组成。

1.2计算机子系统由计算机及与其电连接的无线短信设备GSM短信猫组成，计算机接入Internet网络，计算机中置有作物病虫害预警信息数据库，运行有短信收发平台及智能预警程序。

1.3在数据采集模块中，温湿度传感器及光强传感器采集大田环境数据，传感器向微控制器发出准备好信号，要求读取数据，微控制器收到准备好信号，发送串行时钟信号，开始以串行方式接收数据，数据传送完成后传感器自动进入睡眠状态，微控制器将自身编号及接收到的数据以帧形式送至RF发送装置，数据采集模块采用低功耗嵌入式软件设计技术，无线发射的短时突发方式、数据融合与压缩技术。

1.4在汇聚节点中，无线接收装置将接收到的数据有线传输至微控制器，微控制器将接收到的数据编码后经GSM模块远距离发送至计算机子系统，数据采集模块中的RF发送装置与汇聚节点中的无线接收装置采用系统级功耗优化技术，发射端和接收端同步采用历史数据回归分析对时间序列进行预测，当预测误差超过容限时发射端发送实测数据。

1.5在计算机子系统中，智能预警程序接收农技人员通过Internet上传的作物病虫害防治知识、作物病虫害历史数据、大田与传感器事实数据，将收到的数据存入作物病虫害预警信息数据库，智能预警程序采用遗传规划/遗传算法混合算法，根据作物病虫害历史数据及事实数据计算出相应的作物病虫害预测模型并存入作物病虫害预警信息数据库。

1.6在计算机子系统中，短信收发平台通过GSM短信猫实时接收大田环境数据，将其解码后存入作物病虫害预警信息数据库，智能预警程序汇总近期大田环境信息并调用病虫害预测模型计算出病虫害等级，将等级大于或等于3的病虫害警告及防治信息通过短信收发平台发送至用户手机。

数据采集模块采用压电振动电源供电，采用温湿度传感器及光强传感器采集环境数据，采用RF发送装置无线发送数据，采用微控制器控制数据收发，所述的温湿度传感器、光强传感器、RF发送装置、微控制器型号分别为SHT11、TSL2561、nRF401、Msp430F149。

汇聚节点采用无线接收装置接收无线传感器数据，采用GSM模块进行远程数据发送，采用微控制器控制无线传感器数据接收与GSM模块远程数据发送，所述的无线接收装置、GSM模块、微控制器型号分别为nRF401、西门子TC35i、Msp430F149。

计算机子系统中采用GSM短信猫进行短信收发，所述的GSM短信猫型号为wavecom WMOD2。

本发明的有益效果是：现有技术中“温室生态健康的智能监控系统”的发明专利，可以对节能型塑料大棚日光温室内的温、湿度，光照及作物病虫害进行自动监测，当作物的生态健康遇到危机时可及时呼叫，提醒用户采取措施。该发明的不足之处是：该发明无法远距离监控大田环境，只适于单用户、单作物、单专家系统，其中的“电子脑”子系统是通过将环境数据与专家设定的所需数据进行比较得出病虫害等级及防治结论的，对专家知识的依赖性强，无法处理多用户大田的多种病虫害情况，对各地多种作物的病虫害历史数据利用率低，可扩展性不强。

现有技术中“远程无线作物信息反馈和可控环境农业智能化系统”的发明专利，能对温室内的作物的生长环境、自身生长状况、施肥灌溉和病虫害的诊断防治均能进行监测、控制、诊断，通过网络进行远程操作。该发明的不足之处是：该发明只适于高成本、高科技的精准农业，无法对于大田进行规模化应用；在病虫害诊断防治方面只针对温室内的作物提供有限的诊断功能，并未建立完整的预警系统。对于大田，该发明只提供节水灌溉等功能，并未提到病虫害预警，不具有对多种作物及病虫害的可扩展性。

相对于现有技术，本发明大田作物病虫害智能预警系统，包括数据采集模块、汇聚节点和计算机子系统，多个数据采集模块对应一个汇聚节点。数据采集模块由压电振动电源、传感网络天线、RF发送装置、微控制器、温湿度传感器和光强传感器组成。汇聚节点由无线接收装置、微控制器、GSM模块、基本电源组成。计算机子系统包括GSM短信猫、短信收发平台、智能预警程序与作物病虫害预警信息数据库。在数据采集模块中，温湿度传感器及光强传感器采集大田环境数据，微控制器与传感器之间以串行方式收发数据，数据传送完成后传感器自动进入睡眠状态，数据采集模块采用低功耗嵌入式软件设计技术，无线发射的短时突发方式、数据融合与压缩技术。数据采集模块中的RF发送装置与汇聚节点中的无线接收装置采用系统级功耗优化技术，发射端和接收端同步采用历史数据回归分析对时间序列进行预测，当预测误差超过容限时发射端发送实测数据。计算机子系统中，智能预警程序接收农技人员通过Internet上传的作物病虫害防治知识、作物病虫害历史数据、大田与传感器事实数据，将收到的农业数据存入作物病虫害预警信息数据库，智能预警程序采用遗传规划/遗传算法混合算法，根据作物病虫害历史数据计算出相应的作物病虫害预测模型并存入作物病虫害预警信息数据库。智能预警程序汇总近期大田环境信息并调用病虫害预测模型计算出病虫害等级，将等级大于或等于3的病虫害警告及防治信息通过短信收发平台发送至用户手机。

由本发明的技术方案可知：

其一，数据采集模块，采用较低成本的传感器、收发装置与微控制器，降低了系统硬件设备成本。采用低功耗硬件设计，可以根据大田作物数据采集环境的特点，最大限度地延长工作时间。采用低功耗嵌入式软件设计技术，无线发射的短时突发方式、数据融合与压缩技术，可以在满足大田数据采集的要求下，最大限度地提高系统的免维护性。

其二，数据采集模块与汇聚节点，数据采集模块中的RF发送装置与汇聚节点中的无线接收装置采用系统级功耗优化技术，发射端和接收端同步采用历史数据回归分析对时间序列进行预测，仅当预测误差超过容限时发射端才发送实测数据，实现了系统总能量消耗最小化。

其三，计算机子系统中的作物病虫害预警信息数据库，存有作物病虫害防治知识、作物病虫害历史数据、大田与传感器事实数据，这三种数据由农技人员通过Internet主动上传，解决大量历史及事实数据的即时获取问题。多用户共用同一计算机子系统，对于大量用户、多作物大田预警进一步降低了系统成本。

其四，计算机子系统中的智能预警程序，采用遗传规划/遗传算法混合算法，可根据符合格式要求的任意作物病虫害历史数据计算得出适于相应作物的病虫害预测模型，使系统具有很强的可扩展性，适用于多用户、多作物的大田病虫害预警。

其五，大田作物病虫害智能预警系统，采用无线传感器网络与GSM网络相结合的方式，实现大田环境信息的实时监测与远程传输，解决了远距离实时监控大田环境的问题。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

图2是数据采集模块的结构图。

图3是系统的总数据流图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

图1是本发明的系统结构图。图中宽箭头表示传输数据信息，窄箭头表示传输控制信息。在图1中，系统包括数据采集模块、汇聚节点和计算机子系统，多个数据采集模块对应一个汇聚节点。汇聚节点包括无线接收装置nRF401、微控制器Msp430F149、GSM模块西门子TC35i、基本电源。计算机子系统中包括计算机、GSM短信猫wavecom WMOD2、短信收发平台、智能预警程序与作物病虫害预警信息数据库，其中的计算机接入Internet网络。

汇聚节点的GSM模块采用的西门子TC35i，具有GSM900MHz和GSM1800MHz两个频段，支持数据、语音、短消息和传真，采用4.8V电压基本电源，TC35i与微控制器Msp430F149之间采用RS-232总线协议实现互连。无线接收装置nRF401采用信道复用技术中的系统级功耗优化技术，nRF401不是一直处于监听状态，采用定时唤醒的方式进行监听。

计算机子系统中的作物病虫害预警信息数据库由大田环境信息表、作物病虫害知识表、作物病虫害历史数据表、大田与传感器事实表、接收短信表、待发短信表组成。

计算机子系统中的短信收发平台通过短信控件与RS-232串口控制与计算机相连的GSM短信猫，完成数据的收发与分类读写。短信收发平台将收到环境信息分类写入作物病虫害预警信息数据库的大田环境信息表。短信收发平台还负责定时扫描作物病虫害预警信息数据库的待发短信表，取出未发短信并发送到用户手机。

计算机子系统中的智能预警程序同时监控Internet与作病虫害预警信息数据库。智能预警程序接收农技人员上传的数据，根据数据类型分别存入作物病虫害知识表、作物病虫害历史数据表、大田与传感器事实表。作物病虫害知识表记录作物名、病虫害名、防治方法、病虫害预测模型及历史数据表名；作物病虫害历史数据表记录特定病虫害的往年发病信息，含温湿度、光强及其他影响病虫害等级的信息。大田与传感器事实表记录传感器编号及对应的作物名，同时记录影响作物病虫害等级的其他因素的当年事实信息。智能预警程序根据接收的作物病虫害历史数据表，采用GP/GA混合算法计算出病虫害预测模型并存入作物病虫害知识表中的相应记录。智能预警程序定时扫描大田环境信息表，取出同一大田的近期环境信息并进行汇总，再取出大田与传感器事实表中的事实信息，然后调用相应的病虫害预测模型计算机得出病虫害发病等级信息，如果等级较高，则将大田用户手机号、可能发生的病虫害等级及防治方法写入待发短信表。

图2是数据采集模块的结构图。图中宽箭头表示传输数据信息，窄箭头表示传输控制信息。数据采集模块包括压电振动电源、传感网络天线、RF发送装置nRF401、微控制器Msp430F149、温湿度传感器SHT11和光强传感器TSL2561。

传感器从外部获取环境数据，向微控制器发出准备好(ready)信号，要求读取数据，微控制器收到ready信号，发送串行时钟信号，开始以串行方式接收数据。数据在时钟下降沿有效。如果串行时钟信号(SCK)为高电平，数据信号为低电平，而当SCK再次为高电平时，数据信号由低电平转向高电平，则表示数据开始传送。数据包括两字节的测量信息和一字节的循环冗余校验(CRC)，每字节有一确认位(ACK)，其中00000101表示湿度测量，00000011表示温度测量。数据传送完成后自动进入睡眠状态。微控制器将接收到的数据以帧形式送至无线发送装置nRF401，数据帧包括帧首和数据两部分，帧首使用双字节0x55AA，数据部分为1字节，即每帧占用3B，帧首和数据部分均采用十六进制ASCII码传送，确保协议的透明性。

数据采集模块的信息处理和控制单元是超低功耗微控制器Msp430F149，内置A/D转换功能。Msp430F149接收来自传感器的数字信号并经过处理后传送给超低功耗RF发送装置nRF401。nRF401电源的接通和断开同时受到Msp430F149和压电振动电源电压的控制，当Msp430F149处理完检测装置传送过来的信息后，要将信号发送出去，此时微控制器开通nRF401的供电装置，同时压电振动电源电压要满足nRF401的供电电压，只有二者均满足接通条件时才能正常工作。在此模块中，发射所消耗的能量往往比处理要高，因此通过增大计算量来减小通信量，以实现系统总能量消耗最小。发射端和接收端同步采用历史数据回归分析对时间序列进行预测，仅当预测误差超过容限时发射端才发送实测数据，若预测误差未超过容限，接收端可以采用预测数据作为实测数据的预测值。对于那些接收者关心的只是其特征量信号，在计算、存储和通信能量之间找寻找一个平衡点，使系统总的能量最小化后再发送出去。

图3为系统的总数据流图。图中宽箭头表示传输数据信息。图中各装置及数据流宽箭头标明了数据的处理及传输流程。图中，1为数据采集模块微控制器编号及大田环境数据、2为编码后的微控制器编号及大田环境数据、3为解码后的大田环境数据、4为作物病虫害防治知识、作物病虫害历史数据、大田与传感器事实数据、5为作物病虫害历史数据、大田与传感器事实数据、大田环境数据、作物病虫害预测模型及作物病虫害防治知识、6为作物病虫害预测模型、用户手机号、病虫害警告及防治信息、7为编码后的病虫害警告及防治信息。

Claims (10)

1、大田作物病虫害智能预警系统，包括数据采集模块、汇聚节点和计算机子系统，计算机子系统包括GSM短信猫、短信收发平台，其特征在于：大田作物病虫害智能预警系统的计算机子系统还包括智能预警程序与作物病虫害预警信息数据库，系统构成与处理过程是：

1.1多个数据采集模块对应一个汇聚节点，数据采集模块由压电振动电源、传感网络天线、RF发送装置、微控制器、温湿度传感器和光强传感器组成，汇聚节点由无线接收装置、微控制器、GSM模块、基本电源组成；

1.2计算机子系统由计算机及与其电连接的无线短信设备GSM短信猫组成，计算机接入Internet网络，计算机中置有作物病虫害预警信息数据库，运行有短信收发平台及智能预警程序；

1.3在数据采集模块中，温湿度传感器及光强传感器采集大田环境数据，传感器向微控制器发出准备好信号，要求读取数据，微控制器收到准备好信号，发送串行时钟信号，开始以串行方式接收数据，数据传送完成后传感器自动进入睡眠状态，微控制器将自身编号及接收到的数据以帧形式送至RF发送装置，数据采集模块采用低功耗嵌入式软件设计技术，无线发射的短时突发方式、数据融合与压缩技术；

1.4在汇聚节点中，无线接收装置将接收到的数据有线传输至微控制器，微控制器将接收到的数据编码后经GSM模块远距离发送至计算机子系统，数据采集模块中的RF发送装置与汇聚节点中的无线接收装置采用系统级功耗优化技术，发射端和接收端同步采用历史数据回归分析对时间序列进行预测，当预测误差超过容限时发射端发送实测数据；

1.5在计算机子系统中，智能预警程序接收农技人员通过Internet上传的作物病虫害防治知识、作物病虫害历史数据、大田与传感器事实数据，将收到的数据存入作物病虫害预警信息数据库，智能预警程序采用遗传规划/遗传算法混合算法，根据作物病虫害历史数据及事实数据计算出相应的作物病虫害预测模型并存入作物病虫害预警信息数据库；

1.6在计算机子系统中，短信收发平台通过GSM短信猫实时接收大田环境数据，将其解码后存入作物病虫害预警信息数据库，智能预警程序汇总近期大田环境信息并调用病虫害预测模型计算出病虫害等级，将等级大于或等于3的病虫害警告及防治信息通过短信收发平台发送至用户手机。

2、根据权利要求1所述的大田作物病虫害智能预警系统，其特征在于：所述的数据采集模块采用压电振动电源供电，采用温湿度传感器及光强传感器采集环境数据，采用RF发送装置无线发送数据，采用微控制器控制数据收发，所述的温湿度传感器、光强传感器、RF发送装置、微控制器型号分别为SHT11、TSL2561、nRF401、Msp430F149。

3、根据权利要求1所述的大田作物病虫害智能预警系统，其特征在于：所述的汇聚节点采用无线接收装置接收无线传感器数据，采用GSM模块进行远程数据发送，采用微控制器控制无线传感器数据接收与GSM模块远程数据发送，所述的无线接收装置、GSM模块、微控制器型号分别为nRF401、西门子TC35i、Msp430F149。

4、根据权利要求1所述的大田作物病虫害智能预警系统，其特征在于：所述的计算机子系统中采用GSM短信猫进行短信收发，所述的GSM短信猫型号为wavecom WMOD2。

Images