CN102715061B - 节能灌溉方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种节能灌溉方法和装置。其中，该方法包括根据收集的历史土壤环境数据对未来土壤环境数据进行预测；根据预测出的未来土壤环境数据选择需要唤醒的无线传感器和唤醒无线传感器的时间；在到达唤醒无线传感器的时间时，唤醒所选定的无线传感器以实时监测并收集土壤环境数据，在土壤环境数据收集完毕后，使无线传感器进入休眠状态；根据实时收集的土壤环境数据生成灌溉策略；利用灌溉策略控制对土壤的灌溉。本发明不仅有效地对灌溉进行了控制、避免了对水资源的浪费，而且在很大程度上减少了灌溉系统对无线传感器网络的能源消耗，提高了系统的寿命。

Description

节能灌溉方法和装置
技术领域
本发明涉及节能减排应用领域，特别地，涉及一种节能灌溉方法和装置。
背景技术
我国属于缺水国家，每年因缺水而造成的经济损失达100多亿元，因水污染而造成的经济损失更多达400多亿元。与此形成对比的是，我国每增加一万美元GDP就耗水高达5045立方米，是美国的近10倍、日本的24倍之多。可见，节约水资源成为我国长期发展必须妥善解决的问题之一。
当前基于无线传感器网络的绿地灌溉装置，仅根据无线传感器实时监测的土壤湿度等信息对灌溉进行控制。此方法对传感器网络的能源消耗较大，影响无线传感器网络的使用寿命；同时由于没有结合其它可利用的因素导致无法达到最有效地灌溉。
发明内容
本发明要解决的一个技术问题是提供一种节能灌溉方法和装置，能够在无线传感器网络能源消耗最小的情况下有效控制对绿地的灌溉。
根据本发明的一方面，提出了一种节能灌溉方法，包括根据收集的历史土壤环境数据对未来土壤环境数据进行预测；根据预测出的未来土壤环境数据选择需要唤醒的无线传感器和唤醒无线传感器的时间；在到达唤醒无线传感器的时间时，唤醒所选定的无线传感器以实时监测并收集土壤环境数据，在土壤环境数据收集完毕后，使无线传感器进入休眠状态；根据实时收集的土壤环境数据生成灌溉策略；利用灌溉策略控制对土壤的灌溉。
根据本发明的另一方面，还提出了一种节能灌溉装置，包括数据预测模块，用于根据收集的历史土壤环境数据对未来土壤环境数据进行预测；传感器状态控制模块，与数据预测模块相连，用于根据预测出的未来土壤环境数据选择需要唤醒的无线传感器和唤醒无线传感器的时间，在到达唤醒无线传感器的时间时，唤醒所选定的无线传感器以实时监测并收集土壤环境数据，在土壤环境数据收集完毕后，使无线传感器进入休眠状态；灌溉策略生成与执行模块，与传感器状态控制模块相连，用于根据实时收集的土壤环境数据生成灌溉策略，并利用灌溉策略控制对土壤的灌溉。
本发明提供的节能灌溉方法和装置，不仅有效地对灌溉进行了控制、避免了对水资源的浪费，而且在很大程度上减少了灌溉系统对无线传感器网络的能源消耗，提高了系统的寿命。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分。在附图中：
图1是本发明节能灌溉方法的一个实施例的流程示意图。
图2是本发明节能灌溉方法的另一实施例的流程示意图。
图3是本发明节能灌溉系统的示意图。
图4是本发明节能灌溉装置的一个实施例的结构示意图。
图5是本发明节能灌溉装置的另一实施例的结构示意图。
图6是本发明节能灌溉装置的又一实施例的结构示意图。
图7是本发明节能灌溉装置的再一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。本发明的示例性实施例及其说明用于解释本发明，但并不构成对本发明的不当限定。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
图1是本发明节能灌溉方法的一个实施例的流程示意图。
如图1所示，该实施例可以包括以下步骤：
S102，根据收集的历史土壤环境数据对未来土壤环境数据进行预测，具体可以采用现有的滑动平均法、指数平滑法、回归分析法等。
S104，根据预测出的未来土壤环境数据选择需要唤醒的无线传感器和唤醒无线传感器的时间，即，系统会根据历史数据预测一个预计在某区域低于灌溉阈值的时间点，在该时间点就会唤醒该区域的传感器；
举例说明，首先确定每个特定位置传感器的湿度降低系数S(即，在1小时内湿度降低多少)，S值可以根据历史数据进行更新，具体的更新方式可采用下述的滑动平均法：
可以用过去几期的平均值作为下一期的预测值，数学模型是St＝(St -1+St-2+...+St-N)/N，其中，St为t时期的预测值，St-1，...，St-N分别为t-1时期，...，t-N时期的实际值，N是求平均值时所取实际值的个数。
接下来，假设灌溉阈值是湿度为Y(即，当湿度低于Y时，开始灌溉)，上次无线传感器监测到的湿度为X，则下次唤醒无线传感器的时间为：(X-Y)/S。
S106，在到达唤醒无线传感器的时间时，唤醒所选定的无线传感器以实时监测并收集土壤环境数据，在土壤环境数据收集完毕后，使无线传感器进入休眠状态，以尽量减少无线传感器的能耗。
S108，根据实时收集的土壤环境数据生成灌溉策略，利用灌溉策略控制对土壤的灌溉，其中，灌溉策略可以包括灌溉时长和灌溉流量。
举例说明，同样采用历史数据滑动平均法测试出灌溉水量和土壤湿度增加的关系(此时需在灌溉完毕后，唤醒传感器以监测土壤湿度)，即，在特定水量下每增加一个湿度百分比，需要灌溉的时间S；假设无线传感器监测到的湿度为X(低于灌溉阈值)，灌溉完后期待的湿度为Y，则需要的灌溉时间为(Y-X)＊S(假设水量是一致的)。
其中，土壤环境数据至少包括土壤湿度，可选地，还可以包括土壤温度，在生成灌溉策略时，可以主要考虑土壤湿度信息，如果同时结合土壤温度信息将得到更准确的灌溉策略。例如，如果预测的土壤温度较高(即，预示土壤水分易挥发)，则可以再适当增加灌溉时长或灌溉流量，如果预测的土壤温度较低(即，预示土壤水分不易挥发)，则可以适当缩短灌溉时长或降低灌溉流量。
当监测土壤环境数据时，尤其是监测土壤湿度信息时，需要无线传感器发送特定的无线电波，再根据反射回波判断土壤湿度，这个过程非常耗电。而本实施例正是通过采用非实时监测土壤环境数据来实现节电功能的。
图2是本发明节能灌溉方法的另一实施例的流程示意图。
如图2所示，该实施例可以包括以下步骤：
S202，根据收集的历史土壤环境数据对未来土壤环境数据进行预测。
S204，根据预测出的未来土壤环境数据选择需要唤醒的无线传感器和唤醒无线传感器的时间，例如，根据预测的数据选择在不同时段需要唤醒的传感器，如果预测的某个传感器的数据与灌溉阈值相差较远(例如，土壤湿度相差10％以上)，则在相应时刻并不激活对应的传感器。
S206，在到达唤醒无线传感器的时间时，唤醒所选定的无线传感器以实时监测并收集土壤环境数据，在土壤环境数据收集完毕后，使无线传感器进入休眠状态。
S208，根据实时收集的土壤环境数据生成灌溉策略，并利用第三方信息修正灌溉策略，再将修正后的灌溉策略对应的控制信息下发至无线传感器、阀门等，具体地，针对阀门的控制信息可以包括开合时间、以及开合程度大小等。
举例说明，假设已经生成了灌溉策略：(Y-X)＊S，但是，天气预报未来12小时内有雨，如果是大雨，则可以将灌溉时长修订为(Y-X)＊S＊20％；如果是中雨，则可以将灌溉时长修订为(Y-X)＊S＊50％；如果是小雨，则可以将灌溉时长修订为(Y-X)＊S＊80％；或者也可以暂缓灌溉。
S210，利用修正后的灌溉策略控制对土壤的灌溉。
其中，第三方信息可以包括未来天气信息，进一步包括气温、大气湿度、风力、风向等信息。这些信息都可能影响上述灌溉策略。举例说明，如果气温较高、空气湿度较小、风力较大或西北风等都可能导致土壤水分挥发较快；如果气温较低、空气湿度较大、风力较小或东南风等都可能导致土壤水分挥发较慢。
该实施例使得修正后的灌溉策略更接近实际情况，不仅节省了水资源而且还使无线传感器的能耗最小。
图3是本发明节能灌溉系统的示意图。
如图3所示，具体流程包括：
步骤一，策略管理平台从无线传感器收集土壤环境数据，应用常用的预测方法对未来的土壤环境数据进行预测；
步骤二，假设设定的阈值为土壤湿度低于30％进行灌溉，根据预测数据，假设1天后位置A的土壤湿度预测数据为5％，位置B为50％，则根据算法，在1天后对位置A的无线传感器进行激活，对于位置B的无线传感器则不予激活；
步骤三，按上述选择在特定的时间唤醒位置A的无线传感器，对土壤环境数据进行监测，并判断是否达到灌溉阈值；
步骤四，导入未来的天气信息，分析对灌溉策略可能造成的影响，如预报近期有雨则可选择暂缓灌溉，将灌溉策略与天气信息相结合生成待执行的灌溉策略。
图4是本发明节能灌溉装置的一个实施例的结构示意图。
如图4所示，该实施例的装置10可以包括：
数据预测模块11，用于根据收集的历史土壤环境数据对未来土壤环境数据进行预测或拟合；
传感器状态控制模块12，与数据预测模块11相连，用于根据预测出的未来土壤环境数据选择需要唤醒的无线传感器和唤醒无线传感器的时间，在到达唤醒无线传感器的时间时，唤醒所选定的无线传感器以实时监测并收集土壤环境数据，在土壤环境数据收集完毕后，使无线传感器进入休眠状态；
灌溉策略生成与执行模块13，与传感器状态控制模块12相连，用于根据实时收集的土壤环境数据生成灌溉策略，并利用灌溉策略控制对土壤的灌溉。
其中，土壤环境数据至少包括土壤湿度，还可以包括土壤温度；灌溉策略可以包括灌溉时长和灌溉流量。
该实施例对无线传感器监测到的数据进行分析处理、对未来的灌溉策略进行智能预测的方式，使得无线传感器无需永久实时地对土壤情况进行监测，极大地增加了无线传感器网络的寿命。
图5是本发明节能灌溉装置的另一实施例的结构示意图。
如图5所示，与图4中的实施例相比，该实施例的装置20还可以包括：
灌溉策略修正模块21，与灌溉策略生成与执行模块13相连，用于利用第三方信息修正灌溉策略，其中，第三方信息可以包括未来天气信息。
该实施例对部分无线传感器定时唤醒以收集土壤环境数据，并结合天气等第三方信息对当前采用的灌溉策略进行修正以达到精准灌溉的目的。
图6是本发明节能灌溉装置的又一实施例的结构示意图。
如图6所示，与图4中的实施例相比，该实施例的装置30还可以包括：
控制器31，与数据预测模块11、传感器状态控制模块12和灌溉策略生成与执行模块13相连，用于传递监测到的土壤环境数据和用于执行灌溉策略的控制信息。
图7是本发明节能灌溉装置的再一实施例的结构示意图。
如图7所示，与图6中的实施例相比，该实施例的装置40还可以包括：
灌溉策略修正模块21，与灌溉策略生成与执行模块13相连，用于利用第三方信息修正灌溉策略，其中，第三方信息可以包括未来天气信息。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种节能灌溉方法，其特征在于，包括：
根据收集的历史土壤环境数据对未来土壤环境数据进行预测，其中，土壤环境数据包括土壤湿度与土壤温度；
根据预测出的未来土壤环境数据选择需要唤醒的无线传感器和唤醒无线传感器的时间；
在到达唤醒无线传感器的时间时，唤醒所选定的无线传感器以实时监测并收集土壤环境数据，在土壤环境数据收集完毕后，使无线传感器进入休眠状态；
根据实时收集的土壤环境数据生成灌溉策略，所述灌溉策略包括灌溉时长和灌溉流量；
利用所述灌溉策略控制对土壤的灌溉。
2.根据权利要求1所述的节能灌溉方法，其特征在于，所述方法还包括：
利用第三方信息修正所述灌溉策略。
3.根据权利要求2所述的节能灌溉方法，其特征在于，所述第三方信息包括未来天气信息。
4.一种节能灌溉装置，其特征在于，包括：
数据预测模块，用于根据收集的历史土壤环境数据对未来土壤环境数据进行预测，其中，土壤环境数据包括土壤湿度与土壤温度；
传感器状态控制模块，与所述数据预测模块相连，用于根据预测出的未来土壤环境数据选择需要唤醒的无线传感器和唤醒无线传感器的时间，在到达唤醒无线传感器的时间时，唤醒所选定的无线传感器以实时监测并收集土壤环境数据，在土壤环境数据收集完毕后，使无线传感器进入休眠状态；
灌溉策略生成与执行模块，与所述传感器状态控制模块相连，用于根据实时收集的土壤环境数据生成灌溉策略，并利用所述灌溉策略控制对土壤的灌溉，所述灌溉策略包括灌溉时长和灌溉流量。
5.根据权利要求4所述的节能灌溉装置，其特征在于，所述装置还包括：
灌溉策略修正模块，与所述灌溉策略生成与执行模块相连，用于利用第三方信息修正所述灌溉策略。
6.根据权利要求5所述的节能灌溉装置，其特征在于，所述第三方信息包括未来天气信息。
7.根据权利要求4所述的节能灌溉装置，其特征在于，所述装置还包括：
控制器，与所述数据预测模块、传感器状态控制模块和灌溉策略生成与执行模块相连，用于传递监测到的土壤环境数据和用于执行所述灌溉策略的控制信息。
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