一种应用于农业或园艺的自动灌溉控制系统
技术领域
本发明涉及农业或园艺灌溉领域,尤其是一种应用于农业或园艺的自动灌溉控制系统。
背景技术
植物的种植需要保持土壤中一定的湿度和水分,这就需要人们对其进行经常浇灌。浇灌的分量又受到时间、天气、地理位置等多种因素的影响,太多或太少均可能对植物的生长不利。特别对像我国南方,夏季有时暴雨数日不止,有时又能连续30日滴水皆无的某些地区如何科学有效的节水灌溉一直是农业科技领域关注的重点。
现有的灌溉控制系统主要为人工和自动两种:
人工控制灌溉是最古老可能也是目前最有效的方式。一个好的灌溉员,如果综合考虑了天气,时间,土壤水分含量,作物种类等因素灌溉的结果,会远好于现有的任何一种自动灌溉控制系统。但问题是不仅工作量大,而且由于不同的人的知识水平、敬业精神、考虑的因素不同,造成灌溉的差异性太大。一个差的灌溉员灌溉的结果可能还比不上最简单的自动灌溉控制系统。
自动灌溉控制系统又进一步分为定时灌溉控制系统和适时灌溉控制系统,定时灌溉控制系统是目前最为普遍的灌溉系统,该系统的缺点是,不论是干旱还是雨水充足,均会根据设定好的时间和灌溉量进行灌溉,这不仅可能影响植物的生长,还造成大量水资源的浪费。适时灌溉控制系统是为了解决前述定时灌溉控制系统的缺陷改进而来的,这种灌溉控制系统通过探测土壤水分含量来决定是否灌溉,单纯根据检测到土壤含水量来决定是否灌溉,很可能造成中午浇水的情况,如在夏季中午阳光暴晒下浇水,易引起植物的灼伤,同时蒸发、 蒸腾强烈,降低了水的利用率。目前大量的研究专利均集中在这个方面,其中包括专利号为CN200710172724.4,名称为自动灌溉系统的中国专利,提供了通过时间和土壤干度两个条件来控制灌溉的方式。但适时灌溉控制系统仍然无法做到根据时节,天气和雨水是否充足来决定灌溉量,此外所有现有自动灌溉控制系统均无法充分利用日出前一个小时的最佳灌溉时间,更重要是现有技术均无法充分利用自然降水,从而造成灌溉水的浪费,因为现有技术均无法预知灌溉完成后的天气情况,很可能刚刚完成了灌溉不久,大雨就倾盆而下,从而既浪费了宝贵的水资源又造成了过度灌溉。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的是提供一种应用于农业或园艺的自动灌溉控制系统。
本发明采用以下方案实现:一种应用于农业或园艺的自动灌溉控制系统,其特征在于:包括一数据中心和一个或多个区域中心控制子系统,并利用互联网的天气预报信息来进行灌溉决策;
所述数据中心包括数据库模块、数据库服务接口模块和数据采集模块;
所述区域中心控制子系统连接一个到多个分布式检测子系统及一个到多个分布式灌溉控制子系统,或直接控制一电磁阀控制电路;
其中,所述区域中心控制子系统通过关键词从所述数据中心获取所在地历史或将来的天气数据,并结合所述分布式检测子系统中的数据,从而控制所述分布式灌溉控制子系统,或者所述区域中心控制子系统直接接收数据中心的灌溉指令来控制分布式灌溉控制子系统或所述区域中心控制子系统的电磁阀控制电路;
所述数据采集模块用于周期性的采集互联网上的天气预报信息,并通过所述数据库服务接口模块对所述数据库中的天气预报信息进行更新;所述数据库服务接口模块负责所述数据库信息的更新和提取,该模块一方面将所述数据采集模块得到的天气预报信息和所述区域中心控制子系统得到的土壤含水量信息对所述数据库进行更新,另一方面将根据所述区域中心控制子系统提供的关键字提取所述区域中心控制子系统灌溉决策的所需信息。
在本发明一实施例中,所述关键词为区域中心控制子系统的标识代号或区域中心控制子系统所在地的邮政编码。
在本发明一实施例中,所述天气预报信息来源于已有的天气网站或独立架设的与互联网相连接的一个或多个服务器,且该类服务器是以云数据库的方式存在。
在本发明一实施例中,所述数据库模块中存储有各个区域中心控制子系统的地理位置信息、天气预报信息、土壤特性、各个区域中心控制子系统所属分布式监测子系统采集的土壤含水量信息以及各个区域中心控制子系统所属分布式灌溉控制子系统所需灌溉时长信息。
在本发明一实施例中,所述区域中心控制子系统包括一微处理器以及与所述微处理器连接的一互联网通讯模块和一本地无线网络通讯模块。
在本发明一实施例中,所述区域中心控制子系统还包括一与所述微处理器连接的电磁阀控制电路。
在本发明一实施例中,所述区域中心控制子系统中的互联网通讯模块是有线以太网络驱动模块、WIFI无线模块、超宽带模块或3G/4G数据模块。
在本发明一实施例中,所述分布式监测子系统包括一微处理器以及与所述微处理器连接的一本地无线网络通讯模块和一土壤湿度传感器。
在本发明一实施例中,所述分布式灌溉控制子系统包括一微处理器以及与所述微处理器连接的一本地无线网络通讯模块和一电磁阀控制电路。
在本发明一实施例中,所述区域中心控制子系统、分布式监测子系统和分布式灌溉控制子系统中的本地无线网络通讯模块是Zigbee模块、蓝牙模块、蓝牙低功耗模块、WIFI模块或基于ISM频段的无线收发模块。
本发明能根据时节、气候和降水情况来决定灌溉量,并可根据天气情况充分利用日出前一个小时的最佳灌溉时间,从而达到最佳的灌溉效果。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下将通过具体实施例和相关附图,对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明的总体系统结构框图。
图2为本发明的数据中心的系统结构框图。
图3为本发明的区域中心控制子系统的系统结构框图。
图4为本发明的分布式监测子系统的系统结构框。
图5为本发明的分布式灌溉控制子系统的系统结构框。
图6为本发明实施例1的系统结构框图。
具体实施方式
如图1和图2所示,本发明提供一种应用于农业或园艺的自动灌溉控制系统,包括一数据中心和一个或多个区域中心控制子系统,并利用互联网的天气预报信息来进行灌溉决策;
所述数据中心包括数据库模块、数据库服务接口模块和数据采集模块;
所述区域中心控制子系统连接一个或多个分布式检测子系统和一个或多个分布式灌溉控制子系统,或者所述区域中心控制子系统直接控制一电磁阀控制电路;
其中,所述区域中心控制子系统可通过关键词从所述数据中心获取所在地当前或将来的天气数据,并结合所述分布式检测子系统中的数据,从而控制所述分布式灌溉控制子系统;或者所述区域中心控制子系统直接接收数据中心的灌溉指令来控制分布式灌溉控制子系统或所述区域中心控制子系统的电磁阀控制电路;
所述数据采集模块用于周期性的采集互联网上的天气预报信息,并通过所述数据库服务接口模块对所述数据库中的天气预报信息进行更新;所述数据库服务接口模块负责所述数据库信息的更新和提取,该模块一方面将所述数据采集模块得到的天气预报信息和所述区域中心控制子系统得到的土壤含水量信息对所述数据库进行更新,另一方面将根据所述区域中心控制子系统提供的关键字提取所述区域中心控制子系统灌溉决策的所需信息。
优选的,所述关键词可以是区域中心控制子系统的标识代号或区域中心控制子系统所在地的邮政编码;所述天气预报信息来源于已有的天气网站或独立架设的与互联网相连接的一个或多个服务器,且该类服务器可以以云数据库的方式存在;所述数据库模块中存储有各个区域中心控制子系统的地理位置信息、天气预报信息、土壤特性、各个区域中心控制子系统所属分布式监测子系统采集的土壤含水量信息以及各个区域中心控制子系统所属分布式灌溉控制子系统所需灌溉时长信息。
如图3所示,所述区域中心控制子系统包括一微处理器以及与所述微处理器连接的一互联网通讯模块、一本地无线网络通讯模块和一电磁阀控制电路;优选的,所述区域中心控制子系统中的互联网通讯模块是有线以太网络驱动模块、WIFI无线模块、超宽带模块或3G/4G数据模块等其他可以完成互联网访问的接口模块。
如图4所示,所述分布式监测子系统包括一微处理器以及与所述微处理器连接的一本地无线网络通讯模块和一土壤湿度传感器。
如图5所示,所述分布式灌溉控制子系统包括一微处理器以及与所述微处理器连接的一本地无线网络通讯模块和一电磁阀控制电路。
优选的,所述区域中心控制子系统、分布式监测子系统和分布式灌溉控制子系统中的本地无线网络通讯模块是Zigbee模块、蓝牙模块、蓝牙低功耗模块、WIFI模块或基于ISM频段的无线收发模块。
实施例1,其系统结构框图如图6所示。本实施例中的数据中心就是互联网中的天气网站;区域中心控制子系统的微处理器由核心处理器S3C2440A,SRAM芯片K4S561232和FLASH芯片E28F128组成,互联网通讯模块采用DM9000A,本实施例不含本地无线通讯模块,电磁阀控制电路由S3C2440A的GPIO直接驱动,本实施例采用LINUX操作系统作为软件开发平台。
区域中心控制子系统安装完成后,需首先进行系统配置,这里包括互联网配置,例如是否使用DHCP、无线网络用户名称和密码等等,除此之外,还需设置如下信息,自身所在的地理位置、灌溉周期间隔、本区域中心控制子系统所直接控制的电磁阀的数量和每个电磁阀的开启时长;这些配置的完成可通过微处理器系统的输入输出接口配合相应软件完成,例如异步串行通信口配合个人计算机上的终端软件;也可通过按键、触摸屏或鼠标等等用户输入接口配合液晶显示器等用户输出接口完成;本实施例中用有线网络端口配合嵌入式的HTTP服务器(该技术被家用路由器,网络存储器、IP摄像机大量使用)完成;
区域中心控制子系统定时,例如每小时,通过http协议向权威的天气网站查询自身所在地的天气情况,并通过分析网页中的关键词,和预知的网页格式获取包括日出、日入时间,云层状况;未来24小时的降水机会大小,降水量的多少;相对湿度、温度等等与灌溉量相关的天气数据,并把这些数据保存下来。根据预设的灌溉周期,现以24小时为例,当距离上次灌溉时间间隔达到之后,微处理器将对过往24小时的天气情况和未来24小时的天气情况综合分析后,对预定的灌溉时长进行修正得出本次的灌溉量,并选择最佳的灌溉时段,例如日出前的一个小时,进行灌溉。这里仅给出一个简单的修正方式,如本次灌溉时间之前24小时的降水量超过10cm或未来24小时降水概率大于85%,则本次灌溉取消;而当本次灌溉之后24小时的平均气温大于30摄氏度,且之前24小时未曾降水,则增加灌溉时长,例如50%;当本次灌溉时间之前24小时有过降水量过程但雨量较小或未来24小时会有小雨时,则缩短本次灌溉时长,例如50%。
实施例2,利用与互联网相连接的一个或多个服务器,通过区域中心控制子系统控制区域中心控制子系统下属的分布式灌溉控制子系统。区域中心控制子系统的微处理器由单芯片STM32F407构成,互联网通讯模块由DP83848和STM32F407芯片中以太网MAC模块组成,本实施例中的本地无线通讯模块由CC2430构成,本实施例中区域中心控制子系统采用RTX操作系统作为软件开发平台,通过ZIGBEE协议和分布式灌溉控制子系统完成通信功能。
在此实施例中,区域中心控制子系统安装完成后,如用户采用无线网络连接互联网仍需进行互联网配置,例如是否使用DHCP、无线网络用户名称和密码等等,这些配置依然通过实施例1中所例举的方式完成;除此之外的其他配置信息,均可由用户登录到数据中心的服务器的相应账号进行配置,这些配置均由数据服务接口模块保存到数据库模块中。
数据中心通信的数据采集模块周期性向权威的天气网站查询各个登记的区域中心控制子系统所在地的天气情况,并通过分析网页中的关键词,和预知的网页格式获取包括日出、日入时间,云层状况;未来24小时的降水机会大小,降水量的多少;相对湿度、温度等等与灌溉量相关的天气数据,并把这些数据通过数据服务接口模块保存到数据库模块中;区域中心控制子系统定时,例如每小时,或按预先设定的条件,通过TCP/IP等网络通讯协议和数据中心通信的数据服务接口模块进行通信,数据服务接口模块以区域中心控制子系统的标志字通过对数据库模块的查询获取该区域中心控制子系统所在地的前次灌溉时间和下次灌溉时间之间的天气数据情况,及该区域中心控制子系统下属的分布式灌溉控制子系统的预定灌溉时长,依据一定的规则得出本次的灌溉量及灌溉时间后将该数据传递给区域中心控制子系统,区域中心控制子系统在服务器指定的灌溉时间到达之后,通过本地无线网络模块,通知相应的分布式灌溉控制子系统开始灌溉及其灌溉时长。
实施例3,利用与互联网相连接的一个或多个服务器,通过互联网和区域中心控制子系统相连接,区域中心控制子系统通过本地无线连接汇总其下属的布式监控子系统所采集土壤的水分含量数据,并控制其下属的分布式灌溉控制子系统灌溉,其系统结构框图如图1所示。
此实施例是将本发明和知的检测土壤水分含量的技术同时使用,以获得更好的效果。在中区域中心控制子系统安装完成后,用户除需要进行实施例2中本地和远程数据中心的配置外,还需在数据中心中增加各个分布式监控子系统的监控点属于哪个分布式灌溉控制子系统灌溉范围的信息。
数据中心通信的数据采集模块周期性向权威的天气网站查询各个登记的区域中心控制子系统所在地的天气情况,并通过分析网页中的关键词,和预知的网页格式获取包括日出、日入时间,云层状况;未来24小时的降水机会大小,降水量的多少;相对湿度、温度等等与灌溉量相关的天气数据,并把这些数据通过数据服务接口模块保存到数据库模块中;
区域中心控制子系统一方面定时,例如每小时和下属的各个分布式监控子系统通过本地无线网络通信,将下属的各个分布式监控子系统所采集的土壤水分含量数据采集进行汇总;另一方面定时或按预定的条件和数据中心的数据服务接口模块通过TCP/IP等网络通讯协议通信,每次通信将在上报下属的各个分布式监控子系统土壤水分含量数据的同时,得到下属各个分布式灌溉子系统灌溉控制指令;数据服务接口模块利用区域中心控制子系统的标志字作为关键字,首先对数据库中的相应的分布式灌溉子系统地区土壤的水分含量信息进行更新,然后通过对数据库模块的查询获取该区域中心控制子系统所在地未来的天气数据情况,最后结合各个灌溉控制子系统土壤的含水量的情况,决定各个分布式灌溉控制子系统的是否需要灌溉及其灌溉量。如需灌溉,并且是个合适的灌溉时间,则将这些灌溉控制数据传递给区域中心控制子系统,区域中心控制子系统在服务器指定的灌溉时间到达之后,通过本地无线网络模块,通知相应的分布式灌溉控制子系统开始灌溉及其灌溉时长。
上列较佳实施例,对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,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。