CN103760872A - 精细化农业农作物生长告警与干预装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精细化农业农作物生长告警与干预装置，包括电源模块、显示模块、卫星信息接收模块、存储模块、传感监测模块、GPRS通信模块、ZigBee模块和嵌入式子系统；所述的传感监测模块外接土壤监测传感器和植被监测传感器；其中，所述的存储模块中装载有预先构建好的干旱告警模型、虫害告警模型和长势告警模型；所述的嵌入式子系统设有光谱分析单元和干预方案生成单元。该装置结构简单、使用方便、安全可靠、使用成本低，提供了农作物生长告警与干预机制，最大程度地优化农作物生长环境，提高农作物的品质与产量；且干预方案由系统自动生成，能够根据需要搭配水、养分、肥料和农药的比例，更有效解决问题，减少人工成本。

Description

精细化农业农作物生长告警与干预装置

技术领域

本发明涉及应用高光谱遥感技术、传感器技术、ZigBee无线组网技术的精细化农业管理设备，具体涉及了一种精细化农业农作物生长告警与干预装置。

背景技术

高光谱遥感是在电磁波谱的可见光、近红外、中红外和热红外波段范围内，获取许多非常窄的光谱连续的影像数据的技术，可以收集到上百个非常窄的光谱波段信息。高光谱遥感是当前遥感技术的前沿领域，它利用很多很窄的电磁波波段从感兴趣的物体获得有关数据，包含了丰富的空间、辐射和光谱三重信息。该技术被广泛应用于地质调查、植被研究、灾害监测等领域。

精细农业是一种现代化农业理念，是指基于变异的一种田间管理手段。农田里田间土壤、作物的特性都是不一样的，是随着时间、空间变化的。精细农业能够根据田间变异来确定最合适的管理决策，目标是在降低消耗、保护环境的前提下，获得最佳的收成。精细农业需要三方面的工作：首先，获得田间数据；其次，根据收集的数据作出作业决策；第三，需要机器来完成。这三个方面的工作需要现代技术来支撑，即3S技术——RS（遥感，用于收集数据）、GIS（地理信息系统，用于处理数据）、GPS（定位系统），并且最终需要利用机器人等先进机械来完成决策。全国目前推行的测土配方施肥工程就是精细农业的一例。测土配方施肥技术是指通过土壤测试，及时掌握土壤肥力状况，按不同作物的需肥特征和农业生产要求，实行肥料的适量配比，提高肥料养分利用率。

目前遥感技术在精细农业上的应用主要有对农作物养分的监测与诊断、农作物播种面积估算、农作物长势与产量估算、农作物生态环境监测和灾害评估等，但大多停留在研究阶段。对监测和研究出来的结论没有进一步的应对措施。且农作物的生长环境与气候变化有较大关系，遥感监测到的农作物生长状况很大程度上是由气候因素造成的。因此，结合海量气候数据和遥感技术来监测农作物的生长，并根据监测结果提出告警，及时采取干预措施改善生长环境，对于提高农作物的品质和产量有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种结构简单、使用方便、安全可靠、使用成本低的，并基于高光谱遥感技术和传感技术而设计的精细化农业农作物生长告警与干预装置。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种精细化农业农作物生长告警与干预装置，包括电源模块、显示模块、卫星信息接收模块、存储模块、传感监测模块、GPRS通信模块和嵌入式子系统；所述的卫星信息接收模块与存储模块相连接；所述的存储模块与GPRS通信模块相连接；所述的传感监测模块与存储模块相连接；所述的嵌入式子系统与显示模块、传感监测模块相连接；所述的存储模块、GPRS通信模块分别与嵌入式子系统互相连接；所述的传感监测模块外接土壤监测传感器和植被监测传感器；其中，所述的存储模块中装载有预先构建好的干旱告警模型、虫害告警模型和长势告警模型；所述的嵌入式子系统设有光谱分析单元和干预方案生成单元；在该装置工作时，卫星信息接收模块通过无线网络获取基础数据，并经由存储模块输送到嵌入式子系统中，嵌入式子系统对基础数据进行分析处理后，读取存储模块中的三个告警模型，同时将相应的信息分别代入到干旱告警模型、虫害告警模型和长势告警模型中，经过三个模型的分析处理，获取不同地块的农作物生长状况、干旱程度、虫害程度的评估指数，根据结论对异常状况进行告警并且生成干预方案，然后通过GPRS通信模块发送给农作物生长期干预系统实施干预方案。

进一步说明，所述的基础数据包括从遥感卫星地面接收站中获取的遥感信息和从气象站获取的气候信息；所述的光谱分析单元对遥感信息进行分析处理，提取出光谱信息和植被指数。

进一步说明，在干预方案实施完毕后，嵌入式子系统向传感监测模块发出指令，通过传感监测模块外接的土壤监测传感器和植被监测传感器采集土壤信息和农作物植被信息，并传输嵌入式子系统进行干预效果分析，作为进一步改进干预方案的依据。

进一步说明，所述的土壤监测传感器包括土壤PH值传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤农药残留传感器和土壤养分留存传感器；所述的植被监测传感器包括温度传感器、湿度传感器、虫害监测传感器和光照度传感器。

进一步说明，所述的存储模块包括用于运行嵌入式子系统并存放少量的实时监测到的数据的内置内存卡和用于长期存放大量数据的外置内存卡；所述的GPRS通信模块采用移动数据无线通信的SIM卡；所述的嵌入式子系统采用兼容手机操作系统的微处理器；所述的显示模块采用触摸屏；所述的电源模块采用事件触发启动模式的智能电源模块。存储模块的外置内存卡主要用于存放五部分数据：一是高光谱遥感信息，二是气候信息，三是告警模型，四是干预方案，五是传感器信息，上述数据均包括实时数据与历史数据。显示模块用于显示嵌入式系统的操作界面，可以通过触摸屏人工操作本装置，如对数据采集、分析时间的设定，查询装置上的历史信息等。

作为本发明的进一步改进，该装置还包括ZigBee模块，所述的ZigBee模块分别与GPRS通信模块、嵌入式子系统互相连接。

所述的ZigBee模块采用能够自动进行无线组网的远距离ZigBee模块。在干预方案生成时，ZigBee模块将一定范围内地块上的精细化农业农作物生长告警与干预装置进行快速无线组网，实现干预方案的共享。

本发明中的卫星信息接收模块主要由卫星接收天线、无线网卡、滤波器、解调电路和数字信号处理电路组成。该卫星信息接收模块可在市场上购买得到。

该装置的嵌入式子系统的光谱分析单元采用光谱空间分析法、特征空间分析法、混合像元分解法、分层分区图像分类法、多时相分析方法和多源数据结合法等将遥感信息中的特征数据提取出来。对特征数据进行分析可以识别出农作物的类别。通过对原始波段进行各种代数运算能够得到各种光谱信息和植被指数，主要包括AVI（距平植被指数）、NDVI(归一化差值植被指数)、RVI(比值植被指数)、PVI（垂直植被指数）、DVI（差异植被指数）、GVI（绿度植被指数）、SAVI（土壤调节植被指数）、DVIEVI(差值环境植被指数)、VCI（条件植被指数）、TCI（条件温度指数）、NDTI（归一化温度指数）、VTCI（条件植被温度指数）和GVMI（全局植被湿度指数）等。分析出来的数据和结果送入存储模块中，同时也输入对应模型中。

在本发明中，所述的干旱告警模型输入的参数包括土壤含水量、植被含水量、地表温度和气候信息，因为这是反映干旱程度的四个最重要的影响因子。通过对VCI、TCI、NDTI、VTCI等指数的多时段对比，能够获得地表温度变化与干旱程度的关系；分析GVMI的变化与短期的气候变化之间的关系，能够获得气候变化对农作物植被含水量的影响程度；利用电磁波散射模型由雷达回波的后向散射系数推导出土壤介电常数，根据土壤介电常数分析出土壤的含水量。一旦实时信息数据通过模型的仿真得到干旱发生的程度过高，随即发出干旱告警。

所述的虫害告警模型输入的参数为细胞活性、失叶量、叶绿素含量、植被指数和气候信息。根据遥感影像分类监测，获取地块中的农作物种类信息，并根据该类别农作物健康时的典型光谱特征绘制特征曲线。当病虫害发生时，细胞活性降低，叶子的色素发生变化，导致可见光区的吸收谷不明显，反射峰变低，近红外光区的峰值变低。通过将实时光谱特征曲线与健康时的光谱特征曲线相比较，能够获得虫害发生的程度指数。农作物的失叶量可以通过影像分类法、影像差技术和植被指数VID技术监测出来。通过历史虫害状况与气候变化的统计分析，可以建立气候与虫害的关系模型，即可根据实时气候或预报气候估计虫害的发生概率与严重程度，及时进行告警和干预。

所述的长势告警模型输入的参数为农作物品种、生长期、植被覆盖率、叶面色素含量和气候信息。根据农作物的品种信息得到该作物的各个生长期持续时间，并针对各生长期农作物的正常状态建立基础模型，模型参数包括植被覆盖率、叶面含水量、光谱特征曲线和各植被指数的正常取值范围等。通过各生长期的海量历史遥感数据与基础模型进行比对，提取出大量非正常状态的数据信息，并与当时的气候变化特征进行比较分析，找出非正常参数与气候的影响关系。若实时的气候预报通过模型的仿真得到即将会对农作物的长势造成很大影响的结论，即发出告警。

本发明的GPRS通信模块与精细化农业远程控制系统或移动终端（如手机）进行双向通信。经分析后的遥感数据和气候数据以及经过模型分析后的告警和生成的干预方案可以通过其传送到精细化农业远程控制系统或移动终端，同时也可以接收远程控制系统或移动终端发送过来的指令信息，如要求更改干预方案、临时终止滴灌干预和更新模型等。

本发明的嵌入式子系统是整个装置的管理平台，系统调取存储模块中的原始数据和相应的三个模型，进行分析处理，得到干旱程度指数、虫害状况指数和农作物长势指数，并据此生成干预方案，经由GPRS通信模块或ZigBee模块的短距离无线网络发送到地里的干预控制器，启动灌溉设备实施灌溉干预。原始数据、分析后的数据与干预方案打包形成数据项，通过通信模块发送出去。

本发明对数据的采集和分析可以是实时的，也可以是定期的，通过在显示模块上进行手动设置，或从精细化农业远程控制系统、移动终端上发送指令，均可以对数据采集和分析设置时间点；也可以进行模型的更新。

本发明的精细化农业农作物生长告警与干预装置的具体工作过程如下：

首先进行装置的部署与初始化，每个地块均安排一个告警与干预装置。部署完毕后启用装置，先由遥感信息接收模块获取遥感信息并经嵌入式系统的光谱分析单元将地块中的农作物品种进行分类。将品种信息存入存储模块，并据此获得该农作物的生长期划分，对比大量历史数据绘制出健康状态下的光谱特征曲线，完善长势告警模型。然后可以从精细化农业远程控制系统分区域、分地块设置数据获取时间和分析时间。

开始工作时，当高光谱遥感数据和气候数据被卫星信息接收模块获取后，首先输送到存储模块进行存放，然后输送到嵌入式子系统。嵌入式子系统将遥感数据进行分析处理，提取出若干植被指数，并以植被指数为依据计算出各个模型的输入参数。将输入参数送入干旱告警模型、虫害告警模型和长势告警模型中，通过模型内部进行数据的分析处理，得出预测数据或结论。若结论指数异常，需要进行告警，并自动生成干预方案。原始数据、分析结论以及干预方案打包成一个数据项发送至存储模块进行存放；同时将该数据项通过GPRS通信模块发送到农作物生长期干预系统以及精细化农业远程控制系统或移动终端。干预方案生成后，ZigBee模块启动，自动搜索附近区域地块的同类装置，建成一个临时的无线通信网络，实现干预方案共享。农作物生长期干预系统根据方案自动配置好水、养分、肥料和农药的比例和用量，启动灌溉设备实施灌溉。灌溉方式分为地面灌溉、喷灌和微灌，具体方式由干预方案中进行指定。实施过程中可随时通过装置的显示模块手动停止灌溉，或通过远程发送指令干预灌溉过程。

灌溉完成后，由传感监测模块对土壤数据、农作物植被数据进行采集，嵌入式系统分析数据并评估干预效果，用于进一步改进干预方案。

当装置接收到远程控制中心或移动终端发送的指令时，将根据指令的具体要求启动相应功能进行工作。指令的内容主要包括：

1）启动对某地的长势监测；

2）对某个干预方案进行修改或取消；

3）改变干预的时间或临时终止干预；

4）干旱告警模型的更新；

5）虫害告警模型的更新；

6）长势告警模型的更新。

与现有技术相比较，本发明的优点：

1.提供了农作物生长告警与干预机制，最大程度地优化农作物生长环境，提高农作物的品质与产量。

2. 利用遥感技术对农作物生长进行监测，能够从作物长势、土壤状况、虫害状况等方面进行全面分析，且监视范围广，能够实现24小时无间断监测。

3.结合海量历史气候信息，更全面地分析出造成遥感监测结果的原因所在，并能在此基础上根据气候预报提前采取干预措施，降低气候变化的不利影响，使农作物的生长环境维持在一个较好、较稳定的状态。

4.采用了不同的告警模型，满足各个时期、各种气候条件和不同虫害的表现差异。

5.干预方案由系统自动生成，能够根据需要搭配水、养分、肥料和农药的比例，更有效解决问题，减少人工成本。

5.采用传感监测模块对实施干预后的土壤和农作物状况进行跟踪监测，反馈的信息用于对干预效果进行评估，能够促进干预方案的改进，使系统进入良性循环的轨道。

6.该装置结构简单、使用方便、安全可靠、使用成本低。

附图说明

图1是本发明的结构框架示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但本发明的保护范围不局限于以下实施例。

实施例1：

一种精细化农业农作物生长告警与干预装置，包括电源模块、显示模块、卫星信息接收模块、存储模块、传感监测模块、GPRS通信模块和嵌入式子系统；所述的卫星信息接收模块与存储模块相连接；所述的存储模块与GPRS通信模块相连接；所述的传感监测模块与存储模块相连接；所述的嵌入式子系统与显示模块、传感监测模块相连接；所述的存储模块、GPRS通信模块分别与嵌入式子系统互相连接；所述的传感监测模块外接土壤监测传感器和植被监测传感器；其中，所述的存储模块中装载有预先构建好的干旱告警模型、虫害告警模型和长势告警模型；所述的嵌入式子系统设有光谱分析单元和干预方案生成单元；在该装置工作时，卫星信息接收模块通过无线网络获取基础数据，并经由存储模块输送到嵌入式子系统中，嵌入式子系统对基础数据进行分析处理后，读取存储模块中的三个告警模型，同时将相应的信息分别代入到干旱告警模型、虫害告警模型和长势告警模型中，经过三个模型的分析处理，获取不同地块的农作物生长状况、干旱程度、虫害程度的评估指数，根据结论对异常状况进行告警并且生成干预方案，然后通过GPRS通信模块发送给农作物生长期干预系统实施干预方案。在干预方案实施完毕后，嵌入式子系统向传感监测模块发出指令，通过传感监测模块外接的土壤监测传感器和植被监测传感器采集土壤信息和农作物植被信息，并传输嵌入式子系统进行干预效果分析，进一步改进干预方案。

上述的基础数据包括从遥感卫星地面接收站中获取的遥感信息和从气象站获取的气候信息；所述的光谱分析单元对遥感信息进行分析处理，提取出各种光谱信息和植被指数。

上述的土壤监测传感器包括土壤PH值传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤农药残留传感器和土壤养分留存传感器；所述的植被监测传感器包括温度传感器、湿度传感器、虫害监测传感器和光照度传感器。

上述的存储模块包括用于运行嵌入式子系统并存放少量的实时监测到的数据的内置内存卡和用于长期存放大量数据的外置内存卡；所述的GPRS通信模块采用移动数据无线通信的SIM卡；所述的嵌入式子系统采用兼容手机操作系统的微处理器；所述的显示模块采用触摸屏；所述的电源模块采用事件触发启动模式的智能电源模块。

实施例2：

如图1所示，本实施例与实施例1的区别在于：该装置还包括ZigBee模块，所述的ZigBee模块分别与GPRS通信模块、嵌入式子系统互相连接。所述的ZigBee模块采用能够自动进行无线组网的远距离ZigBee模块。在干预方案生成时，ZigBee模块将一定范围内地块上的精细化农业农作物生长告警与干预装置进行快速无线组网，实现干预方案的共享。

实施例1和实施例2的精细化农业农作物生长告警与干预装置提供了农作物生长告警与干预机制，利用遥感技术结合海量历史气候信息，对农作物生长进行监测，从作物长势、土壤状况、虫害状况等方面进行全面分析，并在此基础上根据气候预报提前采取干预措施，降低气候变化的不利影响，采用不同的告警模型，满足各个时期、各种气候条件和不同虫害的表现差异。

Claims (8)

1. 一种精细化农业农作物生长告警与干预装置，包括电源模块、显示模块、卫星信息接收模块、存储模块、传感监测模块、GPRS通信模块和嵌入式子系统；所述的卫星信息接收模块与存储模块相连接；所述的存储模块与GPRS通信模块相连接；所述的传感监测模块与存储模块相连接；所述的嵌入式子系统与显示模块、传感监测模块相连接；所述的存储模块、GPRS通信模块分别与嵌入式子系统互相连接；所述的传感监测模块外接土壤监测传感器和植被监测传感器；其特征在于：所述的存储模块中装载有预先构建好的干旱告警模型、虫害告警模型和长势告警模型；所述的嵌入式子系统设有光谱分析单元和干预方案生成单元；在该装置工作时，卫星信息接收模块通过无线网络获取基础数据，并经由存储模块输送到嵌入式子系统中，嵌入式子系统对基础数据进行分析处理后，读取存储模块中的三个告警模型，同时将相应的信息分别代入到干旱告警模型、虫害告警模型和长势告警模型中，经过三个模型的分析处理，获取不同地块的农作物生长状况、干旱程度、虫害程度的评估指数，根据结论对异常状况进行告警并且生成干预方案，然后通过GPRS通信模块发送给农作物生长期干预系统实施干预方案。

2. 根据权利要求1所述的精细化农业农作物生长告警与干预装置，其特征在于：所述的基础数据包括从遥感卫星地面接收站中获取的遥感信息和从气象站获取的气候信息；所述的光谱分析单元对遥感信息进行分析处理，提取出光谱信息和植被指数。

3. 根据权利要求1或2所述的精细化农业农作物生长告警与干预装置，其特征在于：在干预方案实施完毕后，嵌入式子系统向传感监测模块发出指令，通过传感监测模块外接的土壤监测传感器和植被监测传感器采集土壤信息和农作物植被信息，并传输嵌入式子系统进行干预效果分析，作为进一步改进干预方案的依据。

4. 根据权利要求1所述的精细化农业农作物生长告警与干预装置，其特征在于：所述的土壤监测传感器包括土壤PH值传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤农药残留传感器和土壤养分留存传感器；所述的植被监测传感器包括温度传感器、湿度传感器、虫害监测传感器和光照度传感器。

5. 根据权利要求1所述的精细化农业农作物生长告警与干预装置，其特征在于：所述的存储模块包括用于运行嵌入式子系统并存放少量的实时监测到的数据的内置内存卡和用于长期存放大量数据的外置内存卡；所述的GPRS通信模块采用移动数据无线通信的SIM卡；所述的嵌入式子系统采用兼容手机操作系统的微处理器；所述的显示模块采用触摸屏；所述的电源模块采用事件触发启动模式的智能电源模块。

6. 根据权利要求1所述的精细化农业农作物生长告警与干预装置，其特征在于：还包括ZigBee模块，所述的ZigBee模块分别与GPRS通信模块、嵌入式子系统互相连接。

7. 根据权利要求6所述的精细化农业农作物生长告警与干预装置，其特征在于：所述的ZigBee模块采用能够自动进行无线组网的远距离ZigBee模块。

8. 根据权利要求7所述的精细化农业农作物生长告警与干预装置，其特征在于：在干预方案生成时，ZigBee模块将一定范围内地块上的精细化农业农作物生长告警与干预装置进行快速无线组网，实现干预方案的共享。

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