CN104023520B - 远程传感和调适灌溉系统 - Google Patents

Abstract

灌溉系统持续地监控受其照料的草地或植物的状态并且在所需之时将水导引到所需之处使草地或植物保持健康。所述系统可显著降低水使用、不必要的渗流以及流失。具有平移和倾斜能力的水喷嘴可将水导引到所需之处。图像传感器可持续地获取和分析草地或植物的图像来决定洒水需求。所述图像传感器也可在所述灌溉系统正将水输送到所述草地或植物时监控水着陆之处。这个信息可用来调整水输送目标以确保精确地灌溉意欲场所。具有最小流量分散的层流喷嘴可改进水输送精确度和水着陆之处的检测。

Description

远程传感和调适灌溉系统

发明背景

大多数草地和植物灌溉系统是基于定时来控制。根据这种方法，控制器被编程使得水在设定时间期间被输送且输送达设定持续时间。为了最佳操作和节约水，操作员不得不频繁地调整洒水的频率和持续时间来适应不同天气、土壤状况和植物状况。用户的这类调整不常实施且多数用户以给其草地和植物过度洒水而告终以企图确保植物健康而不管不同的状况。这在个体级且总的说来在市政级上浪费了大量水。

此外，通常使用喷洒头灌溉草地，喷洒头往往成放射状或成角度分布来送水使得难以均匀地灌溉给定草地或植物区域。在这种不均匀灌溉下，用户以给一些区域过度灌溉而告终以确保较少灌溉区域得到足够水来保持绿色。此外，喷洒器输送水的方式易因中等风力而洒歪。

最近，滴灌溉已经日益用于种植者区域。虽然滴灌溉与喷洒器比较可降低水消耗，但因为依然需要对洒水时间表的频繁监控和调整(乏味且不常实施)，故仍发生相同的过度洒水。此外，滴灌溉不用于草地区域，其频繁消耗大部分灌溉水。

此外，喷洒器和滴灌溉系统需要安装灌溉管道和管子的网格，其大部分安装在地下，从而导致高成本。

因此，当前使用的灌溉系统不会针对状况进行调整且因此会过度洒水，它们不会精确地输送水且因此它们会浪费水，而且它们不会均匀地输送水且因此会过度洒水。这些系统中大部分的安装还是昂贵的，因为安装需要地下管道掩埋。

此外，当前系统不会基于草地或植物的状况精确地调整洒水的持续时间或定时，且无法基于一个小场所(多于或少于区域的其余部分)的植物或草地需求而给所述场所洒水，因为一旦安装了系统，用户由于任务的沉闷而极少重新调整喷洒器系统内的洒水比例。

发明概要

在实施方案中，本发明提供了一种灌溉系统，其用远程传感器持续地监控受其照料的草地或植物的状态并且在所需之时将水导引到所需之处使草地或植物保持健康，并且显著降低水使用、不必要的渗流以及流失。系统使用远程传感器(例如相机)来持续地获取和分析受其照料的草地或植物的图像来确定洒水需求。系统使用可精确地导引水的水输送方法，例如具有平移和倾斜能力的水喷嘴。远程传感器也在灌溉系统正输送水时监控水着陆之处。这个信息由系统用来持续地调整其水输送目标而持续地提高其水输送精确度。此外，系统使用直列水流量计保存了被输送到受其照料的区域内的每个场所的水量的日志。系统可基于传感器数据和照料历史记录视需要建议或自动输送肥料或有害物控制溶液给各个场所。系统也保持跟踪被输送到受其照料的区域中的每个场所的水量。如果系统检测到相同场所在重复洒水之后未能成为绿色，那么其将这个场所标记为需要园丁的干涉、向用户发出这个确定方案的警报并且停止对这个场所洒水直到用户另外指示。

一方面，本发明提供一种灌溉系统。所述灌溉系统包括：图像传感器，其被构造成捕获灌溉区域的图像，灌溉区域是受灌溉系统照料的区域；可操纵的水输送系统，其被构造成将水流导引到灌溉区域；和控制器单元，其耦接到图像传感器和可操纵的水输送系统且被构造成从图像传感器接收图像、确定灌溉区域中的位置以洒水以及导引可操纵的水输送系统将水输送到确定位置。

一方面，本发明提供一种用于操作灌溉系统的方法，所述方法包括：确定当前时间是否适合于洒水；获取灌溉区域的一个或多个图像，灌溉区域是受灌溉系统照料的区域；至少部分基于获取的图像确定灌溉区域中需要洒水的位置；确定是否给被确定需要洒水的位置洒水；和当确定给被确定需要洒水的位置洒水时，给确定位置洒水。

一方面，本发明提供一种用于设立灌溉系统的方法，所述方法包括：使用图像传感器获取灌溉区域的一个或多个图像，灌溉区域是受灌溉系统照料的区域；至少部分基于获取的图像确定灌溉区域的范围；估计可操纵的水输送系统相对于灌溉区域的位置；导引可操纵的水输送系统来将水输送到灌溉区域中的多个点；使用灌溉区域的图像确定多个点的位置；使用多个点的确定位置确定用于可操纵的水输送系统的校准信息；和保存校准信息和灌溉区域的范围用于操作灌溉系统。

附图简述

图1是根据本发明方面的灌溉系统的方块图。

图2是根据本发明方面的相机传感器子系统的方块图。

图3是根据本发明方面的可操纵喷嘴子系统的方块图。

图4是根据本发明方面的图1的灌溉系统的示例安装的透视图。

图5是根据本发明方面的灌溉过程的流程图。

详细描述

图1是灌溉系统的方块图。灌溉系统包括传感器单元10。举例来说，传感器单元10可以是视频相机。传感器单元10耦接到控制器单元11。控制器单元11耦接到可操纵的水输送系统12。水从水源15被输送到可操纵的水输送系统12。举例来说，水源15可通过标准水龙带来自水龙头或来自其它管道系统。控制器单元11可基于来自传感器单元10的图像控制可操纵的水输送系统12。

控制器单元11也耦接到网络13。网络13可以是局域网。网络13也耦接到服务器14。因此，控制器单元11和服务器14可通信。服务器14可有助于由用户进行系统监控和安装。举例来说，服务器14可以是个人计算机。服务器14也可以是连接因特网的基于云计算的服务器。各个单元之间的连接可以是无线或有线连接，其能够携载数据流量。所述连接可使用通信标准，例如以太网、无线以太网或通用串行总线(USB)。可使用组合或有线和无线连接，举例来说，控制器单元11与传感器单元10之间是有线连接且可操纵的水输送系统12与网络13是无线。在一些实现方式中，携载数据的连接可额外地携载电力。单元之间可使用其它连接，举例来说，传感器单元10和可操纵的水输送系统12可经由网络13耦接到控制器单元11。

图2是相机传感器子系统的方块图。举例来说，图1的灌溉系统的传感器单元10可使用图2的相机传感器子系统来实现。相机传感器子系统包括视频相机20。或者，相机传感器子系统可包括静态图像相机。视频相机20含有视频成像器201，例如CCD或CMOS成像传感器。视频相机20也含有聚焦透镜系统202。聚焦透镜系统202可具有固定或可变焦距。聚焦透镜系统202前面是滤光单元21。滤光单元21包含多个滤光片210。每个滤光片210容许光谱的不同部分穿过。滤光单元21含有伺服系统211，其可将一个或多个滤光片210放置在聚焦透镜系统202前面。举例来说，伺服系统211可由图1的控制器单元11控制。在实施方案中，相机传感器子系统不包括滤光单元21且仅使用可见光图像。或者，相机传感器子系统可使用专用的窄光谱成像器。另外，举例来说，视频相机20可通过安装在定向转动架(pointingturret)上而是可定向的(pointable)。

在仅使用可见光的实施方案中，灌溉系统可分析图像中的颜色来决定需要洒水之处。所述分析可包括关于植物颜色和绿色饱和度状况的信息。在实施方案中，灌溉系统可包括传感器，其感测近红外光来改进对植物状况的确定。举例来说，滤光片210可包括用于两种波长范围的滤光片。或者，可使用多个相机或多个视频成像器。灌溉系统可使用以下观测来检测叶绿素用于测定洒水需求或位置：叶绿素吸收红色和蓝色可见光且散射可见的绿色和近红外光两者。另外，灌溉系统可从当与干燥状况比较时植物提高的颜色饱和度以及通过近红外光的反射来检测水和湿度。系统可使用类似于宾夕法尼亚州15213匹兹堡卡内基美隆大学机器人学院的2004年2月CMU-RI-TR-04-12发表的DavidM.Bradley、ScottM.Thayer、AnthonyStentz和PeterRander的“VegetationDetectionforMobileRobotNavigation”中描述的技术的方法，所述技术使用可见和红外光吸收特性来检测植被。基于叶绿素和水检测，系统可确定需要洒水的区域。类似地，系统可确定需要输送肥料的区域。

参考图1，传感器单元10可将图像发送到控制器单元11。类似地，传感器单元10可从控制器单元11接收命令。举例来说，传感器单元10可被命令来使用滤光片和何时获取图像。传感器单元10也可被命令来使用特定的平移、倾斜、缩放、聚焦位置和其它相机设置。

控制器单元11可包括处理器、存储器和永久存储。永久存储(例如闪存或硬盘驱动器)可存储由处理器执行的程序指令。控制器单元11可与其它单元(例如与传感器单元10或与可操纵的水输送系统12)共同定位。或者，控制器单元11可定位在远离其它单元的单独位置。

灌溉系统也提供有当天时间及其位置，例如通过提供有正确的纬度和经度，或通过可确定其纬度和经度的街道地址。系统使用这个信息能够确定当天时间和天空中太阳的位置来改进其传感器数据的处理，且尤其能够校正高反差阴影。系统可使用对强烈阴影的检测来有助于随着阴影形状扫越过种植区域而确定种植区域的斜坡和下坡。

在常规操作模式下，系统持续或重复地获取种植区域的图像并且处理图像来确定种植区域中哪些位置需要洒水或其它类型的照料。接着系统可将其喷嘴导引到需要水、肥料或有害物控制溶液的位置。系统可在执行植被检测之前执行图像处理。举例来说，系统可执行图像几何校正、坐标映射、日光和颜色补偿、运动追踪以及2D和3D投影。系统可使用图像处理库，例如OpenCV库实现，举例来说，如书本“LearningOpenCVComputerVisionwithOpenCVLibrary”ISBN978-0-596-51613-0中描述。

图3是可操纵喷嘴子系统的方块图。举例来说，图1的灌溉系统的可操纵的水输送系统12可使用图3的可操纵喷嘴子系统来实现。可操纵喷嘴子系统包括水喷嘴30，其安装在转动架31上。转动架31可平移和倾斜用于对准水喷嘴30。平移和倾斜可分别改变方位角和倾斜角。水通过入水口35馈送到系统。水流过测量装置(计量器)32到水阀33而到达水喷嘴30。水阀33具有可调整水流量的可变位置。替代地或此外，水阀33可能够调整水压。在实施方案中，可操纵喷嘴子系统包括用于水压的传感器。当灌溉系统不洒水时，水阀33可完全关闭。

可操纵喷嘴子系统可提供精确的水输送。通过调整水阀33的开口，来自可操纵喷嘴子系统的水的投掷距离可改变。调整倾斜度也可改变投掷距离。通过在水平平面中平移水喷嘴30的角度，可改变投掷距离。因此，水可被导引到受灌溉系统照料的全部草地或植物区域。在一些实施方案中，可操纵喷嘴子系统仅包括平移、倾斜或阀调整中的两个。倾斜水喷嘴30可用来帮助在较小或较大压力下使水到达其目的地。在水阀33开口和水喷嘴30的倾斜角的不同组合下，水可被输送到相同位置。不同设置可调整水输送速度。所述设置也会影响水输送的精确度。平移、倾斜和可变阀开口可由伺服电动机控制。举例来说，伺服电动机可由灌溉系统的主处理单元或控制器来命令。类似地，如由测量装置32所测量，流到喷嘴的水量也可报告给控制器单元或服务器。

在实施方案中，水喷嘴30是以层流输送水的层流喷嘴。因此，从水喷嘴30输送的水可以是连续的玻璃棒状水流。因为是层状，所以水流不会在直径上扩散且在空气中不会分裂成离散液滴。因此，水输送的点可精确到几乎无喷溅和扩散分散。此外，举例来说，因风力或压力变动引起的层流着陆点的变动易由灌溉系统校正，这是因为着陆的单一点和着陆点的最小扩散。也可使用其它喷嘴类型。举例来说，当水从喷嘴输送的距离较小时，非层状水流中的分散会较小。

可操纵喷嘴子系统可包括对水流的照明。举例来说，水喷嘴30中可包括光源。举例来说，光源可以是发光二极管(LED)或其它类型的灯泡。呈层状形式的水流通常将保持所述光。所述光可具有使水流在图像中更突出的颜色。举例来说，可考虑到灌溉系统中使用的传感器单元的光谱响应来选择颜色。水流用作为光管，且通过水流的光可鲜明地照亮着陆点使其可更易被传感器检测到。因此，灌溉系统可更易于调整水流的轨道来将水精确输送到期望场所。在水流中注入有色光可使用的技术类似于用于装饰性喷泉的技术。

可操纵喷嘴子系统可能够输送其它材料来代替水或用水输送。举例来说，肥料、杀虫剂或材料组合可选择性地添加到水流。

再次参考图1，灌溉系统可以多种模式操作。对操作模式的控制可根据控制器单元11、服务器14或组合。第一模式是设置模式；第二模式是运行模式。设置模式可在安装灌溉系统期间使用。运行模式可在灌溉系统的日常操作期间使用。

设置模式可执行的算法开始于以下任务：确定种植区域中区域的范围和类型。确定种植区域的方法是使用亮色颜料描绘种植区域的周界，系统可易于从由传感器单元10获取的图像中挑选出亮色颜料。系统可检测被涂色周界。举例来说，可在服务器14中执行位置信息的精致化。确定种植区域的另一方法使用虚拟绘画，其中用户可使用软件工具在由传感器单元10获取的图像上绘制覆盖周界。接着，包括覆盖周界的位置的信息被返回到系统。即使在系统检测到图像之一中的周界之后，传感器单元10的物理位置和其相对于种植区域的角度也无法完全确定。举例来说，这会在种植区域不平坦或水平时发生。此外，参考对象在图像中可能无法用来确定距图像比例尺的距离。然而，系统可在不完全知晓传感器相机与种植区域之间的物理关系的情况下适当地操作。由于系统可针对给定喷嘴角度和阀开口监控水着陆之处，所以可操纵的水输送系统12可易于调整使得水着陆在系统已经检测到种植区域需要洒水之处的图像部分上。即，灌溉可在闭环控制下导引洒水。

设置模式算法可继续到以下任务：将水从可操纵的水输送系统12发射到种植区域内的许多位置。所述任务经由传感器单元10监控水着陆之处。这用作为喷嘴角度和可变阀位置与种植区域内水着陆之处之间的相互关系的粗略校准。即使可操纵的水输送系统12不在传感器单元10的视域内，校准任务仍可通过注释这个校准过程期间水着陆之处来确定可操纵的水输送系统12相对于种植区域的位置。举例来说，灌溉系统可观测来自两个喷嘴平移角度的可操纵的水输送系统12的水流而通过确定两股水流的交叉点来推断可操纵的水输送系统12相对于图像平面的位置，不管是在视野中或是在视野外。如果相机的角度使得水流的弧可见且因此会使这个推断模糊不清，那么系统可调整水的投掷给出两个点用于每个喷嘴平移角度。在从相同喷嘴角度的两个着陆点的每一个之间绘制直线给出在可操纵的水输送系统12位置上向后延伸的线。不同喷嘴角度的两条线的交叉点确定了喷嘴相对于图像帧的位置。这个确定在以下情况中有用：确定喷嘴的平移或倾斜角是否需要增大或减小或水投掷是否应增大或减小以便水着陆场所更靠近种植区域内的期望位置。来自喷嘴的水流的两次以上观测也可以其他方式使用，举例来说，在确定喷嘴位置时用来补偿测量误差。

从上述可见可操纵的水输送系统12或传感器单元10相对于彼此和相对于种植区域存在有利位置。当传感器单元10处于使传感器单元10能够给整个种植区域成像的位置时，灌溉系统可被改进。类似地，当可操纵的水输送系统12处于水可被输送到种植区域内任何地方的位置时，灌溉系统可被改进。

图1的灌溉系统以及图2和图3的相关子系统图示有每项的单一实例。可使用许多其它配置。举例来说，灌溉系统可具有多个可操纵的水输送系统、多个传感器单元或两者中的多个以促进种植区域的全面成像以及水覆盖。举例来说，当种植区域是大型或具有的形状和斜坡在使用单一图像传感器或单一可操纵的水输送系统难以胜任时，可应用这类灌溉系统。在一个区域中的灌溉系统的多个安装可链接到服务器用于组合数据分析。相同地理区域中连接到相同服务器的系统的更多安装会因可用的宽区域数据而允许更精确地照料种植区域。类似地，已经描述了各个系统和子系统的功能的特定分配。也可使用许多其它配置。举例来说，归功于控制器单元11的一些功能可由传感器单元10或可操纵的水输送系统12来执行。

图4是图1的灌溉系统的示例性安装的透视图。示例性安装相对于种植区域40示出传感器单元10和可操纵的水输送系统12。为了简洁起见，“种植区域”用来指灌溉系统洒水的区域或受灌溉系统照料的区域。也可使用术语“灌溉区域”。种植区域可包括不灌溉部分，例如硬景观。示例性安装也示出离开可操纵的水输送系统12导引到种植区域40内的着陆点42的水流41的轨道。

为了易于说明，图示的种植区域40具有简单形状。描述的灌溉系统不限于此。此外，可使用图4的示例性安装中传感器单元10和可操纵的水输送系统12的位置的许多变动。举例来说，可操纵的水输送系统12可位于种植区域40内。

图5是灌溉过程的流程图。举例来说，灌溉过程可由图1的灌溉系统来执行。

在步骤500中，过程进入设置模式。举例来说，所述过程可在灌溉系统第一次启动时进入设置模式。

在步骤501中，过程获取日期和时间。这可通过提示用户(例如通过控制面板或远程通过用户个人电脑、智能手机或类似装置)输入日期和时间来完成。取决于灌溉系统的性能，所述过程可从本地实时时钟获取日期。举例来说，所述时钟可经由全球定位系统(GPS)接收器模块来设置。所述时钟也可经由调谐到时钟广播(例如美国国家标准技术研究院(NIST)时钟广播)的无线接收器来设置。所述过程也可经由因特网获取日期和时间。

在步骤502中，过程获取灌溉系统的位置。所述位置可根据纬度和经度描述。类似于步骤501中的日期和时间，所述过程可通过多种方法获取位置。举例来说，所述过程可提示用户输入信息。举例来说，用户输入的信息可以是邮政街道地址。接着，举例来说，所述过程可通过因特网查找将地址转变成纬度和经度。也可通过使用IP地址的因特网连接自动接近所述位置。当可用时，所述过程可使用连接的GPS模块。所述位置以及日期和时间可用于随后过程步骤中，举例来说，用于关于当前和预报天气的信息且用来预测会影响图像处理的阴影。举例来说，如果近期预测有雨，那么即使尚未发生下雨，所述过程也会延迟洒水。

在步骤503中，过程例如使用传感器单元10获取一个或多个图像。在获取图像之前，灌溉系统的安装员可能已经标记种植区域用于确定所述种植区域。标记可以是相对于种植区域的对比颜色，例如亮色颜料。

在步骤504中，过程确定种植区域的范围。在实施方案中，步骤503中获取的图像或多个图像可被传输到服务器14，用户在服务器14上可对图像中的种植区域进行编辑或添加新周界(其可具有不毗连的子区域)且所述信息被发送回到系统。

在步骤505中，过程估计水喷嘴相对于种植区域的位置。过程可通过在多个喷嘴角度和阀设置下发射水流、注释水着陆之处以及由这个信息计算水喷嘴定位之处来完成这个估计。

在步骤506中，过程将水发射到种植区域中的许多点且检测水着陆之处。所述过程使用这个信息来使喷嘴角度和阀设置与水着陆点关联。在这个过程期间，供应到水喷嘴的水压可被测量使得在将来操作期间可执行对改变水压的补偿。

在步骤507中，过程保存了在设置模式步骤期间确定的全部校准和设置信息。所述过程可通过继续到步骤510而进行到常规操作模式。

在常规操作模式中，过程通过步骤510到步骤518重复地循环。在步骤510中，过程确定当前时间是否适于洒水。这可基于一天时间、前一次洒水时间、由于干旱状况的洒水日限制(例如地方性法律)或类似状况。所述过程也会考虑一天中什么时间洒水是有利的，举例来说，来减少蒸发且减少有害物生长。所述过程还会考虑当前天气状况、之前天气状况或未来天气状况，举例来说，来利用雨水。洒水时间也会受阳光照射影响。举例来说，所述过程可基于过去几天期间的阳光照射量来提前或推迟洒水。阳光照射可使用灌溉系统的传感器单元10或经由天气信息(举例来说，经由因特网获得)来检测。即使证实现在并非洒水的适当时间，但在实施方案中，所述过程继续进行常规操作模式循环中的随后步骤。

在步骤511中，过程使用时间和日期以及系统的纬度和经度来计算太阳相对于种植区域且相对于传感器单元的当前位置。获取的图像中的阴影的锐度和对比度可有助于估计阳光照射的强度。所述过程存储这个信息使得其也可更好地预测图像内的阴影位置来帮助检测干燥区域。

在步骤512中，过程获取一个或多个图像。所述图像可仅使用可见光获得或所述图像可以是多光谱图像。

在步骤513中，过程处理图像。所述过程可校正和增强图像，举例来说，来补偿可变照明(其可日常以及季节性变化)且补偿因相机定向或有缺点的光学器件造成的几何失真。

在步骤514中，过程确定种植区域中哪些位置需要洒水。所述过程可使用植被检测方法，举例来说，类似于以上参考论文中描述的技术的一种或多种植被检测。

在实施方案中，过程可使用热惯性处理提高湿度检测的精确度。湿润的植物和土壤比干燥的植物和土壤具有更高的热惯性。这意谓当在给定一天期间多次收集表面温度数据(例如由温度收集传感器或红外线相机确定)时，湿润且绿色的植物区域将在整个日夜周期期间展示更低的温度波动极限。与较干燥区域比较，潮湿和湿润区域在白天更冷且在夜晚更暖。类似方法可用以确定具有人行道或墙壁的区域。系统可使用热惯性处理信息来确定需要洒水的区域。

在步骤515中，在确定需要洒水的位置(受胁迫(stressed)植被区域)之后，过程确定现在是否给受胁迫植被区域洒水。所述过程可使用来自步骤510的一般信息和其数据库中所具有的每个受胁迫植被区域的特定信息。举例来说，如果最近已经给受胁迫植被区域洒水，那么所述过程不会再次给所述区域洒水，即使其看似仍呈受胁迫。这给予植物绿色洒水之后改变的时间。此外，如果已经给给定位置重复洒水且仍展示受胁迫迹象，那么所述过程会停止再次给所述位置洒水且向用户发送信号称特定位置需要园艺注意的问题。举例来说，在所述过程停止给位置洒水之前，重复洒水的量可取决于所述位置中的植物特性。

在步骤516中，过程给步骤515中确定的位置洒水。所述过程将喷嘴角度和可变阀位置设置成估计的设置来给特定位置洒水。所述过程可重复获取和检测水着陆点且可作出调整来校正任何水着陆点偏移误差。所述过程进行到给期望位置洒水达给定时间段。时间段是上述变量和被洒水的植物或多种植物的类型和性质的函数。替代地或此外，所述过程可给期望位置洒水直到已经输送期望体积的水。

在步骤517中，过程将哪些位置被洒水和洒了多少记入日志，因此这个信息可用于系统算法的往后迭代。

在步骤518中，过程进行到睡眠(举例来说)达几分钟。此后所述过程再次回到步骤510。

在各个实施方案中，上述步骤中的一些或全部可在灌溉系统的本地处理单元或在服务器上完成，举例来说，用存在于因特网云计算中某处的大数据库。

图5的灌溉过程可通过添加、省略、重新排序或改变步骤予以修改。举例来说，灌溉系统可在无日期、时间或位置信息(但性能会因具有这个信息而大大改进)的情况下提供基本功能。因此，在实施方案中，所述过程省略步骤501和步骤502。所述过程通过处理获取场所的图像且将水导引到所述场所同时考虑其他外部和天气状况而造成非常有效地使用水来实现给种植区域内的特定场所洒水的总目标。

可使用描述的灌溉系统和方法的许多另外变更。举例来说，灌溉系统可使用微波无线电波来检测系统照料下的土壤或植物的含湿量。所述系统发射由预定伪随机数字图案调制的微波信号且等待来自区域的报告。在实施方案中，所述系统可以被动且仅依赖于从植物反射的自然发生的微波。灌溉系统在发射与返回信号之间执行信号处理，或在被动系统的情况下就处理返回信号，以及估计返回声波的强度。

在高达且超过400MHz到3GHz范围中的微波频率的无线电波下，水的介电常数约为80，而干燥土壤在相同频率下的介电常数约为3。这个差值造成与干燥的植物和土壤区域比较由潮湿且覆盖植被的区域对微波能量的反向散射存在可测量的差。与使用相机比较，微波(比光学频率具有更长波长)可检测土壤内更深的水而不是表面上的水。然而，安装到种植区域侧边的实际微波天线的空间分辨率会比光学相机的空间分辨率较不精确。这是因为大型天线被要求将微波束聚焦到远离天线若干米处的区域上的小场所。大型可操纵天线可用来给予较长微波波长高空间分辨率。举例来说，可使用固定到高耸于种植区域的建筑侧边的相控阵平坦天线。

如果天线实体上定位成十分接近观察下的小场所，那么可消除使用大型或复杂天线的挑战。在草地区域的情况下，低成本、低分辨率且低穿透微波雷达可安装在用来修整草地区域的割草机上。当在割草期间收集地面湿度数据并将其传输到主处理器时，割草机的位置由系统的相机确定且因此地面湿度数据与每次收集的实体位置正确地配对。可使用从附接到割草机的装置到主处理器的有线或无线方式将数据传输到系统。替代地，数据可通过由相机拾取的红外链路被发送到系统，其可降低成本。

替代地，割草机也可装备有无线电波发射器，其由邻近观察下的区域固定的天线阵列拾取。这个技术可通过用天线阵列拾取无线电信号来确定传输器的三维位置，举例来说，类似于智能办公室白板中使用的技术。天线阵列连接到系统处理单元且可精确地确定割草机在任何瞬间所在之处。这个信息与割草机安装雷达信号报告配对。通过将信息下载到系统处理器(割草时或割草之后)，可十分精确地确定区域内的土壤湿度。系统可使用算法来确定土壤含湿量，其使用的主动或被动微波技术类似于加利福尼亚技术研究所喷气推进实验室的EniG.Njokul和DaraEntekhabi的论文“PassiveMicrowaveRemoteSensingofSoilMoisture”以及美国VA22030Fairfax乔治梅森大学理学院的环境科学与技术中心(ESTC)的EastFIRE实验室的LingliWang、JohnJ.Qu的“SatelliteRemoteSensingApplicationsforSurfaceSoilMoistureMonitoring:AReview”中概述且在这些论文中列举的参考资料中更详细地描述的技术。

在另一变更方案中，灌溉系统的传感器中的一些或全部位于飞行(空中)平台上。这对大型区域(例如农场和高尔夫球场)来说会尤其有利。飞行平台可增加有导航和稳定电子器件且在受其照料的区域上方周期性地飞行并且记录传感器数据。一旦飞行平台返回其本站台，数据可被无线地或通过导线中继到系统的处理单元。接着，如其它实施方案，传感器信息被处理。这种飞行平台在现今可商业购得且期望随时间会日益负担得起。替代地，飞行平台可以是系留气球。

在另一变更方案中，灌溉系统可连接到云计算上的因特网服务器。由灌溉系统的各个传感器收集的数据中的一些或全部可被发送到服务器，其中执行确定植物和草地状况所需的计算中的一些或全部。较高的可用计算功率和存取较宽局部、区域性和国家性数据可改进所述确定。接着，服务器计算的结果被发送回灌溉系统的本地处理单元以便对种植区域执行洒水以及肥料和杀虫剂输送。

技术人员将了解结合本文公开的实施方案描述的各个说明性逻辑块、模块和算法步骤可实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清晰地说明硬件与软件的这个可交替性，上文已经大体根据其功能描述了各个说明性组件、块、模块和步骤。这个功能是实施为硬件还是软件取决于施加给总系统的设计约束。技术人员可以针对每个特定应用以不同方式实施描述的功能，但这些实施决定不应解释为导致脱离了本发明的范围。此外，模块、块或步骤内功能的分组是为了易于描述。在不脱离本发明的情况下，特定功能或步骤可从一个模块或块移开。

结合本文公开的实施方案描述的各个说明性逻辑块和模块可用以下项实施或执行：通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或被设计成执行本文描述的功能的装置的任何组合。通用处理器可以是微处理器，但在替代方案中，处理器可以是任何处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以实施为计算装置的组合，举例来说，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合DSP内核或任何其它这种构造。

结合本文公开的实施方案描述的方法或算法的步骤可直接具体实施在硬件中、在由处理器执行的软件模块中或在两者的组合中。软件模块可位于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或任何其它形式的存储介质中。示例性存储介质可耦接到处理器使得处理器可从存储介质读取信息且将信息写入存储介质。在替代方案中，存储介质可整合到处理器。处理器和存储介质可位于ASIC中。

提供对公开的实施方案的上述描述使得本领域任何技术人员能够制造或使用本发明。在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本领域技术人员将易于知晓对这些实施方案的各种修改，且本文描述的基本原理可应用到其它实施方案。因此，应了解本文呈现的描述和附图表示本发明的目前优选实施方案且因此表示本发明广泛设想的主题。还应了解本发明的范围完全包括本领域技术人员可明白的其它实施方案且因此本发明的范围除了受限于随附权利要求之外不受限于任何事项。

Claims (19)

1.一种灌溉系统，其包括：

图像传感器，其被构造成捕获灌溉区域的图像，所述灌溉区域是受所述灌溉系统照料的区域；

可操纵的水输送系统，其被构造成将水流导引到所述灌溉区域；和

控制器单元，其耦接到所述图像传感器和所述可操纵的水输送系统且被构造成

从所述图像传感器接收图像，

确定所述灌溉区域中的位置以洒水，

导引所述可操纵的水输送系统将水输送到所述确定位置，其包括：在所述可操纵的水输送系统正将水流导引到所述灌溉区域时从所述图像传感器接收图像，且使用检测到的所述水流的着陆点控制所述可操纵的水输送系统的定位。

2.根据权利要求1所述的灌溉系统，其中所述图像传感器包括：

视频成像器；

透镜系统，其被构造成将光导引到所述视频成像器；和

滤光单元，其包括多个可选择的滤光片，所述多个可选择的滤光片被构造成过滤由所述图像传感器捕获的光谱，

其中控制单元被进一步构造成使用利用所述多个可选择的滤光片中的两个或更多个捕获的图像来确定所述灌溉区域中的位置以洒水。

3.根据权利要求1所述的灌溉系统，其中所述可操纵的水输送系统包括：

水喷嘴，其被构造成输送水流；

水阀，其被构造成控制到所述水喷嘴的流量；和

转动架，其被构造成控制来自所述水喷嘴的所述水流的至少一个角。

4.根据权利要求3所述的灌溉系统，其中所述水流呈层流状。

5.根据权利要求3所述的灌溉系统，其中所述可操纵的水输送系统还包括光源，所述光源被构造成照亮来自所述水喷嘴的所述水流，且其中所述控制器单元还被构造成通过使用来自所述图像传感器的图像通过所述照亮水流检测着陆点的照亮来检测所述水流的着陆点并且至少部分基于所述检测到的着陆点来控制所述可操纵的水输送系统。

6.根据权利要求3所述的灌溉系统，其中所述可操纵的水输送系统还包括计量器，所述计量器被构造成测量来自所述可操纵的水输送系统的所述水流量。

7.根据权利要求1所述的灌溉系统，其中所述控制器单元被构造成至少部分基于来自所述图像传感器的所述图像确定所述灌溉区域中需要洒水的所述位置。

8.根据权利要求1所述的灌溉系统，其中所述控制器单元还耦接到云服务器且还被构造成将来自所述图像传感器的图像数据供应到所述云服务器并且从所述云服务器接收信息用于确定所述位置以洒水。

9.根据权利要求1所述的灌溉系统，其中所述图像传感器被布置在空中平台上。

10.一种用于操作灌溉系统的方法，所述方法包括：

确定当前时间是否适合于洒水；

获取灌溉区域的一个或多个图像，所述灌溉区域是受所述灌溉系统照料的区域；

至少部分基于所述获取的图像确定所述灌溉区域中需要洒水的位置；

确定是否给被确定需要洒水的所述位置洒水；和

当确定给被确定需要洒水的所述位置洒水时，给所述确定位置洒水，其中，给所述确定位置洒水包括：

导引可操纵的水输送系统来将水输送到所述确定位置，

当所述可操纵的水输送系统正将水输送到所述确定位置时，获取所述灌溉区域的一个或多个图像，

当所述可操纵的水输送系统正输送水时，使用获取的所述灌溉区域的一个或多个图像检测所述输送的水的着陆点，

使用所述检测到的着陆点控制所述可操纵的水输送系统的定位。

11.根据权利要求10所述的方法，其中确定所述当前时间是否适合于洒水至少部分基于天气信息。

12.根据权利要求10所述的方法，其中获取灌溉区域的一个或多个图像包括获取多个光谱下的所述图像。

13.根据权利要求10所述的方法，其中获取的图像包括在一天的不同时间获取的红外线图像，且其中确定所述灌溉区域中需要洒水的位置包括使用红外线图像的热惯性处理。

14.根据权利要求10所述的方法，其中确定是否给被确定需要洒水的所述位置洒水包括通过确定是否已经给被确定需要洒水的所述位置中的一个重复洒水且仍需要洒水来检测受胁迫状况，且当检测到受胁迫状况时，给用户发送信号称检测到所述受胁迫状况。

15.根据权利要求10所述的方法，其中至少部分基于所述获取的图像确定所述灌溉区域中需要洒水的位置包括使用关于太阳相对于所述灌溉区域的当前位置的信息来增强所述获取的图像。

16.根据权利要求10所述的方法，其中确定所述灌溉区域中需要洒水的位置包括分析微波信号来检测湿度。

17.一种用于设立灌溉系统的方法，所述方法包括：

使用图像传感器获取灌溉区域的一个或多个图像，所述灌溉区域是受所述灌溉系统照料的区域；

至少部分基于所述获取的图像确定所述灌溉区域的范围；

估计可操纵的水输送系统相对于所述灌溉区域的位置；

导引所述可操纵的水输送系统来将水输送到所述灌溉区域中的多个点；

当所述可操纵的水输送系统正将水输送到所述灌溉区域中的多个点时，获取所述灌溉区域的一个或多个图像；

当所述可操纵的水输送系统正输送水时，使用获取的所述灌溉区域的一个或多个图像检测所述输送的水的着陆点；

使用检测的着陆点确定用于所述可操纵的水输送系统的校准信息；和

保存所述校准信息和所述灌溉区域的所述范围用于操作所述灌溉系统。

18.根据权利要求17所述的方法，其还包括：

确定当前日期和时间；和

确定所述灌溉区域的所述位置。

19.根据权利要求17所述的方法，其还包括用与所述灌溉区域的颜色形成对比的颜色标记所述灌溉区域的边界，且其中确定所述灌溉区域的所述范围包括检测所述灌溉区域的所述图像中的所述对比颜色。