CN104035756B - 一种灌溉远程智能控制系统通用开发平台及开发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种灌溉远程智能控制系统通用开发平台及开发方法，其中，灌溉远程智能控制系统通用开发平台包括：服务器，运行web服务器、灌溉智能控制模块和中间层；远程浏览器，可通过网络访问服务器；土壤监测设备，用于监测土壤环境参数；水肥执行设备，用于执行服务器的控制指令；传输模块，接收水肥执行设备和土壤监测设备的数据并进行传输；控制模块，将控制指令通过传输模块发送至水肥执行设备和土壤监测设备；灌溉智能控制模块，根据需求添加或者删除设备和各设备之间的关系。本发明克服现有的灌溉智能控制系统结构和控制规则固定难以改变的缺点，提供一种可便捷快速开发或修改灌溉远程智能控制系统的通用开发平台及开发方法。

Description

一种灌溉远程智能控制系统通用开发平台及开发方法

技术领域

本发明涉及农业灌溉领域。具体为一种灌溉远程智能控制系统通用开发平台及开发方法。

背景技术

农业信息化和智能化已经成为当前中国新农村建设的主要建设内容和重点扶持项目。灌溉智能控制系统主要由土壤监测设备、水肥执行设备、控制单元、控制软件、internet等组成。如公开号为CN102342235A的专利文献公开了一种基于WSN的蔬菜大棚自动灌溉系统，包括无线传感网单元、数据处理单元和远程控制单元，此系统通过无线传感器网络采集土壤信息，并通过GPRS传递信息，根据土壤信息，通过远程控制单元对土壤进行灌溉或者施肥。

公开号为CN102550373A的专利文献公开了一种基于手机短信的智能灌溉控制系统及控制方法，可以通过手机输入控制命令或收集运行参数，实现远程监控功能。但是通过该系统仅可通过手机短信查询部分信息，而不能实现完整的监测功能，更不能通过手机短息实现对系统的控制和修改。

随着技术的发展，集约化和精细化成为新的要求，如，灌溉的方式已经由漫灌发展到喷灌、滴灌，施肥的技术也发展到根据每一小区域的土壤情况进行施肥。这些新的技术不仅更符合作物生长的需求，同时还可节约水、肥、电等资源，因此已经成为发展的趋势。要实现以上需求，需要对控制的方式和控制规则进行修改。

以上两种系统一旦建立，其规格、结构和控制规则即固定下来，不能根据需要修改控制方式，或者建立全新的控制规则，因此其可移植性差，一旦作物种植的规模发展，或者需要应用不同的灌溉或施肥项目时，需要进行大量的修改，这种修改不仅需要很长的时间，并且需要较高的计算机专业知识，需要专业人员来实施，其修改的成本很高。

发明内容

本发明解决的技术问题在于克服现有的灌溉智能控制系统的结构和控制规则固定难以改变、可移植性差且难以维修的缺点，提供一种不需要专业的计算机知识即可对灌溉智能控制系统进行开发和修改的灌溉远程智能控制系统通用开发平台。

本发明的灌溉远程智能控制系统通用开发平台，包括：

服务器，运行web服务器和灌溉智能控制模块；

远程浏览器，可通过网络访问所述服务器；

土壤监测设备，用于监测土壤环境参数；

水肥执行设备，用于执行所述服务器的控制指令；

传输模块，与所述水肥执行设备及土壤监测设备通讯以接收和发送所述水肥执行设备和土壤监测设备的数据并对接收和发送的数据进行传输；

控制模块，所述控制模块与所述服务器和所述传输模块通讯以将自所述传输模块接收的数据发送至所述服务器并将所述服务器的控制指令通过传输模块发送至所述水肥执行设备和土壤监测设备；

其中，所述灌溉智能控制模块包括，

信息采集模块，用来采集并显示土壤的参数以对土壤的环境进行实时监测；

数据库，用来记录和存储所述土壤监测设备监测到的信息和灌溉远程智能控制系统各设备的状态信息，所述数据库还响应所述灌溉智能控制模块的其他模块的服务请求并将处理结果返回各个模块；

通讯模块，通过计算机串口与所述控制模块通讯，接收所述土壤监测设备监测到的信息和灌溉远程智能控制系统各设备的状态信息并将上述信息发送给所述数据库，所述通讯模块还将控制指令发送给所述控制模块并将其接收和发送的数据写入所述数据库；

设备控制模块，向所述通讯模块下达控制指令；

设备管理模块，用来根据需求添加或者删除所述控制模块和/或传输模块和/或土壤监测设备和/或水肥执行设备及所述控制模块与所述服务器之间的关系和/或所述控制模块与所述传输模块之间的关系和/或传输模块与土壤监测设备之间的关系和/或所述传输模块与所述水肥执行设备之间的关系以建立和/或修改所述灌溉远程智能控制系统的控制结构；

专家系统模块，具有知识库和规则库，根据地域、土壤特性、灌溉方式、作物类型与作物生育期，为作物提供作物灌溉控制指标及专家系统土壤水分上下限参数值；

数据驱动模块，根据采集到的土壤信息中的含水率预测出深层土壤含水率，并将结果替代采集到的土壤含水率参与控制。

作为优选，所述灌溉智能控制模块还包括可根据需要建立智能控制模型的模型管理模块。

作为优选，所述灌溉智能控制模块还包括用来添加和/或修改所述模型管理模块的变量的参数设置模块。

作为优选，所述服务器连接有1-63个控制模块。

作为优选，所述控制模块包括：

Zigbee无线收发模块，接收和发送所述水肥执行设备和土壤监测设备的数据及所述服务器的控制指令；

双路RS-485串行通讯驱动电路，其中一路RS-485串行通讯驱动电路与所述服务器连接，另一路RS-485串行通讯驱动电路与所述传输模块连接以接收和发送所述水肥执行设备和土壤监测设备的数据及所述服务器的控制指令；

单片机系统，控制所述Zigbee无线收发模块及所述双路RS-485串行通讯驱动电路，并建立收发机制确保数据和传输状态正确；

液晶显示驱动电路，连接有液晶屏以将数据显示在所述液晶屏上；

编号设置电路，确定所述控制模块的地址；

稳压供电电路，对所述控制模块供电。

作为优选，所述传输模块包括与所述控制模块的Zigbee无线收发模块通讯的无线模块和/或与所述控制模块的双路RS-485串行通讯驱动电路连接的输入输出模块和/或与所述控制模块的双路RS-485串行通讯驱动电路连接的脉冲传输模块。

作为优选，所述土壤监测设备包括与所述无线模块/或输入输出模块相连的非脉冲型传感器和/或与所述脉冲传输模块相连的脉冲型传感器。

作为优选，所述脉冲传输模块包括：

脉冲采集电路，与所述脉冲型传感器相连接以采集所述脉冲型传感器的脉冲信号；

RS-485串行通讯驱动电路，与所述控制模块的双路RS-485串行通讯驱动电路中与所述传输模块连接的一路相连，接收和发送所述水肥执行设备和土壤监测设备的数据及所述服务器的控制指令；

单片机系统，接收所述脉冲采集电路输出的信息并对所接收的信息进行数字滤波，所述单片机系统将需要发送的数据传送给所述脉冲传输模块的RS-485串行通讯驱动电路、处理所述脉冲传输模块的RS-485串行通讯驱动电路接收到的数据并建立收发机制以确保数据和传输状态正确；

稳压供电电路，对整个所述脉冲传输模块进行供电。

作为优选，所述无线模块包括：

信号采集电路，与所述非脉冲型传感器连接以采集非脉冲型传感器的数据，所采集的数据经多路模拟转换开关输出；

Zigbee无线收发模块，与所述控制模块的Zigbee无线收发模块通讯，接收和发送所述水肥执行设备和所述非脉冲型传感器的数据及所述服务器的控制指令。

单片机系统，接收所述信号采集电路输出的数据并对所接收的数据进行数字滤波，所述单片机系统还将需要发送的数据传送给所述无线模块的Zigbee无线收发模块、处理所述无线模块的Zigbee无线收发模块接收到的数据并建立收发机制以确保数据和传输状态正确；

输出控制电路，连接多个所述水肥执行设备的继电器节点，可根据所述控制模块返回的控制指令驱动水肥执行设备的开启或关闭以完成对土壤环境的调控；

稳压供电电路，对整个所述无线模块进行供电。

作为优选，所述输入输出模块包括：

信号采集电路，与所述非脉冲型传感器连接以采集所述非脉冲型传感器的信息，所采集的信息经多路模拟转换开关输出；

RS-485串行通讯驱动电路，与所述控制模块的双路RS-485串行通讯驱动电路中与所述传输模块连接的一路连接，接收和发送所述水肥执行设备和所述非脉冲型传感器的数据及所述服务器的控制指令；

单片机系统，接收所述信号采集电路输出的信息并对所接收的信息进行数字滤波，所述单片机系统将需要发送的数据传送给所述输入输出模块的RS-485串行通讯驱动电路、处理所述输入输出模块的RS-485串行通讯驱动电路接收到的数据并建立收发机制以确保数据和传输状态正确；

输出控制模块，连接多个所述水肥执行设备的继电器节点，可根据所述控制模块返回的控制指令驱动水肥执行设备开启或关闭以完成对土壤环境的调控；

稳压供电电路，对整个所述输入输出模块进行供电。

作为优选，所述单片机系统包括：

微控制单元，执行单片机程序指令；

时钟芯片，为所述微控制单元提供时钟脉冲；

A/D转换器接口，实现模数转换；

电可擦可编程只读存储器，用于存储单片机程序指令和数据；

复位电路，实现单片机上电复位功能；

扩展I/O接口，为单片机提供I/O接口；

光电隔离电路，用于提高所述单片机系统的抗干扰能力。

作为优选，每个所述控制模块连接有若干个所述无线模块和/或若干个所述输入输出模块和/或若干个所述脉冲传输模块。

作为优选，每个所述控制模块连接有1-15个所述脉冲传输模块和/或1-15个所述输入输出模块。

作为优选，每个所述输入输出模块连接1至8个非脉冲型传感器和1-8个水肥执行设备的继电器节点，每个无线模块连接1至8个非脉冲型传感器和1-8个水肥执行设备的继电器节点，每个脉冲传输模块连接1至8个脉冲型传感器。

作为优选，所述灌溉智能控制模块还包括进行后期数据处理的统计报表模块、对系统工作中的异常情况提供远程报警的报警管理模块和实现软件模块划分、用户登录和权限管理的用户管理模块。

作为优选，所述非脉冲型传感器包括土壤水分传感器、土壤温度传感器和水压传感器，所述脉冲型传感器包括灌水量传感器、雨量传感器和风速传感器，所述水肥执行设备包括水泵、电磁阀和施肥器。

本发明还提供一种灌溉远程智能控制系统通用开发方法，利用如上所述的灌溉远程智能控制系统通用开发平台开发灌溉远程智能控制系统，包括以下步骤：

（1）根据灌溉的土地规模和需求选择土壤监测设备和水肥执行设备，确定这些土壤监测设备和水肥执行设备的安装方式和安装位置，根据这些土壤监测设备和水肥执行设备的数量和安装位置选择相应数量和种类的传输模块；

（2）操作服务器的灌溉智能控制模块的设备管理模块，根据需求选定并添加或者删除控制模块、传输模块、土壤监测设备和水肥执行设备及所述控制模块与所述传输模块之间的关系和/或传输模块与土壤监测设备之间的关系和/或所述传输模块与所述水肥执行设备之间的关系以建立和/或修改所述灌溉远程智能控制系统的控制结构。

作为优选，还包括步骤（3）：操作服务器的灌溉智能控制模块的模型管理模块以建立所需的智能控制模型。

作为优选，还包括步骤（4）：操作服务器的灌溉智能控制模块的参数设置模块以添加和/或修改所述模型管理模块的变量。

与现有技术相比，本发明的灌溉远程智能控制系统通用开发平台和开发方法具有以下优点：

1、通过本发明的灌溉远程智能控制系统通用开发平台使用者不需要专业的计算机知识，仅需通过简单的操作即可完成灌溉远程智能控制系统的开发和修改，并且可缩短开发和修改的时间，大大降低了灌溉远程智能就控制的成本。另外，通过添加控制模块、传输模块和相关的土壤监测设备和水肥执行设备，可开发出适用于超大规模土地灌溉的远程智能控制系统，并保证信号传输的真实度。

2、通过模型管理模块可建立多种全新的智能控制模型，因而使用者可根据自身需求建立不同的智能控制方式，使得控制更灵活，可适应不同灌溉项目的需求。

3、通过参数设置模块可添加或修改模型管理模块的变量，使用者可通过简单的操作修改控制方式和控制规则，进一步提高了控制方式的灵活性，使其适用范围更广。

4、传输模块包括无线模块、输入输出模块和脉冲传输模块，从而提供了多种通讯方式，可发挥各种通讯方式的优点，满足不同的灌溉项目对通讯的不同需求。

附图说明

图1为本发明的灌溉远程智能控制系统通用开发平台的一实施例的结构示意图。

图2为本发明的灌溉远程智能控制系统通用开发平台的控制模块与传输模块和服务器进行数据传输的主程序流程图。

图3为本发明的灌溉远程智能控制系统通用开发平台的一实施例的灌溉智能控制模块构成示意图。

具体实施方式

图1为本发明的灌溉远程智能控制系统通用开发平台的一实施例的结构示意图。如图1所示，本发明的灌溉远程智能控制系统通用开发平台包括：服务器、远程浏览器、土壤监测设备、水肥执行设备、控制模块和传输模块。

其中服务器运行web服务器和灌溉智能控制模块，远程浏览器可通过网络访问所述服务器。土壤监测设备用于监测土壤的环境参数，土壤监测设备为监测土壤的各种参数的传感器，在本实施例中，土壤监测设备包括非脉冲型传感器和脉冲型传感器，其中非脉冲型传感器包括土壤水分传感器、土壤温度传感器和水压传感器。当然，土壤监测设备还可进一步包括空气温度传感器、空气湿度传感器、CO2传感器、光照传感器、风向传感器和风速传感器等传感器。其中空气湿度传感器的监测数据可参与灌溉的控制，亦可不参与灌溉的控制。其他传感器，如CO2传感器、光照传感器、风向传感器和风速传感器，可仅用于向用户显示作物的其他环境参数，便于用户全面精确地了解作物的生长环境和状态。脉冲型传感器包括灌水量传感器、雨量传感器和风速传感器等。水肥执行设备用于执行所述服务器的控制指令，所述水肥执行设备包括水泵、电磁阀和施肥器等设备，当然亦可根据需要增加其他水肥执行设备。

控制模块与所述服务器和所述传输模块通讯以将自所述传输模块接收的数据发送至所述服务器并将所述自所述服务器的控制指令通过传输模块发送至所述水肥执行设备和土壤监测设备。

控制模块包括Zigbee无线收发模块、RS-485串行通讯驱动电路、单片机系统、液晶显示驱动电路、编号设置电路和稳压供电电路。

其中，所述控制模块中的Zigbee无线收发模块接收和发送所述水肥执行设备和土壤监测设备的数据及所述本地服务器的控制指令。

在本实施例中，采用XBEE pro作为Zigbee无线收发模块，所有的Zigbee无线收发模块通过UART接口与单片机系统连接，遵循IEEE802.15.4标准，构建带有多个路由节点的Zigbee多跳无线网络，传送土壤环境参数和控制指令。

双路RS-485串行通讯驱动电路，其中一路RS-485串行通讯驱动电路与所述本地服务器连接，另一路RS-485串行通讯驱动电路与所述传输模块连接以接收和发送所述水肥执行设备和土壤监测设备的数据及所述本地服务器的控制指令。

单片机系统，执行控制程序并控制所述Zigbee无线收发模块及所述双路RS-485串行通讯驱动电路，并建立收发机制确保数据和传输状态正确。

液晶显示驱动电路连接有液晶屏，在本实施例中，液晶屏为640×480的液晶触摸屏。控制模块将自传输模块接收到的数据重新标定，并通过液晶显示驱动电路显示在触摸液晶屏上，同时将数据打包通过与本地服务器连接的RS-485串行通讯驱动电路发送到本地服务器。

编号设置电路用于确定每个控制模块的地址。稳压供电电路用于对所述控制模块供电。

传输模块与水肥执行设备及土壤监测设备通讯以接收所述水肥执行设备和土壤监测设备的数据并将数据传输给控制模块。所述传输模块包括与所述控制模块的Zigbee无线收发模块通讯的无线模块和/或与所述控制模块的双路RS-485串行通讯驱动电路连接的输入输出模块和/或与所述控制模块的双路RS-485串行通讯驱动电路连接的脉冲传输模块。

有线传输和无线传输有各自的优选点，现场控制更直观，远程控制利于集约化管理和精细控制，不同的灌溉项目对通讯有不同的需求，现有的灌溉控制系统通常使用固定的通讯模式。本发明的灌溉远程智能控制系统通用开发平台同时提供了无线传输和有线传输方式，以及现场和远程控制方式供使用者选择或结合，充分发挥了二者的优点。

其中，所述无线模块包括：信号采集电路、单片机系统、Zigbee无线收发模块、输出控制电路和稳压供电电路。

其中，信号采集电路与非脉冲型传感器连接以采集非脉冲型传感器的数据，所采集的数据经多路模拟转换开关输出。

传输模块的Zigbee无线收发模块与控制模块的Zigbee无线收发模块通讯，接收和发送所述水肥执行设备和非脉冲型传感器的数据及所述服务器的控制指令。

单片机系统接收所述信号采集电路输出的数据并对所接收的数据进行数字滤波，所述单片机系统还将需要发送的数据传送给无线模块的Zigbee无线收发模块、处理无线模块的Zigbee无线收发模块接收到的数据并建立收发机制以确保数据和传输状态正确。单片机系统为Zigbee无线网络建立的软件重发机制，在出现网络阻塞、丢包的时候确保数据正确传输或者返回正确状态。

输出控制电路连接多个水肥执行设备的继电器节点，可根据所述控制模块返回的控制指令驱动水肥执行设备开启或关闭以完成对土壤环境的调控。稳压供电电路对整个所述无线模块进行稳压供电。

在本实施例中，无线模块采用C8051F410作为MCU（Micro Controller Unit微控制单元），采用Digi公司的XBEE pro作为Zigbee无线收发模块，通过UART接口与C8051F410连接。无线模块遵循IEEE802.15.4标准，所有无线模块均以Router节点模式工作，联合以Coordinator节点模式工作的控制模块组成无线传感器网络，在灌溉中实现无线网络覆盖，完成对土壤环境信息、控制指令和土壤监测设备及水肥执行设备的状态参数的传输。

所述输入输出模块包括：信号采集电路、单片机系统、RS-485串行通讯驱动电路、输出控制模块和稳压供电电路。

其中，信号采集电路与非脉冲型传感器连接以采集土壤监测设备的信息，所采集的信息经多路模拟转换开关输出。

传输模块的RS-485串行通讯驱动电路与所述控制模块的双路RS-485串行通讯驱动电路中与所述传输模块连接的一路通讯，接收和发送所述水肥执行设备和非脉冲型传感器的数据及所述服务器的控制指令。

单片机系统接收所述信号采集电路输出的信息并对所接收的信息进行数字滤波。所述单片机系统还将需要发送的数据传送给传输模块的RS-485串行通讯驱动电路、处理传输模块的RS-485串行通讯驱动电路接收到的数据并建立收发机制以确保数据和传输状态正确。

输出控制模块连接多个指水肥执行设备的继电器节点，可根据所述控制模块返回的控制指令驱动水肥执行设备开启或关闭以完成对土壤环境的调控。

稳压供电电路对整个所述输入输出模块进行供电。

在本实施例中，输入输出模块采用C8051F410作为MCU，采用SPX485作为RS-485串行通讯驱动电路的驱动芯片，通过RS-485串行通讯驱动电路与控制模块通讯，组成主从结构的现场总线网络，完成对土壤环境信息、设备控制指令和设备状态的传输。

输入输出模块和无线模块对非脉冲型传感器采集的数据是实时的，接收到非脉冲型传感器的电流信号后通过信号转化电路变为电平信号，经过多路模拟转换开关后进入微控制器进行A/D转换以及数字滤波。当输入输出模块或者无线模块接收到控制模块的指令时，发出通断信号，经光电隔离后驱动小型继电器吸合或关闭，同时检查设备工作状态并将信息返回控制模块。

所述脉冲传输模块包括脉冲采集电路RS-485串行通讯驱动电路、单片机系统和稳压供电电路。

其中，脉冲采集电路与所述脉冲型传感器相连接以采集所述脉冲型传感器的脉冲信号；

RS-485串行通讯驱动电路与所述控制模块的双路RS-485串行通讯驱动电路中与所述传输模块连接的一路相连，接收和发送所述水肥执行设备和土壤监测设备的数据及所述服务器的控制指令；

单片机系统接收所述脉冲采集电路输出的信息并对所接收的信息进行数字滤波，所述单片机系统将需要发送的数据传送给所述脉冲传输模块的RS-485串行通讯驱动电路、处理所述脉冲传输模块的RS-485串行通讯驱动电路接收到的数据并建立收发机制以确保数据和传输状态正确；

稳压供电电路对整个所述脉冲传输模块进行供电。

脉冲传输模块采用220V交流供电，经过开关电源电路转化为直流电为脉冲传输模块或脉冲型传感器供电。脉冲传输模块对传感器采集的数据是实时的，接收到脉冲型传感器的脉冲信号后进行计数。

输入输出模块、无线模块和脉冲传输模块均采用C8051F410作为MUC，SPX485作为RS-485驱动芯片，通过RS-485与控制模块通讯，组成主从结构的现场总线网络，完成对土壤环境信息、设备控制指令和设备状态的传输。

控制模块的Zigbee无线收发射模块与ATmega64L连接，遵循IEEE802.15.4标准，可与若干个无线模块组成Zigbee无线网络，收发环境信息和控制指令。控制模块的一路RS-485接口与若干个输入输出模块和脉冲传输模块连接，收发环境信息和控制指令。另一路RS-485接口通过接口转换器变为RS-232接口与运行灌溉智能控制模块的服务器通讯，完成数据收发，包括土壤监测设备数据、控制指令、状态指令、配置指令和查询指令等。

在本实施例中，所述单片机系统均包括：微控制单元、时钟芯片、A/D转换器接口、EEPROM、复位电路、扩展I/O接口、电源供电模块和光电隔离电路。

其中，微控制单元执行单片机程序指令，时钟芯片为MCU提供时钟脉冲，A/D转换器接口实现模数转换，EEPROM电可擦可编程只读存储器，用于存储单片机程序指令和数据,在本实施例中采用Flash存储器。复位电路用于实现单片机上电复位功能，扩展I/O接口为单片机和其他设备提供I/O接口，光电隔离电路用于提高单片机系统的抗干扰能力，从而提高整个灌溉远程智能控制系统通用开发平台的抗干扰能力。

控制模块与传输模块和服务器的数据传输主程序流程参见图2，如图2所示，图中的上位机为服务器，本机为控制模块，下位机为输出模块。本机上电自检和复位后首先进行设备初始化：扩展I/O接口初始化，时钟芯片初始化和UART接口初始化。本机读取当前设备的配置信息,即存储于控制模块的单片机系统中的电可擦可编程只读存储器的信息。时钟芯片根据显示状态定时刷新各个参数。控制模块与液晶显示屏、上位机和各个下位机按照一定优先条件进行双向通讯：当上位机呼叫本机时，本机收到上位机控制指令，按照控制指令的不同类型分别进行处理，完成数据的传输、指令解析。当本机收到上位机配置指令时，将配置信息写入电可擦可编程只读存储器，在本实施例中为Flash存储器。下发定时时间未到，则继续等待。下发定时时间到，本机将控制指令发送给下位机或者向下位机请求数据指令，收到下位机的应答信息，即接收到灌溉控制设备和采集设备的数据和状态后，对不同类型的信息进行不同的处理。

如图3所示，灌溉智能控制模块包括信息采集模块、信息采集模块、数据库、通讯模块、设备控制模块和设备管理模块、专家系统模块和数据驱动模块。

其中，信息采集模块用来采集并显示土壤的环境参数以对土壤的环境进行实时监测。信息采集模块将各个土壤监测设备按使用者需求分门别类，按组显示土壤监测设备的状态以及数值，实现土壤环境因素的实时监测。如显示空气温度和湿度、土壤水分含量、土壤温度、光照强度、空气中CO2浓度、室外温湿度、降雨情况等。

通讯模块通过计算机串口与所述控制模块通讯，接收信息采集模块发送的环境信息和灌溉远程智能控制系统各设备的状态信息并将上述信息发送给数据库。通讯模块还将控制指令发送给所述控制模块并将其接收和发送的数据写入所述数据库。

数据库用来记录和存储所述土壤监测设备监测到的环境信息和灌溉远程智能控制系统各设备的状态信息，所述数据库还响应所述灌溉智能控制模块的其他模块的服务请求并将处理结果返回各个模块。

设备控制模块向所述通讯模块发送控制指令并按照设备管理模块设定的要求提供展示界面。

设备管理模块用来根据需求添加或者删除所述控制模块、传输模块、土壤监测设备和水肥执行设备及所述控制模块与所述传输模块之间的关系和/或传输模块与土壤监测设备之间的关系和/或所述传输模块与所述水肥执行设备之间的关系以建立和/或修改所述灌溉远程智能控制系统的控制结构。具体为：使用者可以根据需求选定灌溉控制所需的各个硬件设备，并确定这些设备的结构，然后在设备管理模块中添加或者删除各个设备以及这些设备的关系，使之与实际硬件相一致。这样在灌溉智能控制模块中就可以迅速建立或修改出所需的灌溉控制结构，并可以为每一个硬件设备单独命名。在设备管理模块中还可以给灌溉智能控制模块的各个模块添加、删除传感器或者水肥执行设备，单独为每个传感器设定名称和规格，为每个水肥执行设备设定名称和类型，使得它们与实际的硬件保持一致。此外，设备管理模块给所有传感器和水肥执行设备提供灵活的分组功能，使用者可以根据自身习惯快速设定信息采集模块和设备控制模块中的展示规则。

目前常见的灌溉智能控制系统通常仅提供固定的几种控制方式和设备类型，并且其固定的连接方式和扩展能力对作物灌溉施肥的结构、规模造成一定限制。土壤环境和作物灌溉施肥对控制系统的要求千差万别，在控制方式、规则、结构和规模等各个方面都有不同的要求，在这种情况下，既定的几种控制模式和组织结构难以满足需求。本发明的智能远程灌溉控制通用开发平台通过配套的软硬件设计，允许使用者根据需求建立各种不同规模和不同控制方式的灌溉结构，具有极高的自由度和便利的设置方式。

如扩大了作物种植的规模，需要添加水肥执行设备和土壤监测设备，先在设备管理模块中选择需要添加的传输模块、水肥执行设备和土壤监测设备，对其进行添加操作并对其进行命名，并设定其规格，使其名称与规格与实际的设备保持一致。然后设置传输模块与水肥执行设备之间的关系、传输模块和土壤监测设备之间的关系及传输模块与控制模块之间的关系。如果需灌溉的土地规模超大，控制模块与水肥执行设备、土壤监测设备之间的距离较长，可能会导致数据失真，则可添加控制模块并设定添加的控制模块与服务器之间的关系和添加的控制模块与已添加的传输模块之间的关系。农业行业的人员只需通过普通的计算机操作即可完成以上操作，且修改过程仅需1至3天即可完成。当然亦可根据需要，在短时间内构建新的灌溉远程智能控制系统。

所述灌溉智能控制模块还进一步包括可建立多种全新的智能控制模型的模型管理模块。灌溉和施肥的控制需要以作物对环境响应机制为基础，作物的多样性以及生长的复杂性对灌溉和施肥的控制方式提出更高的要求。在这种趋势下，提供固定一种或几种控制方式的控制系统难以满足不同的控制需求。

通过模型管理模块可以独立设定每个灌溉控制设备的控制模式，并为控制模式设定使用者所需的具体规则。在本实施例中，将各个土壤监测设备、水肥执行设备以及时间参数设为独立的变量，通过规范化的布尔代数表达方式，使用者可以通过这些变量或者具体数值迅速地任意设定所需的控制规则。使用者也可以直接选择软件已提供的几种常见控制规则。

所述灌溉智能控制模块还进一步包括用来添加和/或修改所述模型管理模块的变量的参数设置模块。通过参数设置模块可以添加或修改模型管理模块中的变量。控制规则中会涉及到各种数值，在模型管理模块中可以直接使用数值，也可以使用变量。如果使用变量，可以通过参数设置模块为相应的变量赋值，以便使用者对控制规则方便迅速地进行修改。此外，灌溉智能控制模块已经定义了许多常见的传感器和水肥执行设备的规格和参数，使用者在设备管理模块中可以直接选择这些传感器和灌溉控制设备。如果使用者使用了一种新的传感器或者水肥执行设备，可以在参数设置模块中添加新的种类，并确定它们的规格和参数，从而避免对系统进行二次开发。

通过模型管理模块和参数设置模块，本发明的灌溉远程智能控制系统不仅可以提供手动、周期、按日、按月的控制方式和多种智能控制方式，并且允许使用者自行建立全新的智能控制规则，允许使用者采用复杂的控制逻辑和更改不同的控制因素。

专家系统模块具有知识库和规则库，通过专家系统模块可根据地域、土壤特性、灌溉方式、作物类型与作物生育期，为作物提供作物灌溉控制指标及专家系统土壤水分上下限参数值。使用者可还以对专家系统模块中的知识库和规则库进行编辑和更新，通过专家系统模块查询到适用的控制参数并将这些参数应用在灌溉控制中。

数据驱动模块可根据土壤水分传感器采集到的含水率数据预测出深层土壤含水率，并将结果替代采集到的土壤含水率参与控制。具体为，数据驱动模块以实测初始土壤水分和实时表层土壤水分状况、作物生长状况等为基础，将土壤水分运动的数值模拟方法用于深层土壤含水率的预报，对土壤水分做出模拟预报，起到更合理的指导灌溉的作用。使用者可以设定预报的初始条件，或者根据需求选择开启或关闭该模块。当启用该模块时，数据驱动模块通过采集到的土壤水分传感器数据，即含水率，预测出深层土壤含水率，并将结果替代采集到的土壤水分传感器数据参与控制。

服务器可添加的控制模块为1-63个，每个所述控制模块可连接1-15个所述脉冲传输模块和/或1-15个所述输入输出模块及若干个脉冲传输模块。每个所述输入输出模块可连接1至8个非脉冲型传感器和1-8个水肥执行设备的继电器节点，每个无线模块可连接1至8个非脉冲型传感器和1-8个水肥执行设备的继电器节点，每个脉冲传输模块可连接1至8个脉冲型传感器。如此，本发明的灌溉远程智能控制系统通用开发平台可开发出适合超大规模灌溉远程智能控制系统，其开发和修改的操作简单，大大节省了时间和金钱成本。

所述灌溉智能控制模块还可进一步包括统计报表模块、报警管理模块和用户管理模块，如图3所示。

统计报表模块可分别显示各个土壤监测设备的当前和历史数据，并自动生成曲线，或者显示各个水肥执行设备的当前和历史工作状态，并自动生成曲线。同时提供土壤监测设备和水肥执行设备历史数据的打印和导出功能。通过报警管理模块可以设定报警功能，当监测到降雨、大风、低温、水压过低等现象时，自动终止相应灌溉控制设备的工作。此外，当监测到某个灌溉控制设备长时间没有工作时，向使用者指定的邮箱发送邮件报警。

通过用户管理模块可以建立多个用户账户，并为每个账户分配不同的权限。使用者可以根据需求将每个模块的每个操作的权限分配给不同的账户。

当使用者将本发明应用到一个具体的灌溉项目时，首先根据灌溉的土地规模和需求确定土壤监测设备，即各类传感器的种类、规格和数量，以及水肥执行设备的种类和数量，并确定这些传感器和水肥执行设备的安装方式和安装位置。然后根据这些传感器和水肥执行设备的数量和安装位置选择相应数量的输入输出模块、无线模块和脉冲传输模块，其中有线传感器传输对应输入输出模块，无线的传感器对应无线模块，脉冲型传感器对应脉冲传输模块。再根据输入输出模块、无线模块和脉冲传输模块的数量和安装位置选择相应数量的控制模块。由于硬件上采用模块化设计，软件上每一个传感器或者水肥执行设备都可以独立设置，因此本发明的硬件结构非常灵活，几乎可以满足任何形式的灌溉需求，同时避免硬件成本的浪费。

确定了硬件结构后就可以对灌溉智能控制模块进行设置。各类传感器的品牌和型号虽然很多，但是根据它们的量程、输出信号类型和范围，绝大部分都属于常见的几十种规格。在灌溉智能控制模块的参数设置模块中已经保存了这些常见的传感器规格，如果遇到新规格的传感器，可以在参数设置模块中输入新传感器的类别、单位、量程、信号类型和信号范围即可添加新的传感器规格。水肥执行设备的情况类似，当遇到新类别的水肥执行设备时在参数设置模块中输入该水肥执行设备的类别即可添加新的水肥执行设备。通过这样硬件软件相配合的方式即可满足不同传感器和水肥执行设备对智能灌溉控制系统的要求。

在设备管理模块中可以建立控制结构。根据硬件的数量和结构，依次添加相应数量的控制模块。之后在每个控制模块下添加相应数量的输入输出模块、无线模块和脉冲传输模块。最后在各个输入输出模块、无线模块和脉冲传输模块下添加相应的传感器或者水肥执行设备。这样即可使得软件中的控制结构与硬件保持一致，满足不同类型的灌溉项目在数量和结构上对智能灌溉控制系统的要求。在设备管理模块中还需要为每个传感器选择相应的规格，由于这些规格在参数设置模块中已经定义，因此仅需从传感器列表中选择既可。同样仅需在水肥执行设备列表中选择相应的类别既可。此外，在设备管理模块中还可以为每个传感器和水肥执行设备命名和灵活分组，使他们按照使用者的习惯在信息采集模块和设备控制模块中展示。

建立控制结构后还需要在模型管理模块中设定每个设备的工作模式和各自的控制规则。工作模式包括手动模式、周期模式、按日模式、按月模式和智能模式。手动模式无需设定参数，周期模式需要设定开启时间、开启时长和关闭时长，按日模式和按月模式需要设定每次开启和关闭的时间点，智能模式需要设置具体的控制规则。所有参数既可以是数值，也可以使变量，使用者可以根据需要灵活选择。所有传感器的数值、所有设备的工作状态均为变量，变量名是传感器和灌溉控制设备的名称。时间点、时间长度以及其他参数的变量在参数设置模块中添加后即可使用。本发明使用布尔代数的形式描述水肥执行设备的控制规则。首先将水肥执行设备的控制规则用正则表达式表达，然后运用布尔代数将表达式分解为若干步，每一步仅包含一次逻辑运算。然后在模型管理模块中按照给定的形式输入每一步的变量名称/数值和逻辑运算符号。这样使用者无需计算机或者自动控制的专业知识即可设定灵活多变的控制规则，同时使用者可以方便地修改或者建立全新的控制规则而无需进行二次开发。使用者也可以直接选择软件已提供的几种常见控制规则。

使用者还可以在报警管理模块中设定报警的条件，或者取消报警功能。还可以在用户管理模块中添加删除用户账户，并将每个模块的每个操作的权限分配给不同的账户，以方便管理。

在本实施例中，WEB服务器采用Apache的Tomcat，应用JSP技术和Servlet程序，完成主要事务逻辑并生成动态页面，实现灌溉远程智能控制系统通用开发平台的WEB页面发布。通过本发明的灌溉远程智能控制系统通用开发平台，不需要安装任何专用软件或硬件，仅需通过PC、手机、平板电脑的浏览器即可对服务器进行完整的访问与控制。

本发明还提供一种灌溉远程智能控制系统通用开发方法，利用如上所述的灌溉远程智能控制系统通用开发平台开发灌溉远程智能控制系统，其特征在于，包括以下步骤：

（1）根据灌溉土地的规模和需求选择土壤监测设备和水肥执行设备，确定这些土壤监测设备和水肥执行设备的安装方式和安装位置，根据这些土壤监测设备和水肥执行设备的数量和安装位置选择相应数量和种类的传输模块；

（2）操作服务器的灌溉智能控制模块的设备管理模块，根据需求选定并添加或者删除控制模块、传输模块、土壤监测设备和水肥执行设备及所述控制模块与所述传输模块之间的关系和/或传输模块与土壤监测设备之间的关系和/或所述传输模块与所述水肥执行设备之间的关系以建立和/或修改所述灌溉远程智能控制系统的控制结构。

作为优选，本发明的灌溉远程智能控制系统通用开发方法还包括步骤（3）：操作服务器的灌溉智能控制模块的模型管理模块以根据需要建立多种全新的智能控制模型。

作为优选，本发明的灌溉远程智能控制系统通用开发方法还包括步骤（4）：操作服务器的灌溉智能控制模块的参数设置模块以添加和/或修改所述模型管理模块的变量。

使用者还可在远程通过PC、手机、平板电脑中的远程浏览器经由Internet或3G网络访问服务器，通过交互页面构建和/或修改灌溉远程智能控制系统的控制结构。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出的各种修改或等同替换也落在本发明的保护范围内。

Claims (19)

1.一种灌溉远程智能控制系统通用开发平台，其特征在于，包括：

服务器，运行web服务器和灌溉智能控制模块；

远程浏览器，可通过网络访问所述服务器；

土壤监测设备，用于监测土壤环境参数；

水肥执行设备，用于执行所述服务器的控制指令；

传输模块，与所述水肥执行设备及土壤监测设备通讯以接收和发送所述水肥执行设备和土壤监测设备的数据并对接收和发送的数据进行传输；

控制模块，所述控制模块与所述服务器和所述传输模块通讯以将自所述传输模块接收的数据发送至所述服务器并将所述服务器的控制指令通过传输模块发送至所述水肥执行设备和土壤监测设备；

其中，所述灌溉智能控制模块包括：

信息采集模块，用来采集并显示土壤的参数以对土壤的环境进行实时监测；

数据库，用来记录和存储所述土壤监测设备监测到的信息和灌溉远程智能控制系统各设备的状态信息，所述数据库还响应所述灌溉智能控制模块的其他模块的服务请求并将处理结果返回各个模块；

通讯模块，通过计算机串口与所述控制模块通讯，接收所述土壤监测设备监测到的信息和灌溉远程智能控制系统各设备的状态信息并将上述信息发送给所述数据库，所述通讯模块还将控制指令发送给所述控制模块并将其接收和发送的数据写入所述数据库；

设备控制模块，向所述通讯模块下达控制指令；

设备管理模块，用来根据需求添加或者删除所述控制模块和/或传输模块和/或土壤监测设备和/或水肥执行设备及所述控制模块与所述服务器之间的关系和/或所述控制模块与所述传输模块之间的关系和/或传输模块与土壤监测设备之间的关系和/或所述传输模块与所述水肥执行设备之间的关系以建立和/或修改所述灌溉远程智能控制系统的控制结构；

专家系统模块，具有知识库和规则库，根据地域、土壤特性、灌溉方式、作物类型与作物生育期，为作物提供作物灌溉控制指标及专家系统土壤水分上下限参数值；

数据驱动模块，根据采集到的土壤信息中的含水率预测出深层土壤含水率，并将结果替代采集到的土壤含水率参与控制。

2.根据权利要求1所述的灌溉远程智能控制系统通用开发平台，其特征在于：所述灌溉智能控制模块还包括可根据需要建立智能控制模型的模型管理模块。

3.根据权利要求2所述的灌溉远程智能控制系统通用开发平台，其特征在于：所述灌溉智能控制模块还包括用来添加和/或修改所述模型管理模块的变量的参数设置模块。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的灌溉远程智能控制系统通用开发平台，其特征在于：所述服务器连接有1-63个控制模块。

5.根据权利要求4所述的灌溉远程智能控制系统通用开发平台，其特征在于，所述控制模块包括：

Zigbee无线收发模块，接收和发送所述水肥执行设备和土壤监测设备的数据及所述服务器的控制指令；

双路RS-485串行通讯驱动电路，其中一路RS-485串行通讯驱动电路与所述服务器连接，另一路RS-485串行通讯驱动电路与所述传输模块连接以接收和发送所述水肥执行设备和土壤监测设备的数据及所述服务器的控制指令；

单片机系统，控制所述Zigbee无线收发模块及所述双路RS-485串行通讯驱动电路，并建立收发机制确保数据和传输状态正确；

液晶显示驱动电路，连接有液晶屏以将数据显示在所述液晶屏上；

编号设置电路，确定所述控制模块的地址；

稳压供电电路，对所述控制模块供电。

6.根据权利要求5所述的灌溉远程智能控制系统通用开发平台，其特征在于：所述传输模块包括与所述控制模块的Zigbee无线收发模块通讯的无线模块和/或与所述控制模块的双路RS-485串行通讯驱动电路连接的输入输出模块和/或与所述控制模块的双路RS-485串行通讯驱动电路连接的脉冲传输模块。

7.根据权利要求6所述的灌溉远程智能控制系统通用开发平台，其特征在于：所述土壤监测设备包括与所述无线模块/或输入输出模块相连的非脉冲型传感器和/或与所述脉冲传输模块相连的脉冲型传感器。

8.根据权利要求7所述的灌溉远程智能控制系统通用开发平台，其特征在于，所述脉冲传输模块包括：

脉冲采集电路，与所述脉冲型传感器相连接以采集所述脉冲型传感器的脉冲信号；

RS-485串行通讯驱动电路，与所述控制模块的双路RS-485串行通讯驱动电路中与所述传输模块连接的一路相连，接收和发送所述水肥执行设备和土壤监测设备的数据及所述服务器的控制指令；

单片机系统，接收所述脉冲采集电路输出的信息并对所接收的信息进行数字滤波，所述单片机系统将需要发送的数据传送给所述脉冲传输模块的RS-485串行通讯驱动电路、处理所述脉冲传输模块的RS-485串行通讯驱动电路接收到的数据并建立收发机制以确保数据和传输状态正确；

稳压供电电路，对整个所述脉冲传输模块进行供电。

9.根据权利要求7所述的灌溉远程智能控制系统通用开发平台，其特征在于，所述无线模块包括：

信号采集电路，与所述非脉冲型传感器连接以采集非脉冲型传感器的数据，所采集的数据经多路模拟转换开关输出；

Zigbee无线收发模块，与所述控制模块的Zigbee无线收发模块通讯，接收和发送所述水肥执行设备和所述非脉冲型传感器的数据及所述服务器的控制指令；

单片机系统，接收所述信号采集电路输出的数据并对所接收的数据进行数字滤波，所述单片机系统还将需要发送的数据传送给所述无线模块的Zigbee无线收发模块、处理所述无线模块的Zigbee无线收发模块接收到的数据并建立收发机制以确保数据和传输状态正确；

输出控制电路，连接多个所述水肥执行设备的继电器节点，可根据所述控制模块返回的控制指令驱动水肥执行设备的开启或关闭以完成对土壤环境的调控；

稳压供电电路，对整个所述无线模块进行供电。

10.根据权利要求7所述的灌溉远程智能控制系统通用开发平台，其特征在于，所述输入输出模块包括：

信号采集电路，与所述非脉冲型传感器连接以采集所述非脉冲型传感器的信息，所采集的信息经多路模拟转换开关输出；

RS-485串行通讯驱动电路，与所述控制模块的双路RS-485串行通讯驱动电路中与所述传输模块连接的一路连接，接收和发送所述水肥执行设备和所述非脉冲型传感器的数据及所述服务器的控制指令；

单片机系统，接收所述信号采集电路输出的信息并对所接收的信息进行数字滤波，所述单片机系统将需要发送的数据传送给所述输入输出模块的RS-485串行通讯驱动电路、处理所述输入输出模块的RS-485串行通讯驱动电路接收到的数据并建立收发机制以确保数据和传输状态正确；

输出控制模块，连接多个所述水肥执行设备的继电器节点，可根据所述控制模块返回的控制指令驱动水肥执行设备开启或关闭以完成对土壤环境的调控；

稳压供电电路，对整个所述输入输出模块进行供电。

11.根据权利要求8-10中任一项所述的灌溉远程智能控制系统通用开发平台，其特征在于，所述单片机系统包括：

微控制单元，执行单片机程序指令；

时钟芯片，为所述微控制单元提供时钟脉冲；

A/D转换器接口，实现模数转换；

电可擦可编程只读存储器，用于存储单片机程序指令和数据；

复位电路，实现单片机上电复位功能；

扩展I/O接口，为单片机提供I/O接口；

光电隔离电路，用于提高所述单片机系统的抗干扰能力。

12.根据权利要求11所述的灌溉远程智能控制系统通用开发平台，其特征在于：每个所述控制模块连接有若干个所述无线模块和/或若干个所述输入输出模块和/或若干个所述脉冲传输模块。

13.根据权利要求12所述的灌溉远程智能控制系统通用开发平台，其特征在于：每个所述控制模块连接有1-15个所述脉冲传输模块和/或1-15个所述输入输出模块。

14.根据权利要求13所述的灌溉远程智能控制系统通用开发平台，其特征在于：每个所述输入输出模块连接1至8个非脉冲型传感器和1-8个水肥执行设备的继电器节点，每个无线模块连接1至8个非脉冲型传感器和1-8个水肥执行设备的继电器节点，每个脉冲传输模块连接1至8个脉冲型传感器。

15.根据权利要求1-3中任一项所述的灌溉远程智能控制系统通用开发平台，其特征在于：所述灌溉智能控制模块还包括进行后期数据处理的统计报表模块、对系统工作中的异常情况提供远程报警的报警管理模块和实现软件模块划分、用户登录和权限管理的用户管理模块。

16.根据权利要求7-10中任一项或12-14中任一项所述的灌溉远程智能控制系统通用开发平台，其特征在于，所述非脉冲型传感器包括土壤水分传感器、土壤温度传感器和水压传感器，所述脉冲型传感器包括灌水量传感器、雨量传感器和风速传感器，所述水肥执行设备包括水泵、电磁阀和施肥器。

17.一种灌溉远程智能控制系统通用开发方法，利用如权利要求1-14中任一项所述的灌溉远程智能控制系统通用开发平台开发灌溉远程智能控制系统，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据灌溉的土地规模和需求选择土壤监测设备和水肥执行设备，确定这些土壤监测设备和水肥执行设备的安装方式和安装位置，根据这些土壤监测设备和水肥执行设备的数量和安装位置选择相应数量和种类的传输模块；

(2)操作服务器的灌溉智能控制模块的设备管理模块，根据需求选定并添加或者删除控制模块、传输模块、土壤监测设备和水肥执行设备及所述控制模块与所述传输模块之间的关系和/或传输模块与土壤监测设备之间的关系和/或所述传输模块与所述水肥执行设备之间的关系以建立和/或修改所述灌溉远程智能控制系统的控制结构。

18.根据权利要求17所述的灌溉远程智能控制系统通用开发方法，其特征在于，还包括步骤(3)：操作服务器的灌溉智能控制模块的模型管理模块以建立所需的智能控制模型。

19.根据权利要求18所述的灌溉远程智能控制系统通用开发方法，其特征在于，还包括步骤(4)：操作服务器的灌溉智能控制模块的参数设置模块以添加和/或修改所述模型管理模块的变量。