CN104880225A - 基于物联网的农作物种植田间小气候信息感知系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的农作物种植田间小气候信息感知系统。本发明可实现实时对田间环境温湿度、光照度、土壤温湿度、风速、风向、降雨量的采集；可在田间使用无线的方式进行组网，大大减少在数据传输过程中占有的资源量，降低实施成本，并且便于安装、维护，在控制室进行统一监测田间气候，提高了监测效率，节约了人力成本；可根据气候状况，控制外部设备，对田间小气候进行调控，有利于提高农作物的产量；可以保证气候数据的监测连续性和准确性，准确指导农业生产。

Description

基于物联网的农作物种植田间小气候信息感知系统

所属技术领域

本发明涉及气候监测技术领域，具体涉及一种基于物联网的农作物种植田间小气候信息感知系统。

背景技术

随着耕地面积的不断减少、人口的不断增加，对农产品产量和质量的要求不断提高，农田环境难以实时监测与控制，农产品的质量安全问题日益突出，已经成为制约我国农业健康发展的瓶颈。

农作物的生长、发育以及产量的高低，均受田间气候因素的影响和制约。气候因素包括空气温湿度、土壤温湿度、风速、风向、降雨量和光照度等。合理调节这些因素，可以有效地增加农作物的产量或减少自然灾害对作物的影响， 对环境因素数据进行实时、准确地采集是实践精准农业和农田现代化管理的重要基础。但是由于农田环境信息具有多样性、多变性和分散性的特点，而且对它的釆集大多数是在广域空间内进行，这些都给农田环境信息的快速获取带来了困难。

传统的人工控制方式难以达到科学合理种植的要求，目前国内可以实现上述环境因子自动监控的系统还不多见。在现有技术中，对于农业气象的监控主要采用两种，一种是通过人力方式监控，但这种方式检测准确性低，并且存在检测过程中容易出现间断，参考数据不连续，进而造成监测结果难以准确指导生产；一种是通过现代的智能系统来检测，虽然解决得了检测的连续性问题，但是网络资源问题又突显出来，比如通过无线信号传输监测数据，传统的无线通过移动通信模块传输时，流量使用大，实施成本高，不利于农村的经济发展。

目前，物联网技术飞速发展，物联网可实现物与物之间的智能化识别、监控和管理，极大地方便了气候监测工作，因此，基于物联网来监测田间气候成为发展的一个趋势。

发明内容

本发明提供一种基于物联网的农作物种植田间小气候信息感知系统，该系统可实现对环境温湿度、光照度、土壤温湿度、风速、风向、降雨量的检测，能够保证气候数据的检测连续性和准确性，准确指导农业生产。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于物联网的农作物种植田间小气候信息感知系统，该系统包括：

数据采集模块，用于采集各种气候数据；

数据处理模块，用于处理各种气候数据；

无线数据传输模块，用于将数据采集模块采集的气候数据无线传输给数据处理模块；

显示终端，用于显示气候数据；

中控模块，用于协调系统中各模块协同工作；

所述数据采集模块包括传感器单元和无线数据采集终端；

其中，所述数据采集模块与数据模块处理模块通过无线数据传输模块无线连接，所述数据处理模块与中控模块连接，所述显示终端与中控模块连接。

优选的，所述无线数据采集终端包括：包括MCU、模拟量输入单元、开关量输入单元、继电器输出单元、数字量输出单元、SRAM单元、RTC单元、看门狗单元、RS232/RS485/RS422单元、无线单元以及电源单元；

其中模拟量输入单元、开关量输入单元与MCU连接，MCU与继电器输出单元、数字量输出模块单元，同时MCU还与SRAM单元、RTC单元、看门狗单元、RS232/RS485/RS422单元、无线单元以及LED指示灯单元；RS232/RS485/RS422单元与用户接口电路连接，无线单元连接ZigBee传输天线和适配器电路。

优选的，所述无线数据传输模块包括ZigBee接收天线、适配器电路和数据总线，用于接收数据采集终端无线信号，并经由数据总线传输给所述数据处理模块。

优选的，所述传感器单元包括：括空气温度传感器、空气湿度传感器、土壤水分传感器、土壤温度传感器、光照度传感器、风速传感器、风向传感器以及雨量传感器中的一种或两种及以上的组合。

优选的，数据处理模块将采集的气候数据通过BP神经网络进行校准，解决一般传感器测量的非线性误差，同时剔除错误的数据，获得更加准确的数据；然后通过自适应加权融合方式对多个传感器的测量数据进行融合，根据融合推理结果，获得被测对象的当前状态。该方法能够实现对单个传感器数据的优化处理，并从整体上考虑了多个数据的融合互补性，提高了监测系统的可靠性、精确性，满足了农田气候监测的需要。

优选的，各种传感器均配备三个以上，数据处理模块在对某项气候数据进行处理的过程中，进行三取二表决，屏蔽掉单个传感器的输出故障，具体过程为：多个传感器同时执行相同的操作，以多数相同的输出作为表决系统的正确输出，即将三组数据的平均值作为标准进行表决，去掉三组数据中偏离平均值较大的数据，选出两个“正确”的数据，再将这二个数据进行平均后将平均值作为最终结果输出。

 优选的，该中控模块还包括用于操控外部设备改变环境变量的控制单元，控制单元和微处理器相连接；微处理器还用以依据农业环境数据控制控制单元，进而操控外部设备改变环境变量。通过增设用于操控外部设备改变环境变量的控制单元，可以实现农业环境的自动控制，例如在土壤缺水时控制水阀实现自动浇水等功能。

优选的，所述数据处理模块为低功耗单片机，优选采用MSP430F149单片机，当然亦可以采用其他的单片机，比如ARM单片机或者是AVR单片机。

本发明具有以下优点和有益效果：（1）数据采集模块可实现实时对田间环境温湿度、光照度、土壤温湿度、风速、风向、降雨量的采集；（2）在田间使用无线的方式进行组网，大大减少在数据传输过程中占有的资源量，降低实施成本，并且便于安装、维护，在控制室进行统一监测田间气候，提高了监测效率，节约了人力成本；（3）可根据气候状况，控制外部设备，对田间小气候进行调控，有利于提高农作物的产量；（4）改进的数据采集终端和数据处理模块可以保证气候数据的监测连续性和准确性，准确指导农业生产。

附图说明

图1示出了本发明的一种基于物联网的农作物种植田间小气候信息感知系统的框图。

具体实施方式

图1是示出了本发明的一种基于物联网的农作物种植田间小气候信息感知系统。该系统包括：数据采集模块1，用于采集各种气候数据；数据处理模块3，用于处理各种气候数据；无线数据传输模块2，用于将数据采集模1块采集的气候数据无线传输给数据处理模块3；显示终端5，用于显示气候数据；中控模块4，用于协调系统中各模块协同工作，优选的，所述中控模块4核心控制芯片采用STM32F103RCT6微处理器；所述数据采集模块1包括传感器单元11和无线数据采集终端12。

中控模块4安装有监控软件并配置有后台实时数据库，所述监控软件具有监控功能且能将数据存储为软件格式。中控模块安装定制开发的监控软件，实现对监控数据的连续采集、查看和保存。该软件具有多种监控功能，如实时监控、实时曲线显示、历史曲线显示、报警等。软件配置后台实时数据库，可根据实际需求存储所采集的数据，如定时存储、变化存储等；同时软件支持将数据存储为Excel等常用软件格式，便于后续对数据的使用。

其中，所述数据采集模块1与数据模块处理模块3通过无线数据传输模块2无线连接，所述数据处理模块3与中控模块4连接，所述显示终端5与中控模块4连接。

所述无线数据采集12终端包括：包括MCU、模拟量输入单元、开关量输入单元、继电器输出单元、数字量输出单元、SRAM单元、RTC单元、看门狗单元、RS232/RS485/RS422单元、无线单元以及电源单元；其中模拟量输入单元、开关量输入单元与MCU连接，MCU与继电器输出单元、数字量输出模块单元，同时MCU还与SRAM单元、RTC单元、看门狗单元、RS232/RS485/RS422单元、无线单元以及LED指示灯单元；RS232/RS485/RS422单元与用户接口电路连接，无线单元连接ZigBee传输天线和适配器电路。所述MCU优选为微处理器MSP430F149。

所述无线数据采集终端12采用高性能工业级无线模块、高性能工业级32位通信处理器，支持多级休眠和唤醒模式，最大限度降低功耗，内置实时时钟(RTC)，支持定时开关机。优选采用金属外壳，保护等级IP30，金属外壳和系统安全隔离，特别适合于工控现场的应用。所述无线数据采集终端采用WDT看门狗设计，保证系统稳定，采用完备的防掉线机制，保证数据终端永远在线，S232/RS485接口内置15KV ESD保护，天线接口防雷保护。

所述无线数据传输模块2包括ZigBee接收天线、适配器电路和数据总线，用于接收数据采集终端12发出的无线信号，并经由数据总线传输给所述数据处理模块。

所述传感器单元11包括：括空气温度传感器、空气湿度传感器、土壤水分传感器、土壤温度传感器、光照度传感器、风速传感器、风向传感器以及雨量传感器（图1未示出）中的一种或两种及以上的组合。

数据处理模块3将采集的气候数据通过BP神经网络进行校准，解决一般传感器测量的非线性误差，同时剔除错误的数据，获得更加准确的数据；然后通过自适应加权融合方式对多个传感器的测量数据进行融合，根据融合推理结果，获得被测对象的当前状态。该方法能够实现对单个传感器数据的优化处理，并从整体上考虑了多个数据的融合互补性，提高了监测系统的可靠性、精确性，满足了农田气候监测的需要。

各种传感器均配备三个以上，数据处理模块3在对某项气候数据进行处理的过程中，进行三取二表决，屏蔽掉单个传感器的输出故障，具体过程为：多个传感器同时执行相同的操作，以多数相同的输出作为表决系统的正确输出，即将三组数据的平均值作为标准进行表决，去掉三组数据中偏离平均值较大的数据，选出两个“正确”的数据，再将这二个数据进行平均后将平均值作为最终结果输出。例如，温度传感器组包括三个温度传感器，其所采集的三组输入量分别记为A，B和C，经过求和后分别与三倍的A，B和C做减法，等效得到平均值与每个输入值的差值，然后经过比较器得到偏离平均值最大的输入量，依此作为选择器的输入，如果输入量A偏离最大，则输出(B+C)/2，依次类推。

上述三模冗余处理得到的温度结果可进一步由数据处理模块3通过温度校正模型进行校正，以提高温湿度测量精度。具体的温湿度校正模型有多种现有的实现方式，在此不做进一步赘述。

同时，可以对偏离平均值大的数据进行故障判别，如果超过一定值判断为该数据对应的传感器故障，因此，系统还具有故障检测能力，可以周期性或在需要时检测故障，发现故障后能及时定位，进行故障处理，减少二次故障发生的概率。

该中控模块4还包括用于操控外部设备改变环境变量的控制单元，控制单元和微处理器相连接；微处理器还用以依据农业环境数据控制控制单元，进而操控外部设备改变环境变量。通过增设用于操控外部设备改变环境变量的控制单元，可以实现农业环境的自动控制，例如在土壤缺水时控制水阀实现自动浇水等功能。

所述数据处理模块3为低功耗单片机，优选采用MSP430F149单片机，当然亦可以采用其他的单片机，比如ARM单片机或者是AVR单片机。

如上所述，虽然根据实施例所限定的实施例和附图进行了说明，但对本技术领域具有一般知识的技术人员来说能从上述的记载中进行各种修改和变形。例如，根据与说明的技术中所说明的方法相不同的顺序来进行，或根据与说明的系统、结构、装置、电路等构成要素所说明的方法相不同的形态进行结合或组合，或根据其他构成要素或均等物进行替换或置换也可达成适当的效果。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于物联网的农作物种植田间小气候信息感知系统，该系统包括：

数据采集模块，用于采集各种气候数据；

数据处理模块，用于处理各种气候数据；

无线数据传输模块，用于将数据采集模块采集的气候数据无线传输给数据处理模块；

显示终端，用于显示气候数据；

中控模块，用于协调系统中各模块协同工作；

所述数据采集模块包括传感器单元和无线数据采集终端；

其中，所述数据采集模块与数据模块处理模块通过无线数据传输模块无线连接，所述数据处理模块与中控模块连接，所述显示终端与中控模块连接。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无线数据采集终端包括：包括MCU、模拟量输入单元、开关量输入单元、继电器输出单元、数字量输出单元、SRAM单元、RTC单元、看门狗单元、RS232/RS485/RS422单元、无线单元以及电源单元；

其中模拟量输入单元、开关量输入单元与MCU连接，MCU与继电器输出单元、数字量输出模块单元，同时MCU还与SRAM单元、RTC单元、看门狗单元、RS232/RS485/RS422单元、无线单元以及LED指示灯单元；RS232/RS485/RS422单元与用户接口电路连接，无线单元连接ZigBee传输天线和适配器电路。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述无线数据传输模块包括ZigBee接收天线、适配器电路和数据总线，用于接收数据采集终端无线信号，并经由数据总线传输给所述数据处理模块。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述传感器单元包括：空气温度传感器、空气湿度传感器、土壤水分传感器、土壤温度传感器、光照度传感器、风速传感器、风向传感器以及雨量传感器中的一种或两种及以上的组合。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，数据处理模块将采集的气候数据通过BP神经网络进行校准，解决一般传感器测量的非线性误差，同时剔除错误的数据，获得更加准确的数据；然后通过自适应加权融合方式对多个传感器的测量数据进行融合，根据融合推理结果，获得被测对象的当前状态。

6.如权利要求1-5任一所述的系统，其特征在于，各种传感器均配备三个以上，数据处理模块在对某项气候数据进行处理的过程中，进行三取二表决，屏蔽掉单个传感器的输出故障，具体过程为：多个传感器同时执行相同的操作，以多数相同的输出作为表决系统的正确输出，即将三组数据的平均值作为标准进行表决，去掉三组数据中偏离平均值较大的数据，选出两个“正确”的数据，再将这二个数据进行平均后将平均值作为最终结果输出。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，该中控模块还包括用于操控外部设备改变环境变量的控制单元，控制单元和微处理器相连接；微处理器还用以依据农业环境数据控制控制单元，进而操控外部设备改变环境变量.通过增设用于操控外部设备改变环境变量的控制单元，可以实现农业环境的自动控制，例如在土壤缺水时控制水阀实现自动浇水等功能。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述数据处理模块为低功耗单片机，优选采用MSP430F149单片机。