CN105766566A - 一种基于无线定位技术的园圃微灌方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线定位技术的园圃微灌方法及系统，包括处理器、植株、微灌喷头和安装在微灌喷头上的无线传感器装置；处理器依据无线传感器装置收集到的传感数据和植株定位信息计算喷水方案，并按照喷水方案控制微灌喷头喷水。本发明有助于减少管理人员规模、提高生产效率、增强自动化水平，具有理论与实际应用上的意义。

Description

一种基于无线定位技术的园圃微灌方法及系统

技术领域

本发明涉及园圃灌溉，尤其是一种基于无线定位技术的园圃微灌方法及系统。

背景技术

我国是传统农业大国，发展农业及其相关产业具有国计民生的现实意义。温房培育在农业种植中一直占据重要地位，跨季蔬菜、水果花卉、水稻育种等一系列农业活动离不开温房的存在，而温房的灌溉系统以及温度控制都是影响作物生长的重要指标。

目前，我国温房培育自动化水平不高，如申请号201080045542.0公开的喷洒器，虽然改进了喷洒装置的结构，但依然不能够实时根据园圃内的环境状态随时调整喷头，此外，现有的园圃中加热、降温、灌溉、施肥还需要专门的种植人员，能耗、浇灌控制精度不够，仍属于粗放型生产阶段。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明旨在提供一种基于无线定位技术的园圃微灌装置及其方法。

技术方案：一种基于无线定位技术的园圃微灌方法，包括以下步骤：(1)现场设备读取无线传感器装置的传感数据并发送至处理器；处理器将植株作为盲节点进行定位；

(2)处理器依据传感数据和植株定位信息计算喷水方案；

(3)处理器按照喷水方案控制微灌喷头喷水。

进一步的，还包括如下步骤：

(4)处理器通过无线通信装置将传感数据和植株定位信息发送至监控终端，监控终端进行实时监控并通过无线通信装置向处理器传输控制指令。

进一步的，步骤(1)中所述的将植株作为盲节点进行定位具体包括如下子步骤：

(1.1)将微灌喷头作为AP节点进行定位和编号，在定位的过程中采集园圃无线信号的功率值，绘制无线信道特征图谱；

(1.2)实地测量微灌喷头的实际位置并对无线信道特征图谱进行修正，得到各个AP节点的坐标位置(x_i，y_i)，其中下标i表示AP节点的编号；

(1.3)所有AP节点依次向盲节点发射射频信号，在盲节点测量功率计算距离，设置功率阈值，并将低于阈值的AP节点舍去，选取10个高于阈值ε₁的AP节点，如果节点不满10个，降低阈值再次选取，如果节点多于10个，则提高阈值再次选取，直至只有10个高于阈值的AP节点；

(1.4)对所选择的AP节点进行排序和分组，根据三角测量对盲节点进行定位，结合AP节点的坐标位置，计算盲节点的坐标位置(x_k，y_k)，其中下标k表示盲节点的定位的次数，即第k次盲节点定位；

(1.5)绘制盲节点范围图，盲节点坐标范围为盲节点坐标位置+误差阈值ε₂，顺次连接坐标范围边界得到盲节点范围图；

(1.6)对比盲节点的坐标位置(x_k，y_k)的无线信道特征与无线信道特征图谱，选择误差最小的3个盲节点的坐标位置(x_n，y_n)，；

(1.7)对步骤(1.6)中选择的3个盲节点进行加权平均与坐标定位，定位得到的坐标位置(x_m，y_m)即为最终测定的植株的位置。

进一步的，步骤(2)具体包括如下子步骤：

(2.1)由无线定位程序定位待浇灌植株的具体位置，即植株的(xm，ym)坐标；

(2.2)读取土壤渗透率图谱，选取最接近植株的3个微灌喷头；

(2.3)结合土壤渗透率图谱分别计算单独选取1个微灌喷头进行灌溉、选取任意2个微灌喷头组合进行灌溉或3个微灌喷头共同灌溉的总用水量，选择总用水量最小的方案；所述用水量V＝∑ρ(r)·s_ik·t；

其中，ρ(r)为微灌喷头与植株间的土壤渗透率，r为微灌喷头与植株之间的距离，s_ik为第i只微灌喷头第k个喷嘴的灌溉流速，t为灌溉时间；

总用水量最小的方案为V_best＝min∑ρ(r)·s_ik·t；

(2.4)根据总用水量最小方案中微灌喷头与植株的位置选择喷头，得到修正方案一，与原方案进行对比，若差异在阈值之内则执行修正方案一；否则依据最接近植株的3个微灌喷头，结合土壤渗透率图谱、植株位置、微灌喷头喷出口位置，再次修正方案，得到修正方案二。

一种基于无线定位技术的园圃微灌系统，包括处理器、无线通信装置、现场装置和植株，所述现场装置包括微灌喷头，所述微灌喷头上安装有无线传感器装置；无线通信装置接收到无线传感器装置收集到的传感数据并传输至处理器，处理器依据传感数据和植株定位信息计算喷水方案，并按照喷水方案控制微灌喷头喷水。

进一步的，所述无线传感器装置内设有Zigbee模块和/或WiFi模块，无线传感器装置包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器和二氧化碳传感器其中的一种或多种。

进一步的，所述现场装置还包括雾化加湿器、散热风扇和升降幕布，处理器依据传感数据控制现场装置工作。

进一步的，所述植株上贴有无线信标无线传感器装置通过获取盲节点的位置信息对植株进行定位。

进一步的，所述处理器通过无线通信装置将传感数据和植株定位信息发送至监控终端，监控终端进行实时监控并通过无线通信装置向处理器传输控制指令。

进一步的，无线通信装置包括WiFi模块与4G模块，处理器根据网络状况选择使用WiFi模块或4G模块。

有益效果：

(1)本发明采用微灌碰头、配合节水算法，计算植株生长所需的最佳水量，避免过度灌溉，并且配置用水回收装置进一步节省农业用水；

(2)本发明采用无线通信技术，简化了网络布线，节省成本，并且避免了有线通信中通信线路腐蚀的问题；

(3)本发明采用配置价格低廉、电源要求低、可循环使用的基于ZigBee协议的芯片，采用这些无线通信芯片可以实现无线通信、无线定位和无线驱动；

(4)本发明基于“无线信道特征”技术的无线定位算法；无线信道特征是无线通信的“指纹”，通过核对该处的无线信道特征可以进一步减小ZigBee定位误差；

(5)本发明采用基于“土壤渗透率”的微灌节水算法，只需测定种植区域的土壤渗透率，结合测定最近的微灌喷头与植物的距离，计算最少的用水量，该算法不仅可以用以灌溉，也适用于所有液体农药、营养液等可灌溉液体；

(6)本发明具备Wifi、4G两种与外部Internet通信方式，这两种通信方式可以根据当地的网络情况任意选择使用，搭配灵活，性价比高；

(7)本发明有助于减少管理人员规模、提高生产效率、增强自动化水平，具有理论与实际应用上的意义。

附图说明

图1是智能恒温园圃装置结构组成拓扑图；

图2是本发明无线定位技术的工作原理图；

图3是无线定位技术软件流程图；

图4是微灌喷头的俯视图；

图5是微灌喷头的主视图；

图6是微灌节水算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，如图1所示，一种基于无线定位技术的园圃微灌系统，引入物联网4.0、集散控制系统的概念，包括处理器、无线通信装置、现场装置和植株，所述现场装置包括微灌喷头，所述微灌喷头上安装有无线传感器装置；现场装置还包括雾化加湿器、散热风扇和升降幕布，无线通信装置接收到无线传感器装置收集到的传感数据并传输至处理器，处理器依据传感数据控制现场装置工作；处理器依据传感数据和植株定位信息计算喷水方案，并按照喷水方案控制微灌喷头喷水。

其中处理器以ARM嵌入式处理器_ARM9S3C2440为核心，无线传感器装置内设有Zigbee模块和/或WiFi模块，无线传感器装置基于CC2531芯片，也可以选配基于Wifi_CC3200的芯片，可实现构建无线通讯网络、无线传感器定位、驱动无线装置；无线传感器装置包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器和二氧化碳传感器，基于Zigbee_CC2531的芯片可将数据小范围传输，如果需要远距离传输需要通过处理层处理，再通过网络层向外界传输；可选用基于Wifi_CC3200所设计的无线传感器装置，能够直接与外界Internet进行通讯，无需经过网络层过渡。

植株上贴有无线信标作为盲节点，无线传感器装置通过获取盲节点的位置信息对植株进行定位，植株的无线信标基于CC2530芯片。

处理器还连接有无线通信装置，本实施例中的处理器直接集成CC2531芯片、CC3200芯片、4G模块ME906C，可实现微灌算法处理、无线定位处理、历史数据记录、ZigBee/WiFi协议转换、Wifi/4G协议转换等工作。

处理器通过无线通信装置将传感数据和植株定位信息发送至监控终端，本实施例中监控终端即上位机包括电脑和手机，监控终端进行实时监控并通过无线通信装置向处理器传输控制指令；无线通信装置包括WiFi模块与4G模块，处理器根据网络状况选择使用WiFi模块或4G模块。

处理层控制相关无线通讯模块与外界监控设备交换数据，可以将现场情况通过Internet网络传送给上位机(电脑/手机)，可以读取上位机发送的控制指令并安装相关指令控制现场层设备。

一种基于无线定位技术的园圃微灌方法，包括以下步骤：

(1)现场设备读取无线传感器装置的传感数据并发送至处理器；处理器将植株作为盲节点进行定位；

如图2是基于“无线信道特征”技术的无线定位技术工作原理图，无线信道是指无线传输中电磁波所经历的路径，信号从发射天线到接收端的传输过程中会经历复杂的传输路径，包括直射路径、反射路径、衍射路径、散射路径及其以上所述多种路径的复合，这些传输路径的变化以及外界的影响表现在会使得无线信号的功率有所衰减，对于种植园圃，蔬菜、瓜果、植物而言一旦相对位置固定之后是一个缓慢变化的量值，其变化程度相对于相同位置的无线信号衰减程度而言可以忽略不计，因此种植园圃相同位置的无线信号特性值相对固定，具有独立性与唯一性，测量出种植园圃所有位置的无线信号特征值之后，可以编绘出无线信号特征图谱，这个图谱类似于“精密地图”。结合CC2531的ZigBee无线定位功能与种植园圃的无线信道特征可以便捷的定位当前的植株与微灌喷头的位置。

图2中所有的正五边形，是已装设ZigBee无线定位功能的微灌喷头，即AP节点；正三角形是需要定位的植株，待定位盲点。

步骤(1)中所述的将植株作为盲节点进行定位具体包括如下子步骤：

(1.1)将微灌喷头作为AP节点进行定位和编号，在定位的过程中采集园圃无线信号的功率值，绘制无线信道特征图谱；

(1.2)实地测量微灌喷头的实际位置并对无线信道特征图谱进行修正，得到各个AP节点的坐标位置(x_i，y_i)，其中下标i表示AP节点的编号；

(1.3)所有AP节点依次向盲节点发射射频信号，在盲节点测量功率计算距离，设置功率阈值，并将低于阈值的AP节点舍去，即舍去距离盲节点过远的AP节点，选取10个高于阈值ε1的AP节点，如果节点不满10个，降低阈值再次选取，如果节点多于10个，则提高阈值再次选取，直至只有10个高于阈值的AP节点；

(1.4)对所选择的AP节点进行排序和分组，根据三角测量对盲节点进行定位，结合AP节点的坐标位置，计算盲节点的坐标位置(x_k，y_k)，其中下标k表示盲节点的定位的次数，即第k次盲节点定位；

(1.5)绘制盲节点范围图，盲节点坐标范围为盲节点坐标位置+误差阈值ε2，顺次连接坐标范围边界得到盲节点范围图，即盲节点实际位置必在此范围图之内；

(1.6)对比盲节点的坐标位置(x_k，y_k)的无线信道特征与无线信道特征图谱，选择误差最小的3个盲节点的坐标位置(x_n，y_n)，下标n为与无线信道特征图谱对比后误差最小的盲节点；

(1.7)对步骤(1.6)中选择的3个盲节点进行加权平均与坐标定位，定位得到的坐标位置(x_m，y_m)即为最终测定的植株的位置；下标m为盲节点最终的定位。

如图3是无线定位技术软件流程图，软件开始时，首先实施①系统初始化，之后②系统广播，配置参考节点。参考节点是指图2中的微灌喷头，即正五边形的AP节点，询问③是否配置完网络内所有的参考节点？如果否，跳转至②系统广播，配置参考节点，参考节点为系统的主要构成部分，在连接网络前应进行相应的测试；如果是，进行下一步④返回参考节点配置。依次以一个参考节点为原点，绘制系统的RSSI指纹图，平均所有参考节点RSSI的指纹参数，可以得到较为精确的平均指纹图。之后⑤系统广播，配置盲节点。盲节点配置时，采用任意3个参考节点的距离值进行圈注，依次比较其距离值，选择最小距离值的参考节点进行测量标注。之后⑥返回盲节点的配置，确定盲节点的相关类型，确定用于测量的参考节点的相关信息。之后⑦盲节点位置数据请求，向盲节点发送测量指令。之后⑧判断盲节点的请求次数<N1？N1为预设的用于等待盲节点响应的循环次数。如果盲节点未能在规定次数内响应，即否状态，则测距失败，跳转至返回盲节点位置信息。如果盲节点在规定次数内响应，即是状态，则判断下一步⑨是否连接上盲节点？如何未能连接上盲节点，即否状态，则跳转至⑦盲节点位置数据请求，再次向盲节点发送测量指令，在跳转过程中，需要判断次数<N2，N2是如果未能连接上盲节点，尝试再次连接盲节点的次数。如何连接上盲节点，即是状态，则向盲节点发送位置测定请求，及⑩发送XY-RSSI请求，并接受盲节点回传的位置信息，及接收XY-RSSI响应。接着判断范围内是否所有的参考节点都响应XY-RSSI请求。如果不是所有的参考节点都响应，则需跳转至⑩发送XY-RSSI请求，请求所有的参考节点全部再次进行测量，在跳转过程中，需要判断次数<N3，N3是如果不是所有的参考节点都进行了测量，则需要再次测量的次数。如果所有的参考节点都响应，即所有的参考节点都进行了测量，则返回盲节点位置信息。至此可以测量出盲节点的位置信息。

如图4、图5所示，微灌喷头在一个单元上集成了8个雾化喷出口，根据算法选择合适的喷头及其合适的喷出口进行灌溉，即进行步骤(2)处理器依据传感数据和植株定位信息计算喷水方案，如图6所示，步骤(2)具体包括如下子步骤：

(2.1)由无线定位程序定位待浇灌植株的具体位置，即植株的(x_m，y_m)坐标；

(2.2)读取土壤渗透率图谱，选取最接近植株的3个微灌喷头；

(2.3)结合土壤渗透率图谱分别计算满足灌溉需求时单独选取1个微灌喷头进行灌溉、选取任意2个微灌喷头组合进行灌溉或3个微灌喷头共同灌溉的总用水量，选择总用水量最小的方案；用水量V＝∑ρ(r)·s_ik·t；

其中，ρ(r)为微灌喷头与植株间的土壤渗透率，r为微灌喷头与植株之间的距离，s_ik为第i只微灌喷头第k个喷嘴的灌溉流速，t为灌溉时间；

总用水量最小的方案为V_best＝minΣρ(r)·s_ik·t；

(2.4)根据总用水量最小方案中微灌喷头与植株的位置选择喷头，得到修正方案一，与原方案进行对比，若差异在阈值之内则执行修正方案一；否则依据最接近植株的3个微灌喷头，结合土壤渗透率图谱、植株位置、微灌喷头喷出口位置，再次修正方案，得到修正方案二。

之后进行步骤(3)处理器按照喷水方案控制微灌喷头喷水。

(4)处理器通过无线通信装置将传感数据和植株定位信息发送至监控终端，监控终端进行实时监控并通过无线通信装置向处理器传输控制指令。

Claims (10)

1.一种基于无线定位技术的园圃微灌方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)现场设备读取无线传感器装置的传感数据并发送至处理器；处理器将植株作为盲节点进行定位；

(2)处理器依据传感数据和植株定位信息计算喷水方案；

(3)处理器按照喷水方案控制微灌喷头喷水。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线定位技术的园圃微灌方法，其特征在于，还包括如下步骤：

(4)处理器通过无线通信装置将传感数据和植株定位信息发送至监控终端，监控终端进行实时监控并通过无线通信装置向处理器传输控制指令。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线定位技术的园圃微灌方法，其特征在于，步骤(1)中所述的将植株作为盲节点进行定位具体包括如下子步骤：

(1.1)将微灌喷头作为AP节点进行定位和编号，在定位的过程中采集园圃无线信号的功率值，绘制无线信道特征图谱；

(1.2)实地测量微灌喷头的实际位置并对无线信道特征图谱进行修正，得到各个AP节点的坐标位置(x_i，y_i)，其中下标i表示AP节点的编号；

(1.3)所有AP节点依次向盲节点发射射频信号，在盲节点测量功率计算距离，设置功率阈值，并将低于阈值的AP节点舍去，选取10个高于阈值ε₁的AP节点，如果节点不满10个，降低阈值再次选取，如果节点多于10个，则提高阈值再次选取，直至只有10个高于阈值的AP节点；

(1.4)对所选择的AP节点进行排序和分组，根据三角测量对盲节点进行定位，结合AP节点的坐标位置，计算盲节点的坐标位置(x_k，y_k)，其中下标k表示盲节点的定位的次数，即第k次盲节点定位；

(1.5)绘制盲节点范围图，盲节点坐标范围为盲节点坐标位置+误差阈值ε₂，顺次连接坐标范围边界得到盲节点范围图；

(1.6)对比盲节点的坐标位置(x_k，y_k)的无线信道特征与无线信道特征图谱，选择误差最小的3个盲节点的坐标位置(x_n，y_n)，；

(1.7)对步骤(1.6)中选择的3个盲节点进行加权平均与坐标定位，定位得到的坐标位置(x_m，y_m)即为最终测定的植株的位置。

4.根据权利要求1所述的一种基于无线定位技术的园圃微灌方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括如下子步骤：

(2.1)由无线定位程序定位待浇灌植株的具体位置，即植株的(xm，ym)坐标；

(2.2)读取土壤渗透率图谱，选取最接近植株的3个微灌喷头；

(2.3)结合土壤渗透率图谱分别计算单独选取1个微灌喷头进行灌溉、选取任意2个微灌喷头组合进行灌溉或3个微灌喷头共同灌溉的总用水量，选择总用水量最小的方案；所述用水量V＝∑ρ(r)·s_ik·t；

其中，ρ(r)为微灌喷头与植株间的土壤渗透率，r为微灌喷头与植株之间的距离，s_ik为第i只微灌喷头第k个喷嘴的灌溉流速，t为灌溉时间；

总用水量最小的方案为V_best＝min∑ρ(r)·s_ik·t；

(2.4)根据总用水量最小方案中微灌喷头与植株的位置选择喷头，得到修正方案一，与原方案进行对比，若差异在阈值之内则执行修正方案一；否则依据最接近植株的3个微灌喷头，结合土壤渗透率图谱、植株位置、微灌喷头喷出口位置，再次修正方案，得到修正方案二。

5.一种基于无线定位技术的园圃微灌系统，其特征在于，包括处理器、无线通信装置、现场装置和植株，所述现场装置包括微灌喷头，所述微灌喷头上安装有无线传感器装置；无线通信装置接收到无线传感器装置收集到的传感数据并传输至处理器，处理器依据传感数据和植株定位信息计算喷水方案，并按照喷水方案控制微灌喷头喷水。

6.根据权利要求5所述的一种基于无线定位技术的园圃微灌系统，其特征在于，所述无线传感器装置内设有Zigbee模块和/或WiFi模块，无线传感器装置包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器和二氧化碳传感器其中的一种或多种。

7.根据权利要求5所述的一种基于无线定位技术的园圃微灌系统，其特征在于，所述现场装置还包括雾化加湿器、散热风扇和升降幕布，处理器依据传感数据控制现场装置工作。

8.根据权利要求5所述的一种基于无线定位技术的园圃微灌系统，其特征在于，所述植株上贴有无线信标无线传感器装置通过获取盲节点的位置信息对植株进行定位。

9.根据权利要求5所述的一种基于无线定位技术的园圃微灌系统，其特征在于，所述处理器通过无线通信装置将传感数据和植株定位信息发送至监控终端，监控终端进行实时监控并通过无线通信装置向处理器传输控制指令。

10.根据权利要求9所述的一种基于无线定位技术的园圃微灌系统，其特征在于，所述无线通信装置包括WiFi模块与4G模块，处理器根据网络状况选择使用WiFi模块或4G模块。