CN106258858A - 一种农业灌溉节水系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种农业灌溉节水系统，系统包括：Web平台、无线网关、无线终端设备；其中，Web平台和无线网关之间采用移动通信网络进行通信，无线网关和无线终端设备之间采用近距离无线通信网络进行通信。Web平台下发控制指令给无线网关，无线网关将指令转发给无线终端设备，再由无线终端设备作出相应的操作并返回结果。所述Web平台包括灌溉计划模块，其用于针对不同作物、不同环境属性、以及实时墒情数据、管道压力等来制定灌溉策略。本系统实现了智能化、有针对性的灌溉策略制定；并能实时监测区域环境，远距离控制设备，进而实现自动化灌溉；提高了灌溉的节水能力和精准度。
Description
技术领域
本发明涉及农业灌溉技术领域，尤其涉及一种农业灌溉节水系统。
背景技术
当前农业生产管理面临着许多困难与瓶颈，主要为：农业生产环境多变，信息要素难以快速准确、低成本地获取，农业生产主体复杂，需求也千变万化，难以精确捕捉等。随着经济的发展，农业用水日益紧缺，对于农业管理中节水的需求越来越紧迫。
现有技术中，采用人工控制喷灌速度和流量，以实现节水灌溉的方法中，工作人员只是凭借已有经验，进行调节控制，不仅精确度低，还增加了农业种植成本，同时也造成水资源不必要的浪费。为了实现灌溉过程中的节水要求，现有智能灌溉主要考虑区域气候因素，而忽视了已有灌溉状态、农作物品种差别、瞬时气候等因素的影响，使得灌溉测量不能实时调整，且不能不能针对局部进行灌溉。
因此，有必要提供一种农业灌溉节水系统，能针对不同区域、不同作物，不同灌溉时间、不同需水量进行灌溉策略定制，并能实时监测区域环境、制定有针对性的灌溉策略，实现自动化灌溉，以及提高灌溉的节水能力和精准度。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种农业灌溉节水系统，用以解决现有农业灌溉系统自动化程度不高的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
提供一种农业灌溉节水系统，包括：Web平台、无线网关、无线终端设备；
其中，Web平台和无线网关之间采用移动通信网络进行通信，无线网关和无线终端设备之间采用近距离无线通信网络进行通信。
所述Web平台进一步包括：信息接收模块、显示模块、输入模块、注册模块、数据库、通信模块、统计模块、灌溉计划模块；其中，
信息接收模块用于接收无线网关上传的信息；
显示模块用于实现显示功能；
输入模块用于实现命令输入功能；
注册模块用于实现无线网关和无线终端设备的注册认证；
数据库用于数据存储；
统计模块用于根据用户需求对相关数据进行统计分析，并图表化展现；
通信模块用于根据用户需求向无线网关发出控制指令；
灌溉计划模块用于制定灌溉策略。
优选的，上述灌溉计划模块根据以下规则制定灌溉策略：
a.将不同作物、不同环境属性的地块划分为不同的灌溉单元；
b.在每个灌溉单元中，根据墒情数据、管道压力数据、气象数据、海拔、种植作物进行统计分析，插花式编制轮灌组，并对轮灌组的灌溉顺序进行编制；
c.根据作物需求不同，制定触发灌溉的墒情下限和停止灌溉的墒情上限，并设置灌溉时长上限；
d.根据采集的环境信息，对墒情上下限进行动态调整；
e.通过建模统计分析得到最佳灌溉策略。
所述无线网关利用太阳能供电。无线网关根据项目面积、阀门分布情况进行排布，每个无线网关设置不同的频点或网络ID，与关联的无线终端设备进行通讯。
所述无线终端设备进一步包括控制终端设备和采集终端设备；其中，控制终端设备包括阀门、水泵、软启动器、变频器；采集终端设备包括土壤温湿度、压力、光照、降水、二氧化氮、管道压力、流量、采集植物生长参数的传感设备，以及视频设备。采集终端设备能进行定时采集和上报，并响应Web平台的召测。
优选的，上述阀门的控制方法为：由Web平台发送阀门开/关的控制指令给无线网关，无线网关将上述控制指令转发给对应的阀门，由阀门执行控制指令。
优选的，上述阀门上设置有压力传感器，还设置有物理开关状态接口；阀门将管道压力状态、阀门开/关状态、命令状态、连线状态和报警信息实时上报给无线网关，由无线网关进一步上报给Web平台。
优选的，上述阀门控制方法中还包括单查过程，所述单查是由Web平台发送查询请求给无线网关进行指定阀门的查询，无线网关根据阀门的实时上报，将阀门的状态反馈给Web平台。
本发明有益效果如下：
本发明公开了一种农业灌溉节水系统，能针对不同区域、不同作物，不同灌溉时间、不同需水量进行灌溉策略定制，实现智能化、有针对性的制定灌溉策略；并能实时监测区域环境，远距离控制设备，进而实现自动化灌溉；提高了灌溉的节水能力和精准度。可以应用于农业灌溉、温室大棚、环境监测、机井控制、城市管网、灾情预警等多种场景。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为农业灌溉节水系统的结构示意图；
图2为插花式编制轮灌组的示意图；
图3为灌溉顺序的示意图；
图4为无线网关的注册和连接保持的通信示意图；
图5为农业灌溉节水系统的数据召测控制流程图；
图6为农业灌溉节水系统的阀门控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
根据本发明的一个具体实施例，公开了一种农业灌溉节水系统，如图1所示，所述系统包括：Web平台、无线网关、无线终端设备；Web平台和无线网关之间采用移动通信网络，如GPRS进行通信，无线网关和无线终端设备之间采用近距离无线通信网络进行通信。
所述Web平台按功能分为后台和前台两部分。
后台功能包括：根据不同用户进行权限分配；对用户、设备、项目的管理；对采集数据的查询、统计分析；对智能设备的运行情况的监控；对通讯协议的管理；对无线终端设备进行召测参数设置；对无线终端设备进行远程升级；通过智能节灌算法实现灌溉策略的制定等。
前台功能包括：实现展示和命令输入，展示包括：节灌项目在地图上的展示，对灌溉策略及轮灌计划的展示，种植信息、土壤墒情信息、管道压力等的信息显示；命令输入包括上述展示控制指令、对灌溉策略及轮灌计划的管理指令，统计指令等等指令的输入。例如，上述节灌项目在地图上的展示具体为：用户登录成功后，在地图上定位到项目所在位置，用户可以直观看到项目的整体范围；还能看到灌溉单元的划分，以及项目中包含的网关设备的位置；同时还能看到哪些出地桩在灌溉；进入具体灌溉单元则可以看到分干管和出地桩的位置。
具体地，所述Web平台包括：信息接收模块、显示模块、输入模块、注册模块、数据库、通信模块、统计模块、灌溉计划模块；其中，
信息接收模块用于接收无线网关上传以及无线终端设备通过无线网关上传的信息；
显示模块用于实现上述Web平台前台的显示功能；
输入模块用于实现上述Web平台前台的命令输入功能；
注册模块用于实现无线网关和无线终端设备的注册认证；
数据库用于实现数据存储；
统计模块用于根据用户需求对相关数据进行统计分析，并图表化展现；
通信模块用于根据用户命令、升级、注册、灌溉策略等需求向无线网关发出控制指令；
灌溉计划模块用于按照预设规则，根据具体节灌项目的种植情况、水源情况、海拔情况、气象情况进行综合判断制定灌溉策略，其中，所述预设规则如下：
a.将不同作物、不同环境属性的地块划分为不同的灌溉单元；
b.在每个灌溉单元中，根据墒情数据、管道压力数据、气象数据、海拔、种植作物进行统计分析，插花式编制轮灌组，并对轮灌组的灌溉顺序进行编制；
所述插花式编制轮灌组，并不是现有技术中按照地理方位顺序和物理分干管顺序来控制阀门，而是依据墒情数据、管道压力数据、气象数据、海拔、种植作物等实际情况来编制轮灌组，进而在灌溉时通过选择轮灌组来控制阀门。例如，如图2所示，当前右侧选中轮灌组编制内的阀门既不在一个分干管上，也不在一个地理方位上，而是根据上述实际情况归属于一轮灌组。系统中包括多个不同轮灌组，各轮灌组采用不同的灌溉策略或阀门控制策略。
编制的灌溉顺序如图3所示，对某一项目的某一灌溉计划，可以定义它的轮灌组及轮灌组的灌溉顺序和时长，即定义该灌溉计划包括的轮灌组、灌溉组之间的灌溉顺序(先灌哪个轮灌组，后灌哪个轮灌组)、每个轮灌组灌溉多长时间。
c.根据作物需求不同，制定触发灌溉的墒情下限和停止灌溉的墒情上限，并设置灌溉时长上限；
d.根据采集的环境信息(日照、温度、湿度、降水信息)，通过模型公式对墒情上下限进行动态调整，甚至是启动临时停止或临时开启灌溉策略；
所述通过模型公式对墒情上下限进行动态调整具体是指：根据实时采集的环境信息，进行模型计算，得到动态的触发灌溉的墒情下限和停止灌溉的墒情上限。
具体模型公式如下：
墒情上限、下限：W＝(a*S/S0+b*T/T0-c*P/P0)*W0，
式中，a、b、c是系数，灌溉地的气候条件不同，则a、b、c的初始取值不同，且墒情上限和下限的取值也不同，S是实际日照值，S0是适宜日照值，T是实际温度值，T0是适宜温度值，P是实际降水值，P0是适宜降水值，W0是适宜墒情值。
e.对智能灌溉涉及的所有数据进行建模统计分析，得到最佳灌溉策略；
具体地，所述通过建模统计分析，得到最佳灌溉策略是指，根据d中的模型公式，通过代入实测数据，通过统计学方法或利用大数据处理和信息挖掘技术，不断调整系数a、b、c，最终得到经过修正的最优墒情上下限的计算模型，该模型就是最佳灌溉策略的模型。
f.对整个智能灌溉流程的各节点进行记录，并通知项目管理人员，如管理人员对智能灌溉有异议，可进行干预，切换灌溉模式为人工灌溉。
所述灌溉计划模块制定出灌溉策略后，通信模块向无线网关发送控制指令，无线网关进一步控制无线终端设备，例如控制阀门执行开/关操作。
无线网关是Web平台和无线终端设备之间通信的桥梁。无线网关通过移动通信网络连接Web平台，通过ZigBee无线自组网、433Hhz技术等近距离通信协议与无线终端设备之间相互连接。无线网关主要利用太阳能供电。
无线网关的分布根据具体项目面积、阀门分布情况而定，网关设备尽量避免跨越灌溉单元通讯。每个无线网关设置不同的频点或网络ID，与关联的无线终端设备进行通讯，以避免通讯网络结构复杂化。
无线终端设备有多个，进一步包括控制终端设备和采集终端设备；采集终端设备包括土壤温湿度、压力、光照、降水、二氧化氮、管道压力、流量等传感器，以及采集植物生长参数的传感器或者视频设备；控制终端设备包括阀门、水泵、软启动器、变频器等。各个采集终端设备可以定时采集和上报，也可以响应Web平台的召测，实现实时采集。例如，针对管道流量和压力的召测，用于判断阀门是否被打开，或者管道内部压力能否打开阀门。阀门控制终端采取电池供电方式，接收无线网关发送的指令，并作出相应的开/关控制操作。
通常情况下，光照、降水、二氧化氮传感器采集终端设备在一个节灌项目中各设置一个即可；土壤温湿度、压力传感器采集终端设备根据轮灌组编制及海拔情况确定确定分布；水泵控制终端设备根据项目实际水源情况确定数量和分布位置；采集植物生长参数的传感器或者视频设备分布根据具体需求布置。
农业灌溉节水系统具有如下3个主要业务流程
1.设备管理，(如图4所示)
1.1无线网关的注册
无线网关通过注册报文，向Web平台发起请求，Web平台根据注册报文中的设备地址确认该设备是否允许注册，并返回注册应答给无线网关。
1.2无线终端设备的注册
Web平台通过对长连接的无线网关发起无线终端设备注册报文，命令无线网关设备向通讯范围内的无线终端设备发起注册请求，通讯范围内所有通讯正常的无线终端设备收到广播后将向无线网关响应注册报文，无线网关将无线终端设备的注册报文透传给Web平台，以便Web平台获知无线网关下关联的所有无线终端设备。
1.3无线网关与Web平台的连接保持
网关设备按照配置的心跳周期(状态心跳300秒/次)向Web平台发起普通心跳报文，以保持连接，同时将无线网关中配置的常用参数上报给平台。
1.4无线网关的参数设置
Web平台可以通过在普通心跳报文的应答中返回不同的参数来修改无线网关的连接方式、心跳周期、采集周期、存储周期和时间等。
2.数据采集和上报业务
无线网关按照设定的采集周期命令各无线终端设备采集数据，并将采集到的数据发送给无线网关，无线网关按照配置的存储周期将采集数据进行临时存储，在普通心跳报文得到Web平台应答后，将临时存储的采集数据以一条数据报文的形式上报给Web平台。环境参数(如温湿度、日照、降水、二氧化氮等)可以通过上述方法进行定时上报，也可以通过以下控制业务实现实时召测。数据采集和上报的数据流即是农业灌溉节水系统的采集通道。
农业灌溉节水系统的数据召测控制流程如图5所示，Web平台发送数据召测指令给无线网关，无线网关转发该指令至相关的采集终端设备，采集终端设备通过召测响应将指令中需要的召测数据上传到无线网关并进行临时存储。在Web平台和无线网关之间完成心跳连接之后，无线网关将上述临时存储的召测数据上报给Web平台，当无线网关接收到Web平台返回的数据上报成功的消息时，无线网关删除对应的数据。以上流程实现了通过Web平台发出控制指令进行数据采集。
本发明的采集终端设备并不局限于上述具体设备，还可以添加其他环境传感器、环境参数采集设备等。
3.控制业务
如果有控制任务，则无线网关和Web平台之间配置为长连接方式，此方式下除了普通心跳报文外，无线网关还需以90s一次的间隔向平台发起链路心跳，以保持连接。在Web平台获取到控制指令后，Web平台对无线网关下发控制指令，以便完成召测、设置、设备控制、升级等需求，再由无线网关转发控制指令给相关无线终端设备，再由无线终端设备作出相应的操作并返回结果。控制指令的下发和反馈，即是农业灌溉节水系统的控制通道。
具体地，
农业灌溉节水系统的阀门控制流程如图6所示，Web平台发送某一单(多)控阀门开/关的控制指令给无线网关，无线网关将上述控制指令转发给对应的单(多)控阀门，由单(多)控阀门执行控制。
优选的，还可以由Web平台发送一组阀门开/关的控制指令给无线网关，无线网关将上述控制指令转发给对应的多个阀门，由对应的多个阀门执行控制指令。上述多个阀门可以采用单(多)控阀门。
上述各阀门上可以设置压力传感器，用于采集管道压力；还可以设置物理开关状态接口，用于获知阀门的开/关状态。阀门可以将管道压力状态、阀门开/关状态、命令状态和连线状态实时上报给无线网关，且阀门还可以将指示管道压力、阀门开/关、命令状态、连线状态的报警信息上报给无线网关，由无线网关进一步上报给Web平台。
阀门控制流程还包括单查过程，所述单查是指Web平台发送查询请求给无线网关进行指定阀门的查询，无线网关根据单(多)控阀门的实时上报，将单(多)控阀门的状态反馈给Web平台。
本发明的应用环境也不局限于实施例的农业灌溉，也可以应用于农业灌溉、温室大棚、环境监测、机井控制、城市管网、灾情预警等方面。
综上所述，本发明实施例提供了一种农业灌溉节水系统，实现了农业灌溉自动化；有针对性、智能化地制定灌溉策略，具体能针对不同区域、不同作物，不同灌溉时间、不同需水量进行灌溉策略定制；还能实现灌溉设备的远距离控制；同时能实时监测区域环境，管理人员能够实时获知土地和作物的状况，为更好的进行节水灌溉提供了基础，提高灌溉的节水能力和精准度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种农业灌溉节水系统，其特征在于，所述系统包括：Web平台、无线网关、无线终端设备；其中，Web平台和无线网关之间采用移动通信网络进行通信，无线网关和无线终端设备之间采用近距离无线通信网络进行通信。
2.根据权利要求1所述的农业灌溉节水系统，其特征在于，所述Web平台进一步包括：信息接收模块、显示模块、输入模块、注册模块、数据库、通信模块、统计模块、灌溉计划模块；其中，
信息接收模块用于接收无线网关上传的信息；
显示模块用于实现显示功能；
输入模块用于实现命令输入功能；
注册模块用于实现无线网关和无线终端设备的注册认证；
数据库用于数据存储；
统计模块用于根据用户需求对相关数据进行统计分析，并图表化展现；
通信模块用于根据用户需求向无线网关发出控制指令；
灌溉计划模块用于制定灌溉策略。
3.根据权利要求2所述的农业灌溉节水系统，其特征在于，所述灌溉计划模块根据以下规则制定灌溉策略：
a.将不同作物、不同环境属性的地块划分为不同的灌溉单元；
b.在每个灌溉单元中，根据墒情数据、管道压力数据、气象数据、海拔、种植作物进行统计分析，插花式编制轮灌组，并对轮灌组的灌溉顺序进行编制；
c.根据作物需求不同，制定触发灌溉的墒情下限和停止灌溉的墒情上限，并设置灌溉时长上限；
d.根据采集的环境信息，对墒情上下限进行动态调整；
e.通过建模统计分析得到最佳灌溉策略。
4.根据权利要求1所述的农业灌溉节水系统，其特征在于，所述无线网关利用太阳能供电。
5.根据权利要求1所述的农业灌溉节水系统，其特征在于，所述无线网关根据项目面积、阀门分布情况进行排布，每个无线网关设置不同的频点或网络ID，与关联的无线终端设备进行通讯。
6.根据权利要求1所述的农业灌溉节水系统，其特征在于，无线终端设备进一步包括控制终端设备和采集终端设备；其中，控制终端设备包括阀门、水泵、软启动器、变频器；采集终端设备包括土壤温湿度、压力、光照、降水、二氧化氮、管道压力、流量、采集植物生长参数的传感设备，以及视频设备。
7.根据权利要求6所述的农业灌溉节水系统，其特征在于，所述采集终端设备进行定时采集和上报，并响应Web平台的召测。
8.根据权利要求6所述的农业灌溉节水系统，其特征在于，农业灌溉节水系统中阀门的控制方法为：由Web平台发送阀门开/关的控制指令给无线网关，无线网关将上述控制指令转发给对应的阀门，由阀门执行控制指令。
9.根据权利要求6所述的农业灌溉节水系统，其特征在于，所述阀门上设置有压力传感器，还设置有物理开关状态接口；阀门将管道压力状态、阀门开/关状态、命令状态、连线状态和报警信息实时上报给无线网关，由无线网关进一步上报给Web平台。
10.根据权利要求8所述的农业灌溉节水系统，其特征在于，阀门控制方法中还包括单查过程，所述单查是由Web平台发送查询请求给无线网关进行指定阀门的查询，无线网关根据阀门的实时上报，将阀门的状态反馈给Web平台。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170104 |