CN106718685A - 一种混合种植农田定点灌溉装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合种植农田定点灌溉装置，其特征在于该装置包括垄头控制模块、传动模块、传动牵引模块、田地湿度传感器矩阵和数据传输处理模块；所述垄头控制模块用来提供传动动力、控制传送方向，并收纳传动模块和传动牵引模块；所述传动模块驱使传动牵引模块前后运动；所述传动牵引模块用来控制灌溉、进行灌溉、监视灌溉和对不同农作物进行识别；所述田地湿度传感器矩阵用来检测水分百分比；所述数据传输处理模块用来传输无线网络摄像头拍摄的视频和图像数据，并对图像进行处理识别出图像中的农作物、湿度传感器检测到的水分百分比与阈值进行判断、计算GPS距离和夹角、计算喷水导管出水口末端的水的流速。

Description

一种混合种植农田定点灌溉装置

技术领域

本发明属于农业灌溉设备技术领域，尤其涉及一种混合种植农田定点灌溉装置。

背景技术

现有的农业灌溉装置——喷灌装置虽然达到了节水灌溉的目的，但是在针对混合种植的农田灌溉中，喷灌装置却忽略了不同农作物实际生态需水量的差异性，造成高需水量的农作物达不到额定需水量、低需水量的农作物超出自身的额定需水量，致使农作物生长状况不良。

为了解决喷灌装置忽略了不同农作物需水量的差异性的问题，因此提出了一种混合种植农田定点灌溉装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种混合种植农田定点灌溉装置。该装置能够根据农作物的叶子形状区分农作物，从而实现对不同农作物的合理灌溉；根据湿度传感器检测的湿度值，控制灌溉的水量，从而能起到节约水资源的功能；定点灌溉，从而提高了灌溉效率。

本发明解决所述技术问题采取的技术方案是：提供一种混合种植农田定点灌溉装置，其特征在于该装置包括垄头控制模块、传动模块、传动牵引模块、田地湿度传感器矩阵和数据传输处理模块；所述垄头控制模块用来提供传动动力、控制传送方向，并收纳传动模块和传动牵引模块；所述传动模块驱使传动牵引模块前后运动；所述传动牵引模块用来控制灌溉、进行灌溉、监视灌溉和对不同农作物进行识别；所述田地湿度传感器矩阵用来检测水分百分比；所述数据传输处理模块用来传输无线网络摄像头拍摄的视频和图像数据，并对图像进行处理识别出图像中的农作物、湿度传感器检测到的水分百分比与阈值进行判断、计算GPS距离和夹角、计算喷水导管出水口末端的水的流速；

所述垄头控制模块包括暗箱、暗箱门、暗箱门直齿齿条、固定棒、传导螺旋推拉滑块、传导螺旋、第二直流电机、传送带、传导螺旋推拉滑块导轨、滑动块导轨凹槽、支柱和第一直流电机；

所述暗箱固定放置在地块一端，在朝向地块的另一端的暗箱侧面上开有暗箱门；在暗箱内部底面上固定有传导螺旋，传导螺旋的传动方向为传动牵引小车向前或向后行驶的方向，以传导螺旋为中心，在传导螺旋的两侧平行布置有传导螺旋推拉滑块导轨，传导螺旋推拉滑块导轨两端通过相应的支柱固定在暗箱底面上；所述传导螺旋推拉滑块的下部穿过传导螺旋，且能在传导螺旋推拉滑块导轨上前后移动，在传导螺旋推拉滑块的前端设置有滑动块导轨凹槽；传导螺旋的转动轴的后端通过传送带与第二直流电机的转动轴连接，第二直流电机固定在暗箱内部的底面上；在传导螺旋的正前方竖直固定有固定棒；

在暗箱门的内侧中间位置，沿暗箱门的长度方向设置有暗箱门直齿齿条，暗箱门直齿齿条通过直齿齿轮与第一直流电机的转动轴连接，通过第一直流电机的转动带动暗箱门滑动打开和关闭；暗箱门顶部滑动到暗箱最底部时，在对应的地块里的位置上，在暗箱门的后方安装热释电红外传感器并且在暗箱门的前方安装暗箱门激光器，当暗箱门完全打开时，暗箱门恰好能挡住暗箱门激光器发射的激光光束；

所述传动模块包括软质水管、剪刀状平面伸缩连杆、柱状支撑滑杆、柱状支撑滑轮、剪刀状平面伸缩连杆连接钉、滚珠、带轴滚珠、滑动块和弹簧；所述剪刀状平面伸缩连杆能进行伸长和收缩，由剪刀状的多个重复单元构成，所述剪刀状平面伸缩连杆的两端均连接有两个滑动块，剪刀状平面伸缩连杆的各重复单元通过剪刀状平面伸缩连杆连接钉连接，每个滑动块均能绕与相应滑动块连接的剪刀状平面伸缩连杆连接钉转动，在滑动块的上下表面上均安装有四个带轴滚珠的转动轴，在滑动块的外侧面上下各放置了两个滚珠，在滑动块的左右侧面分别放置一根弹簧，弹簧能推拉滑动块；位于剪刀状平面伸缩连杆后端的滑动块插入传导螺旋推拉滑块的滑动块导轨凹槽中，将传动模块与垄头控制模块连接；

沿剪刀状平面伸缩连杆的伸缩方向上，每隔一段距离，在剪刀状平面伸缩连杆的下表面固定有柱状支撑滑杆，柱状支撑滑杆上端与剪刀状平面伸缩连杆连接钉连接固定，下端安装有柱状支撑滑轮，柱状支撑滑轮的转动方向与剪刀状平面伸缩连杆的伸缩的方向一致，柱状支撑滑杆的长度与剪刀状平面伸缩连杆到地面的距离相匹配；在剪刀状平面伸缩连杆上表面上盘放有软质水管，且软质水管能跟随剪刀状平面伸缩连杆一起伸长和收缩，沿软质水管的管壁布置有电线，通过电线为整个装置供电；所述软质水管的一端穿过暗箱与外部水源连接，在软质水管的进水口处设置电动蝶阀；

所述传动牵引模块包括防水透明塑料布、支架、无线网络摄像头、导轨凹槽、通线孔、圆柱形接水口、锁栓、传动牵引壁门、传动牵引小车、导水转动轴、激光器、CCD传感器、牵引直齿齿条、第三直流电机、喷水导管和齿条连接钉；在传动牵引小车的上表面安装有无线网络摄像头，在无线网络摄像头外包裹有防水透明塑料布，防水透明塑料布由支架支撑；在传动牵引小车的后侧面上方开有导轨凹槽，该导轨凹槽用于插入位于剪刀状平面伸缩连杆前端的滑动块，将传动牵引模块与传动模块连接；在导轨凹槽下方的传动牵引小车的后侧面上设有通线孔和圆柱形接水口，该圆柱形接水口与传动模块的软质水管的前端连接，软质水管上的电线从通线孔中穿入传动牵引小车，并且与传动牵引小车上的无线网络摄像头和传动牵引单片机连接；

在传动牵引小车的右侧面上开有传动牵引壁门，通过锁栓关闭或打开传动牵引壁门；所述导水转动轴竖直放置在传动牵引小车内部的空腔中，导水转动轴的上部与传动牵引小车的顶部连接，下部正对圆柱形接水口，在圆柱形接水口和导水转动轴下部之间连接软质胶管；在导水转动轴的上部安装有一个激光器，且该激光器发射的激光光束与导水转动轴中水流的流向相同；在位于导水转动轴上部的激光器的正前方，且在传动牵引小车内部的顶部水平固定有另一个激光器，且这一激光器发射出的激光光束与传动牵引小车向前运动的方向始终平行；在两个激光器的正前方的传动牵引小车的内部顶部，竖直固定有CCD传感器，两个激光器发出的激光光束均能照射在CCD传感器上；将喷水导管的一端水平插入导水转动轴下部的接口中，导水转动轴下部通过齿条连接钉连接牵引直齿齿条一端，牵引直齿齿条的另一端穿出传动牵引小车的左侧面，并且牵引直齿齿条能够绕齿条连接钉转动，所述第三直流电机通过直齿齿轮与牵引直齿齿条连接，所述第三直流电机固定在传动牵引小车内部的左侧面上；

所述田地湿度传感器矩阵由多个湿度传感器按照正六边形的形状排列而成，相邻的三个正六边形共用一个顶点，每个正六边形的顶点和中心各放置一个湿度传感器，每个湿度传感器均埋在农田地表下方；

所述数据传输处理模块包括垄头单片机、暗箱门GPS芯片、传动牵引单片机、传动牵引GPS芯片、服务器、湿度单片机、湿度GPS芯片、电脑终端和电动蝶阀单片机；所述服务器与垄头单片机、传动牵引单片机、电动蝶阀单片机、湿度单片机分别通过相应的无线收发芯片以无线的方式相连接；所述电脑终端和服务器均放置在农民的家中，并且电脑终端与服务器相连接；

所述垄头单片机分别与第一直流电机、第二直流电机、暗箱门GPS芯片、热释电红外传感器和暗箱门激光器连接；暗箱门GPS芯片安装在暗箱门直齿齿条附近；所述垄头单片机放置在暗箱内；所述传动牵引单片机位于传动牵引小车空腔内的上部，分别与无线网络摄像头、传动牵引GPS芯片、第三直流电机和传动牵引小车内部的两个激光器及CCD传感器连接；每个湿度单片机均连接有一个湿度GPS芯片和一个湿度传感器，各自的湿度GPS芯片与各自的湿度单片机连接，一个湿度GPS芯片和一个湿度单片机用防水塑料袋包裹住，且位于各自湿度传感器的正下方；所述电动蝶阀单片机放置在电动蝶阀的表面上，并且与电动蝶阀连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本灌溉装置通过全新结构的设计并配合无线通信网络，具备远程操作和无人化操作的功能，农民可以在家通过电脑终端监控灌溉，还可以通过数据传输处理模块自动控制灌溉，提高了灌溉效率。

2、本灌溉装置的湿度传感器根据检测到的水分百分比判断是否达到农作物的需水量，控制灌溉水量，减少水资源的浪费，从而使装置具备节约水资源的功能。

3、本灌溉装置的无线网络摄像头通过拍摄到的农作物的叶片形状的图片，由服务器对图片进行处理识别，能区分混合种植的农田中不同的农作物。

4、根据不同农作物的需水量，本灌溉装置控制水的流速的电动蝶阀和控制水的流向的导水喷管对区分出来的农作物进行不同水量的定点灌溉，合理灌溉，使灌溉更加人性化。

附图说明

图1是本发明的垄头控制模块、传动模块和传动牵引模块的连接结构示意图；

图2是本发明的垄头控制模块的立体结构示意图；

图3是本发明的垄头控制模块中的暗箱门打开时的结构示意图；

图4是本发明的传动模块的局部结构示意图；

图5是本发明的传动牵引模块总体结构示意图；

图6是本发明的传动牵引模块中的CCD传感器与激光器的安装结构示意图；

图7是本发明的传动牵引模块中的导水转动轴的立体结构示意图；

图8是本发明的传动牵引模块中的驱动喷水导管的结构示意图；

图9是本发明的数据传输处理模块的结构框图；

图10是实施例中所需灌溉的农田种植情况示意图；

图11是实施例中灌溉时灌溉顺序示意图；

其中，1-垄头控制模块，2-传动模块，3-传动牵引模块，4-数据传输处理模块；101-暗箱，102-暗箱门，103-暗箱门直齿齿条，104-固定棒，105-传导螺旋推拉滑块，106-传导螺旋，107-第二直流电机，108-传送带，109-传导螺旋推拉滑块导轨，110-滑动块导轨凹槽，111-支柱，112-第一直流电机；201-软质水管，202-剪刀状平面伸缩连杆，203-柱状支撑滑杆，204-电线，205-柱状支撑滑轮，206-剪刀状平面伸缩连杆连接钉,207-滚珠，208-带轴滚珠,209-滑动块，210-弹簧；301-防水透明塑料布，302-支架,303-无线网络摄像头，304-导轨凹槽，305-通线孔，306-圆柱形接水口，307-锁栓，308-传动牵引壁门，309-传动牵引小车，310-导水转动轴，311-激光器，312-CCD传感器，313-牵引直齿齿条，314-第三直流电机，315-喷水导管，316-齿条连接钉；401-垄头单片机，402-暗箱门GPS芯片，403-传动牵引单片机，404-传动牵引GPS芯片，405-服务器，406-湿度单片机，407-湿度GPS芯片，408-电脑终端，409-电动蝶阀单片机，410-垄头无线收发芯片，411-传动牵引无线收发芯片，412-湿度无线收发芯片，413-电动蝶阀无线收发芯片。

具体实施方式

以下结合实施例及附图对本发明做进一步详述，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明混合种植农田定点灌溉装置(简称装置，参见图1-9)包括垄头控制模块1、传动模块2、传动牵引模块3、田地湿度传感器矩阵(图中未标出)和数据传输处理模块4；所述垄头控制模块1用来提供传动动力、控制传送方向，并收纳传动模块2和传动牵引模块3；所述传动模块2驱使传动牵引模块3前后运动；所述传动牵引模块3用来控制灌溉、进行灌溉、监视灌溉和对不同农作物进行识别；所述田地湿度传感器矩阵用来检测水分百分比；所述数据传输处理模块4用来传输无线网络摄像头拍摄的视频和图像数据，并对图像进行处理识别出图像中的农作物、湿度传感器检测到的水分百分比与阈值进行判断、计算GPS距离和夹角、计算喷水导管出水口末端的水的流速；

所述垄头控制模块1包括暗箱101、暗箱门102、暗箱门直齿齿条103、固定棒104、传导螺旋推拉滑块105、传导螺旋106、第二直流电机107、传送带108、传导螺旋推拉滑块导轨109、滑动块导轨凹槽110、支柱111和第一直流电机112；

所述暗箱101固定放置在地块一端，在朝向地块的另一端的暗箱101侧面上开有暗箱门102；在暗箱内部底面上固定有传导螺旋106，传导螺旋106的传动方向为传动牵引小车向前或向后行驶的方向，以传导螺旋106为中心，在传导螺旋106的两侧平行布置有传导螺旋推拉滑块导轨109，传导螺旋推拉滑块导轨109两端通过相应的支柱111固定在暗箱底面上；所述传导螺旋推拉滑块105的下部穿过传导螺旋106，且能在传导螺旋推拉滑块导轨109上前后移动，在传导螺旋推拉滑块105的前端设置有滑动块导轨凹槽110；传导螺旋106的转动轴的后端通过传送带108与第二直流电机107的转动轴连接，第二直流电机107固定在暗箱内部的底面上；在传导螺旋的正前方竖直固定有固定棒104；

在暗箱门102的内侧中间位置，沿暗箱门的长度方向设置有暗箱门直齿齿条103，暗箱门直齿齿条103通过直齿齿轮与第一直流电机的转动轴连接，通过第一直流电机的转动带动暗箱门滑动打开和关闭；暗箱门顶部滑动到暗箱最底部时，在对应的地块里的位置上，在暗箱门的后方安装热释电红外传感器并且在暗箱门的前方安装暗箱门激光器，当暗箱门完全打开时，暗箱门恰好能挡住暗箱门激光器发射的激光光束；

所述传动模块2包括软质水管201、剪刀状平面伸缩连杆202、柱状支撑滑杆203、柱状支撑滑轮205、剪刀状平面伸缩连杆连接钉206、滚珠207、带轴滚珠208、滑动块209和弹簧210；所述剪刀状平面伸缩连杆202能进行伸长和收缩，由剪刀状的多个重复单元构成，剪刀状平面伸缩连杆202的长度决定了能够灌溉的最远位置，所述剪刀状平面伸缩连杆202的两端均连接有两个滑动块209，剪刀状平面伸缩连杆202的各重复单元通过剪刀状平面伸缩连杆连接钉206连接，每个滑动块均能绕与相应滑动块连接的剪刀状平面伸缩连杆连接钉206转动，在滑动块的上下表面上均安装有四个带轴滚珠208的转动轴，在滑动块的外侧面上下各放置了两个滚珠207，在滑动块的左右侧面分别放置一根弹簧210，弹簧能推拉滑动块，能使滑动块回到原来的位置；位于剪刀状平面伸缩连杆202后端的滑动块插入传导螺旋推拉滑块的滑动块导轨凹槽110中，将传动模块2与垄头控制模块1连接；

沿剪刀状平面伸缩连杆202的伸缩方向上，每隔一段距离，在剪刀状平面伸缩连杆202的下表面固定有柱状支撑滑杆203，柱状支撑滑杆203上端与剪刀状平面伸缩连杆连接钉206连接固定，下端安装有柱状支撑滑轮205，柱状支撑滑轮的转动方向与剪刀状平面伸缩连杆202的伸缩的方向一致，柱状支撑滑杆的长度与剪刀状平面伸缩连杆202到地面的距离相匹配；在剪刀状平面伸缩连杆202上表面上盘放有软质水管201，且软质水管能跟随剪刀状平面伸缩连杆202一起伸长和收缩，沿软质水管的管壁布置有电线204，通过电线为整个装置供电；所述软质水管201的一端穿过暗箱与外部水源连接，在软质水管的进水口处设置电动蝶阀，通过电动蝶阀控制水的流速；

所述传动牵引模块3包括防水透明塑料布301、支架302、无线网络摄像头303、导轨凹槽304、通线孔305、圆柱形接水口306、锁栓307、传动牵引壁门308、传动牵引小车309、导水转动轴310、激光器311、CCD传感器312、牵引直齿齿条313、第三直流电机314、喷水导管315和齿条连接钉316；在传动牵引小车309的上表面安装有无线网络摄像头303，所述无线网络摄像头303能将拍摄到的视频数据以无线的形式传递给服务器，并且在无线网络摄像头外包裹有防水透明塑料布301，防水透明塑料布301由支架302支撑；在传动牵引小车的后侧面上方开有导轨凹槽304，该导轨凹槽用于插入位于剪刀状平面伸缩连杆202前端的滑动块，将传动牵引模块3与传动模块2连接；在导轨凹槽下方的传动牵引小车的后侧面上设有通线孔305和圆柱形接水口306，该圆柱形接水口与传动模块的软质水管的前端连接，软质水管上的电线从通线孔305中穿入传动牵引小车309，并且与传动牵引小车上的无线网络摄像头和传动牵引单片机连接；

在传动牵引小车的右侧面上开有传动牵引壁门308，通过锁栓307关闭或打开传动牵引壁门；所述导水转动轴310竖直放置在传动牵引小车内部的空腔中，导水转动轴310的上部与传动牵引小车的顶部连接，下部正对圆柱形接水口，在圆柱形接水口306和导水转动轴310下部之间连接软质胶管；在导水转动轴的上部安装有一个激光器311，且该激光器发射的激光光束与导水转动轴中水流的流向相同，即激光器发射的激光光束的方向与导水转动轴转动时的转动朝向相同，即导水转动轴转动到哪，激光器发射的激光光束射向哪；在位于导水转动轴上部的激光器的正前方，且在传动牵引小车内部的顶部水平固定有另一个激光器311，且这一激光器发射出的激光光束与传动牵引小车向前运动的方向始终平行；在两个激光器的正前方的传动牵引小车的内部顶部，竖直固定有CCD传感器312，两个激光器发出的激光光束均能照射在CCD传感器上；将喷水导管315的一端水平插入导水转动轴下部的接口中，导水转动轴下部通过齿条连接钉316连接牵引直齿齿条313一端，牵引直齿齿条313的另一端穿出传动牵引小车的左侧面，并且牵引直齿齿条313能够绕齿条连接钉316转动，所述第三直流电机314通过直齿齿轮与牵引直齿齿条连接，所述第三直流电机固定在传动牵引小车内部的左侧面上；

所述田地湿度传感器矩阵由多个湿度传感器按照正六边形的形状排列而成，相邻的三个正六边形共用一个顶点，每个正六边形的顶点和中心各放置一个湿度传感器，每个湿度传感器均埋在农田地表下50cm处，可以有效避免农作物根系对湿度传感器的破坏，同时在水的渗透作用在50cm处达到农作物的需水量时，更加节约水资源；

所述数据传输处理模块4包括垄头单片机401、暗箱门GPS芯片402、传动牵引单片机403、传动牵引GPS芯片404、服务器405、湿度单片机406、湿度GPS芯片407、电脑终端408、电动蝶阀单片机409、垄头无线收发芯片410、传动牵引无线收发芯片411、湿度无线收发芯片412和电动蝶阀无线收发芯片413；所述服务器405与垄头单片机401、传动牵引单片机403、电动蝶阀单片机409、湿度单片机406分别通过相应的无线收发芯片(垄头无线收发芯片410、传动牵引无线收发芯片411、湿度无线收发芯片412和电动蝶阀无线收发芯片413)以无线的方式相连接；所述电脑终端408和服务器405均放置在农民的家中，并且电脑终端408与服务器405相连接，电脑终端用于显示灌溉的视频，掌握灌溉情况；

所述垄头单片机401位于暗箱101内，分别与第一直流电机、第二直流电机、暗箱门GPS芯片402、垄头无线收发芯片410、热释电红外传感器和暗箱门激光器连接，控制第一直流电机和第二直流电机的转动；暗箱门GPS芯片402安装在暗箱门直齿齿条附近；所述垄头无线收发芯片410放置在垄头单片机附近；所述传动牵引单片机403位于传动牵引小车空腔内的上部，分别与无线网络摄像头、传动牵引GPS芯片404、传动牵引无线收发芯片411、第三直流电机314和传动牵引小车内部的两个激光器及CCD传感器连接；所述传动牵引GPS芯片404固定在传动牵引小车前方喷水导管315出水口的管壁上；所述传动牵引无线收发芯片411放置在传动牵引单片机附近；每个湿度单片机406均连接有一个湿度GPS芯片407、一个湿度传感器和一个湿度无线收发芯片412，各自的湿度GPS芯片与各自的湿度单片机连接，同时每个湿度单片机均与服务器405通过无线收发芯片以无线的形式连接，一个湿度GPS芯片、一个湿度无线收发芯片和一个湿度单片机用防水塑料袋包裹住，埋在距离地表1m处，且位于各自湿度传感器的正下方，用于在电脑终端408上显示位置；每个正六边形的边长为1m，当湿度传感器检测水分百分比在10％以下时，可认为此时田地需要灌溉；当由任意边长为1m的三条边组成的三角形区域的三个顶点的湿度传感器检测到的水分百分比都达到预先设定的值时，可认为此三角形区域灌溉水量已达到要求，可以开始其他区域的灌溉；所述湿度无线收发芯片412放置在湿度单片机的附近；所述电动蝶阀单片机409放置在电动蝶阀的表面上，并且与电动蝶阀连接；所述电动蝶阀无线收发芯片413放置在电动蝶阀单片机的附近；

垄头单片机的作用是传递和处理服务器传来的指令数据，控制第一、二直流电机顺时针和逆时针转动，接收暗箱门GPS芯片的GPS1坐标，并将GPS1坐标这一数据传递给垄头无线收发芯片，控制暗箱门后方的热释电红外传感器和暗箱门前方暗箱门激光器工作。

传动牵引单片机的作用是传递和处理服务器传来的指令数据，控制无线网络摄像头旋转一定角度，控制第三直流电机顺时针和逆时针转动，接收传动牵引GPS芯的GPS2坐标，并将GPS2坐标这一数据传递给传动牵引无线收发芯片，控制传动牵引模块上的激光器和CCD传感器工作。

电动蝶阀单片机的作用是处理服务器传来的指令数据，控制电动蝶阀的打开程度，控制水速。

湿度单片机的作用是传递和处理服务器传来的指令数据，接受湿度GPS芯片的GPS3坐标，并将GPS3坐标这一数据传递给湿度无线收发芯片，接收湿度传感器检测到的水分百分比数据，并将这一数据传递给湿度无线收发芯片，将湿度传感器检测到的水分百分比数据与水分百分比阈值进行比较，判断灌溉水量是否达到灌溉要求。

服务器的作用是设置灌溉要求水量的阈值、传输控制指令、计算GPS坐标距离、计算角度、数据判断、确定灌溉三角形区域、对不同农作物进行分类识别。服务器接收田地湿度传感器矩阵中每个湿度传感器的GPS3坐标，并且将数据传递给电脑终端，在电脑终端的用户界面上的某块地块下方的显示矩形框中在相应位置出现一个小黄点。服务器计算任意两个湿度传感器的GPS3坐标距离，当任意两个湿度传感器的距离为1m时，服务器发出指令给电脑终端，使电脑终端的用户界面上某块地块下方的显示矩形框中相对应的湿度传感器小黄点之间连接一条淡实线段，从而在电脑终端的用户界面上某块地块下方的显示矩形框中形成若干个三角形区域并且显示出田地湿度传感器矩阵的轮廓。服务器接收田地湿度传感器矩阵检测到的水分百分比数值并发出指令给电脑终端，使电脑终端的用户界面上某块地块下方的显示矩形框中某一湿度传感器所对应的小黄点上显示此湿度传感器检测到的水分百分比所对应范围的颜色。在灌溉时，服务器计算任意三个湿度传感器之间的GPS3坐标距离，当距离均为1m时，将这三个湿度传感器圈为一组，从而得到一个所围成的三角形区域。在某一三角形区域中，服务器比较由一组湿度传感器检测到的三个水分百分比数值，服务器得到最小的水分百分比数值，并且服务器发出指令给电脑终端，使电脑终端的用户界面上将此三角形区域的颜色变成最小水分百分比数值所在范围内所对应的颜色。服务器将停止灌溉、设置不同的灌溉要求水量的阈值、控制流量、驱使第一、二和三直流电机转动和旋转无线网络摄像头这些指令数据以无线形式发出，以无线形式接收用于对不同农作物进行分类识别用的图像数据、无线网络摄像头的视频数据、湿度传感器检测到的水分百分比数据和传动牵引小车的GPS坐标数据。

电脑终端的用户界面中包括田地湿度传感器矩阵模拟窗口，用于显示地表以下的水分百分比和此时灌溉水位的位置。采用不同颜色来表示水分百分比，深蓝色表示此处水分百分比为80％～100％，蓝色表示此处水分百分比为60％～80％，浅蓝色表示此处水分百分比为40％～60％，浅红色表示此处水分百分比为20％～40％，红色表示此处水分百分比为10％～20％，深红色表示此处水分百分比为0％～10％。当由任意3条边长为1m组成的三角形区域的三个顶点的湿度传感器检测到的水分百分比都达到预先设定的值时，可认为此三角形区域灌溉水量已达到要求，并且田地湿度传感器矩阵模拟窗口就会将此三角形区域显示成预先设定的值所在的水分百分比范围的颜色；流量控制滑动块控制用水流量；监控画面窗口监视当前的灌溉情况；开始灌溉按钮和停止灌溉按钮；旋转无线网络摄像头按钮；电脑终端用户界面安装在用户电脑上，用户电脑与服务器相连接，服务器和无线收发芯片以无线的形式相连接。

混合种植的农田中不同农作物的需水量实际上是不同的，给不同种类的农作物设置不同的灌溉要求水量的阈值，例如：棉花全生育期总需水量是300-450立方米/亩，冬小麦全生育期总需水量是260-400立方米/亩，玉米全生育期总需水量是200-300立方米/亩，谷子全生育期总需水量是160-200立方米/亩。当在棉花地块时，湿度传感器检测到的水分百分比为42％，可认为达到灌溉要求；在冬小麦地块时，湿度传感器检测到的水分百分比为30％，可认为达到灌溉要求；在玉米地块时，湿度传感器检测到的水分百分比为25％，可认为达到灌溉要求；在谷子地块时，湿度传感器检测到的水分百分比为15％，可认为达到灌溉要求；这样做起到既能合理灌溉、有利于不同农作物成长又能节约水资源的目的。

本发明中服务器内部数据处理过程是：

1、服务器得到暗箱所在处的地缘边界的GPS1坐标(x1,y1)、传动牵引小车的GPS2坐标(x2,y2)和每个湿度传感器的GPS3的坐标(x3,y3)。(GPS坐标用(纬度，经度)的形式给出，在灌溉范围上可近似为平面)

2、GPS坐标点之间距离的计算。

GPS1坐标(x1,y1)表示A点经纬度，GPS2坐标(x2,y2)表示B点经纬度；

A＝x1–x2为两点纬度之差，B＝y1-y2为两点经度之差；

6378137为地球半径，单位为米；

3、正三角形区域中心GPSo坐标的计算。

设正三角形区域中心GPSo坐标为(x0,y0)。正三角形区域三个顶点的坐标分别为：GPS3a(xa,ya),GPS3b(xb,yb),GPS3c(xc,yc),分别计算GPSo与GPS3a的距离M,GPSo与GPS3b的距离N,GPSo与GPS3c的距离O，则解出正三角形区域中心GPSo坐标(x0,y0)。

4、三角形区域的中心GPSo坐标和传动牵引小车的GPS2坐标的连线与传动牵引小车行驶方向夹角角度的计算。

GPSo坐标为(x0,y0)、GPS2坐标(x2,y2)已知，则在GPS2的那条经线上存在GPS’(x0,y2)，并且GPSo与GPS’的连线与GPS2与GPS’的连线垂直。计算GPSo与GPS’的距离L1和GPS2与GPS’的距离L2。

规定：传动牵引小车的行驶方向为从南向北，沿经线行驶，

GPSo的纬度x0小于x2，此时θ值大于0，

GPSo的纬度x0大于x2，此时θ值小于0，

GPSo的纬度x0等于x2，此时θ值等于0，

对不同农作物进行分类识别的算法如下：

1、无线网络摄像头旋转服务器所计算的角度，使无线网络摄像头的拍摄方向正好指向将要灌溉的区域。

2、无线网络摄像头拍摄该区域的图像，将图像以无线形式传送给服务器。

3、服务器对图片进行预处理，压缩图像，去除无用的图像部分，保留农作物的叶片图像。

4、服务器对预处理的叶片图像进行特征提取和选择。

5、服务器用基于支持向量机的分类器进行识别。

6、服务器识别出农作物的种类，并且将此种农作物对应的灌溉要求水量的阈值以无线的形式传递给湿度单片机，用于判断此种作物的灌溉水量是否达到要求。

实施例

本实施例混合农田的长度不限，宽为50m。灌溉一大块田地需要有多个相同的本发明灌溉装置平行灌溉才能灌溉完毕(此处只详述其中一个)。混合型农田种植了棉花、玉米和谷子，它们的种植分布如图10所示，灌溉过程如下：

1、农民打开电脑终端的用户界面。

2、灌溉装置进行初始化。

3、田地传感器矩阵开始检测水分百分比，并且将水分百分比数据和GPS3坐标传递给湿度单片机，湿度单片机接收到水分百分比数据和GPS3坐标后传递给湿度无线收发芯片，湿度无线收发芯片以无线形式将水分百分比数据和GPS3坐标发射出去。

4、服务器接受到水分百分比数据和GPS3坐标，发送指令给用户电脑，在某块地块下方的显示矩形矿中的显示出小黄点，并且在小黄点处显示此水分百分比所在范围内所对应的颜色。

5、当湿度传感器检测水分百分比在10％以下时，可认为此时田地需要灌溉。因此服务器统计深红点的个数，若深红点的个数超过总数的1/2时，可认为此块田地需要灌溉。

6、当田地需要灌溉时，服务器将开始灌溉的指令以无线形式发送出去，垄头单片机的垄头无线收发芯片接收这一指令，并且将这一指令传递给垄头单片机，此时垄头单片机给第一直流电机发送顺时针转动的指令，暗箱门直齿齿轮开始顺时针转动，暗箱门直齿齿轮啮合暗箱门直齿齿条103，暗箱门102缓缓拉下，并且热释电红外传感器和暗箱门激光器供电，暗箱门激光器发出激光光束。

7、当暗箱门运动到最低端时，暗箱门恰好遮挡住激光光束，热释电红外传感器将一个低电平传递给垄头单片机，垄头单片机发出两个指令：a、第一直流电机停止转动；b、第二直流电机107开始顺时钟转动，传送带108开始顺时针转动，传导螺旋106的转动轴开始顺时针转动，传导螺旋推拉滑块105开始向后运动，两个滑动块209开始相互靠近，相互交叉的剪刀状平面伸缩连杆202之间的夹角变小，传动模块2伸长，致使传动牵引模块3驶离暗箱1，驶向地里。固定棒104起支撑和定向的作用，由于传导螺旋推拉滑块始终垂直于传动模块，因此传动模块只能沿垂直于传导螺旋推拉滑块的方向前后运动。滑动块的滚珠207和带轴滚珠208起减少摩擦力的作用。弹簧210主要起拉动滑动块使其能回到原来位置的作用。

8、本次具体实例中传动牵引模块3的行驶路线为棉花与谷子的分界线，并且此分界线与正六边形的竖直中心线重合。传动牵引模块的喷水导管315所能喷射出的水流的最长水平距离为2m，喷射范围夹角最大为120°，灌溉方向是从左向右。传动牵引模块沿着此分界线向前行进，服务器接收GPS1的坐标值和不断收集传动牵引小车的GPS2坐标并且计算传动牵引小车与GPS1的距离。当服务器计算距离为48m时，服务器发出第二直流电机停止转动的指令，传动模块不在伸长，传动牵引模块停止前进。

9、在以传动牵引小车为圆心，半径为2m，圆心角为120°的传动牵引小车前方的扇形区域中，服务器得到此区域内所有三角形区域顶点的GPS3坐标，得到每个三角形区域的中心GPSo坐标，服务器计算中心GPSo坐标与传动牵引小车GPS2坐标的距离，在灌溉方向是从左向右的规则下，服务器取这些距离中最大的距离所对应的三角形区域为最先灌溉的区域，服务器计算将要灌溉的三角形区域的中心GPSo和GPS2的连线与传动牵引小车行驶方向的夹角度数θ。

10、服务器以无线形式发出无线网络摄像头303逆时针旋转步骤9中服务器计算出的GPSo和GPS2的连线与传动牵引小车行驶方向的夹角度数θ的指令，并且将指令传递给传动牵引无线收发芯片,传动牵引无线收发芯片收到指令后，将指令送给传动牵引单片机，传动牵引单片机控制无线网络摄像头的低功率电机，使低功率电机逆时针旋转GPSo和GPS2的连线与传动牵引小车行驶方向的夹角度数θ，这样无线网络摄像头的拍摄方向就朝向了将要灌溉的三角区域的方向，然后服务器发出打开无线网络摄像头的指令，无线网络摄像头便开始了拍摄，并且无线网络摄像头将拍摄到的图像以无线的形式传递给服务器，服务器将这些数据传递给电脑终端，此时在电脑终端的用户界面上的监控画面下方的矩形显示框中显示拍摄的画面。然后服务器对拍摄的图像进行处理识别，识别出此三角形区域的农作物的种类。

11、识别出农作物的种类是玉米，此时农民才能按住旋转无线网络摄像头按钮随意旋转无线网络摄像头观察灌溉情况。服务器把玉米灌溉要求阈值25％传递给湿度无线收发芯片，湿度无线收发芯片再将这一数据传递给湿度单片机。

12、服务器发出第三直流电机314逆时针旋转和传动牵引模块中的两个激光器311、CCD传感器312打开的指令，传递给传动牵引单片机的传动牵引无线收发芯片，传动牵引无线收发芯片收到指令后，将指令传递给传动牵引单片机，两个激光器、CCD传感器开始正常工作，传动牵引单片机控制第三直流电机314开始逆时针旋转，此时在CCD传感器上有两个激光点光斑，CCD传感器上正中间的激光点光斑是固定在传动牵引小车顶部的激光器发射激光光束形成的，而另一个激光点光斑是导水转动轴310上方的激光器发射激光光束形成的，并且这个激光点光斑在不断向左运动，CCD传感器实时将图像传递给服务器，服务器实时计算这两个激光点光斑之间的水平距离，再根据水平距离计算偏转角度，算法如下：两个激光点光斑之间的水平距离为D，导水转动轴距CCD传感器的水平距离为H，偏转角度为β，

规定:导水转动轴上方的激光器发射激光光束在CCD传感器上形成的激光点光斑的横坐标值小于固定在传动牵引小车顶部的激光器发射激光光束在CCD传感器上形成的激光点光斑的横坐标值，β大于0；导水转动轴上方的激光器发射激光光束在CCD传感器上形成的激光点光斑的横坐标值大于固定在传动牵引小车顶部的激光器发射激光光束在CCD传感器上形成的激光点光斑的横坐标值，β小于0；导水转动轴上方的激光器发射激光光束在CCD传感器上形成的激光点光斑的横坐标值等于固定在传动牵引小车顶部的激光器发射激光光束在CCD传感器上形成的激光点光斑的横坐标值，β等于0；

当β＝GPSo和GPS2的连线与传动牵引小车行驶方向的夹角度数θ时，服务器发出第三直流电机停止转动的指令，此时导水喷管也指向了将要灌溉的三角区域。

13、服务器根据将要灌溉的三角形区域的中心GPSo坐标与传动牵引小车GPS2坐标的距离L计算喷水导管出水口的流速V。算法如下：喷出的水在空中形成平抛曲线，导水喷管的圆形出水口的圆心距离地面的高度为K，

g为重力加速度；

L＝Vt；

从中能计算出服务器将流速V以无线形式发射给电动蝶阀无线收发芯片，电动蝶阀无线收发芯片接收这一数值，并且把这一数值传递给电动蝶阀单片机，电动蝶阀单片机控制电动蝶阀，电动蝶阀调整阀口大小，使导水喷管出水处的流速为V。

14、开始灌溉此三角区域，当三个湿度传感器检测到的水分百分比都为25％，此三角形区域达到灌溉要求，并且在某块地块下方的矩形显示框中将此三角形区域的颜色变成水分百分比为25％所在的水分百分比范围的颜色，表示此三角形区域灌溉完毕。

15、此三角形区域灌溉完毕后，服务器发送关闭电动蝶阀的指令，电动蝶阀关闭，停止灌溉。灌溉顺序按下图11进行，S1→S2→S3→S4→S5→S6→S7→S8……。

为了传动牵引小车能够移动，不陷入泥土中，当三角形中心GPSo坐标与传动牵引小车GPS2坐标的距离小于等于时，对该三角形区域不进行灌溉。

在灌溉方向是从左向右的情况下，在以传动牵引小车为圆心，半径为2m，圆心角为120°的传动牵引小车前方的扇形区域中，与本次灌溉的三角形区域的中心坐标距离最短的三角形区域为下次将要灌溉的三角形区域。

16、对下一个三角形区域进行灌溉，重复步骤10、步骤11、步骤12、步骤13、步骤14、步骤15，直至第一层灌溉完毕。第一层灌溉完毕的标志是最后灌溉的三角形区域的中心GPSo和GPS2的连线与传动牵引小车行驶方向的夹角度数θ加上每一层第一次灌溉的三角形区域的中心GPSo和GPS2的连线与传动牵引小车行驶方向的夹角度数θ等于0。服务器将每次三角形灌溉的中心GPSo和GPS2的连线与传动牵引小车行驶方向的夹角度数θ与第一次灌溉的三角形区域的中心GPSo和GPS2的连线与传动牵引小车行驶方向的夹角度数θ进行求和，如果和等于0，则服务器判断第一层灌溉完毕。

17、当第一层灌溉完毕时，服务器发出第二直流电机逆时针转动的指令，传导螺旋的转动轴逆时针转动，传导螺旋推拉滑块向前运动，传动模块收缩，传动牵引小车向后运动，服务器实时计算GPS2与GPS1的距离，并判断距离是否等于47m。

18、当距离等于47m时，服务器发出第二直流电机停止转动的指令。开始第二层的灌溉，此时重复步骤10、步骤11、步骤12、步骤13、步骤14、步骤15、步骤16、步骤17，传动牵引小车每次后退1m，因此判断距离依次为48m，47m，46m······0m，直至整块田地灌溉完毕。在传动牵引小车后退中，对不同农作物进行分类识别,识别出的农作物为棉花或谷子，服务器会把相应农作物的灌溉要求阈值传递给湿度单片机。

19、田地灌溉完毕后，传动牵引小车退回暗箱之中，服务器发出停止灌溉的指令，传动牵引单片机接受到指令后，关闭无线网络摄像头，传动牵引GPS芯片、CCD传感器和两个激光器停止工作。湿度单片机接受到指令后，田地湿度传感器矩阵停止检测水分百分比。电动蝶阀单片机接受到指令后，电动蝶阀关闭。垄头单片机接受到指令后，第二直流电机停止转动，第一直流电机开始逆时针转动并且服务器开始计时，暗箱门开始向上运动，当上升运动时间等于下降所用时间时，第一直流电机停止转动，暗箱门关闭。至此该装置完成灌溉任务。

本发明中所述前后左右等方位词是一个相对概念，以传动牵引模块3所在方向为前，以传导螺旋106所在方向为后，以传动牵引壁门308所在方向为右，以牵引直齿齿条313所在方向为左。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

本发明未述及之处适用于现有技术，所涉及的元器件均可通过商购获得。

Claims (3)

1.一种混合种植农田定点灌溉装置，其特征在于该装置包括垄头控制模块、传动模块、传动牵引模块、田地湿度传感器矩阵和数据传输处理模块；所述垄头控制模块用来提供传动动力、控制传送方向，并收纳传动模块和传动牵引模块；所述传动模块驱使传动牵引模块前后运动；所述传动牵引模块用来控制灌溉、进行灌溉、监视灌溉和对不同农作物进行识别；所述田地湿度传感器矩阵用来检测水分百分比；所述数据传输处理模块用来传输无线网络摄像头拍摄的视频和图像数据，并对图像进行处理识别出图像中的农作物、湿度传感器检测到的水分百分比与阈值进行判断、计算GPS距离和夹角、计算喷水导管出水口末端的水的流速；

所述垄头控制模块包括暗箱、暗箱门、暗箱门直齿齿条、固定棒、传导螺旋推拉滑块、传导螺旋、第二直流电机、传送带、传导螺旋推拉滑块导轨、滑动块导轨凹槽、支柱和第一直流电机；

所述暗箱固定放置在地块一端，在朝向地块的另一端的暗箱侧面上开有暗箱门；在暗箱内部底面上固定有传导螺旋，传导螺旋的传动方向为传动牵引小车向前或向后行驶的方向，以传导螺旋为中心，在传导螺旋的两侧平行布置有传导螺旋推拉滑块导轨，传导螺旋推拉滑块导轨两端通过相应的支柱固定在暗箱底面上；所述传导螺旋推拉滑块的下部穿过传导螺旋，且能在传导螺旋推拉滑块导轨上前后移动，在传导螺旋推拉滑块的前端设置有滑动块导轨凹槽；传导螺旋的转动轴的后端通过传送带与第二直流电机的转动轴连接，第二直流电机固定在暗箱内部的底面上；在传导螺旋的正前方竖直固定有固定棒；

在暗箱门的内侧中间位置，沿暗箱门的长度方向设置有暗箱门直齿齿条，暗箱门直齿齿条通过直齿齿轮与第一直流电机的转动轴连接，通过第一直流电机的转动带动暗箱门滑动打开和关闭；暗箱门顶部滑动到暗箱最底部时，在对应的地块里的位置上，在暗箱门的后方安装热释电红外传感器并且在暗箱门的前方安装暗箱门激光器，当暗箱门完全打开时，暗箱门恰好能挡住暗箱门激光器发射的激光光束；

所述传动模块包括软质水管、剪刀状平面伸缩连杆、柱状支撑滑杆、柱状支撑滑轮、剪刀状平面伸缩连杆连接钉、滚珠、带轴滚珠、滑动块和弹簧；所述剪刀状平面伸缩连杆能进行伸长和收缩，由剪刀状的多个重复单元构成，所述剪刀状平面伸缩连杆的两端均连接有两个滑动块，剪刀状平面伸缩连杆的各重复单元通过剪刀状平面伸缩连杆连接钉连接，每个滑动块均能绕与相应滑动块连接的剪刀状平面伸缩连杆连接钉转动，在滑动块的上下表面上均安装有四个带轴滚珠的转动轴，在滑动块的外侧面上下各放置了两个滚珠，在滑动块的左右侧面分别放置一根弹簧，弹簧能推拉滑动块；位于剪刀状平面伸缩连杆后端的滑动块插入传导螺旋推拉滑块的滑动块导轨凹槽中，将传动模块与垄头控制模块连接；

沿剪刀状平面伸缩连杆的伸缩方向上，每隔一段距离，在剪刀状平面伸缩连杆的下表面固定有柱状支撑滑杆，柱状支撑滑杆上端与剪刀状平面伸缩连杆连接钉连接固定，下端安装有柱状支撑滑轮，柱状支撑滑轮的转动方向与剪刀状平面伸缩连杆的伸缩的方向一致，柱状支撑滑杆的长度与剪刀状平面伸缩连杆到地面的距离相匹配；在剪刀状平面伸缩连杆上表面上盘放有软质水管，且软质水管能跟随剪刀状平面伸缩连杆一起伸长和收缩，沿软质水管的管壁布置有电线，通过电线为整个装置供电；所述软质水管的一端穿过暗箱与外部水源连接，在软质水管的进水口处设置电动蝶阀；

所述传动牵引模块包括防水透明塑料布、支架、无线网络摄像头、导轨凹槽、通线孔、圆柱形接水口、锁栓、传动牵引壁门、传动牵引小车、导水转动轴、激光器、CCD传感器、牵引直齿齿条、第三直流电机、喷水导管和齿条连接钉；在传动牵引小车的上表面安装有无线网络摄像头，在无线网络摄像头外包裹有防水透明塑料布，防水透明塑料布由支架支撑；在传动牵引小车的后侧面上方开有导轨凹槽，该导轨凹槽用于插入位于剪刀状平面伸缩连杆前端的滑动块，将传动牵引模块与传动模块连接；在导轨凹槽下方的传动牵引小车的后侧面上设有通线孔和圆柱形接水口，该圆柱形接水口与传动模块的软质水管的前端连接，软质水管上的电线从通线孔中穿入传动牵引小车，并且与传动牵引小车上的无线网络摄像头和传动牵引单片机连接；

在传动牵引小车的右侧面上开有传动牵引壁门，通过锁栓关闭或打开传动牵引壁门；所述导水转动轴竖直放置在传动牵引小车内部的空腔中，导水转动轴的上部与传动牵引小车的顶部连接，下部正对圆柱形接水口，在圆柱形接水口和导水转动轴下部之间连接软质胶管；在导水转动轴的上部安装有一个激光器，且该激光器发射的激光光束与导水转动轴中水流的流向相同；在位于导水转动轴上部的激光器的正前方，且在传动牵引小车内部的顶部水平固定有另一个激光器，且这一激光器发射出的激光光束与传动牵引小车向前运动的方向始终平行；在两个激光器的正前方的传动牵引小车的内部顶部，竖直固定有CCD传感器，两个激光器发出的激光光束均能照射在CCD传感器上；将喷水导管的一端水平插入导水转动轴下部的接口中，导水转动轴下部通过齿条连接钉连接牵引直齿齿条一端，牵引直齿齿条的另一端穿出传动牵引小车的左侧面，并且牵引直齿齿条能够绕齿条连接钉转动，所述第三直流电机通过直齿齿轮与牵引直齿齿条连接，所述第三直流电机固定在传动牵引小车内部的左侧面上；

所述田地湿度传感器矩阵由多个湿度传感器按照正六边形的形状排列而成，相邻的三个正六边形共用一个顶点，每个正六边形的顶点和中心各放置一个湿度传感器，每个湿度传感器均埋在农田地表下方；

所述数据传输处理模块包括垄头单片机、暗箱门GPS芯片、传动牵引单片机、传动牵引GPS芯片、服务器、湿度单片机、湿度GPS芯片、电脑终端和电动蝶阀单片机；所述服务器与垄头单片机、传动牵引单片机、电动蝶阀单片机、湿度单片机分别通过相应的无线收发芯片以无线的方式相连接；所述电脑终端和服务器均放置在农民的家中，并且电脑终端与服务器相连接；

所述垄头单片机分别与第一直流电机、第二直流电机、暗箱门GPS芯片、热释电红外传感器和暗箱门激光器连接；暗箱门GPS芯片安装在暗箱门直齿齿条附近；所述垄头单片机放置在暗箱内；所述传动牵引单片机位于传动牵引小车空腔内的上部，分别与无线网络摄像头、传动牵引GPS芯片、第三直流电机和传动牵引小车内部的两个激光器及CCD传感器连接；每个湿度单片机均连接有一个湿度GPS芯片和一个湿度传感器，各自的湿度GPS芯片与各自的湿度单片机连接，一个湿度GPS芯片和一个湿度单片机用防水塑料袋包裹住，且位于各自湿度传感器的正下方；所述电动蝶阀单片机放置在电动蝶阀的表面上，并且与电动蝶阀连接。

2.根据权利要求1所述的一种混合种植农田定点灌溉装置，其特征在于每个正六边形的边长均为1m。

3.根据权利要求1所述的一种混合种植农田定点灌溉装置，其特征在于每个湿度传感器均埋在农田地表下方50cm处。