CN107544364A - 一种物联网农田节水灌溉系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种物联网农田节水灌溉系统，包括数据采集终端、喷灌机控制终端、嵌入式网关和监控中心服务器；数据采集终端和喷灌机控制终端放置在农田里，并且若干个数据采集终端的中心区域设置一个喷灌机控制终端，数据采集终端通过GPRS网络将采集的数据发送给嵌入式网关，嵌入式网关对数据采集终端的采集数据进行汇总，并通过以太网发送给监控中心服务器，监控中心服务器设于远端监控中心，通过以太网跟所述嵌入式网关相连接，对数据采集终端和喷灌机控制终端进行控制。本发明结合生物调控、自动控制、GPS定位、物联网等高新技术实现全自动化与信息化，实时地检测土壤和作物的水分盈亏情况，从而制定最优的灌溉方案。

Description

一种物联网农田节水灌溉系统

技术领域

本发明涉及物联网监控技术领域，特别涉及一种物联网农田节水灌溉系统。

背景技术

水是农业的命脉，农业离不开水。农业是我国的用水大户，约占全国总用水量的73％，但有效性很差，水资源浪费十分严重，渠灌区水的有效利用率只有40％左右，井灌区也只有60％左右，每立方米水生产粮食不足1千克。而一些发达国家水的有效利用率可达80％以上，每立方米水生产粮食大概都在2千克以上。由此说明，我国各种节水农业技术的综合应用程度还十分低下，与发达国家相比存在着很大的差距。

发明内容

(一)解决的技术问题

为了解决上述问题，本发明提供了一种物联网农田节水灌溉系统，结合生物调控、自动控制、GPS定位、物联网等高新技术实现全自动化与信息化，实时地检测土壤和作物的水分盈亏情况，按照作物不同的需水要求来实施变量施水，达到最优的节水增产效果。

(二)技术方案

一种物联网农田节水灌溉系统，包括数据采集终端、喷灌机控制终端、嵌入式网关和监控中心服务器；所述数据采集终端和所述喷灌机控制终端放置在农田里，并且若干个所述数据采集终端的中心区域设置一个所述喷灌机控制终端，所述数据采集终端通过GPRS网络将采集的数据发送给所述嵌入式网关，所述嵌入式网关对所述数据采集终端的采集数据进行汇总，并通过以太网发送给所述监控中心服务器和用户的移动终端，所述监控中心服务器设于远端监控中心，通过以太网跟所述嵌入式网关相连接，对所述数据采集终端和所述喷灌机控制终端进行控制。

进一步的，所述数据采集终端包括数据采集单元、MCU微处理器、GPS模块、无线通信单元和供电单元；

所述数据采集单元包括土壤温湿度传感器和信号调理电路，所述土壤温湿度传感器埋入土壤中，采集地表下0～100cm各个深度处土壤水分信息，并转换为0～5V模拟电压信号；所述信号调理电路对所述模拟电压信号进行滤波和缓冲，并与所述MCU微处理器的ADC端口连接；

所述MCU微处理器通过所述ADC端口读取所述模拟电压信号并进行转换，同时经COM1口和COM2口分别与所述无线通信单元和所述GPS模块进行通信连接；

所述GPS模块通过所述COM1口与所述MCU微处理器连接，并接收GPS定位卫星传送的导航电文，用于确定具体地理位置；

所述无线通信单元包括GPRS模块和SIM卡，所述GPRS模块经所述COM2口与所述MCU微处理相连接，所述MCU微处理器通过所述GPRS模块跟所述嵌入式网关和用户的移动终端进行通信；

所述供电单元为采集终端其它各模块提供工作电压。

再进一步的，所述土壤温湿度传感器选用JWSL-5VB保护型温湿度变送器。

再进一步的，所述信号调理电路包括第一运放、第二运放、变阻器、第一电容、第二电容、第一电阻和第二电阻，其中所述第一和第二运放选用LM358P运算放大器。

再进一步的，所述MCU微处理器选用低功耗8位微处理器ATmega128。

再进一步的，所述GPS模块包括GPS传感器、三极管、二极管和第三～第八电阻，其中所述GPS传感器选用GPS-C3-470内置天线GPS芯片。

再进一步的，所述GPRS模块包括GPRS无线通信模组、反相器、发光二极管和第九电阻，其中所述GPRS无线通信模组选用MC35嵌入式GPRS无线通信模组，所述反相器选用非门74LS04。

再进一步的，所述供电单元包括太阳能电池板、整流降压电路和蓄电池。

(三)有益效果

本发明提供了一种物联网农田节水灌溉系统，结合生物调控、自动控制、GPS定位、物联网等高新技术实现全自动化与信息化，实时地检测土壤和作物的水分盈亏情况，从而制定最优的灌溉方案，按照作物不同的需水要求来实施变量施水，按需灌溉，最大限度的降低水资源的消耗，缓解水资源日趋紧张的矛盾，为作物提供了更好的生长环境，达到最优的节水增产效果，充分发挥现有节水设备的作用，优化调度，提高效益，系统功耗低，测试精度高，性能稳定可靠，具有很好的实时性、灵活性和可扩展性。

附图说明

图1为本发明所涉及的一种物联网农田节水灌溉系统的结构框图。

图2为本发明所涉及的一种物联网农田节水灌溉系统的数据采集终端的结构框图。

图3为本发明所涉及的一种物联网农田节水灌溉系统的数据采集单元的电路原理图。

图4为本发明所涉及的一种物联网农田节水灌溉系统的GPS模块电路原理图。

图5为本发明所涉及的一种物联网农田节水灌溉系统的GPRS模块电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所涉及的实施例做进一步详细说明。

如图1所示，一种物联网农田节水灌溉系统，包括数据采集终端、喷灌机控制终端、嵌入式网关和监控中心服务器；数据采集终端和喷灌机控制终端放置在农田里，并且若干个数据采集终端的中心区域设置一个喷灌机控制终端，数据采集终端通过GPRS网络将采集的数据发送给嵌入式网关，嵌入式网关对数据采集终端的采集数据进行汇总，并通过以太网发送给监控中心服务器和用户的移动终端，监控中心服务器设于远端监控中心，通过以太网跟所述嵌入式网关相连接，对数据采集终端和喷灌机控制终端进行控制。

如图2所示，数据采集终端包括数据采集单元、MCU微处理器、GPS模块、无线通信单元和供电单元；数据采集单元包括土壤温湿度传感器和信号调理电路，土壤温湿度传感器埋入土壤中，采集地表下0～100cm各个深度处土壤水分信息，并转换为0～5V模拟电压信号；信号调理电路对所述模拟电压信号进行滤波和缓冲，并与MCU微处理器的ADC端口连接；MCU微处理器通过ADC端口读取模拟电压信号并进行转换，同时经COM1口和COM2口分别与无线通信单元和GPS模块进行通信连接；GPS模块通过COM1口与MCU微处理器连接，并接收GPS定位卫星传送的导航电文，用于确定具体地理位置；无线通信单元包括GPRS模块和SIM卡，GPRS模块经COM2口与MCU微处理相连接，MCU微处理器通过GPRS模块跟嵌入式网关和用户的移动终端进行通信；供电单元为采集终端其它各模块提供工作电压。

由于在农田灌溉上检测范围比较大，数量多，布点不固定并只在农耕季节使用等特点考虑，采集终端需要设计成可灵活移动、易于拆装的方式，并且在每一个采集终端上安装GPS定位模块，使发送到监控中心服务器上的数据带有地理位置下标，监控中心服务器根据上传数据的地理位置下标来确定采集点具体地理位置，从而实现准确的数据采集。

土壤温湿度传感器U1选用JWSL-5VB保护型温湿度变送器，其接口为0～5V模拟量接口，输出信号为直流电压信号，范围为0～5V，温度与湿度信号从各自的通道输出，相互独立。土壤温湿度传感器U1埋入土壤中，采集地表下0～100cm各个深度处土壤水分信息，并转化为0～5V模拟电压信号进行输出。

考虑到成本和处理性能的要求，MCU微处理器U4用低功耗8位微处理器ATmega128。该芯片硬件资源丰富，具有功耗低、功能多、价格便宜和性能强大等优点。Atmega128自身带有128K字节Flash存储器，程序可直接通过编程器下载到片内Flash中，同时再带4K字节的EEPROM存储器，土壤温湿度传感器U1采集的数据直接存放在EEPROM中。ATmega128内部的ADC具有8个通道，每通道的分辨率为10bit，输入电压范围为0～5V，能够满足采集终端数据巡回采集的需要。

如图2所示，土壤温湿度传感器U1输出的信号经过线性转换处理后输入到ATmega128的ADC端口，由ATmega128内部的ADC进行模数转换。信号调理电路包括运放U2和U3、变阻器Rw1、电容C1和C2、电阻R1和R2，其中运放U2和U3选用LM358P运算放大器。土壤温湿度传感器U1输出的电压信号首先经过电容C1和电阻R1组成的低通滤波器进行低通滤波。土壤温湿度传感器U1输出的电压信号本身可能有不稳定因素，会受到其他干扰因素的影响，很多中高频噪声叠加到电压信号中，所以在电压信号进入ATmega128的ADC端口之前，先通过低通滤波器尽可能地把噪声和干扰滤除。这里使用一阶RC低通滤波器进行滤波，截止频率为15.92Hz，可以有效地衰减中高频干扰成分，较好地反映出电压信号的变化。电压信号通过滤波器后，再经由运放U2构成的一级电压跟随器缓冲及由电阻R2和变阻器Rw1组成的分压电路转换成0～4.09V的电压信号后，再经由运放U3构成的一级电压跟随器缓冲，最后送入ATmega128的ADC端口，其中温度信号送ADC1口，湿度信号送ADC2口。

如图3所示，GPS模块包括GPS传感器U5、三极管Q1、二极管D1和电阻R3～R8，其中GPS传感器U5选用GPS-C3-470内置天线GPS芯片。GPS-C3-470通过ATmega128的COM2口连接，由于其接口为TTL电平接口，可以直接与ATmega128的串行接口进行连接。GPS模块使上传给监控中心服务器的数据带有地理位置下标，方便确定采集终端的采集点具体地理位置。

如图4所示，GPRS模块包括GPRS无线通信模组U6、反相器U7、发光二极管LED1和电阻R9，其中GPRS无线通信模组U6选用MC35嵌入式GPRS无线通信模组，反相器U7选用非门74LS04。嵌入式GPRS无线通信模组MC35为直流5V供电，其接口也为TTL电平接口，可直接连接至ATmega128的串行接口COM1上。引脚TXD和RXD为通信接口，ONLINE为在线指示接口，当连接到网络以后该引脚输出一个低电平信号，通过74LS04非门进行反向以后驱动发光二极管LED1，当发光二极管LED1点亮以后便说明已连接网络。MC35嵌入式GPRS无线通信模组将数据发送到GPRS网络，经由嵌入式网关转送至用户的移动终端或以太网，最后被连接到以太网的监控中心服务器接收；同时监控中心服务器将采集频率调整指令或灌溉命令经由以太网转送至嵌入式网关，通过GPRS网络分别被数据采集终端或喷灌机控制终端接收。

供电单元包括太阳能电池板、整流降压电路和蓄电池，太阳能电池板收集太阳光能，经过整流降压电路转换为低压直流电存储于蓄电池中，给监测终端供电。由于监测终端放置在农田里，考虑到农田地理环境的特殊性，采用太阳能电池板结合蓄电池的形式为装置供电，符合节能环保和生态可持续发展的要求，提高了能源利用率，降低了成本。

下面说明系统的工作原理。

土壤温湿度传感器埋入土壤中，直接获取地表下0～100cm各个深度处的土壤水分信息，并将其转换为0～5V模拟电压信号。数据采集终端利用GPRS网络将土壤水分信息经由嵌入式网关转送至连接以太网的监控中心服务器。根据需要，数据采集终端可以为多个，每个采集终端可以作为一个土壤墒情固定监测站，分布在区域内不同的特征点进行土壤水分信息采集。监控中心服务器循环接收各个采集终端发送的土壤墒情信息，并将接收到的数据与数据库中的农作物需水量进行分析比对，从而形成最佳灌溉方案，然后由监控中心服务器将灌溉命令利用以太网经由嵌入式网关转送至连接GPRS网络的喷灌机控制终端，喷灌机控制终端直接控制喷灌机以及深井泵等设备进行灌溉作业。同时数据采集终端也可将采集的数据通过GPRS网络发送至用户的移动终端，实现移动终端用户的远程监控，及时掌握农田各个采集点土壤中的水分盈亏情况。监控中心服务器也可将采集频率调整命令利用以太网经由嵌入式网关转送至连接GPRS网络的数据采集终端，根据需要控制下位机调整土壤温湿度传感器的采集频率。

本发明提供了一种物联网农田节水灌溉系统，结合生物调控、自动控制、GPS定位、物联网等高新技术实现全自动化与信息化，实时地检测土壤和作物的水分盈亏情况，从而制定最优的灌溉方案，按照作物不同的需水要求来实施变量施水，按需灌溉，最大限度的降低水资源的消耗，缓解水资源日趋紧张的矛盾，为作物提供了更好的生长环境，达到最优的节水增产效果，充分发挥现有节水设备的作用，优化调度，提高效益，系统功耗低，测试精度高，性能稳定可靠，具有很好的实时性、灵活性和可扩展性。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (8)

1.一种物联网农田节水灌溉系统，其特征在于：包括数据采集终端、喷灌机控制终端、嵌入式网关和监控中心服务器；所述数据采集终端和所述喷灌机控制终端放置在农田里，并且若干个所述数据采集终端的中心区域设置一个所述喷灌机控制终端，所述数据采集终端通过GPRS网络将采集的数据发送给所述嵌入式网关，所述嵌入式网关对所述数据采集终端的采集数据进行汇总，并通过以太网发送给所述监控中心服务器，所述监控中心服务器设于远端监控中心，通过以太网跟所述嵌入式网关相连接，对所述数据采集终端和所述喷灌机控制终端进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种物联网农田节水灌溉系统，其特征在于：所述数据采集终端包括数据采集单元、MCU微处理器、GPS模块、无线通信单元和供电单元；

所述数据采集单元包括土壤温湿度传感器和信号调理电路，所述土壤温湿度传感器埋入土壤中，采集地表下0～100cm各个深度处土壤水分信息，并转换为0～5V模拟电压信号；所述信号调理电路对所述模拟电压信号进行滤波和缓冲，并与所述MCU微处理器的ADC端口连接；

所述MCU微处理器通过所述ADC端口读取所述模拟电压信号并进行转换，同时经COM1口和COM2口分别与所述无线通信单元和所述GPS模块进行通信连接；

所述GPS模块通过所述COM1口与所述MCU微处理器连接，并接收GPS定位卫星传送的导航电文，用于确定具体地理位置；

所述无线通信单元包括GPRS模块和SIM卡，所述GPRS模块经所述COM2口与所述MCU微处理相连接，所述MCU微处理器通过所述GPRS模块跟所述嵌入式网关和用户的移动终端进行通信；

所述供电单元为采集终端其它各模块提供工作电压。

3.根据权利要求2所述的一种物联网农田节水灌溉系统，其特征在于：所述土壤温湿度传感器选用JWSL-5VB保护型温湿度变送器。

4.根据权利要求2所述的一种物联网农田节水灌溉系统，其特征在于：所述信号调理电路包括第一运放、第二运放、变阻器、第一电容、第二电容、第一电阻和第二电阻，其中所述第一和第二运放选用LM358P运算放大器。

5.根据权利要求2所述的一种物联网农田节水灌溉系统，其特征在于：所述MCU微处理器选用低功耗8位微处理器ATmega128。

6.根据权利要求2所述的一种物联网农田节水灌溉系统，其特征在于：所述GPS模块包括GPS传感器、三极管、二极管和第三～第八电阻，其中所述GPS传感器选用GPS-C3-470内置天线GPS芯片。

7.根据权利要求2所述的一种物联网农田节水灌溉系统，其特征在于：所述GPRS模块包括GPRS无线通信模组、反相器、发光二极管和第九电阻，其中所述GPRS无线通信模组选用MC35嵌入式GPRS无线通信模组，所述反相器选用非门74LS04。

8.根据权利要求2所述的一种物联网农田节水灌溉系统，其特征在于：所述供电单元包括太阳能电池板、整流降压电路和蓄电池。