CN108064671A - 一种山地柑橘园灌溉系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种山地柑橘园灌溉系统及方法，系统包括微处理器模块、传感器模块、双稳态脉冲电磁阀、GPS卫星时基模块、ZigBee局域网、网关模块、GPRS模块以及云端服务器，其中，所述传感器模块、双稳态脉冲电磁阀以及GPS卫星时基模块均与所述微处理器模块电连接，所述微处理器电连接所述ZigBee局域网，所述ZigBee局域网通过所述网关模块连接所述GPRS模块，所述GPRS模块通过GPRS无线连接云端服务器；所述传感器模块用于采集山地柑橘园的环境参数；GPS卫星时基模块用于对灌溉系统进行卫星授时；双稳态脉冲电磁阀用于控制灌溉开关；微处理器模块用于接收所述传感器模块的各个环境参数。本发明通过让用户实时得知山地柑橘园生长环境状况，实现山地柑橘园精准灌溉与科学管理。

Description

一种山地柑橘园灌溉系统及方法

技术领域

本发明涉及基于远程物联网精准控制农作物生产的技术领域，尤其涉及一种山地柑橘园灌溉系统及方法。

背景技术

目前我国是世界上种植和生产柑橘的第一大国，然而，国内的柑橘生产技术却比较落后，例如现阶段国内依然在靠人工进行果树管理和人工灌溉，导致柑橘的平均亩产量低于世界平均水平。并且，国内柑橘多种植在南方山地上，一方面靠传统人工进行管理，使得劳动量大、劳动效率低，另一方面柑橘灌溉主要以人工经验为主，缺乏科学具体的灌溉依据，灌溉时往往采用漫灌等较为盲目的方法，浪费了大量水资源，并大大制约果树产量的提高，同时我国还是一个水资源匮乏的国家。因此，对山地柑橘园生长环境参数进行检测并以此作为精准节水灌溉的决策依据非常有必要，形成系统的山地柑橘园精准节水灌溉方法对提高柑橘产量和质量、节约用水都有重要意义。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种山地柑橘园灌溉系统及方法，通过对山地柑橘园的各种环境参数进行实时检测，然后结合数据系统做出最优的灌溉方案，解决了现阶段需要人工灌溉并且灌溉方案不科学的缺点，本发明通过科学合理的灌溉达到了最优化的节水效果。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种山地柑橘园灌溉系统，包括微处理器模块、传感器模块、双稳态脉冲电磁阀以及GPS卫星时基模块，所述传感器模块、双稳态脉冲电磁阀以及GPS卫星时基模块均与所述微处理器模块电连接；所述传感器模块用于采集山地柑橘园的环境参数；所述GPS卫星时基模块用于对灌溉系统进行卫星授时；所述双稳态脉冲电磁阀用于控制灌溉开关；所述微处理器模块用于接收所述传感器模块的各个环境参数，并通过处理环境参数发出相应指令用来控制双稳态脉冲电磁阀开启或关闭，从而达到灌溉目的。

进一步地，所述山地柑橘园灌溉系统还包括依此连接的ZigBee局域网、网关模块、GPRS模块以及云端服务器，所述微处理器电连接所述ZigBee局域网，所述ZigBee局域网通过所述网关模块连接所述GPRS模块，所述GPRS模块通过GPRS无线连接云端服务器；所述ZigBee局域网和GPRS模块均用于传输环境参数至所述云端服务器；所述云端服务器用于解析及存储环境参数。

进一步地，所述云端服务器包括远程数据库以及人机交互客户端，所述远程数据库用于存储环境参数；所述人机交互客户端用于实时显示环境参数和所述双稳态脉冲电磁阀的开启或关闭状态，以及进行后台管理。

进一步地，所述ZigBee局域网包括CC2630射频芯片、Cortex-M0内核和RFX2401功率放大芯片、阻抗匹配天线以及LM2596-3.3电源模块。

进一步地，所述GPRS模块包括WG-8010模块和电源模块，所述电源模块采用LM2596-12电源芯片。

进一步地，所述传感器模块包括土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器以及光照度传感器，所述土壤温湿度传感器用于采集土壤的温湿度，所述空气温湿度传感器用于采集空气的温湿度，所述光照度传感器用于采集实时的光照强度。

进一步地，所述微处理器模块包括微处理器、LM2596稳压芯片及电源模块，所述LM2596稳压芯片和电源模块均连接微处理器。

进一步地，所述GPS卫星时基模块包括NEO-6M-0-001GPS信号接收芯片。

进一步地，所述双稳态脉冲电磁阀包括相互连接的SLK1BF09N7K50型电磁阀、L9110S驱动芯片以及电磁阀控制电路。

本发明另一目的是提供一种山地柑橘园灌溉方法，包括下述步骤：

S1、传感器模块采集柑橘园的环境参数信息，其中，环境参数信息包括土壤温湿度、空气温湿度和光照强度信息；

S2、当微处理器模块检测到GPS卫星时基模块预先设定的GPS卫星时间时，将传感器模块采集的环境参数信息进行融合并整合为数据流，通过ZigBee局域网传输到网关模块；网关模块将环境参数信息进行特殊格式化后，通过GPRS模块与云端服务器建立起TCP/IP连接，将环境参数信息传输至云端服务器；

S3、云端服务器对环境参数信息进行解析处理，并调用SQL Server 2008数据库接口，然后将环境参数信息存进去远程数据库；同时，云端服务器检测环境参数信息是否偏离预先设定的阈值，然后自动发送相应的指令到微处理器模块，微处理器模块根据指令控制相应的双稳态脉冲电磁阀进行开关工作；

S4、云端服务器将环境参数信息和双稳态脉冲电磁阀的开关信息在人机交互客户端进行显示，用户可以在人机交互客户端上手动更改环境参数阈值。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：

1、本发明结合了ZigBee局域网技术、GPRS技术、云服务器技术和Internet技术，设计了局域网数据与广域网数据的融合、传输与处理的有机系统，将山地柑橘园环境传输到人机交互网站，实现了对柑橘园生长环境的远程监测；

2、本发明通过利用现有传感器，包括土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器和光照度传感器等，并设计外围电路和电源模块，将柑橘生长的主要环境信息具体化、数字化，直观地呈现给用户，实现了柑橘生产的科学管理；

3、本发明结合了GPS技术，利用GPS卫星时间为每个节点进行卫星授时，避免了需要通过网络不断同步时间的难题，使得整个系统实时性、步调一致性更好；

4、本发明中，用户可以通过人机交互网站方便地查看当前和过去山地柑橘园果树生长环境信息，并能够自行设定阈值，结合传感器采集的数据共同作为灌溉的依据，避免了水资源的浪费和漫灌问题，实现节水的目的；

5、本发明中，电磁阀与传感器集成在一起，均通过ZigBee局域网与网关进行通信，减少了组网节点数量，提高了系统可靠性。

附图说明

图1为本发明一种山地柑橘园灌溉系统的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

实施例

本发明为一种山地柑橘园精准节水灌溉系统，但并不局限于山地柑橘园，可适用于各种农产品种植园。

如图1所示，本发明一种山地柑橘园精准节水灌溉系统，包括微处理器模块、传感器模块、双稳态脉冲电磁阀、GPS卫星时基模块、ZigBee局域网、网关模块、GPRS模块以及云端服务器，其中，所述传感器模块、双稳态脉冲电磁阀以及GPS卫星时基模块均与所述微处理器模块电连接，所述微处理器电连接所述ZigBee局域网，所述ZigBee局域网通过所述网关模块连接所述GPRS模块，所述GPRS模块通过GPRS无线连接云端服务器；所述传感器模块用于采集山地柑橘园的环境参数；所述GPS卫星时基模块用于对灌溉系统进行卫星授时；所述双稳态脉冲电磁阀用于控制灌溉开关；所述微处理器模块用于接收所述传感器模块的各个环境参数，并通过处理环境参数发出相应指令用来控制双稳态脉冲电磁阀开启或关闭，从而达到灌溉目的；所述ZigBee局域网和GPRS模块均用于传输环境参数至所述云端服务器；所述云端服务器用于解析及存储环境参数；云端服务器包括远程数据库以及人机交互客户端，所述远程数据库用于存储环境参数；所述人机交互客户端用于实时显示环境参数和所述双稳态脉冲电磁阀的开启或关闭状态，以及进行后台管理。

传感器模块包括土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器以及光照度传感器，所述土壤温湿度传感器用于采集土壤的温湿度，所述空气温湿度传感器用于采集空气的温湿度，所述光照度传感器用于采集实时的光照强度。

所述微处理器模块包括STM32F103C8T6核心处理器、LM2596稳压芯片及其外围电路构成的电源模块，所述电源模块与STM32F103C8T6核心处理器之间连接方式为电连。

GPS卫星时基模块由NEO-6M-0-001GPS信号接收芯片及其外围电路构成，所述GPS卫星时基模块与STM32F103C8T6核心处理器模块之间连接方式为电联。

所述双稳态脉冲电磁阀为SLK1BF09N7K50双稳态脉冲电磁阀，主要由以SLK1BF09N7K50型电磁阀和L9110S驱动芯片为核心及其外围元件构成的电磁阀控制电路。所述SLK1BF09N7K50双稳态脉冲电磁阀与STM32F103C8T6核心处理器模块之间连接方式为电联。

所述ZigBee局域网包括以CC2630射频芯片为核心、以Cortex-M0为内核运行ZigBee核心协议与FSK调制解调协议、串口收发协议和RFX2401功率放大芯片及其外围电路、50Ω阻抗匹配天线构成的2.4GHz无线局域网通信模块和LM2596-3.3电源芯片为核心的电源模块。ZigBee无线局域网通信模块与STM32F103C8T6核心处理器模块之间连接方式为电联。

所述网关模块包括STM32F103C8T6核心处理器模块、ZigBee无线局域网模块和电源模块。所述电源模块由以LM2596-5和LM2596-3.3电源芯片为核心及其外围电路构成。

所述GPRS模块包括WG-8010模块和电源模块。所述电源模块由以LM2596-12电源芯片为核心及其外围电路构成。GPRS模块通过串口与所述网关模块的STM32F103C8T6核心处理器模块电连。GPRS组网采用TCP/IP协议。

所述云端服务器基于Windows Server 2008操作系统，采用TCP/IP协议和面向对象Visual C#编程语言实现。

所述远程数据库基于Windows Server 2008操作系统，采用SQL Server 2008数据库软件，以SQL结构化编程语言实现。

所述人机交互客户端优选采用人机交互网站，人机交互网站基于Windows Server2008操作系统，运用Div+CSS布局和Javascript技术，采用面向对象Visual C#编程语言实现。

本发明一种山地柑橘园精准节水灌溉系统，其采用的灌溉方法，具体包括以下步骤：

(1)土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器、光照度传感器采集柑橘园生长的土壤、空气和环境光照等信息，当微处理器模块检测到预先设定的GPS卫星时间时将环境信息数据融合并整合为数据流后通过ZigBee局域网传输到网关模块；

(2)所述云端服务器接收到来自网关模块的格式化数据后对数据进行解析处理并调用SQL Server 2008数据库接口，将解析后的数据存储在远程数据库中。当云端服务器检测到环境数据偏离设定的阈值后，会自动发送相应的指令到网关模块再由网关模块将数据转发到相应节点，控制相应的双稳态脉冲电磁阀进行开关工作，实现精准灌溉的目的。

(3)所述人机交互网站将接收到的环境参数显示在网页上，方便用户观察和管理。人机交互网站具有显示双稳态脉冲电磁阀开关状态、实时数据预警和后台管理等功能，用户可以在人机交互网站上手动更改环境参数阈值。

此外，为了验证系统的稳定性，做了以下实验：

设定5个传感器节点采集周期均为5min，采用定时传输机制降低系统整体能耗，连续监测10d，测试结果如表1所示，该系统平均丢包率约为0.8％，说明其网络传输稳定性较高。同时对节点通信距离分别在空旷条件下和有障碍物地带进行了测速，其结果如表2所示。在有障碍物地带其有效通信距离约为200米，基本满足山地柑橘园监测需要。

表1网络丢包率统计

表2两种环境下节点通信距离测试结果

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (10)

1.一种山地柑橘园灌溉系统，其特征在于，包括微处理器模块、传感器模块、双稳态脉冲电磁阀以及GPS卫星时基模块，所述传感器模块、双稳态脉冲电磁阀以及GPS卫星时基模块均与所述微处理器模块电连接；所述传感器模块用于采集山地柑橘园的环境参数；所述GPS卫星时基模块用于对灌溉系统进行卫星授时；所述双稳态脉冲电磁阀用于控制灌溉开关；所述微处理器模块用于接收所述传感器模块的各个环境参数，并通过处理环境参数发出相应指令用来控制双稳态脉冲电磁阀开启或关闭，从而达到灌溉目的。

2.如权利要求1所述的一种山地柑橘园灌溉系统，其特征在于，还包括依此连接的ZigBee局域网、网关模块、GPRS模块以及云端服务器，所述微处理器电连接所述ZigBee局域网，所述ZigBee局域网通过所述网关模块连接所述GPRS模块，所述GPRS模块通过GPRS无线连接云端服务器；所述ZigBee局域网和GPRS模块均用于传输环境参数至所述云端服务器；所述云端服务器用于解析及存储环境参数。

3.如权利要求2所述的一种山地柑橘园灌溉系统，其特征在于，所述云端服务器包括远程数据库以及人机交互客户端，所述远程数据库用于存储环境参数；所述人机交互客户端用于实时显示环境参数和所述双稳态脉冲电磁阀的开启或关闭状态，以及进行后台管理。

4.如权利要求2所述的一种山地柑橘园灌溉系统，其特征在于，所述ZigBee局域网包括CC2630射频芯片、Cortex-M0内核和RFX2401功率放大芯片、阻抗匹配天线以及LM2596-3.3电源模块。

5.如权利要求2所述的一种山地柑橘园灌溉系统，其特征在于，所述GPRS模块包括WG-8010模块和电源模块，所述电源模块采用LM2596-12电源芯片。

6.如权利要求1所述的一种山地柑橘园灌溉系统，其特征在于，所述传感器模块包括土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器以及光照度传感器，所述土壤温湿度传感器用于采集土壤的温湿度，所述空气温湿度传感器用于采集空气的温湿度，所述光照度传感器用于采集实时的光照强度。

7.如权利要求1所述的一种山地柑橘园灌溉系统，其特征在于，所述微处理器模块包括微处理器、LM2596稳压芯片及电源模块，所述LM2596稳压芯片和电源模块均连接微处理器。

8.如权利要求1所述的一种山地柑橘园灌溉系统，其特征在于，所述GPS卫星时基模块包括NEO-6M-0-001GPS信号接收芯片。

9.如权利要求1所述的一种山地柑橘园灌溉系统，其特征在于，所述双稳态脉冲电磁阀包括相互连接的SLK1BF09N7K50型电磁阀、L9110S驱动芯片以及电磁阀控制电路。

10.一种山地柑橘园灌溉方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1、传感器模块采集柑橘园的环境参数信息，其中，环境参数信息包括土壤温湿度、空气温湿度和光照强度信息；

S2、当微处理器模块检测到GPS卫星时基模块预先设定的GPS卫星时间时，将传感器模块采集的环境参数信息进行融合并整合为数据流，通过ZigBee局域网传输到网关模块；网关模块将环境参数信息进行特殊格式化后，通过GPRS模块与云端服务器建立起TCP/IP连接，将环境参数信息传输至云端服务器；

S3、云端服务器对环境参数信息进行解析处理，并调用SQL Server 2008数据库接口，然后将环境参数信息存进去远程数据库；同时，云端服务器检测环境参数信息是否偏离预先设定的阈值，然后自动发送相应的指令到微处理器模块，微处理器模块根据指令控制相应的双稳态脉冲电磁阀进行开关工作；

S4、云端服务器将环境参数信息和双稳态脉冲电磁阀的开关信息在人机交互客户端进行显示，用户可以在人机交互客户端上手动更改环境参数阈值。