CN108446787B - 一种基于物联网和蓝牙技术的土壤灌溉诊断装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于物联网和蓝牙技术的土壤灌溉诊断装置，包括蓝牙土壤水分检测设备、手机应用软件和远程网络服务平台。蓝牙土壤水分检测设备用于检测表层土壤含水率；手机应用软件可以读取、显示、储存土壤水分数据，获取实时及未来一段时间内的天气预报并进行气象分析，进而算得作物需水量，为准确实效的灌溉提供建议；手机应用软件将数据整理传输到远程服务平台进行模型计算，解决了开挖剖面、钻孔等方法测量根区平均含水率时破坏根区土壤结构、工作量大的问题，同时提升了智能手机运算速度。所述设备采用无线充电技术，避免了设备在田间恶劣环境下检测土壤水分时充电口易进水及其他杂质导致损坏仪器的状况，延长了设备的使用寿命。

Description

一种基于物联网和蓝牙技术的土壤灌溉诊断装置

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，具体说是一种基于物联网和蓝牙技术的土壤灌溉诊断装置。尤指一种基于物联网技术，与智能手机配合，可以通过检测表层土壤水分为用户提供灌溉建议的设备。

背景技术

水是万物生长之源，是保证农业生产的物质基础。便捷准确地测量土壤含水率，了解土壤水分变化规律对指导精量节水灌溉有重要意义。通过传感器进行土壤水分测试具有自动化程度高、准确度好、省时省工等优点，已经被广泛的应用在农业生产中。

固定式墒情监测站布设检测系统测量范围有限，测量成本高，不适合中小规模作物种植过程中的土壤水分检测。为了降低测量成本、方便中小规模用户使用，国内外一直致力于研究便携式土壤水分检测设备，可多次使用无需固定布设。专利号为CN200810028491.5的发明专利中提出了一种土壤水分传感器，该发明结构简单，便于携带且价格低廉，但不足的是，该发明只是克服了固定式墒情监测站成本高、不方便携带的问题，但在测量土壤含水率的时候破坏了深层土壤结构，使用时工作量较大，同时该发明并不能显示测量数据，给实验结果的记录和储存带来不便。专利号为CN201510890322.2的发明专利中提出了一种无线传输的土壤水分分布测量系统及方法，该发明在测量土壤含水率时不伤害作物，不破坏土壤结构，测量区域广，但是该发明只是对测试数据的展示，多针对农业技术人员以及科研实验，无法直接为一般农户提供是否需要灌溉、何时进行灌溉等直观灌溉管理建议。

随着智能手机在我国的普及程度不断升高，以及农村经济发展与农民素质的提升，手机在农民日常生产生活中发挥着越来越重要的作用，智能手机终端具有互联网通讯、GPS定位等丰富的功能，通过获取气象信息、精准定位、强大的运算处理能力等特点，实现土壤水分检测设备的功能多样化。

结合上述的情况，本发明提出了一种带有蓝牙功能的便携式土壤水分检测设备，在土壤水分传感器中安装蓝牙模块，将数据通过蓝牙传输连接到智能手机应用软件中。本发明在便捷观测、保存、预测分析数据方面优势明显；同时灵活运用手机终端的运算分析功能，及时合理提醒测量并给出灌溉建议。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于物联网和蓝牙技术的土壤灌溉诊断装置，可以有效解决以下几点问题：

(1)本发明基于低功耗蓝牙技术、移动网络、传感器等技术，提出了一种与智能手机结合的具有蓝牙功能的便携式土壤水分检测设备，解决了现有土壤水分检测装置不便于携带、功能单一、无法提供灌溉建议等问题。

(2)手机应用软件可以读取、显示、储存土壤水分数据，可调取历史存储数据，还设有灌溉提醒功能和专家经验交流功能，解决了土壤水分检测设备功能单一的问题，同时利用智能手机显示、输入、网络接入与定位等功能，减少了设备所需硬件模块，降低了设备成本。

(3)本发明提供远程网络服务平台，用于支持各种复杂模型计算，如：表层土壤水分关系预测深层土壤水分含量的模型，水量平衡计算模型等。智能手机将数据整理传输到远程服务平台进行模型计算，便于模型的更新维护，减轻了智能手机的复杂度，将复杂的数据处理由远程平台进行操作，方便用户使用，同时提升了智能手机运算速度。

(4)本发明运用远程网络服务平台中基于表层土壤水分关系预测深层土壤水分含量的模型，通过检测表层土壤水分数据估算作物根区平均含水率，解决了开挖剖面、钻孔等方法测量根区平均含水率时破坏根区土壤结构、工作量大的问题。同时可以通过手机与互联网的连接，获取实时及未来一段时间内的天气预报并进行气象分析，进而算得作物需水量，为准确实效的灌溉提供建议。

(5)本发明具备电磁感应原理的无线充电技术，装置无需连线充电，避免了设备在田间恶劣环境下检测土壤水分时充电口易进水及其他杂质导致损坏仪器的状况，延长了设备的使用寿命，简易了充电过程，使用低功耗蓝牙传输模块具有节能策略，整体待机时间更长。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于物联网和蓝牙技术的土壤灌溉诊断装置，包括蓝牙土壤水分检测设备、手机应用软件和远程网络服务平台；

所述蓝牙土壤水分检测设备包括土壤水分传感器探针1、设备主体2、无线充电底座3和充电线4，

所述土壤水分传感器探针1安装于设备主体2的顶端，所述设备主体2充电时放置于无线充电底座3上，无线充电底座3上安装有充电线4，用于连接220V电源适配器；

所述设备主体2内置控制器、电池、蓝牙数据传输模块和无线充电接收模块，所述控制器用于控制土壤水分传感器探针1、蓝牙数据传输模块和无线充电接收模块的工作；所述无线充电接收模块中设有电磁接收线圈；所述无线充电底座3内置无线发射控制电板和电磁发射线圈；

所述蓝牙土壤水分检测设备，用于检测表层土壤含水率，并通过蓝牙数据传输模块将表层土壤含水率发送到手机应用软件中；

所述手机应用软件，用于记录灌溉计算所需要的信息，接收蓝牙土壤水分检测设备发送的表层土壤含水率，通过互联网获取实时气象数据，并将灌溉计算所需要的信息、表层土壤含水率以及实时气象数据整理汇集后传输到远程网络服务平台；

所述远程网络服务平台，用于根据手机应用软件发送的数据建立预测模型，根据预测模型计算根区土壤平均含水率和未来土壤含水率，给出灌溉管理建议，并将灌溉管理建议发送到手机应用软件中供用户查看。

在上述方案的基础上，所述土壤水分传感器探针1选用便于插入土壤中的探针式TDR或FDR等使用介电原理探测土壤水分状况的传感器。

在上述方案的基础上，所述电池为可充电的锂电池。

在上述方案的基础上，所述无线充电接收模块中设有充电控制器，用于当检测到所述电池充满时，自动停止充电。

在上述方案的基础上，所述灌溉管理建议包括是否需要灌溉、何时进行灌溉和何时进行下次土壤含水率检测。

在上述方案的基础上，所述手机应用软件包括诊断模块、提醒模块和设置模块；

所述诊断模块包括连接设备子模块、地块管理子模块和灌溉诊断子模块；所述连接设备子模块用于手机与所述蓝牙土壤水分检测设备的配对连接；所述地块管理子模块用于添加、编辑、修改灌溉计算所需要的信息；所述灌溉诊断子模块用于引导用户检测表层土壤含水率，将测量得到的表层土壤含水率发送到远程网络服务平台，并接收远程网络服务平台发送的根区土壤平均含水率、未来土壤含水率和用户灌溉管理建议；

所述提醒模块包括提醒子模块和在线沟通子模块，所述提醒子模块用于提醒用户按照灌溉管理建议进行操作；所述在线沟通子模块用于用户与农业专家的在线沟通交流；

所述设置模块，用于用户进行土壤水分传感器量程设定与校准、参数修改以及软件更新等操作。

在上述方案的基础上，所述灌溉计算所需要的信息包括种植作物种类、作物播种时间、气候类型、气候条件、土壤质地类型、土壤养分状况、灌溉方式、地块面积和地块的经纬度坐标。

在上述方案的基础上，所述手机应用软件还包括土壤含水率变化查看模块，用于根据根区土壤平均含水率和未来土壤含水率，形成未来7～10天内的根区土壤含水率变化情况图供用户查看。

在上述方案的基础上，所述手机应用软件还包括应急处理模块，用于在出现网络故障时进行应急处理。

在上述方案的基础上，所述远程网络服务平台还用于存储全部历史数据；所述手机应用软件还用于存储近期历史数据供用户查看。

本发明具有以下优点：

(1)本发明提供了一种与智能手机结合的具有蓝牙功能的便携式土壤水分检测设备，集无线蓝牙技术、移动网络、传感器等技术于一体，实现了土壤水分检测设备功能多样化和携带、记录、诊断性能方面的优化。

(2)本发明充分利用手机应用软件的多项功能，显示并存储历次通过蓝牙传输回来的测量数据，且调取历史存储数据，实现了测量数据的有效分析和处理。同时手机应用软件中还设有灌溉提醒功能和专家经验交流功能。

(3)本发明使用可支持复杂数据处理的远程网络服务平台，将复杂的模型计算交给远程后台处理，一方面便于技术服务人员及时对模型的更新维护，另一方面减轻了智能手机的复杂度，方便用户使用，同时提升了智能手机运算速度。

(4)本发明通过一种基于表层土壤水分关系预测深层土壤水分含量的模型，保证深层土壤结构不被破坏。结合手机的网络连接获取实时及未来一段时间内的天气预报并通过上述的手机应用软件进行气象分析，快捷准确计算土壤需水量并提供有效的灌溉意见。

(5)本发明中结合带有无线充电模块的底座，便于蓝牙土壤水分检测设备的放置，并提高了在田间的恶劣环境下防水防尘效果，延长了蓝牙土壤水分检测设备的使用寿命，无线充电功能无需电线连接，使用简单方便。

附图说明

本发明有如下附图：

图1本发明所述蓝牙土壤水分检测设备的结构示意图；

图2本发明所述蓝牙土壤水分检测设备的测试图；

图3本发明所述装置的工作流程图；

图4本发明所述装置的组成示意图；

图5本发明所述手机应用软件的基本结构示意图。

附图标记：

1-土壤水分传感器探针，2-设备主体，3-无线充电底座，4-充电线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1～5所示，本发明所述基于物联网和蓝牙技术的土壤灌溉诊断装置，包括蓝牙土壤水分检测设备、手机应用软件和远程网络服务平台；

所述蓝牙土壤水分检测设备包括土壤水分传感器探针1、设备主体2、无线充电底座3和充电线4，

所述土壤水分传感器探针1安装于设备主体2的一端，所述设备主体2充电时放置于无线充电底座3上，无线充电底座3上安装有充电线4，用于连接220V电源适配器；

所述设备主体2内置控制器、电池、蓝牙数据传输模块和无线充电接收模块，所述控制器用于控制土壤水分传感器探针1、蓝牙数据传输模块和无线充电接收模块的工作；所述无线充电接收模块中设有电磁接收线圈，所述无线充电底座3内置无线发射控制电板和电磁发射线圈。

本发明开发蓝牙数据传输模块并与土壤水分传感器组合形成土壤水分检测设备的硬件部分实现数据采集与发送；无线充电底座内置电磁发射线圈，利用电磁感应原理，无线发射设备产生的磁场使无线充电接收模块产生电流，从而达到充电效果；开发配套的智能手机应用程序作为软件部分，基于智能手机的丰富功能完成数据与信息获取、信息录入、灌溉诊断以及结果输出。

测定土壤含水率时，用户通过手机应用软件录入作物种类、播种时间等参数后使用土壤水分传感器探针1对田间表层土壤水分含水率进行检测，然后通过蓝牙传输模块，将测量得到的数据发送到手机中，手机应用软件从互联网获取实时气象数据，将数据整理汇集传输到远程网络服务平台(该平台中的远程数据库用于支持各种模型计算、数据挖掘、专家决策、故障诊断等数据处理与决策任务)。远程网络服务平台中进行模型计算，如使用彭曼-蒙特斯(Penman-Monteith)公式预测未来一段时间内参照作物耗水量ET0，通过水量平衡原理计算未来作物根区土壤含水率状况，远程网络服务平台以作物灌水下限作为灌溉依据指标给出灌溉管理建议，包括是否需要灌溉，何时进行灌溉，何时进行下次检测等。数据处理后由手机应用软件接收进行结果输出。此外，手机应用软件可具备一些简单数据模型处理，在出现网络故障时，可做应急处理。设备工作流程如图3示。

通过硬件与智能手机应用程序及远程网络服务应用平台的配合，无需在嵌入式开发过程中为设备配置专用的定位、网络通信等模块，大大降低了硬件成本，减小了设备体积。

(2)设备组成：

设备主要模块部分及其功能如下：

控制器：使用单片机作为本设备控制器，主要负责数模转换与各模块控制。控制土壤水分传感器、蓝牙数据传输模块和无线充电模块的工作。

土壤水分传感器探针1：选用便于插入土壤中的探针式TDR或FDR等使用介电原理探测土壤水分状况的传感器，用于检测地块表层土壤(0-10cm)体积含水率数据。

蓝牙数据传输模块：选用蓝牙低能耗技术的蓝牙数据传输模块。负责设备与智能手机的连接，将土壤水分传感器探针测得的土壤含水率实时传输到智能手机终端。

电池：本发明为便携式装置，采用内置可充电锂电池供电。

无线充电接收模块：本发明内置采用电磁感应原理的无线充电模块，当带有电磁接收线圈的的外壳放在带有电磁发射线圈的充电底座时，由无线充电底座3为电池充电，充电模块带有控制功能，当检测到电池充满时，自动停止充电。

无线充电底座3：底座用为设备充电，其包括无线发射控制电板以及磁场发射线圈，负责通过电磁感应原理产生磁场。

手机应用软件：是本发明的软件部分，用于实现数据的储存和处理以及设备与用户的交互，使用蓝牙通讯协议与设备连接。

远程网络服务平台：远程网络服务平台用于支持各种模型计算、数据挖掘等数据处理与决策任务。

(3)软件程序：

所述手机应用软件主要由诊断、提醒和设置三个主要功能模块组成。诊断模块主要包括添加、编辑、修改需要进行灌溉检测的地块及其信息，且负责进行灌溉诊断并输出灌溉建议；提醒模块主要用于提醒用户按照数据分析结果的建议进行操作，同时在该模块中还可以查看以往测量数据历史记录。设置模块中，用户可以进行量程设定、参数修改以及软件更新等操作。软件基本结构见图5。

①诊断模块主要包括连接设备、地块管理、灌溉诊断三个子模块：

a.连接设备子模块负责手机与设备之间的蓝牙配对，用户开启手机蓝牙功能后，通过该子模块连接设备，以读取设备发送的土壤水分数据。

b.地块管理子模块负责软件中地块的添加、编辑与删除。本发明中所指的地块为用户进行灌溉管理的田间单元，通常为种植同一时间或播种同一种作物的地块。用户在手机应用软件中建立地块并录入灌溉计算所需要的信息，所述灌溉计算所需要的信息包括该地块所种植作物种类、作物播种时间、地块土壤类型、灌溉方式、地块面积以及该地块的经纬度坐标。其中，所述经纬度坐标可通过手机应用软件内置电子地图上点选，当录入地块信息时若用户位于所在地块，则可通过手机定位模块自动输入。新建地块后，用户在使用设备进行土壤水分检测前，选取对应地块即可调取整个检测流程中所需信息而无需反复录入。编辑则是指对上述输入的内容进行修改。删除是指将已录入的地块从软件中删除。同时，地块管理子模块中还具有根据地块名称进行搜索的功能。

c.灌溉诊断子模块用于引导用户测量田间土壤水分数据，显示传感器读数与估算所得作物根区土壤含水率，给出用户灌溉管理建议。

进行灌溉诊断时，用户通过手机应用软件可以实时读取当前土壤水分传感器读数，并可对读数进行记录，同时，用户可以在地块内取多个点进行土壤水分检测并记录一组读数，求取平均值后，将该数据输入作物根区土壤水分平均值估算模型。上述模型是根据当地不同类型土壤质地多年、多层(通常为0-10cm、10-20cm、20-40cm、40-60cm、60-80cm以及80-100cm深度土层)监测数据，通过运用远程网络服务平台中数据挖掘方法进行表层土壤含水率与各层平均数据间回归分析并得到相应预测模型，所述数据挖掘方法可以是神经网络、支持向量机、随机森林等回归方法，模型因地区而异，所述通过表层土壤水分数据预测根区平均含水率模型储存于本子模块的数据库中。

对于作物是否需要灌溉则通过对比当前以及未来一定时间段内作物根区土壤含水率是否低于作物灌溉下限。其中，不同作物在不同地区、不同生育阶段的灌水下限储存于本子模块的数据库中，软件通过用户输入的作物播种时间自动判断当前所处生育阶段，然后根据地块坐标判断作物所处地理位置，最后调取对应灌水下限数据。

未来一定时间段(7-10天)内的作物根区土壤含水率是通过计算作物每日耗水量并结合在作物根区应用土壤水分平衡法计算得到。模型计算均可通过远程网络服务应用平台进行规模化计算，如未来一定时间段作物日耗水量是通过平台中FAO推荐的彭曼-蒙特斯公式计算得到，计算中所涉及到的与作物相关的计算常参数储存于本子模块的数据库中，计算过程中根据作物种类，生育阶段以及地理位置自动获取。与计算相关的气象参数通过软件连接互联网后，根据地块所在地理位置自动从气象部门发布的气象预报中进行抓取。

手机应用软件根据作物根区平均含水率状况以及天气预报中的降雨状况自动给出用户灌溉建议并通过软件进行显示，灌溉建议的内容包括是否需要灌溉、预报期内何时进行灌溉、如不需要进行灌溉何时进行下次检测。在未来一定时段内的作物根区土壤含水率变化情况可以绘制成折线统计图通过软件显示出来，方便用户掌握变化趋势。

灌溉诊断子模块中的模型计算可由手机应用软件连接到远程网络服务平台中进行统一计算，数据库平台存储表层土壤水分关系预测深层土壤水分含量的模型，水量平衡计算模型等，为用户确定灌溉管理意见提供计算依据，并获取由智能手机传输得到的各个地块的地理信息(GIS)数据，包括种植区域的经纬度坐标、气候类型、气候条件、土壤质地类型、土壤养分状况等信息。远程网络服务平台根据上述的计算模型及基本数据信息，进行数据计算处理，并将计算结果传输至手机应用程序，通过手机平台进行结果输出。

②提醒模块：当输出的灌溉管理建议中包括灌溉时间或下次检测时间时，本模块将在建议中时间到达前通过软件发出信息提醒，提醒用户将要进行的操作，提醒的内容包括地块名称、需要进行的灌溉管理内容以及进行的时间。通过该模块可调用每个地块历史灌溉建议内容。同时，该模块可连接互联网，提供与用户地块所种植作物相关的农业种植管理相关的灌溉、施肥、施药等建议，进一步，还可与农业专家通过该模块进行在线沟通交流。

③设置模块：设置模块主要对手机应用软件进行一些相关设置，设置的内容包括土壤水分传感器量程设定、校准，上述计算常参数调整，数据库更新以及其他一些与软件本身相关的设置。

实施例：

本实例以北京通州某地块夏玉米土地的土壤含水率测量为例，播种日期为6月1号，在播种后15天进行第一次土壤含水率的监测，之后分时段监测。该地块经纬度坐标为39.80°N 116.68°E，土壤质地壤土，灌溉方式为滴灌，表层土壤(0～10cm)体积含水率28％。用户使用本发明在该地块初次进行土壤含水率的测量。

首先运行手机应用软件，用户根据提示选择初次测量，新建一地块信息，输入地块名称“01”，选择作物“夏玉米”，选择土壤类型“壤土”，选择灌溉类型“滴灌”，输入播种时间“6月1日”，保存地块信息。

用户通过软件诊断模块与检测设备配对，配对成功后，程序提示用户“将土壤水分检测设备安插在距作物水平距离10cm内表层土壤，探针垂直插入”。土壤水分传感器采集到表层土壤水体积含水率θs＝26.5％。用户同时更换地块内的测试位置，共在地块内测量5个点，软件求得平均值为26.5％。

手机应用软件根据经纬度坐标判断当前位于北京市，程序调取北京市、夏玉米数据库及相关气象数据。同时判断当前生育阶段为苗期。

手机应用软件中调用北京地区表层土壤水分估计作物根区平均含水率模型，代入表层土壤水体积含水率θs＝26.5％，输出计划湿润层平均体积含水率θ-＝28％。

经过手机应用软件中的诊断模块，连接网络并获取了包括测量当天在内的天气预报信息，通过计算作物日耗水量，运用土壤水分平衡法，推算预报期内最低根区土壤含水率为23.6％

均高于夏玉米在本生育阶段灌水下限20％，给出灌溉建议为近期无需灌溉，下次检测日期为6月26日。诊断模块在6月26日时提示用户，应对01地块进行再次检测。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1.一种基于物联网和蓝牙技术的土壤灌溉诊断装置，其特征在于：包括蓝牙土壤水分检测设备、手机应用软件和远程网络服务平台；

所述蓝牙土壤水分检测设备包括土壤水分传感器探针(1)、设备主体(2)、无线充电底座(3)和充电线(4)，

所述土壤水分传感器探针(1)安装于设备主体(2)的顶端，所述设备主体(2)充电时放置于无线充电底座(3)上，无线充电底座(3)上安装有充电线(4)，用于连接220V电源适配器；

所述设备主体(2)内置控制器、电池、蓝牙数据传输模块和无线充电接收模块，所述控制器用于控制土壤水分传感器探针(1)、蓝牙数据传输模块和无线充电接收模块的工作；所述无线充电接收模块中设有电磁接收线圈；所述无线充电底座(3)内置无线发射控制电板和电磁发射线圈；

所述蓝牙土壤水分检测设备，用于检测表层土壤含水率，并通过蓝牙数据传输模块将表层土壤含水率发送到手机应用软件中；

所述手机应用软件，用于记录灌溉计算所需要的信息，接收蓝牙土壤水分检测设备发送的表层土壤含水率，通过互联网获取实时气象数据，并将灌溉计算所需要的信息、表层土壤含水率以及实时气象数据整理汇集后传输到远程网络服务平台；

所述远程网络服务平台，用于根据手机应用软件发送的数据建立预测模型，根据预测模型计算根区土壤平均含水率和未来土壤含水率，给出灌溉管理建议，并将灌溉管理建议发送到手机应用软件中供用户查看；

所述手机应用软件包括诊断模块、提醒模块和设置模块；

所述诊断模块包括连接设备子模块、地块管理子模块和灌溉诊断子模块；所述连接设备子模块用于手机与所述蓝牙土壤水分检测设备的配对连接；所述地块管理子模块用于添加、编辑、修改灌溉计算所需要的信息；所述灌溉诊断子模块用于引导用户检测表层土壤含水率，将测量得到的表层土壤含水率发送到远程网络服务平台，并接收远程网络服务平台发送的根区土壤平均含水率、未来土壤含水率和灌溉管理建议；

所述提醒模块包括提醒子模块和在线沟通子模块，所述提醒子模块用于提醒用户按照灌溉管理建议进行操作；所述在线沟通子模块用于用户与农业专家的在线沟通交流；

所述设置模块，用于用户进行土壤水分传感器量程设定与校准、参数修改以及软件更新；

所述手机应用软件还包括土壤含水率变化查看模块，用于根据根区土壤平均含水率和未来土壤含水率，形成未来7～10天内的根区土壤含水率变化情况图供用户查看；

所述手机应用软件还包括应急处理模块，用于在出现网络故障时进行应急处理；

所述土壤水分传感器探针(1)选用探针式TDR土壤水分传感器；所述电池为可充电的锂电池；所述无线充电接收模块中设有充电控制器，用于当检测到所述电池充满时，自动停止充电；所述灌溉管理建议包括是否需要灌溉、何时进行灌溉和何时进行下次土壤含水率检测；所述灌溉计算所需要的信息包括种植作物种类、作物播种时间、气候类型、气候条件、土壤质地类型、土壤养分状况、灌溉方式、地块面积和地块的经纬度坐标；所述远程网络服务平台还用于存储全部历史数据；所述手机应用软件还用于存储近期历史数据供用户查看。

Images