CN109122221A - 智能灌溉与施肥系统 - Google Patents

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苏燕芳
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    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
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    • A01G25/00—Watering gardens, fields, sports grounds or the like
    • A01G25/02—Watering arrangements located above the soil which make use of perforated pipe-lines or pipe-lines with dispensing fittings, e.g. for drip irrigation
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    • A01G25/00—Watering gardens, fields, sports grounds or the like
    • A01G25/16—Control of watering

Abstract

本发明提供了智能灌溉与施肥系统，包括执行模块、监测模块、控制模块、远程服务器，其中：执行模块，用于为农田提供作物生长所需水、肥料；监测模块，用于实时监测和追踪所处区域的植物生长环境数据，并将植物生长环境数据发送至控制模块；控制模块，用于接收监测模块发送的植物生长环境数据，以及将数据发送给远程服务器，同时接收来自远程服务器的指令，根据所述指令向所述执行模块发送相应的控制信号。

Description

智能灌溉与施肥系统
技术领域
本发明涉及农业技术领域，具体涉及智能灌溉与施肥系统。
背景技术
目前农业用水效率总体还较低，浪费现象比较普遍、严重。开展田间高效智能灌溉技术这一农业关键共性问题研究，是我国农业可持续发展的重要保证。
发明内容
针对上述问题，本发明提供智能灌溉与施肥系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了智能灌溉与施肥系统，包括执行模块、监测模块、控制模块、远程服务器，其中：
执行模块，用于为农田提供作物生长所需水、肥料；
监测模块，用于实时监测和追踪所处区域的植物生长环境数据，并将植物生长环境数据发送至控制模块；
控制模块，用于接收监测模块发送的植物生长环境数据，以及将数据发送给远程服务器，同时接收来自远程服务器的指令，根据所述指令向所述执行模块发送相应的控制信号。
优选地，所述执行模块包括灌水器、施肥器、水泵、流量计、管路；其中，所述水泵安装有无线信号接收器，施肥器上安装有电磁阀，电磁阀与无线信号接收器相连接，不同灌溉施肥管路支路负责不同区域的灌溉施肥，不同灌溉施肥管路支路上均安装电磁阀与无线信号接收器；电磁阀负责输水施肥管路的开启和关闭；无线信号接收器负责接收水泵或电磁阀的启闭信号，以控制水泵和电磁阀动作；所述执行模块通过喷灌、微灌、低压管道提供灌溉和施肥，对于不同的灌溉方式，对应的灌水器分别为喷头、滴头和给水栓。
优选地，所述监测模块包括由汇聚节点和多个传感器节点构成的无线传感器网络，传感器节点包括多个传感器，其中传感器类型包括土壤水分传感器、土壤盐分传感器、温度传感器、光照传感器；所述传感器节点负责实时监测和追踪所处区域的植物生长环境数据，所述植物生长环境数据包括土壤含水量、温度、盐分以及光照、温度数据。
优选地，所述远程服务器包括依次连接的异常检测处理模块、数据融合模块、数据分析模块，异常检测处理模块用于对监测模块发送的植物生长环境数据进行异常检测处理；数据融合模块用于对异常检测处理模块输出的植物生长环境数据进行融合处理；数据分析模块用于根据融合处理后的植物生长环境数据，对不同作物、不同生长时期在不同灌溉方式下的灌水量与灌水时长、施肥量与施肥时长进行分析。
优选地，对监测模块发送的植物生长环境数据进行异常检测处理，包括：将同类型的不同传感器在同一时刻测量出的植物生长环境数据作为一个植物生长环境数据集，对每个植物生长环境数据集中的植物生长环境数据进行异常筛查，将筛查出的异常植物生长环境数据进行剔除。
本发明的有益效果为：根据无线传感器网络精准确定不同区域作物的生长环境信息，由远程服务器根据作物生长规律制定相应的适宜的灌溉施肥制度，由微控制单元控制水泵、施肥器工作，并根据不同区域作物的不同灌溉制度有选择的启闭不同灌溉施肥管道的电磁阀，以进行针对不同区域的作物进行有选择的灌溉施肥，从而实现精准灌溉和施肥，杜绝不必要的水肥浪费。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明一个示例性实施例的智能灌溉与施肥系统的结构示意框图；
图2是本发明一个示例性实施例的远程服务器的结构示意框图。
附图标记：
执行模块1、监测模块2、控制模块3、远程服务器4、异常检测处理模块10、数据融合模块20、数据分析模块30。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
参见图1，本发明实施例提供了智能灌溉与施肥系统，包括执行模块1、监测模块2、控制模块3、远程服务器4，其中：
执行模块1，用于为农田提供作物生长所需水、肥料；
监测模块2，用于实时监测和追踪所处区域的植物生长环境数据，并将植物生长环境数据发送至控制模块3；
控制模块3，用于接收监测模块2发送的植物生长环境数据，以及将数据发送给远程服务器4，同时接收来自远程服务器4的指令，根据所述指令向所述执行模块1发送相应的控制信号1。
在一种能够实现的方式中，所述执行模块1包括灌水器、施肥器、水泵、流量计、管路；其中，所述水泵安装有无线信号接收器，施肥器上安装有电磁阀，电磁阀与无线信号接收器相连接，不同灌溉施肥管路支路负责不同区域的灌溉施肥，不同灌溉施肥管路支路上均安装电磁阀与无线信号接收器；电磁阀负责输水施肥管路的开启和关闭；无线信号接收器负责接收水泵或电磁阀的启闭信号，以控制水泵和电磁阀动作；所述执行模块1通过喷灌、微灌、低压管道提供灌溉和施肥，对于不同的灌溉方式，对应的灌水器分别为喷头、滴头和给水栓。
在一种能够实现的方式中，所述监测模块2包括由汇聚节点和多个传感器节点构成的无线传感器网络，传感器节点包括多个传感器，其中传感器类型包括土壤水分传感器、土壤盐分传感器、温度传感器、光照传感器；所述传感器节点负责实时监测和追踪所处区域的植物生长环境数据，所述植物生长环境数据包括土壤含水量、温度、盐分以及光照、温度数据。
在一种能够实现的方式中，如图2所示，远程服务器4包括依次连接的异常检测处理模块10、数据融合模块20、数据分析模块30，异常检测处理模块10用于对监测模块2发送的植物生长环境数据进行异常检测处理；数据融合模块20用于对异常检测处理模块10输出的植物生长环境数据进行融合处理；数据分析模块30用于根据融合处理后的植物生长环境数据，对不同作物、不同生长时期在不同灌溉方式下的灌水量与灌水时长、施肥量与施肥时长进行分析。
在一种实施方式中，对监测模块2发送的植物生长环境数据进行异常检测处理，包括：将同类型的不同传感器在同一时刻测量出的植物生长环境数据作为一个植物生长环境数据集，对每个植物生长环境数据集中的植物生长环境数据进行异常筛查，将筛查出的异常植物生长环境数据进行剔除。
本发明上述实施例根据无线传感器网络精准确定不同区域作物的生长环境信息，由远程服务器根据作物生长规律制定相应的适宜的灌溉施肥制度，由微控制单元控制水泵、施肥器工作，并根据不同区域作物的不同灌溉制度有选择的启闭不同灌溉施肥管道的电磁阀，以进行针对不同区域的作物进行有选择的灌溉施肥，从而实现精准灌溉和施肥，杜绝不必要的水肥浪费。
在一种能够实现的方式中，无线传感器网络初始化后，根据分簇路由算法将传感器节点分为多个簇，其中每个簇包括一个簇头节点，簇头节点用于收集簇内各传感器节点采集的植物生长环境数据，并将收集的植物生长环境数据传送至汇聚节点；无线传感器网络的初始化包括：在设定的环境监测区域内随机布置传感器节点；各传感器节点通过信息交互获取邻居节点的相关信息，所述的相关信息包括邻居节点的ID号以及位置信息，其中所述的邻居节点为位于传感器节点的通信范围内的其余传感器节点。
在一种实施方式中，根据分簇路由算法将传感器节点分为多个簇，包括：
(1)汇聚节点向网络各传感器节点发送分簇指令，所述分簇指令包括状态值阈值Ym；
(2)各传感器节点接收到分簇指令后计算自己的状态值，若传感器节点的状态值大于状态值阈值Ym，则该传感器节点成为备选簇头节点；
(3)成为备选簇头节点的传感器节点向邻居节点广播簇头节点竞选消息，并启动计时器；若备选簇头节点在计时器结束前接收到其余备选簇头节点广播的簇头节点竞选消息，比较状态值，状态值最大的备选簇头节点当选为簇头节点，其余状态值较小的备选簇头节点退出簇头节点竞选；若备选簇头节点在计时器结束前未接收到其余备选簇头节点广播的簇头节点竞选消息，则当选为簇头节点；
(4)未当选簇头节点的传感器节点作为成员节点，并加入到距离最近的簇头节点，进而完成分簇；
其中，Ym由下列公式确定：
式中，N为网络中已部署的传感器节点个数，Hb为传感器节点的通信距离，其中每个传感器节点具有相同的通信范围；Z为所述监测区域的面积，Wmin为预设的成为簇头节点的最低能量值，W1为传感器节点用于通信的每单位时间内的能量消耗，W2为传感器节点用于感知和计算的每单位时间内的能耗，W1、W2的值为固定设定值，q1、q2为预设的权重系数；
其中，传感器节点的状态值由下列公式确定：
式中，Yi为传感器节点i的状态值，Ei为传感器节点i的邻居节点个数，Wi为传感器节点i的当前剩余能量。
本实施例提供了一种新的分簇路由算法，该算法基于传感器节点的状态值与状态值阈值的比较结果来确定备选簇头节点。其中，由汇聚节点根据传感器节点的基本情况来确定合理的状态值阈值。由设定的状态值的计算公式可知，若传感器节点的当前剩余能量越大、周边聚集的传感器节点数量越多，则该传感器节点的状态值越大，从而具有更大的概率成为备选簇头节点。
本实施例使得当选的簇头节点能够满足必要的节点密度条件以及维持较长生命周期的条件，相对于传统的LEACH分簇路由算法，更能够适应传感器节点的部署情况，保障分簇的稳定性，以及避免生成无谓的簇头节点而产生不必要的能量消耗。本实施例能够节省智能灌溉与施肥系统在数据采集方面的能量成本。
在一种实施方式中，在植物生长环境数据传输阶段，汇聚节点对各簇头节点定期进行异常检测，并向检测出的异常簇头节点发送更新指令；接收到该更新指令的簇头节点在其簇内选择一个传感器节点作为该簇的新簇头节点，自己则从簇头节点角色转换为该簇的成员节点角色；汇聚节点对各簇头节点进行异常检测，具体为：统计上一个设定周期内接收到的各簇头节点的数据包数量，根据该数据包数量得到各个簇头节点的数据传递次数，将数据传递次数大于或等于高频阈值的簇头节点标记为异常簇头节点。
其中，接收到该更新指令的簇头节点在其簇内选择一个传感器节点作为该簇的新簇头节点，包括：
(1)计算簇内各传感器节点的权值：
式中，Cp表示簇内第p个传感器节点的权值，Ep为所述第p个传感器节点的邻居节点个数，Wp为所述第p个传感器节点的当前剩余能量，Rmax为预设的更新次数阈值，Rp为所述第p个传感器节点到目前为止担任簇头节点的次数；
(2)选择权值最大的传感器节点作为该簇的新簇头节点。
本实施例对数据传输较为高频的簇头节点进行更新，有利于延长无线传感器网络的整体工作寿命，提高植物生长环境数据传输效率和监测效果；在选择新簇头节点时，对簇内各传感器节点进行权值计算，并选择权值最大的传感器节点作为该簇的新簇头节点，有利于保障新簇头节点也能够满足必要的节点密度条件以及维持较长生命周期的条件，并且能够避免同一个传感器节点始终担任簇头节点，有利于均衡簇内各传感器节点的能耗，延长植物生长环境数据采集的工作周期。
在一种实施方式中，完成分簇后，簇头节点对簇内的各传感器节点进行依次冗余检测，对检测出的冗余节点进行休眠，包括：
(1)簇头节点根据距离由近到远的顺序对簇内各传感器节点进行排序，构建成员节点列表，设成员节点列表中的传感器节点数量为E，并初始化参数b＝1；
(2)簇头节点对成员节点列表中的第b个传感器节点进行冗余检测，若第b个传感器节点满足下列冗余判定公式，则令该第b个传感器节点进入休眠状态，否则对该第b个传感器节点不作处理，执行(3)：
式中，Kb为所述第b个传感器节点的感知区域，b≠j；X0为所述成员节点列表中的传感器节点集合，X为所述成员节点列表中已休眠的传感器节点集合，(X0-X)表示所述成员节点列表中除去所述第b个传感器节点外的未休眠传感器节点集合；Kj为所述未休眠传感器节点集合中的第j个传感器节点的感知区域；
(3)令b＝b+1，执行(2)，直至b＝E。
本实施例中，簇头节点对簇内的各传感器节点进行依次冗余检测，对检测出的冗余节点进行休眠，有利于提高簇内传感器节点分布均匀性，在满足簇内覆盖率要求的前提下尽量降低簇内处于工作状态的传感器节点数量，从而降低簇内的传感器节点能耗。本实施例创新性地给出了冗余检测的方法，其中设定了冗余判定公式。
簇头节点根据距离由近到远的顺序依次对传感器节点进行冗余检测，能够避免已休眠的传感器节点对后续冗余节点的判定产生影响，从而进一步提高了冗余检测的精度；由于先对离簇头节点较近的冗余节点进行休眠，有利于避免较多传感器节点聚集在簇头节点附近，以进一步提高簇内传感器节点的覆盖质量，从而更好地对要监测的植物生长环境区域进行感知。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.智能灌溉与施肥系统，其特征是，包括执行模块、监测模块、控制模块、远程服务器，其中：
执行模块，用于为农田提供作物生长所需水、肥料；
监测模块，用于实时监测和追踪所处区域的植物生长环境数据，并将植物生长环境数据发送至控制模块；
控制模块，用于接收监测模块发送的植物生长环境数据，以及将数据发送给远程服务器，同时接收来自远程服务器的指令，根据所述指令向所述执行模块发送相应的控制信号。
2.根据权利要求1所述的智能灌溉与施肥系统，其特征是，所述执行模块包括灌水器、施肥器、水泵、流量计、管路；其中，所述水泵安装有无线信号接收器，施肥器上安装有电磁阀，电磁阀与无线信号接收器相连接，不同灌溉施肥管路支路负责不同区域的灌溉施肥，不同灌溉施肥管路支路上均安装电磁阀与无线信号接收器；电磁阀负责输水施肥管路的开启和关闭；无线信号接收器负责接收水泵或电磁阀的启闭信号，以控制水泵和电磁阀动作。
3.根据权利要求1所述的智能灌溉与施肥系统，其特征是，所述监测模块包括由汇聚节点和多个传感器节点构成的无线传感器网络，传感器节点包括多个传感器，其中传感器类型包括土壤水分传感器、土壤盐分传感器、温度传感器、光照传感器；所述传感器节点负责实时监测和追踪所处区域的植物生长环境数据，所述植物生长环境数据包括土壤含水量、温度、盐分以及光照、温度数据。
4.根据权利要求1-3任一项所述的智能灌溉与施肥系统，其特征是，所述远程服务器包括依次连接的异常检测处理模块、数据融合模块、数据分析模块，异常检测处理模块用于对监测模块发送的植物生长环境数据进行异常检测处理；数据融合模块用于对异常检测处理模块输出的植物生长环境数据进行融合处理；数据分析模块用于根据融合处理后的植物生长环境数据，对不同作物、不同生长时期在不同灌溉方式下的灌水量与灌水时长、施肥量与施肥时长进行分析。
5.根据权利要求4所述的智能灌溉与施肥系统，其特征是，对监测模块发送的植物生长环境数据进行异常检测处理，包括：将同类型的不同传感器在同一时刻测量出的植物生长环境数据作为一个植物生长环境数据集，对每个植物生长环境数据集中的植物生长环境数据进行异常筛查，将筛查出的异常植物生长环境数据进行剔除。
6.根据权利要求3所述的智能灌溉与施肥系统，其特征是，无线传感器网络初始化后，根据分簇路由算法将传感器节点分为多个簇，其中每个簇包括一个簇头节点，簇头节点用于收集簇内各传感器节点采集的植物生长环境数据，并将收集的植物生长环境数据传送至汇聚节点；无线传感器网络的初始化包括：在设定的环境监测区域内随机布置传感器节点；各传感器节点通过信息交互获取邻居节点的相关信息，所述的相关信息包括邻居节点的ID号以及位置信息，其中所述的邻居节点为位于传感器节点的通信范围内的其余传感器节点。
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