CN109240384A - 一种基于无线传感器网络的农业自动化监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的农业自动化监控系统，该控制系统包括水肥滴灌系统、温度控制系统、农药喷洒系统、光合作用控制系统、土壤墒情监测器、CO₂浓度传感器和控制主机，土壤墒情监测器和CO₂浓度传感器通过无线路由器与控制主机连接；水位传感器、第一水泵、第二水泵和开关阀通过RS232数据线与控制主机连接。该控制系统不仅可对温室种植的作物进行水肥一体化滴灌的调节控制，还可同时实现农药喷洒、作物种植带的温度和作物的光合作用的智能化化控制，功能更加全面，且该控制系统采用无线传感器的无线通信技术，实现各传感器与控制主机的无线连接，减少线路的布设。

Description

一种基于无线传感器网络的农业自动化监控系统

技术领域

本发明涉及农业智能控制设备领域，具体涉及一种基于无线传感器网络的农业自动化监控系统。

背景技术

电子技术、传感器技术及网络技术的发展促进了农业信息化水平的提高，以信息网络为中心的智慧农业、精准农业等一系列新的农业生产模式已成为当前研究的热点。通过大量遍布于农田、温室大棚等目标区域的传感器，，实时采集诸如温度、湿度、光照、有害气体浓度、土壤水分及pH值等信息并汇总到控制中心，由专家决策系统及时、准确地发现问题，根据需要控制相关设备进行调温、调光、浇灌、换气，实现农作物生长环境的智能化控制，从而有效提高农业生产效率和农产品质量。

水肥一体化灌溉系统作为目前农业智能化的典型代表，其依靠传感器与各控制装置的配合可实现精细的滴灌操作，在提高农业无人化管理的效果的同时，可节约大量的水资源。然而由于水肥一体化滴灌系统在温室大棚中的应用存在以下限制其普及使用的因素：(1)功能单一，一次铺设的管道仅能作为水肥滴灌使用，难以与农药、温度控制和作物光合作用协同发挥调控作用；(2)各传感器与控制主机的的连接方式仍为有线连接方式，导致布线混乱、管线交叉的问题。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供了一种基于无线传感器网络的农业自动化监控系统，该控制系统的技术方案如下：

一种基于无线传感器网络的农业自动化监控系统，其特征在于，包括温室种植大棚和中心控制室，温室种植大棚的顶部安装有太阳能电池板和采光板，太阳能电池板和采光板间隔分布，温室种植大棚内设有种植带，种植带的底部排布有换热管，种植带中插入有土壤墒情监测器，种植带上方固定有支管，支管上固定有滴头，种植带的一侧固定有CO₂输送管，温室种植大棚的室内悬吊固定有农药喷洒管、补光灯和CO₂浓度传感器，农药喷洒管上固定有雾化喷头，温室种植大棚的端部固定有无线路由器，土壤墒情监测器通过无线射频收发模块与无线路由器连接；

所述的中心控制室的顶部安装有太阳能热水器，中心控制室的内部固定有蓄电池、控制主机、蓄水箱、水砂分离器、肥液罐和农药罐，太阳能电池板与蓄电池连接，蓄电池与控制主机连接，蓄水箱中固定有第一水泵，第一水泵通过泵水管与水砂分离器连接，泵水管上设有开关阀和逆止阀，水砂分离器与文丘里管吸肥器连接，文丘里管吸肥器与过滤器连接，过滤器与支管连接且连接管路上设有水压传感器和开关阀，肥液罐通过肥液管与文丘里管吸肥器的喉部连接且肥液管上设有开关阀，第一水泵、水砂分离器、肥液罐、过滤器、支管和滴头组成水肥滴灌系统；

所述的农药罐中固定有隔膜泵，隔膜泵与农药喷洒管连接，农药喷洒管上设有开关阀，农药罐和农药喷洒管组成农药喷洒系统；

所述的太阳能热水器中固定有水位传感器，太阳能热水器引出热水管，热水管上设有开关阀，热水管与温度调节器连接，温度调节器与换热管连接，换热管上设有开关阀，换热管S形排布于种植带的底部，换热管的另一端与太阳能热水器的冷水管连接，蓄水箱中固定有第二水泵，第二水泵通过供水管与温度调节器的冷水接口连接，供水管上设有开关阀，太阳能热水器、热水管、换热管、冷水管、温度调节器和第二水泵组成温度控制系统；

所述的温室种植大棚中固定有二氧化碳压缩罐，二氧化碳压缩罐与CO₂输送管连接，CO₂输送管上设有开关阀，CO₂输送管上开有排气孔，二氧化碳压缩罐、CO₂输送管和CO₂浓度传感器组成光合作用控制系统；

所述的土壤墒情监测器和CO₂浓度传感器通过无线射频收发模块与控制主机连接，水位传感器、第一水泵、第二水泵、开关阀和逆止阀均与控制主机连接。

进一步的，所述的土壤墒情监测器包括MCU、电池、无线射频收发模块、A/D转换器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器和光照强度传感器，土壤湿度传感器、土壤温度传感和光照强度传感器与A/D转换器连接，A/D转换器与MCU连接，电池和无线射频收发模块与MCU连接。

进一步的，所述的土壤墒情监测器和CO₂浓度传感器通过ZigBee无通讯协议与控制主机无线连接，水位传感器、第一水泵、第二水泵和开关阀通过RS232数据线与控制主机连接。

进一步的，所述的开关阀和逆止阀为电磁阀。

本发明的有益效果：(1)该控制系统不仅可对温室种植的作物进行水肥一体化滴灌的调节控制，还可同时实现农药喷洒、作物种植带的温度和作物的光合作用的智能化化控制，功能更加全面，为进一步实现无人化农业打下基础；(2)该控制系统采用无线传感器的无线通信技术，实现各传感器与控制主机的无线连接，减少线路的布设，在降低成本的同时还可使温室内的管线布置更加简洁，防止线路的损坏而导致各传感器失灵的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种基于无线传感器网络的农业自动化监控系统的系统结构框图；

图2是一种基于无线传感器网络的农业自动化监控系统的各部件及各管路的连接关系示意图；

图3是图2中的温室种植大棚的左视下各部件及管路的布设及连接关系示意图；

图4是所述的土壤墒情监测器的结构框图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-控制主机，2-土壤墒情监测器，3-光合作用控制系统，4-温度控制系统，5-农药喷洒系统，6-水肥滴灌系统，7-无线路由器，8-温室种植大棚，9-中心控制室，11-蓄电池，21-MCU，22-A/D转换器，23-土壤湿度传感器，24-土壤温度传感器，25-光照强度传感器，26-无线射频收发模块，27-电池，31-二氧化碳压缩罐，32-CO₂浓度传感器，33-CO₂输送管，34-补光灯，41-水位传感器，42-太阳能热水器，43-热水管，44-冷水管，45-温度调节器，46-换热管，47-供水管，48-第二水泵，51-农药罐，52-农药喷洒管，53-雾化喷头，61-第一水泵，62-水砂分离器，63-肥液罐，64-过滤器，65-水压传感器，66-支管，81-种植带，82-太阳能电池板，83-采光板，511-隔膜泵，621-开关阀，622-逆止阀，631-文丘里管吸肥器，661-滴头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1-4所示，一种基于无线传感器网络的农业自动化监控系统，包括温室种植大棚8和中心控制室9，温室种植大棚8的顶部安装有太阳能电池板82和采光板83，太阳能电池板82和采光板间83隔分布，温室种植大棚8内设有种植带81，种植带81的底部排布有换热管46，种植带81中插入有土壤墒情监测器2，种植带81上方固定有支管66，支管66上固定有滴头661，种植带81的一侧固定有CO₂输送管33，温室种植大棚8的室内悬吊固定有农药喷洒管52、补光灯34和CO₂浓度传感器32，农药喷洒管52上固定有雾化喷头53，温室种植大棚8的端部固定有无线路由器7，土壤墒情监测器2通过无线射频收发模块6与无线路由器7连接；

所述的中心控制室9的顶部安装有太阳能热水器82，中心控制室9的内部固定有蓄电池11、控制主机1、蓄水箱、水砂分离器62、肥液罐63和农药罐51，太阳能电池板82与蓄电池11连接，蓄电池11与控制主机1连接，蓄水箱中固定有第一水泵61，第一水泵61通过泵水管与水砂分离器62连接，泵水管上设有开关阀621和逆止阀622，水砂分离器62与文丘里管吸肥器631连接，文丘里管吸肥器631与过滤器64连接，过滤器64与支管66连接且连接管路上设有水压传感器65和开关阀621，肥液罐63通过肥液管与文丘里管吸肥器621的喉部连接且肥液管上设有开关阀621，第一水泵61、水砂分离器62、肥液罐63、过滤器64、支管66和滴头661组成水肥滴灌系统；

所述的农药罐51中固定有隔膜泵511，隔膜泵511与农药喷洒管52连接，农药喷洒管52上设有开关阀621，农药罐51和农药喷洒管621组成农药喷洒系统；

所述的太阳能热水器42中固定有水位传感器41，太阳能热水器42引出热水管43，热水管43上设有开关阀621，热水管43与温度调节器45连接，温度调节器45与换热管46连接，换热管46上设有开关阀621，换热管46S形排布于种植带81的底部，换热管46的另一端与太阳能热水器42的冷水管44连接，蓄水箱中固定有第二水泵48，第二水泵48通过供水管47与温度调节器45的冷水接口连接，供水管47上设有开关阀621，太阳能热水器42、热水管43、换热管46、冷水管44、温度调节器45和第二水泵48组成温度控制系统；

所述的温室种植大棚8中固定有二氧化碳压缩罐31，二氧化碳压缩罐31与CO₂输送管33连接，CO₂输送管33上设有开关阀621，CO₂输送管33上开有排气孔，二氧化碳压缩罐31、CO₂输送管33和CO₂浓度传感器32组成光合作用控制系统；

所述的土壤墒情监测器2和CO₂浓度传感器32通过无线射频收发模块26与控制主机1连接，水位传感器65、第一水泵61、第二水泵48和开关阀621均与控制主机1连接。

其中的，所述的土壤墒情监测器2包括MCU21、电池27、无线射频收发模块26、A/D转换器22、土壤温度传感器24、土壤湿度传感器23和光照强度传感器25，土壤湿度传感器23、土壤温度传感24和光照强度传感器25与A/D转换器22连接，A/D转换器22与MCU21连接，电池27和无线射频收发模块26与MCU21连接。

其中的，所述的土壤墒情监测器2和CO₂浓度传感器32通过ZigBee无通讯协议与控制主机1无线连接，水位传感器65、第一水泵61、第二水泵48和开关阀621通过RS232数据线与控制主机1连接。

本实施例中，MCU21选用德州仪器公司生产的TMS320F2812微处理芯片，无线射频收发模块选用德州仪器公司生产的CC2530型ZigBee无线射频芯片；控制主机选用戴尔公司生产的Optiplex XE台式工控机，土壤墒情监测器2的土壤湿度传感器23选用星艺传感器公司生产的CFS11型土壤水分传感器模块，土壤温度传感器24选用雷神电子仪器公司生产的DS18b20型土壤温度传感器模块，光照强度传感器25选用广州展昇源电子科技公司生产的CJMCU-TEMT6000型光照强度传感器模块，CO₂浓度传感器7选用龙腾伟业科技公司生产的LT-CG-S/D103-A0500-12-V1.2型无线二氧化碳浓度传感器，温度调节器选用诚科电子公司生产的CK-3000TYN型温差控制仪，该温度调节器45的温度调节范围为0-100℃。

本控制系统的一个具体的应用为：土壤墒情监测器2的土壤湿度传感器23将土壤的湿度信息转换为模拟信号发送至A/D转换器22，A/D转换器22将模拟信号转换为数字信号并发送至MCU中，MCU21将土壤湿度信息通过无线射频收发模块26发送至无线路由器7中，无线路由器7将土壤湿度信息通过ZigBee通信协议发送至控制主机1中，控制主机将土壤湿度值与设定的阈值进行比较，当土壤湿度值小于设置的湿度值时，控制主机1驱动第一水泵61进行泵水作用，同时控制主机1打开开关阀621、逆止阀622，水泵将蓄水池中的水泵入水砂分离器62中，经过过滤后进入文丘里管吸肥器631，水分高速流经文丘里管吸肥器631时，其喉部产生负压并将肥液罐63中的肥液吸入文丘里管吸肥器631中，经过混合的水肥液经过过滤器64的过滤后进入支管66中并从滴头661中持续点入种植带81中，当土壤湿度值到达设定的湿度值时，控制主机1关闭第一水泵61以及逆止阀622，此时水肥滴灌系统完成滴灌作业。

土壤墒情监测器2的土壤温度传感器24将土壤温度信息转换为模拟信号并发送至A/D转换器22转换为数字信号，土壤温度信息经过无线射频收发模块26发送至无线路由器7中并将无线路由器7转发至控制主机1中，控制主机1将土壤温度信息与设定的温度值进行比较，当土壤温度值小于设定的温度值时，控制主机1打开太阳能热水器42的热水管43上的开关阀，同时固定于太阳能热水器42中的热水泵将热水泵入温度调节器45中，温度调节器45将热水温度与控制主机1的设定温度值进行比较，当热水温度高于设定的温度值时，控制主机1驱动第二水泵48将蓄水箱中的冷水泵入温度调节器45中以对热水进行调节，直至达到设定的温度值时，控制主机1打开换热管46上的开关阀621，热水进入S型排布的换热管46中，换热管46与土壤进行换热，为作物的种子萌发以及幼苗的生长提供适宜的温度，当土壤温度到达设定值时，控制主机1关闭温度控制系统，土壤的温度调节操作完成。

土壤墒情监测器2的光照强度传感器将幼苗处的光照强度转换为模拟信号并发送至A/D转换器22中进行模数转换，转换后的光照强度值经无线路由器7发送至控制主机1中，控制主机1将接收的光照强度值与设定的光照度值进行比较，当光照强度小于幼苗生长所需的光照度时，控制主机1接通补光灯34的供电回路，补光灯34打开以调节幼苗生长所需的光照度；温室种植大棚8中悬吊固定的CO₂浓度传感器7将室内的二氧化碳浓度转换为电信号并将其无线发送至无线路由器7中，无线路由器7将二氧化碳浓度信息转发至控制主机1中，控制主机1将室内的二氧化碳浓度值与设定的二氧化碳浓度进行比较，当二氧化碳浓度低于设定值时，控制主机1打开CO₂输送管上的开关阀621，压缩的二氧化碳在开关阀621打开后沿CO₂输送管流动并从排气孔中逸出，以增加温室种植大棚8中的二氧化碳浓度值，当室内的二氧化碳浓度达到设定值时，控制主机1关闭开关阀，此时，作物光合作用所需的元素调节完成。

当作物叶面生虫时，操作控制主机1并设定以驱动农药罐51中的隔膜泵511，在操作控制主机1之间，计算并配制生物农药所需用量，将配制好的生物药液倒入农药罐51中，隔膜泵511将配制好的生物药液泵入农药喷洒管52中并经过雾化喷头雾化后喷洒与作物叶面，完成农业喷洒作业。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (3)

1.一种基于无线传感器网络的农业自动化监控系统，其特征在于，包括温室种植大棚和中心控制室，温室种植大棚的顶部安装有太阳能电池板和采光板，太阳能电池板和采光板间隔分布，温室种植大棚内设有种植带，种植带的底部排布有换热管，种植带中插入有土壤墒情监测器，种植带上方固定有支管，支管上固定有滴头，种植带的一侧固定有CO₂输送管，温室种植大棚的室内悬吊固定有农药喷洒管、补光灯和CO₂浓度传感器，农药喷洒管上固定有雾化喷头，温室种植大棚的端部固定有无线路由器，土壤墒情监测器通过无线射频收发模块与无线路由器连接；

所述的中心控制室的顶部安装有太阳能热水器，中心控制室的内部固定有蓄电池、控制主机、蓄水箱、水砂分离器、肥液罐和农药罐，太阳能电池板与蓄电池连接，蓄电池与控制主机连接，蓄水箱中固定有第一水泵，第一水泵通过泵水管与水砂分离器连接，泵水管上设有开关阀和逆止阀，水砂分离器与文丘里管吸肥器连接，文丘里管吸肥器与过滤器连接，过滤器与支管连接且连接管路上设有水压传感器和开关阀，肥液罐通过肥液管与文丘里管吸肥器的喉部连接且肥液管上设有开关阀，第一水泵、水砂分离器、肥液罐、过滤器、支管和滴头组成水肥滴灌系统；

所述的农药罐中固定有隔膜泵，隔膜泵与农药喷洒管连接，农药喷洒管上设有开关阀，农药罐和农药喷洒管组成农药喷洒系统；

所述的太阳能热水器中固定有水位传感器，太阳能热水器引出热水管，热水管上设有开关阀，热水管与温度调节器连接，温度调节器与换热管连接，换热管上设有开关阀，换热管S形排布于种植带的底部，换热管的另一端与太阳能热水器的冷水管连接，蓄水箱中固定有第二水泵，第二水泵通过供水管与温度调节器的冷水接口连接，供水管上设有开关阀，太阳能热水器、热水管、换热管、冷水管、温度调节器和第二水泵组成温度控制系统；

所述的温室种植大棚中固定有二氧化碳压缩罐，二氧化碳压缩罐与CO₂输送管连接，CO₂输送管上设有开关阀，CO₂输送管上开有排气孔，二氧化碳压缩罐、CO₂输送管和CO₂浓度传感器组成光合作用控制系统；

所述的土壤墒情监测器和CO₂浓度传感器通过无线射频收发模块与控制主机连接，水位传感器、第一水泵、第二水泵和开关阀均与控制主机连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的农业自动化监控系统，其特征在于，所述的土壤墒情监测器包括MCU、电池、无线射频收发模块、A/D转换器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器和光照强度传感器，土壤湿度传感器、土壤温度传感和光照强度传感器与A/D转换器连接，A/D转换器与MCU连接，电池和无线射频收发模块与MCU连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的农业自动化监控系统，其特征在于，所述的土壤墒情监测器和CO₂浓度传感器通过ZigBee无通讯协议与控制主机无线连接，水位传感器、第一水泵、第二水泵和开关阀通过RS232数据线与控制主机连接。