CN109392668A - 一种基于环境水分监测的生态农业智能灌溉系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于环境水分监测的生态农业智能灌溉系统，包括灌溉执行模块、监测模块、控制模块、数据分析终端，其中灌溉执行模块，用于为农田提供作物生长所需水、肥料；监测模块，用于采集所监测位置的农作物生长环境数据，并将农作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农作物生长环境数据，以及将数据发送给数据分析终端，同时接收来自数据分析终端的指令，根据所述指令向所述灌溉执行模块发送相应的控制信号。
Description
技术领域
本发明涉及农业技术领域，具体涉及一种基于环境水分监测的生态农业智能灌溉系统。
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，本发明提供一种基于环境水分监测的生态农业智能灌溉系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了一种基于环境水分监测的生态农业智能灌溉系统，包括灌溉执行模块、监测模块、控制模块、数据分析终端，其中：
灌溉执行模块，用于为农田提供作物生长所需水、肥料；
监测模块，用于采集所监测位置的农作物生长环境数据，并将农作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农作物生长环境数据，以及将数据发送给数据分析终端，同时接收来自数据分析终端的指令，根据所述指令向所述灌溉执行模块发送相应的控制信号。
优选地，所述灌溉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；所述灌溉执行模块通过喷灌、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采集所监测位置的农作物生长环境数据，所述农作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。
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农作物生长环境数据，由数据分析终端进行显示，从而便于用户根据农作物生长环境数据，结合农作物生长规律制定相应的灌溉和施肥措施，输入相应的指令，由控制模块根据数据分析终端的指令向灌溉执行模块发送相应的控制信号，使得灌溉执行模块根据控制信号执行灌溉或者施肥，实现了精准灌溉和施肥，能够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一种基于环境水分监测的生态农业智能灌溉系统的结构示意框图；
图2是本发明一个示例性实施例的数据分析终端的结构示意框图。
附图标记：
灌溉执行模块1、监测模块2、控制模块3、数据显示模块10、指令输入模块20、指令发送模块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一种基于环境水分监测的生态农业智能灌溉系统，包括灌溉执行模块1、监测模块2、控制模块3、数据分析终端4，其中：
灌溉执行模块1，用于为农田提供作物生长所需水、肥料；
监测模块2，用于采集所监测位置的农作物生长环境数据，并将农作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发送的农作物生长环境数据，以及将数据发送给数据分析终端4，同时接收来自数据分析终端4的指令，根据所述指令向所述灌溉执行模块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。部署完传感器节点后，将所述监测区域划分成多个虚拟方形网格，从每个虚拟方形网格中选取一个距离虚拟方形网格的中心最近的传感器节点作为簇头节点；网络初始化时，每个传感器节点选取距离最近的簇头节点加入簇，完成分簇；在农作物生长环境数据传输阶段，每个簇头节点收集其簇内各传感器节点采集的农作物生长环境数据，并将农作物生长环境数据发送至汇聚节点。
在一种实施方式中，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采集所监测位置的农作物生长环境数据，所述农作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，所述灌溉执行模块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；所述灌溉执行模块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，如图2所示，数据分析终端4包括数据显示模块10、指令输入模块20、指令发送模块30，所述数据显示模块10主要用于显示接收到的农作物生长环境数据以及历史农作物生长环境数据，所述指令输入模块20用于供用户输入与灌溉和施肥相关的指令，所述指令发送模块30用于将用户输入的指令发送至控制模块3。在一种实施方式中，用户输入的指令可包括具体位置的水泵或电磁阀的启闭指令。
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农作物生长环境数据，由数据分析终端进行显示，从而便于用户根据农作物生长环境数据，结合农作物生长规律制定相应的灌溉和施肥措施，输入相应的指令，由控制模块根据数据分析终端的指令向灌溉执行模块发送相应的控制信号，使得灌溉执行模块根据控制信号执行灌溉或者施肥，实现了精准灌溉和施肥，能够杜绝不必要的水肥浪费。
在一个实施例中，传感器节点之间通过信息交互，获取同一簇内的邻居节点信息，并构建同簇邻居节点集，其中所述邻居节点位于传感器节点的通信范围内；在农作物生长环境数据传输阶段，传感器节点满足直接发送条件时，传感器节点直接将采集的农作物生长环境数据发送至对应簇头节点，否则，传感器节点在其同簇邻居节点集中选取距离最近的邻居节点作为下一跳节点，将所述采集的农作物生长环境数据发送至下一跳节点，其中所述直接发送条件为：
式中，Pi为传感器节点i的当前剩余能量，Pmin为预设的能量下限，Pi0为传感器节点i的初始能量，Simax为传感器节点i所能调节的最大通信距离，D(i,CHi)为传感器节点i到其对应簇头节点CHi的距离，，ρ为预设的基于能量的衰减因子，ρ的取值范围为[0.8,0.9]。
本实施例基于传感器节点的能量设定了直接发送条件，创新性地为传感器节点到对应簇头节点的路由方式选择提供了较好的衡量标准，即当传感器节点满足直接发送条件时，传感器节点直接将采集的农作物生长环境数据发送至对应簇头节点，否则，传感器节点在其同簇邻居节点集中选取距离最近的邻居节点作为下一跳节点。传感器节点基于直接发送条件选择合适的路由方式，有利于提高节点间路由的灵活性，减少传感器节点发送农作物生长环境数据的能量消耗，延长传感器节点的工作时间，节省生态农业智能灌溉系统的数据采集成本。
在一个实施例中，传感器节点每隔一个时间段Δt获取其下一跳节点的能量和农作物生长环境数据缓存信息，并根据获取的所述能量和农作物生长环境数据缓存信息，判断其下一跳节点是否满足中继条件，若不满足，传感器节点在其同簇邻居节点集中，重新选择一个除该下一跳节点外距离最近的邻居节点作为新的下一跳节点，所述中继条件为：
式中，Pix为传感器节点i的下一跳节点x的当前剩余能量，Pix0为所述下一跳节点x的初始能量，Ki为传感器节点i当前所采集的农作物生长环境数据包数量，Kix为所述下一跳节点x的缓存列表中的农作物生长环境数据包数量，PT为预设的转发一个农作物生长环境数据包的能耗，D(i,x)为传感器节点i到所述下一跳节点x的距离，KT-x为所述下一跳节点x的缓存列表所能缓存的最大农作物生长环境数据包数量，aT为预设的在单位距离内发送一个农作物生长环境数据包的时间，AT为预设的转发处理一个农作物生长环境数据包的时间，为预设的基于时间的影响因子，的取值范围为[0.9,0.95]；为判断取值函数，当时，当时，
传感器节点的能量和缓存队列都是有限的，本实施例基于下一跳节点的能量和农作物生长环境数据缓存两个因素，创新性地设定中继条件，其中传感器节点每隔一个时间段Δt判断其下一跳节点是否满足中继条件，若不满足，传感器节点在其同簇邻居节点集中，重新选择一个除该下一跳节点外距离最近的邻居节点作为新的下一跳节点。本实施例使得在下一跳节点不满足能量和农作物生长环境数据缓存带宽的需求时，其上一跳的传感器节点能够选择其他邻居节点作为下一跳，实现了下一跳节点的更新，进而使得传感器节点的下一跳始终能够有足够的能量执行农作物生长环境数据转发的任务，有效降低传感器节点拥塞的概率，为农作物生长环境数据从传感器节点传输到对应簇头节点提供更好的服务质量。
在一个实施例中，簇头节点与汇聚节点之间的距离未超过设定的距离下限时，簇头节点直接将所收集的农作物生长环境数据发送至汇聚节点；簇头节点与汇聚节点之间的距离超过设定的距离下限时，簇头节点将所收集的农作物生长环境数据间接发送至汇聚节点；
其中，所述间接发送至汇聚节点，包括：
(1)簇头节点获取通信范围内的其他簇头节点信息，将所述其他簇头节点作为备选节点，构建备选节点集；
(2)簇头节点按照设定的周期周期性地与备选节点进行信息交互，获取备选节点的能量和农作物生长环境数据缓存信息，并根据备选节点的能量和农作物生长环境数据缓存信息计算备选节点集中各备选节点的优先权值，进而选择优先权值最大的备选节点作为下一跳节点，将所收集的农作物生长环境数据发送至该下一跳节点，所述优先权值的计算公式为：
式中，WIJ表示簇头节点I的第J个备选节点的优先权值，PIJ为所述第J个备选节点的当前剩余能量，KIJ为所述第J个备选节点的缓存列表中的农作物生长环境数据包数量，PT为预设的转发一个农作物生长环境数据包的能耗，Pmin为预设的能量下限，Y(PIJ-KIJ×PT-Pmin)为判断函数，当PIJ-KIJ×PT-Pmin≥0时，Y(PIJ-KIJ×PT-Pmin)＝1，当PIJ-KIJ×PT-Pmin<0时，Y(PIJ-KIJ×PT-Pmin)＝0；D(I,o)为簇头节点I到汇聚节点的距离，D(J,o)为所述第J个备选节点到汇聚节点的距离，VIJ为所述第J个备选节点充当簇头节点I的下一跳节点的次数，c为预设的衰减系数，c的取值范围为[0.95,0.98]，b1、b2为设定的权重系数，且满足b1>b2，b1+b2＝1。
本实施例设定了优先权值的指标，根据该优先权值的计算公式可知，当前剩余能量越大的、位置优势更好的、充当下一跳节点次数较少的备选节点具有更大的优先权值。本实施例中，簇头节点在备选节点集中选取优先权值最大的备选节点作为下一跳节点，有利于保障农作物生长环境数据的转发，节省农作物生长环境数据转发的能量消耗，平衡各簇头节点的能耗，进一步有利于延长无线传感器网络的寿命，为后续用户确定灌溉施肥措施提供稳定的数据基础。
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)
1.一种基于环境水分监测的生态农业智能灌溉系统，其特征是，包括灌溉执行模块、监测模块、控制模块、数据分析终端，其中：
灌溉执行模块，用于为农田提供作物生长所需水、肥料；
监测模块，用于采集所监测位置的农作物生长环境数据，并将农作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农作物生长环境数据，以及将数据发送给数据分析终端，同时接收来自数据分析终端的指令，根据所述指令向所述灌溉执行模块发送相应的控制信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于环境水分监测的生态农业智能灌溉系统，其特征是，所述监测模块包括由汇聚节点和多个部署于设定监测区域的传感器节点构成的无线传感器网络，初始时，传感器节点之间通过信息交互，获取同一簇内的邻居节点信息，并构建同簇邻居节点集，其中所述邻居节点位于传感器节点的通信范围内；在农作物生长环境数据传输阶段，传感器节点满足直接发送条件时，传感器节点直接将采集的农作物生长环境数据发送至对应簇头节点，否则，传感器节点在其同簇邻居节点集中选取距离最近的邻居节点作为下一跳节点，将所述采集的农作物生长环境数据发送至下一跳节点，其中所述直接发送条件为：
式中，Pi为传感器节点i的当前剩余能量，Pmin为预设的能量下限，Pi0为传感器节点i的初始能量，Simax为传感器节点i所能调节的最大通信距离，D(i，CHi)为传感器节点i到其对应簇头节点CHi的距离，ρ为预设的基于能量的衰减因子，ρ的取值范围为[0.8，0.9]。
3.根据权利要求2所述的一种基于环境水分监测的生态农业智能灌溉系统，其特征是，传感器节点每隔一个时间段Δt获取其下一跳节点的能量和农作物生长环境数据缓存信息，并根据获取的所述能量和农作物生长环境数据缓存信息，判断其下一跳节点是否满足中继条件，若不满足，传感器节点在其同簇邻居节点集中，重新选择一个除该下一跳节点外距离最近的邻居节点作为新的下一跳节点，所述中继条件为：
式中，Pix为传感器节点i的下一跳节点x的当前剩余能量，Pix0为所述下一跳节点x的初始能量，Ki为传感器节点i当前所采集的农作物生长环境数据包数量，Kix为所述下一跳节点x的缓存列表中的农作物生长环境数据包数量，PT为预设的转发一个农作物生长环境数据包的能耗，D(i，x)为传感器节点i到所述下一跳节点x的距离，KT-x为所述下一跳节点x的缓存列表所能缓存的最大农作物生长环境数据包数量，aT为预设的在单位距离内发送一个农作物生长环境数据包的时间，AT为预设的转发处理一个农作物生长环境数据包的时间，为预设的基于时间的影响因子，的取值范围为[0.9，0.95]；为判断取值函数，当时，当时，
4.根据权利要求2所述的一种基于环境水分监测的生态农业智能灌溉系统，其特征是，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。
5.根据权利要求2-4任一项所述的一种基于环境水分监测的生态农业智能灌溉系统，其特征是，数据分析终端包括数据显示模块、指令输入模块和指令发送模块，所述数据显示模块主要用于显示接收到的农作物生长环境数据以及历史农作物生长环境数据，所述指令输入模块用于供用户输入与灌溉和施肥相关的指令，所述指令发送模块用于将用户输入的指令发送至控制模块。
6.根据权利要求5所述的一种基于环境水分监测的生态农业智能灌溉系统，其特征是，所述灌溉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。
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