CN109644838A - 一种园林节水灌溉装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种园林节水灌溉装置，该装置包括数据采集平台、灌溉控制中心和灌溉执行平台，所述数据采集平台包括土壤湿度传感器和覆盖所述园林区域的无线传感器网络，所述土壤湿度传感器部署于不同子区域中并分别与无线传感器网络连接构成园林土壤湿度数据采集网络；所述灌溉执行平台包括部署于不同子区域中的灌溉单元，每个灌溉单元包括与所在子区域的土壤湿度传感器对应的控制器以及灌溉设备；所述灌溉控制中心根据园林灌溉要求设定土壤的湿度阈值，并判断当前各子区域的土壤湿度是否在该湿度阈值范围之内，如果低于该湿度阈值，所述灌溉控制中心向对应的控制器发送开启灌溉设备的指令，实现园林灌溉的精准控制。

Description

一种园林节水灌溉装置

技术领域

本发明涉及园林节水灌溉技术领域，具体涉及一种园林节水灌溉装置。

背景技术

相关技术中，园林自动灌溉系统通常采用定时灌溉的方式，其优点在于效率较高，但是由于其不主动检测被灌溉土地的湿度情况，误灌的概率较高，因此其易造成用水浪费。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种园林节水灌溉装置。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了一种园林节水灌溉装置，将园林区域分成多个子区域，该装置包括数据采集平台、灌溉控制中心和灌溉执行平台，所述数据采集平台包括土壤湿度传感器和覆盖所述园林区域的无线传感器网络，所述土壤湿度传感器部署于不同子区域中并分别与无线传感器网络连接构成园林土壤湿度数据采集网络；所述灌溉执行平台包括部署于不同子区域中的灌溉单元，每个灌溉单元包括与所在子区域的土壤湿度传感器对应的控制器以及灌溉设备；所述灌溉控制中心根据园林灌溉要求设定土壤的湿度阈值，并判断当前各子区域的土壤湿度是否在该湿度阈值范围之内，如果低于该湿度阈值，所述灌溉控制中心向对应的控制器发送开启灌溉设备的指令，实现园林灌溉的精准控制。

在一种实施方式中，所述灌溉设备包括加湿机以及除湿机。所述灌溉设备还可以包括水泵或者其他灌溉装置。本实施例不限定于此。

在一种实施方式中，所述开启灌溉设备的指令包括开启时间。所述开启时间可以根据当前子区域的土壤湿度与该湿度阈值的差值进行计算。可设计每个单位湿度差应该给予的第一单位灌溉量，通过第一单位灌溉量与所述差值的乘积来确定灌溉量。同时，预先确定开启灌溉设备每单位时间能够提供的第二单位灌溉量，通过所述灌溉量除以所述第二单位灌溉量得到所述开启时间。

在另一种实施方式中，所述开启灌溉设备的指令包括灌溉量，所述灌溉量可以根据当前子区域的土壤湿度与该湿度阈值的差值进行计算。具体地，可设计每个单位湿度差应该给予的单位灌溉量，通过单位灌溉量与所述差值的乘积来确定所述灌溉量。

本发明的有益效果为：通过利用数据采集平台获取园林土壤湿度数据，由灌溉控制中心根据所获得园林土壤湿度数据和设定的土壤的湿度阈值，确定灌溉量，并向灌溉执行平台对应的灌溉单元发送指令，实现不同子区域的土壤湿度控制，实现了园林的节水灌溉和精准控制；通过无线传感器网络进行园林土壤湿度数据的远程传输，无需布线，智能便捷。

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园林节水灌溉装置的结构示意框图。

附图标记：

数据采集平台1、灌溉控制中心2、灌溉执行平台3。

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，本发明实施例提供一种园林节水灌溉装置，将园林区域分成多个子区域，该装置包括数据采集平台1、灌溉控制中心2和灌溉执行平台3，所述数据采集平台1包括土壤湿度传感器和覆盖所述园林区域的无线传感器网络，所述土壤湿度传感器部署于不同子区域中并分别与无线传感器网络连接构成园林土壤湿度数据采集网络；所述灌溉执行平台3包括部署于不同子区域中的灌溉单元，每个灌溉单元包括与所在子区域的土壤湿度传感器对应的控制器以及灌溉设备；所述灌溉控制中心2根据园林灌溉要求设定土壤的湿度阈值，并判断当前各子区域的土壤湿度是否在该湿度阈值范围之内，如果低于该湿度阈值，所述灌溉控制中心2向对应的控制器发送开启灌溉设备的指令，实现园林灌溉的精准控制。

在一种实施方式中，所述灌溉设备包括加湿机以及除湿机。所述灌溉设备还可以包括水泵或者其他灌溉装置。本实施例不限定于此。

在一种实施方式中，所述开启灌溉设备的指令包括开启时间。所述开启时间可以根据当前子区域的土壤湿度与该湿度阈值的差值进行计算。可设计每个单位湿度差应该给予的第一单位灌溉量，通过第一单位灌溉量与所述差值的乘积来确定灌溉量。同时，预先确定开启灌溉设备每单位时间能够提供的第二单位灌溉量，通过所述灌溉量除以所述第二单位灌溉量得到所述开启时间。

在另一种实施方式中，所述开启灌溉设备的指令包括灌溉量，所述灌溉量可以根据当前子区域的土壤湿度与该湿度阈值的差值进行计算。具体地，可设计每个单位湿度差应该给予的单位灌溉量，通过单位灌溉量与所述差值的乘积来确定所述灌溉量。

本发明上述实施例通过利用数据采集平台获取园林土壤湿度数据，由灌溉控制中心2根据所获得园林土壤湿度数据和设定的土壤的湿度阈值，确定灌溉量，并向灌溉执行平台3对应的灌溉单元发送指令，实现不同子区域的土壤湿度控制，实现了园林的节水灌溉和精准控制。

在一个实施例中，所述无线传感器网络包括一个汇聚节点和多个传感器节点，每个传感器节点通信连接一个所述土壤湿度传感器，以采集所述土壤湿度传感器的园林土壤湿度数据；所述无线传感器网络还包括多个簇头，每个传感器节点选择最近的簇头加入簇，所述簇头负责收集簇内各传感器节点采集的园林土壤湿度数据并发送至所述汇聚节点；所述汇聚节点汇聚各园林土壤湿度数据并传送至所述灌溉控制中心2。

在上述的一种园林节水灌溉装置中，每个簇头根据自己的等级确定是否与汇聚节点直接通信：当簇头为第一通信簇头时，其直接将收集的园林土壤湿度数据发送至所述汇聚节点；当簇头为第二通信簇头或者第三通信簇头时，该簇头在其通信范围内的簇头中选择最近的作为下一跳，将收集的园林土壤湿度数据发送至该下一跳，以由下一跳转发该园林土壤湿度数据，直至该园林土壤湿度数据传送至汇聚节点；

其中，设定每个簇头能调节的通信距离范围皆为[S_min，S_max]，由汇聚节点确定每个簇头的等级，具体为：

(1)所述汇聚节点向各簇头广播hello消息并启动计时器，各传感器节点收到所述hello消息后，计算自身的直接通信优势值，若该直接通信优势值大于0，则向所述汇聚节点发送反馈消息：

式中，D_a为簇头a的直接通信优势值，L(a，o)为簇头a到其汇聚节点o的距离，L(a，j)为簇头a到其通信范围内第j个簇头的距离，L_a为位于簇头a通信范围内的簇头数量， 为第一判断取值函数，当时，当时，为第二判断取值函数，当时，当时，

(2)所述反馈信息包括传感器节点的直接通信优势值，所述汇聚节点将没有发送反馈信息的所有簇头划分为第三通信簇头，将直接通信优势值为1的所有簇头划分为第二通信簇头，将直接通信优势值为2的所有簇头划分为第一通信簇头，并向各簇头广播划分信息。

本实施例通过汇聚节点为各簇头分配等级信息，簇头根据该等级确定是否与汇聚节点直接通信，提高了簇头与汇聚节点之间通信的灵活性，相对于所有簇头与汇聚节点直接通信的方式，能够进一步节省网络能量；本实施例创造性地提出了直接通信优势值的新指标，该指标由各簇头分别自行计算并反馈至汇聚节点，有利于平衡各簇头的计算负载，提高为各簇头分配等级的效率。所述汇聚节点根据该直接通信优势值来确定各簇头的等级，有利于为簇头确定合适的路由方式，节省与汇聚节点相距较远的簇头在发送园林土壤湿度数据方面的能耗，进一步平衡各簇头的能量，降低园林节水灌溉装置的运作和维护成本。

在一个实施例中，每隔一个预设的周期ΔT₀，所述汇聚节点获取各簇头的能量信息，根据能量信息计算第一通信簇头与第二通信簇头的能量势力差：

式中，P₁₂表示第一通信簇头与第二通信簇头的能量势力差，E_c为第c个第一通信簇头的当前剩余能量，K₁为当前网络中的第一通信簇头的数量，S_o为所述汇聚节点的通信距离，E_b为第b个第二通信簇头的当前剩余能量，K₂为当前网络中的第二通信簇头的数量；

当P₁₂＜0时，所述汇聚节点选择m个第二通信簇头进行通信模式更新，向该m个第二通信簇头发送更新消息，以促使该m个第二通信簇头转换为第一通信簇头，从而直接将所接收的园林土壤湿度数据发送至汇聚节点。

其中，当所有第二通信簇头都转换为第一通信簇头或者达到预设的周期次数上限时，所述通信簇头停止上述能量势力差的计算操作。

与汇聚节点直接进行数据传输的簇头，由于靠近汇聚节点，不仅需要向汇聚节点发送其收集的园林土壤湿度数据，而且需要作为多个邻居簇头的下一跳节点，因此相对于其他距离汇聚节点较远的簇头，需要消耗更多的能量，所以无线传感器网络在汇聚节点附近容易产生能量空洞。基于此问题，本实施例根据引力的概念，创新性地提出了能量势力差的衡量指标，当第一通信簇头与第二通信簇头的能量势力差小于0时，即第一通信簇头的能量处于较低水平时，将一定数量的第二通信簇头更新为第一通信簇头，以分担当前第一通信簇头的负载，这能够进一步平衡各簇头的能量，减少能量空洞现象，进而有效延长网络生存时间，提高园林土壤湿度数据采集的稳定性。

在一种实施方式中，所述汇聚节点随机选择m个第二通信簇头进行通信模式更新。在另一种实施方式中，所述汇聚节点选择当前剩余能量较大的m个第二通信簇头进行通信模式更新。

在一种实施方式中，所述m为预设值，且满足

在另一种实施方式中，所述m由汇聚节点按照下列方式确定：

(1)计算第二通信簇头当前剩余能量的平均值E_avg2，为使得第一通信簇头和第二通信簇头的能量势力尽量平衡，所述m应该尽量满足：

即

(2)若m≥K₂，则取K＝K₂，否则，取 表示对的计算结果取整。

本实施例进一步提出了需更新的第二通信簇头数目m的取值机制，根据该取值机制确定m值，能够使得第一通信簇头的能量势力与第二通信簇头的能量势力趋于平衡，从而更为有效地平衡簇内簇头的能量，尽量避免能量空洞现象，进而有效延长网络生存时间，提高园林土壤湿度数据采集的稳定性，为后续实现园林的精准节能灌溉奠定良好的数据基础。

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 (7)

1.一种园林节水灌溉装置，其特征是，将园林区域分成多个子区域，该装置包括数据采集平台、灌溉控制中心和灌溉执行平台，所述数据采集平台包括土壤湿度传感器和覆盖所述园林区域的无线传感器网络，所述土壤湿度传感器部署于不同子区域中并分别与无线传感器网络连接构成园林土壤湿度数据采集网络；所述灌溉执行平台包括部署于不同子区域中的灌溉单元，每个灌溉单元包括与所在子区域的土壤湿度传感器对应的控制器以及灌溉设备；所述灌溉控制中心根据园林灌溉要求设定土壤的湿度阈值，并判断当前各子区域的土壤湿度是否在该湿度阈值范围之内，如果低于该湿度阈值，所述灌溉控制中心向对应的控制器发送开启灌溉设备的指令，实现园林灌溉的精准控制；所述无线传感器网络包括一个汇聚节点和多个传感器节点，每个传感器节点通信连接一个所述土壤湿度传感器，以采集所述土壤湿度传感器的园林土壤湿度数据；所述无线传感器网络还包括多个簇头，每个传感器节点选择最近的簇头加入簇，所述簇头负责收集簇内各传感器节点采集的园林土壤湿度数据并发送至所述汇聚节点；所述汇聚节点汇聚各园林土壤湿度数据并传送至所述灌溉控制中心。

2.根据权利要求1所述的一种园林节水灌溉装置，其特征是，每个簇头根据自己的等级确定是否与汇聚节点直接通信：当簇头为第一通信簇头时，其直接将收集的园林土壤湿度数据发送至所述汇聚节点；当簇头为第二通信簇头或者第三通信簇头时，该簇头在其通信范围内的簇头中选择最近的作为下一跳，将收集的园林土壤湿度数据发送至该下一跳，以由下一跳转发该园林土壤湿度数据，直至该园林土壤湿度数据传送至汇聚节点；

其中，设定每个簇头能调节的通信距离范围皆为[S_min,S_max]，由汇聚节点确定每个簇头的等级，具体为：

(1)所述汇聚节点向各簇头广播hello消息并启动计时器，各传感器节点收到所述hello消息后，计算自身的直接通信优势值，若该直接通信优势值大于0，则向所述汇聚节点发送反馈消息：

式中，D_a为簇头a的直接通信优势值，L(a,o)为簇头a到其汇聚节点o的距离，L(a,j)为簇头a到其通信范围内第j个簇头的距离，L_a为位于簇头a通信范围内的簇头数量， 为第一判断取值函数，当时，当时，为第二判断取值函数，当时，当时，

(2)所述反馈信息包括传感器节点的直接通信优势值，所述汇聚节点将没有发送反馈信息的所有簇头划分为第三通信簇头，将直接通信优势值为1的所有簇头划分为第二通信簇头，将直接通信优势值为2的所有簇头划分为第一通信簇头，并向各簇头广播划分信息。

3.根据权利要求2所述的一种园林节水灌溉装置，其特征是，每隔一个预设的周期ΔT₆，所述汇聚节点获取各簇头的能量信息，根据能量信息计算第一通信簇头与第二通信簇头的能量势力差：

式中，Ρ₁₂表示第一通信簇头与第二通信簇头的能量势力差，9_c为第c个第一通信簇头的当前剩余能量，K₁为当前网络中的第一通信簇头的数量，S_o为所述汇聚节点的通信距离，E_b为第b个第二通信簇头的当前剩余能量，K₂为当前网络中的第二通信簇头的数量；

当Ρ₁₂<0时，所述汇聚节点选择m个第二通信簇头进行通信模式更新，向该m个第二通信簇头发送更新消息，以促使该m个第二通信簇头转换为第一通信簇头，从而直接将所接收的园林土壤湿度数据发送至汇聚节点。

4.根据权利要求3所述的一种园林节水灌溉装置，其特征是，所述汇聚节点随机选择m个第二通信簇头进行通信模式更新。

5.根据权利要求3所述的一种园林节水灌溉装置，其特征是，所述m为预设值，且满足

6.根据权利要求3-5任一项所述的一种园林节水灌溉装置，其特征是，所述开启灌溉设备的指令包括开启时间。

7.根据权利要求3-5任一项所述的一种园林节水灌溉装置，其特征是，所述开启灌溉设备的指令包括灌溉量。