CN110036890A - 一种基于无线传感网络的田间温湿度自适应智能喷灌系统 - Google Patents

Abstract

一种基于无线传感网络的田间温湿度自适应智能喷灌系统，属于智能喷灌技术领域，解决了现有农业灌溉系统无法实现自动化、智能化灌溉的问题。所述智能喷灌系统：多个田间温湿度参数采集单元均与主控单元进行无线通信，以构成覆盖被监测地块的无线传感网络。田间温湿度参数采集单元实时检测对应子地块上方的空气温度以及土壤湿度，并在检测到的空气温度值超出预设的温度阈值时向主控单元发送空气温度报警信号，在检测到的土壤湿度值低于预设的湿度阈值时向主控单元发送土壤湿度报警信号。主控单元根据空气温度报警信号控制喷灌执行单元对被监测地块进行喷淋，根据土壤湿度报警信号控制喷灌执行单元对被监测地块进行灌溉。

Description

一种基于无线传感网络的田间温湿度自适应智能喷灌系统

技术领域

本发明涉及一种喷灌系统，属于智能喷灌技术领域。

背景技术

农业灌溉，主要是指对农业耕作区进行的灌溉作业。现有农业灌溉的控制方式主要分为人工干预、定时定量和条件控制。不论哪一种控制方式，当满足灌溉条件时需要相关农业灌溉人员先将田间阀和主控阀打开,然后启动水泵进行农业灌溉。当一组阀门灌溉结束时，需要先打开下一组阀门，再关闭正在进行灌溉的阀门,在这一过程中，水泵一直处于运行的状态。当灌溉结束后,先将水泵关闭再关闭田间阀与主控阀,这样才是一个完整的灌溉过程。

然而，上述现有农业灌溉的控制方式过于依赖人工操作，使得现有农业灌溉需要耗费大量的人力，效率低下。除此之外，上述现有农业灌溉的控制方式无法根据土壤的墒情在第一时间对需要灌溉的地块进行灌溉，这导致现有农业灌溉的效果大打折扣。伴随着现代互联网技术及相关通信技术的不断快速发展与提升,上述现有农业灌溉的控制方式早已无法满足现代农业的自动化、智能化的作业需求。

发明内容

本发明为解决现有农业灌溉系统无法实现自动化、智能化灌溉的问题，提出了一种基于无线传感网络的田间温湿度自适应智能喷灌系统。

本发明所述的基于无线传感网络的田间温湿度自适应智能喷灌系统包括多个田间温湿度参数采集单元、主控单元和喷灌执行单元；

多个田间温湿度参数采集单元均与主控单元进行无线通信，以构成覆盖被监测地块的无线传感网络；

田间温湿度参数采集单元用于实时检测对应子地块上方的空气温度以及土壤湿度，并在检测到的空气温度值超出预设的温度阈值时向主控单元发送空气温度报警信号，在检测到的土壤湿度值低于预设的湿度阈值时向主控单元发送土壤湿度报警信号；

主控单元用于根据空气温度报警信号向喷灌执行单元发送喷淋执行信号，根据土壤湿度报警信号向喷灌执行单元发送灌溉执行信号；

喷灌执行单元基于外部供水系统工作，用于根据喷淋执行信号对被监测地块进行喷淋，根据灌溉执行信号对被监测地块进行灌溉。

作为优选的是，主控单元用于根据空气温度报警信号向喷灌执行单元发送预定时长的喷淋执行信号，根据土壤湿度报警信号向喷灌执行单元发送预定时长的灌溉执行信号；

主控单元还用于根据对外发送的预定时长的喷淋执行信号的次数确定喷灌执行单元的喷淋次数，根据对外发送的预定时长的灌溉执行信号的次数确定喷灌执行单元的灌溉次数，并将每个监测周期内喷灌执行单元的喷淋次数和灌溉次数发送至后台管理系统。

作为优选的是，田间温湿度参数采集单元包括温度传感器、土壤湿度传感器、第一比较器、第二比较器、分控制器、第一无线通信模块、第一电源模块和第一电源；

温度传感器的电信号输出端与第一比较器的同相输入端相连，第一比较器的反相输入端接第一参考电压信号；

土壤湿度传感器的电信号输出端与第二比较器的反相输入端相连，第二比较器的同相输入端接第二参考电压信号；

第一比较器的输出端和第二比较器的输出端分别与分控制器的第一电平信号输入端和第二电平信号输入端相连；

分控制器通过第一无线通信模块向主控单元发送空气温度报警信号和土壤湿度报警信号；

第一电源通过第一电源模块同时为温度传感器、土壤湿度传感器、第一比较器、第二比较器、分控制器和第一无线通信模块供电；

第一参考电压信号和第二参考电压信号分别对应所述温度阈值和所述湿度阈值。

作为优选的是，主控单元包括主控制器、第二无线通信模块、第二电源模块和第二电源；

第二无线通信模块同时与多个田间温湿度参数采集单元的第一无线通信模块无线连接；

主控制器通过第二无线通信模块接收空气温度报警信号和土壤湿度报警信号，以及发送每个监测周期内喷灌执行单元的喷淋次数和灌溉次数数据；

主控制器根据空气温度报警信号向喷灌执行单元发送喷淋执行信号，根据土壤湿度报警信号向喷灌执行单元发送灌溉执行信号；

第二电源通过第二电源模块同时为主控制器和第二无线通信模块供电。

作为优选的是，喷灌执行单元包括喷淋执行子单元、灌溉执行子单元和继电器模块；

继电器模块用于根据喷淋执行信号控制喷淋执行子单元对被监测地块进行喷淋，根据灌溉执行信号控制灌溉执行子单元对被监测地块进行灌溉。

作为优选的是，喷灌执行单元还包括第三电源模块；

喷淋执行子单元包括第一电控水阀和多个雾化喷头，多个雾化喷头均通过第一电控水阀与外部供水系统相连通；

灌溉执行子单元包括第二电控水阀和多个灌溉喷头，多个灌溉喷头均通过第二电控水阀与外部供水系统相连通；

继电器模块用于根据喷淋执行信号使第一电控水阀开启，根据灌溉执行信号使第二电控水阀开启；

第三电源模块与外部电源相连，外部电源通过第三电源模块同时为第一电控水阀、第二电控水阀和继电器模块供电。

作为优选的是，田间温湿度参数采集单元还包括第一保护壳；

第一比较器、第二比较器、分控制器、第一无线通信模块和第一电源模块以集成电路板的形式设置在第一保护壳内；

温度传感器和土壤湿度传感器均位于第一保护壳外，温度传感器悬空设置在对应子地块的上方，土壤湿度传感器的敏感元件设置在对应子地块内。

作为优选的是，主控单元还包括第二保护壳，主控制器、第二无线通信模块和第二电源模块以集成电路板的形式设置在第二保护壳内。

作为优选的是，外部供水系统包括蓄水池和水泵；

蓄水池、水泵和第一电控水阀依次通过输水管道相连通，第一电控水阀通过输水管道同时与多个雾化喷头相连通；

蓄水池、水泵和第二电控水阀依次通过输水管道相连通，第二电控水阀通过输水管道同时与多个灌溉喷头相连通；

多个雾化喷头分别通过多个竖直设置的输水管道均匀分布在被监测地块的上方，多个灌溉喷头分别通过多个竖直设置的输水管道均匀分布在被监测地块的上方；

第一电控水阀用于同时控制多个雾化喷头的供水；

第二电控水阀用于同时控制多个灌溉喷头的供水。

作为优选的是，温度传感器采用GY-906型号的红外测温传感器实现，土壤湿度传感器采用YL-69型号的土壤湿度传感器实现；

第一比较器和第二比较器均采用LM393型号的芯片实现；

主控制器和分控制器均采用MSP430系列芯片实现；

第一无线通信模块和第二无线通信模块均采用nRF24L01型号的无线模块实现；

第一电源和第二电源均为锂电池；

继电器模块采用二路高电平触发继电器实现。

本发明所述的基于无线传感网络的田间温湿度自适应智能喷灌系统，通过多个田间温湿度参数采集单元与主控单元构成覆盖被监测地块的无线传感网络。田间温湿度参数采集单元实时检测对应子地块上方的空气温度以及土壤湿度，并在检测到的空气温度值超出预设的温度阈值时向主控单元发送空气温度报警信号，在检测到的土壤湿度值低于预设的湿度阈值时向主控单元发送土壤湿度报警信号。主控单元根据空气温度报警信号向喷灌执行单元发送喷淋执行信号，根据土壤湿度报警信号向喷灌执行单元发送灌溉执行信号。喷灌执行单元基于外部供水系统工作，根据喷淋执行信号对被监测地块进行喷淋，根据灌溉执行信号对被监测地块进行灌溉。

本发明所述的基于无线传感网络的田间温湿度自适应智能喷灌系统通过多个田间温湿度参数采集单元、主控单元和喷灌执行单元的配合协作，能够实现对被监测地块的自动化、智能化灌溉。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的基于无线传感网络的田间温湿度自适应智能喷灌系统进行更详细的描述，其中：

图1为实施例所述的基于无线传感网络的田间温湿度自适应智能喷灌系统的结构框图；

图2为实施例提及的田间温湿度参数采集单元的结构框图；

图3为实施例提及的主控单元的结构框图；

图4为实施例提及的喷灌执行单元的结构框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明所述的基于无线传感网络的田间温湿度自适应智能喷灌系统作进一步说明。

实施例：下面结合图1～图4详细地说明本实施例。

本实施例所述的基于无线传感网络的田间温湿度自适应智能喷灌系统包括多个田间温湿度参数采集单元、主控单元和喷灌执行单元；

多个田间温湿度参数采集单元均与主控单元进行无线通信，以构成覆盖被监测地块的无线传感网络；

田间温湿度参数采集单元用于实时检测对应子地块上方的空气温度以及土壤湿度，并在检测到的空气温度值超出预设的温度阈值时向主控单元发送空气温度报警信号，在检测到的土壤湿度值低于预设的湿度阈值时向主控单元发送土壤湿度报警信号；

主控单元用于根据空气温度报警信号向喷灌执行单元发送喷淋执行信号，根据土壤湿度报警信号向喷灌执行单元发送灌溉执行信号；

喷灌执行单元基于外部供水系统工作，用于根据喷淋执行信号对被监测地块进行喷淋，根据灌溉执行信号对被监测地块进行灌溉。

本实施例的主控单元用于根据空气温度报警信号向喷灌执行单元发送预定时长的喷淋执行信号，根据土壤湿度报警信号向喷灌执行单元发送预定时长的灌溉执行信号；

主控单元还用于根据对外发送的预定时长的喷淋执行信号的次数确定喷灌执行单元的喷淋次数，根据对外发送的预定时长的灌溉执行信号的次数确定喷灌执行单元的灌溉次数，并将每个监测周期内喷灌执行单元的喷淋次数和灌溉次数发送至后台管理系统。

本实施例的田间温湿度参数采集单元包括温度传感器、土壤湿度传感器、第一比较器、第二比较器、分控制器、第一无线通信模块、第一电源模块和第一电源；

温度传感器的电信号输出端与第一比较器的同相输入端相连，第一比较器的反相输入端接第一参考电压信号；

土壤湿度传感器的电信号输出端与第二比较器的反相输入端相连，第二比较器的同相输入端接第二参考电压信号；

第一比较器的输出端和第二比较器的输出端分别与分控制器的第一电平信号输入端和第二电平信号输入端相连；

分控制器通过第一无线通信模块向主控单元发送空气温度报警信号和土壤湿度报警信号；

第一电源通过第一电源模块同时为温度传感器、土壤湿度传感器、第一比较器、第二比较器、分控制器和第一无线通信模块供电；

第一参考电压信号和第二参考电压信号分别对应所述温度阈值和所述湿度阈值。

本实施例的主控单元包括主控制器、第二无线通信模块、第二电源模块和第二电源；

第二无线通信模块同时与多个田间温湿度参数采集单元的第一无线通信模块无线连接；

主控制器通过第二无线通信模块接收空气温度报警信号和土壤湿度报警信号，以及发送每个监测周期内喷灌执行单元的喷淋次数和灌溉次数数据；

主控制器根据空气温度报警信号向喷灌执行单元发送喷淋执行信号，根据土壤湿度报警信号向喷灌执行单元发送灌溉执行信号；

第二电源通过第二电源模块同时为主控制器和第二无线通信模块供电。

本实施例的喷灌执行单元包括喷淋执行子单元、灌溉执行子单元和继电器模块；

继电器模块用于根据喷淋执行信号控制喷淋执行子单元对被监测地块进行喷淋，根据灌溉执行信号控制灌溉执行子单元对被监测地块进行灌溉。

本实施例的喷灌执行单元还包括第三电源模块；

喷淋执行子单元包括第一电控水阀和多个雾化喷头，多个雾化喷头均通过第一电控水阀与外部供水系统相连通；

灌溉执行子单元包括第二电控水阀和多个灌溉喷头，多个灌溉喷头均通过第二电控水阀与外部供水系统相连通；

继电器模块用于根据喷淋执行信号使第一电控水阀开启，根据灌溉执行信号使第二电控水阀开启；

第三电源模块与外部电源相连，外部电源通过第三电源模块同时为第一电控水阀、第二电控水阀和继电器模块供电。

本实施例的田间温湿度参数采集单元还包括第一保护壳；

第一比较器、第二比较器、分控制器、第一无线通信模块和第一电源模块以集成电路板的形式设置在第一保护壳内；

温度传感器和土壤湿度传感器均位于第一保护壳外，温度传感器悬空设置在对应子地块的上方，土壤湿度传感器的敏感元件设置在对应子地块内。

本实施例的主控单元还包括第二保护壳，主控制器、第二无线通信模块和第二电源模块以集成电路板的形式设置在第二保护壳内。

本实施例的外部供水系统包括蓄水池和水泵；

蓄水池、水泵和第一电控水阀依次通过输水管道相连通，第一电控水阀通过输水管道同时与多个雾化喷头相连通；

蓄水池、水泵和第二电控水阀依次通过输水管道相连通，第二电控水阀通过输水管道同时与多个灌溉喷头相连通；

多个雾化喷头分别通过多个竖直设置的输水管道均匀分布在被监测地块的上方，多个灌溉喷头分别通过多个竖直设置的输水管道均匀分布在被监测地块的上方；

第一电控水阀用于同时控制多个雾化喷头的供水；

第二电控水阀用于同时控制多个灌溉喷头的供水。

在本实施例中，温度传感器采用GY-906型号的红外测温传感器实现，土壤湿度传感器采用YL-69型号的土壤湿度传感器实现；

第一比较器和第二比较器均采用LM393型号的芯片实现；

主控制器和分控制器均采用MSP430系列芯片实现；

第一无线通信模块和第二无线通信模块均采用nRF24L01型号的无线模块实现；

第一电源和第二电源均为锂电池；

继电器模块采用二路高电平触发继电器实现。

本实施例的主控单元还用于根据每个监测周期内喷灌执行单元的喷淋次数和灌溉次数以及已知的喷灌执行单元的每次喷淋用水量和每次灌溉用水量确定每个监测周期内的喷灌执行单元的总用水量，并将总用水量数据发送至后台管理系统。

本实施例所述的基于无线传感网络的田间温湿度自适应智能喷灌系统，能够结合气候和土壤墒情对农田进行自适应灌溉，灌溉资源精确量化供给，提高灌溉的效果及水资源利用率；将灌溉与雾化相结合，实现对土壤湿度、温度的同步调节。

本实施例的继电器模块延时动作，当田间温湿度参数采集单元检测到的土壤湿度值在临界状态时，继电器模块不会出现频闪现象，同时防止无线传感网络的滞后效应引起的重复灌溉。

本实施例所述的基于无线传感网络的田间温湿度自适应智能喷灌系统能够计算每个监测周期内喷灌执行单元的喷淋次数和灌溉次数以及喷灌执行单元的总用水量，并发送至后台管理系统，进而为分析农作物生长规律、经济效益、灌溉系统规划设计以及灌溉用水调度提供理论依据。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种基于无线传感网络的田间温湿度自适应智能喷灌系统，其特征在于，所述智能喷灌系统包括多个田间温湿度参数采集单元、主控单元和喷灌执行单元；

多个田间温湿度参数采集单元均与主控单元进行无线通信，以构成覆盖被监测地块的无线传感网络；

田间温湿度参数采集单元用于实时检测对应子地块上方的空气温度以及土壤湿度，并在检测到的空气温度值超出预设的温度阈值时向主控单元发送空气温度报警信号，在检测到的土壤湿度值低于预设的湿度阈值时向主控单元发送土壤湿度报警信号；

主控单元用于根据空气温度报警信号向喷灌执行单元发送喷淋执行信号，根据土壤湿度报警信号向喷灌执行单元发送灌溉执行信号；

喷灌执行单元基于外部供水系统工作，用于根据喷淋执行信号对被监测地块进行喷淋，根据灌溉执行信号对被监测地块进行灌溉。

2.如权利要求1所述的基于无线传感网络的田间温湿度自适应智能喷灌系统，其特征在于，主控单元用于根据空气温度报警信号向喷灌执行单元发送预定时长的喷淋执行信号，根据土壤湿度报警信号向喷灌执行单元发送预定时长的灌溉执行信号；

主控单元还用于根据对外发送的预定时长的喷淋执行信号的次数确定喷灌执行单元的喷淋次数，根据对外发送的预定时长的灌溉执行信号的次数确定喷灌执行单元的灌溉次数，并将每个监测周期内喷灌执行单元的喷淋次数和灌溉次数发送至后台管理系统。

3.如权利要求2所述的基于无线传感网络的田间温湿度自适应智能喷灌系统，其特征在于，田间温湿度参数采集单元包括温度传感器、土壤湿度传感器、第一比较器、第二比较器、分控制器、第一无线通信模块、第一电源模块和第一电源；

温度传感器的电信号输出端与第一比较器的同相输入端相连，第一比较器的反相输入端接第一参考电压信号；

土壤湿度传感器的电信号输出端与第二比较器的反相输入端相连，第二比较器的同相输入端接第二参考电压信号；

第一比较器的输出端和第二比较器的输出端分别与分控制器的第一电平信号输入端和第二电平信号输入端相连；

分控制器通过第一无线通信模块向主控单元发送空气温度报警信号和土壤湿度报警信号；

第一电源通过第一电源模块同时为温度传感器、土壤湿度传感器、第一比较器、第二比较器、分控制器和第一无线通信模块供电；

第一参考电压信号和第二参考电压信号分别对应所述温度阈值和所述湿度阈值。

4.如权利要求3所述的基于无线传感网络的田间温湿度自适应智能喷灌系统，其特征在于，主控单元包括主控制器、第二无线通信模块、第二电源模块和第二电源；

第二无线通信模块同时与多个田间温湿度参数采集单元的第一无线通信模块无线连接；

主控制器通过第二无线通信模块接收空气温度报警信号和土壤湿度报警信号，以及发送每个监测周期内喷灌执行单元的喷淋次数和灌溉次数数据；

主控制器根据空气温度报警信号向喷灌执行单元发送喷淋执行信号，根据土壤湿度报警信号向喷灌执行单元发送灌溉执行信号；

第二电源通过第二电源模块同时为主控制器和第二无线通信模块供电。

5.如权利要求4所述的基于无线传感网络的田间温湿度自适应智能喷灌系统，其特征在于，喷灌执行单元包括喷淋执行子单元、灌溉执行子单元和继电器模块；

继电器模块用于根据喷淋执行信号控制喷淋执行子单元对被监测地块进行喷淋，根据灌溉执行信号控制灌溉执行子单元对被监测地块进行灌溉。

6.如权利要求5所述的基于无线传感网络的田间温湿度自适应智能喷灌系统，其特征在于，喷灌执行单元还包括第三电源模块；

喷淋执行子单元包括第一电控水阀和多个雾化喷头，多个雾化喷头均通过第一电控水阀与外部供水系统相连通；

灌溉执行子单元包括第二电控水阀和多个灌溉喷头，多个灌溉喷头均通过第二电控水阀与外部供水系统相连通；

继电器模块用于根据喷淋执行信号使第一电控水阀开启，根据灌溉执行信号使第二电控水阀开启；

第三电源模块与外部电源相连，外部电源通过第三电源模块同时为第一电控水阀、第二电控水阀和继电器模块供电。

7.如权利要求6所述的基于无线传感网络的田间温湿度自适应智能喷灌系统，其特征在于，田间温湿度参数采集单元还包括第一保护壳；

第一比较器、第二比较器、分控制器、第一无线通信模块和第一电源模块以集成电路板的形式设置在第一保护壳内；

温度传感器和土壤湿度传感器均位于第一保护壳外，温度传感器悬空设置在对应子地块的上方，土壤湿度传感器的敏感元件设置在对应子地块内。

8.如权利要求7所述的基于无线传感网络的田间温湿度自适应智能喷灌系统，其特征在于，主控单元还包括第二保护壳，主控制器、第二无线通信模块和第二电源模块以集成电路板的形式设置在第二保护壳内。

9.如权利要求8所述的基于无线传感网络的田间温湿度自适应智能喷灌系统，其特征在于，外部供水系统包括蓄水池和水泵；

蓄水池、水泵和第一电控水阀依次通过输水管道相连通，第一电控水阀通过输水管道同时与多个雾化喷头相连通；

蓄水池、水泵和第二电控水阀依次通过输水管道相连通，第二电控水阀通过输水管道同时与多个灌溉喷头相连通；

多个雾化喷头分别通过多个竖直设置的输水管道均匀分布在被监测地块的上方，多个灌溉喷头分别通过多个竖直设置的输水管道均匀分布在被监测地块的上方；

第一电控水阀用于同时控制多个雾化喷头的供水；

第二电控水阀用于同时控制多个灌溉喷头的供水。

10.如权利要求9所述的基于无线传感网络的田间温湿度自适应智能喷灌系统，其特征在于，温度传感器采用GY-906型号的红外测温传感器实现，土壤湿度传感器采用YL-69型号的土壤湿度传感器实现；

第一比较器和第二比较器均采用LM393型号的芯片实现；

主控制器和分控制器均采用MSP430系列芯片实现；

第一无线通信模块和第二无线通信模块均采用nRF24L01型号的无线模块实现；

第一电源和第二电源均为锂电池；

继电器模块采用二路高电平触发继电器实现。