CN110169340A - 一种基于无人机通信的果园管理与控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开提供了一种基于无人机通信的果园管理与控制系统及方法，由无人机上搭载的远程ZigBee‑GPRS网关与无线传感器网络节点组合，果园环境数据在WSN、GPRS和Internet间进行采集与传输，实现远距离果园环境实时检测，并根据检测结果对果园农场进行灌溉，有效减少了果园劳动力的投入，提高果园农场灌溉效率。

Description

一种基于无人机通信的果园管理与控制系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机管理技术领域，更具体的说是涉及一种基于无人机通 信的果园管理与控制系统及方法。

背景技术

在农业集约化生产管理中，存在一些问题：

1、劳动力不足。

2、建设区域大。

3、信息化程度低。

因此，如何减少劳力投入，提高灌溉效率是本领域技术人员亟需解决的 问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于无人机通信的果园管理与控制系统及 方法，减少了劳动力投入，有效提高果园农场灌溉效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于无人机通信的果园管理与控制系统，其特征在于，包括：多个 传感器节点、灌溉节点、无人机、网关、服务器、后台控制器和环境监控网 站；所述网关搭载在所述无人机上，且采用远程ZigBee-GPRS网关；

每个所述传感器节点采集果园的环境信息；

所述无人机定点巡航时实现果园的环境信息的收集，并通过所述网关将 环境信息上传至所述服务器；所述服务器将环境信息传送至所述后台控制器；

所述服务器基于接收到的环境信息依次通过所述后台控制器和所述网关 控制所述灌溉节点工作；

所述环境监控网站通过所述服务器和所述后台控制器对果园进行监测和 控制。

优选的，所述后台控制器包括：上位机和/或手机端地面站；

所述上位机和/或所述手机端地面站与所述服务器以及网关连接；所述上 位机和/或所述手机端地面用于调整无人机的飞行坐标、规划无人机的线路和 记录无人机移动轨迹；且所述服务器基于接收到的环境信息通过所述上位机 和/或所述手机端地面站控制所述灌溉节点工作。

优选的，每个所述传感器节点包括：第一核心处理器，分别与所述第一 核心处理器相连的第一功率放大模块、第一电压检测模块、第一GPS模块、 传感器模块和第一电源模块；且所述第一功率放大模块连接有第一无线通信 模块，所述第一无线通信模块与所述无人机无线连接；所述第一电压检测模 块和所述第一电源模块相连。

优选的，所述传感器模块包括：土壤水分含量传感器、温湿度传感器和 光照强度传感器；所述土壤水分含量传感器、所述温湿度传感器和所述光照 强度传感器均与所述第一核心处理器相连。

优选的，所述灌溉节点包括：第二核心处理器、分别与所述第二核心处 理器相连的第二功率放大模块、第二电压检测模块、继电器开关模块和第二 电源模块；且所述继电器开关模块连接有双稳态电磁阀；其中，所述第二功 率放大模块连接有第二无线通信模块，所述第二无线通信模块与所述网关相 连；所述第二电源检测模块和所述第二电源模块相连；所述第二无线通信模 块与所述网关相连。

优选的，所述无人机包括：第三核心处理器，与所述第三核心处理器相 连的接收机模块、数据传输模块、超声波模块、电子调速器、第三GPS模块、 重力加速度传感器、陀螺仪传感器、地磁传感器和气压传感器；且所述接收 机模块和所述数据传输模块均和所述网关无线连接。

优选的，所述网关通过ZigBee协调器，实现与各个节点的连接，从而建 成一个物联网网络；所述服务器利用嵌入式技术对协调器和环境监控网站进 行访问。

这里需要说明的是，各个节点是指传感器节点和灌溉节点。

优选的，所述手机端地面站基于戴克斯特拉方法、动态规划方法记录无 人机移动轨迹，发送地图描点信息到无人机，以及接收无人机回传的状态信 息。

这里需要说明的是，戴克斯特拉方法、动态规划方法均为现有已知算法； 此外，发送地图苗店信息到无人机的目的是让无人机能够按照用户定义的轨 迹进行巡航，去采集节点信息。

优选的，所述环境监控网站包括：实时数据查询模块、历史数据波形图 模块、实时预警模块以及后台管理模块；

所述数据查询模块通过传感器节点号、灌溉节点号以及环境信息来查看 果园的监控数据；

所述历史数据波形图模块基于监控数据进行宏观分析，并通过预先选择 的波形图类型进行展示；

所述实时预警模块用于当监测的数据超过预设安全值时，向所述后台管 理模块发送控制指令，所述后台管理模块将控制指令通过后台控制器和网关 发送至灌溉节点上的继电器开关模块，以控制灌溉节点工作。

一种基于无人机通信的果园管理与控制方法，包括：

S1：传感器节点采集果园的环境信息数据，并对数据进行存储，放入到 数据传输队列；传感器节点将多路数据整合为数据流并通过无人机进行收集， 之后无人机通过网关将数据发送至后台控制器；

S2：无人机通过第三无线通信模块接收后台控制器发送的飞行控制指令 后，根据无人机携带的各类传感器采集的数据计算无人机当前姿态数据，并 与航线目标进行比较，调整无人机姿态，到达果园灌溉节点上方；

S3：无人机通过无线通信与灌溉节点建立通信，从数据传输队列接收数 据，当灌溉节点数据接收完成后，无人机继续前往下一个灌溉节点，灌溉节 点等待无人机的指令；下一个节点会等待无人机的采集指令，是收集数据的 指令，等无人机到达后才会不断发送数据，直到无人机接收成功。

S4：当无人机接收完所有灌溉节点数据后，无人机将所有灌溉节点数据 发送至网关；

S5：网关将接收到的数据信息进行解压、分析和压缩格式化处理后，通 过ZigBee协调器与服务器建立起TCP/IP连接，并将格式化处理后的数据信 息发送到所述服务器，所述服务器与后台控制器进行连接，通过所述后台控 制器界面查看实时环境信息并发送指令控制灌溉节点上相应的继电器开关模 块工作；

S6:服务器将接收到的经格式化后的数据信息接收并显示在环境监控网 站，并将数据存储到本地数据库里，用户通过所述环境监控网站发送指令控 制反向灌溉节点上相应的220V继电器开关模块工作。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基 于无人机通信的果园管理与控制系统及方法，由无人机上搭载的远程 ZigBee-GPRS网关与无线传感器网络(WSN)节点组合，果园环境数据在 WSN、GPRS和Internet间进行采集与传输，实现远距离果园环境实时检测， 并根据检测结果对果园农场进行灌溉，有效减少了果园劳动力的投入，提高 果园农场灌溉效率。

而且，通过无人机采集果园环境信息可以随时随地快速的查看果园的最 新环境消息，便于做出分析和处理，快速的对果园农场情况做出反应。无人 机可以近距离和远距离观察柑橘园情况，从不同距离收集果园不同个体的信 息以及果园整体的信息，从多个角度了解果园的情况，保证数据的准确性与 可靠性。用户可以根据环境数据检测结果，通过服务器或环境监控网站发送 相应控制命令对相应的节点进行控制。

此外，手机端地面站采用戴克斯特拉算法、动态规划算法，采用百度API 导入坐标获取功能，用户只要点击地点坐标，获取经纬度，通过串口传指令 给无人机，就可以进行巡航控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于无人机通信的果园管理与控制系统的结构示意 图；

图2为本发明提供的传感器节点的示意图；

图3为本发明提供的灌溉节点的示意图；

图4为本发明提供的无人机的示意图。

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做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1，本发明实施例公开了一种基于无人机通信的果园管理与控制 系统，包括：多个传感器节点、灌溉节点、无人机、网关、服务器、后台控 制器和环境监控网站；网关搭载在无人机上，且采用远程ZigBee-GPRS网关；

每个传感器节点采集果园的环境信息；

无人机定点巡航时实现果园的环境信息的收集，并通过网关将环境信息 上传至服务器；服务器将环境信息传送至后台控制器；

服务器基于接收到的环境信息依次通过后台控制器和网关控制灌溉节点 工作；

环境监控网站通过服务器和后台控制器对果园进行监测和控制。

为了进一步优化上述技术方案，在本发明提供的上述实施例的基础上进 一步公开了后台控制器包括：上位机和/或手机端地面站；

上位机和/或手机端地面站与服务器以及网关连接；上位机和/或手机端地 面用于调整无人机的飞行坐标、规划无人机的线路和记录无人机移动轨迹； 且服务器基于接收到的环境信息通过上位机和/或手机端地面站控制灌溉节点 工作。在具体实现时，上位机界面采用Visual C#开发。

参见附图2，为了进一步优化上述技术方案，在本发明提供的上述实施例 的基础上进一步公开了每个传感器节点包括：第一核心处理器，分别与第一 核心处理器相连的第一功率放大模块、第一电压检测模块、第一GPS模块、 传感器模块和第一电源模块；且第一功率放大模块连接有第一无线通信模块， 第一无线通信模块与无人机无线连接；第一电压检测模块和第一电源模块相 连。

为了进一步优化上述技术方案，在本发明提供的上述实施例的基础上进 一步公开了传感器模块包括：土壤水分含量传感器、温湿度传感器和光照强 度传感器；土壤水分含量传感器、温湿度传感器和光照强度传感器均与第一 核心处理器相连。

在具体实现时，采用TDR-3水分含量传感器、DHT11空气温湿度传感器、 GY-30光照强度传感器、实时采集果园温度、湿度、光照度、土壤水分等多 项信息，减少大量人力的投入，且能够使测量结果更加精确，提高了柑橘农 场管理的可靠性。

参见附图3，为了进一步优化上述技术方案，在本发明提供的上述实施例 的基础上进一步公开了灌溉节点包括：第二核心处理器、分别与第二核心处 理器相连的第二功率放大模块、第二电压检测模块、继电器开关模块和第二 电源模块；且继电器开关模块连接有双稳态电磁阀；其中，第二功率放大模 块连接有第二无线通信模块，第二无线通信模块与网关相连；第二电源检测 模块和第二电源模块相连；所述第二无线通信模块与所述网关相连。

参见附图4，为了进一步优化上述技术方案，在本发明提供的上述实施例 的基础上进一步公开了无人机包括：第三核心处理器，与第三核心处理器相 连的接收机模块、数据传输模块、超声波模块、电子调速器、第三GPS模块、 重力加速度传感器、陀螺仪传感器、地磁传感器和气压传感器；且接收机模 块和数据传输模块均和网关无线连接。

这里需要说明的是，本发明技术方案中所使用的核心处理器采用意法半 导体的STM32F103C8T6，无线通信模块选用TI公司的CC2530模块，功率 放大模块采用RFX2401功率放大芯片，电源模块包括以AMS1117电源芯片 为核心的电源。根据果园的环境数据精度和变化范围要求，传感器模块利用 TDR-3传感器来进行采集土壤水分含量工作、利用DHT11传感器来采集空气 温湿度和GY-30传感器来采集光照强度的数据。传感器模块和处理器模块采 用分开设计的方式，有效提高了节点的灵活性，更便于各种数据的收集。无 人机上采用MPU6050重力加速度陀螺仪传感器、IST8310地磁传感器和 SPL06-001气压传感器。网关模块以ARM Cortex-M3为内核，其芯片型号选 择STM32F103，STM32F103通过串口连接至GPRS-DTU和ZigBee协调器。

为了进一步优化上述技术方案，在本发明提供的上述实施例的基础上进 一步公开了网关通过ZigBee协调器，实现与各个节点的连接，从而建成一个 物联网网络；服务器利用嵌入式技术对协调器和环境监控网站进行访问，设 计采用Visual Studio 2010，基于.NET Framework 4.0，使用.NET C#窗体控件、 网络通讯相关的类TcpListener和TcpClient、多线程编程、数据显示控件 GridView和数据库操作，实现了响应客户端的连接请求，实时数据接收和存 储等功能。

为了进一步优化上述技术方案，在本发明提供的上述实施例的基础上进 一步公开了手机端地面站基于戴克斯特拉方法、动态规划方法记录无人机移 动轨迹，发送地图描点信息到无人机，以及接收无人机回传的状态信息。

为了进一步优化上述技术方案，在本发明提供的上述实施例的基础上进一 步公开了环境监控网站运用Asp.net开发，以SQL为本地数据库，采用面向对 象PHP语言实现。环境监控网站包括：实时数据查询模块、历史数据波形图模 块、实时预警模块以及后台管理模块；

数据查询模块通过传感器节点号、灌溉节点号以及环境信息来查看果园 的监控数据；

历史数据波形图模块基于监控数据进行宏观分析，并通过预先选择的波 形图类型进行展示；

实时预警模块用于当监测的数据超过预设安全值时，向后台管理模块发 送控制指令，后台管理模块将控制指令通过后台控制器和网关发送至灌溉节 点上的继电器开关，以控制灌溉节点工作。

本发明由远程ZigBee-GPRS网关与无线传感器网络(WSN)节点组合，果 园参数在WSN、GPRS与Internet间进行采集与传输，实现远距离果园环境实 时监测。节点采用CC2530作无线数据收发芯片，GPRS采用ComWay模块， 由ZigBee进行组网采集环境信息，通过GPRS网络回传给上位机实现实时监 测，再由决策支持系统进行分析发送指令控制节点电磁阀通断从而营造一个 适合果树生长的环境，用户通过选择节点号、柑橘园环境参数类型、波形图 类型等来查看相应的柑橘园环境参数的监测数据波形图，可以宏观分析数据 信息的变化。

此外，本发明实施例还公开了一种基于无人机通信的果园管理与控制方 法，具体包括如下步骤：

S1：传感器节点采集果园的环境信息数据，并对数据进行存储，放入到 数据传输队列；传感器节点将多路数据整合为数据流并通过无人机进行收集， 之后无人机通过网关将数据发送至后台控制器；

S2：无人机通过第三无线通信模块接收后台控制器发送的飞行控制指令 后，根据无人机携带的各类传感器采集的数据计算无人机当前姿态数据，并 与航线目标进行比较，调整无人机姿态，到达果园灌溉节点上方；

S3：无人机通过无线通信与灌溉节点建立通信，从数据传输队列接收数 据，当灌溉节点数据接收完成后，无人机继续前往下一个灌溉节点，灌溉节 点等待无人机的指令；

S4：当无人机接收完所有灌溉节点数据后，无人机将所有灌溉节点数据 发送至网关；

S5：网关将接收到的数据信息进行解压、分析和压缩格式化处理后，通 过ZigBee协调器与服务器建立起TCP/IP连接，并将格式化处理后的数据信 息发送到服务器，服务器与后台控制器进行连接，通过后台控制器界面查看 实时环境信息并发送指令控制灌溉节点上相应的继电器开关模块工作；

S6:服务器将接收到的经格式化后的数据信息接收并显示在环境监控网 站，并将数据存储到本地数据库里，用户通过环境监控网站发送指令控制反 向灌溉节点上相应的220V继电器开关模块工作。

此外，为了验证本发明提供的基于无人机通信的果园管理与控制系统的 稳定性，做了以下实验：

设定5个传感器节点采集周期均为30min，采用定时唤醒机制降低传感 器节点、控制节点和网关模块的能耗，连续监测20d，测试结果如表1所示， 该系统平均丢包率约为0.787％，说明其网络传输稳定性非常高。

表1网络丢包率统计

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都 是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。 对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述 的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用 本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易 见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下， 在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例， 而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于无人机通信的果园管理与控制系统，其特征在于，包括：多个传感器节点、灌溉节点、无人机、网关、服务器、后台控制器和环境监控网站；所述网关搭载在所述无人机上，且采用远程ZigBee-GPRS网关；

每个所述传感器节点采集果园的环境信息；

所述无人机定点巡航时实现果园的环境信息的收集，并通过所述网关将环境信息上传至所述服务器；所述服务器将环境信息传送至所述后台控制器；

所述服务器基于接收到的环境信息依次通过所述后台控制器和所述网关控制所述灌溉节点工作；

所述环境监控网站通过所述服务器和所述后台控制器对果园进行监测和控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机通信的果园管理与控制系统，其特征在于，所述后台控制器包括：上位机和/或手机端地面站；

所述上位机和/或所述手机端地面站与所述服务器以及网关连接；所述上位机和/或所述手机端地面用于调整无人机的飞行坐标、规划无人机的线路和记录无人机移动轨迹；且所述服务器基于接收到的环境信息通过所述上位机和/或所述手机端地面站控制所述灌溉节点工作。

3.根据权利要求1所述的一种基于无人机通信的果园管理与控制系统，其特征在于，每个所述传感器节点包括：第一核心处理器，分别与所述第一核心处理器相连的第一功率放大模块、第一电压检测模块、第一GPS模块、传感器模块和第一电源模块；且所述第一功率放大模块连接有第一无线通信模块，所述第一无线通信模块与所述无人机无线连接；所述第一电压检测模块和所述第一电源模块相连。

4.根据权利要求3所述的一种基于无人机通信的果园管理与控制系统，其特征在于，所述传感器模块包括：土壤水分含量传感器、温湿度传感器和光照强度传感器；所述土壤水分含量传感器、所述温湿度传感器和所述光照强度传感器均与所述第一核心处理器相连。

5.根据权利要求3所述的一种基于无人机通信的果园管理与控制系统，其特征在于，所述灌溉节点包括：第二核心处理器、分别与所述第二核心处理器相连的第二功率放大模块、第二电压检测模块、继电器开关模块和第二电源模块；且所述继电器开关模块连接有双稳态电磁阀；其中，所述第二功率放大模块连接有第二无线通信模块，所述第二无线通信模块与所述网关相连；所述第二电源检测模块和所述第二电源模块相连；所述第二无线通信模块与所述网关相连。

6.根据权利要求3所述的一种基于无人机通信的果园管理与控制系统，其特征在于，所述无人机包括：第三核心处理器，与所述第三核心处理器相连的接收机模块、数据传输模块、超声波模块、电子调速器、第三GPS模块、重力加速度传感器、陀螺仪传感器、地磁传感器和气压传感器；且所述接收机模块和所述数据传输模块均和所述网关无线连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于无人机通信的果园管理与控制系统，其特征在于，所述网关通过ZigBee协调器，实现与各个节点的连接，从而建成一个物联网网络；所述服务器利用嵌入式技术对协调器和环境监控网站进行访问。

8.根据权利要求2所述的一种基于无人机通信的果园管理与控制系统，其特征在于，所述手机端地面站基于戴克斯特拉方法、动态规划方法记录无人机移动轨迹，发送地图描点信息到无人机，以及接收无人机回传的状态信息。

9.根据权利要求1～8任意一项所述的一种基于无人机通信的果园管理与控制系统，其特征在于，所述环境监控网站包括：实时数据查询模块、历史数据波形图模块、实时预警模块以及后台管理模块；

所述数据查询模块通过传感器节点号、灌溉节点号以及环境信息来查看果园的监控数据；

所述历史数据波形图模块基于监控数据进行宏观分析，并通过预先选择的波形图类型进行展示；

所述实时预警模块用于当监测的数据超过预设安全值时，向所述后台管理模块发送控制指令，所述后台管理模块将控制指令通过后台控制器和网关发送至灌溉节点上的继电器开关模块，以控制灌溉节点工作。

10.一种基于无人机通信的果园管理与控制方法，其特征在于，包括：

S1：传感器节点采集果园的环境信息数据，并对数据进行存储，放入到数据传输队列；传感器节点将多路数据整合为数据流并通过无人机进行收集，之后无人机通过网关将数据发送至后台控制器；

S2：无人机通过第三无线通信模块接收后台控制器发送的飞行控制指令后，根据无人机携带的各类传感器采集的数据计算无人机当前姿态数据，并与航线目标进行比较，调整无人机姿态，到达果园灌溉节点上方；

S3：无人机通过无线通信与灌溉节点建立通信，从数据传输队列接收数据，当灌溉节点数据接收完成后，无人机继续前往下一个灌溉节点，灌溉节点等待无人机的指令；

S4：当无人机接收完所有灌溉节点数据后，无人机将所有灌溉节点数据发送至网关；

S5：网关将接收到的数据信息进行解压、分析和压缩格式化处理后，通过ZigBee协调器与服务器建立起TCP/IP连接，并将格式化处理后的数据信息发送到所述服务器，所述服务器与后台控制器进行连接，通过所述后台控制器界面查看实时环境信息并发送指令控制灌溉节点上相应的继电器开关模块工作；

S6:服务器将接收到的经格式化后的数据信息接收并显示在环境监控网站，并将数据存储到本地数据库里，用户通过所述环境监控网站发送指令控制反向灌溉节点上相应的220V继电器开关模块工作。