CN110178817A - 一种变量施药信息处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变量施药信息处理系统及方法，该系统包括地理信息处理单元、RTK导航定位单元、电子矢量图解译单元、病虫害专家单元；该系统能够将采集的田间病虫害数据插值生成病虫害空间差异性分布图；作业机械在田间作业时通过RTK导航定位获取机组实时位置信息，并解译病虫害空间差异性分布图生成该作业位置的病虫害严重程度值。病虫害专家单元根据病虫害严重程度值和测得的机组前进速度得出相应的施药量，通过CAN总线将施药量发送给下位机执行喷施指令；并将作业状态参数通过数据远传模块发送到远程监控中心进行作业状态监控。该系统能够实现自适应变量喷施。提高了药液利用率，减少了农药的浪费以及多余农药对环境的不良影响。

Description

一种变量施药信息处理系统及方法

技术领域

本发明属于精准农业技术领域，特别涉及一种变量施药信息处理系统及方法。

背景技术

目前，在我国的农业生产过程中，喷洒农药仍然是治理病虫害的主要手段。传统施药机械普遍采用较大药量对整个地块粗放式的统一喷施，这种不科学的施药方式造成农药的使用过量、利用率低引发的农产品农药残留超标、环境污染、资源压力、生态破环等方面的问题愈加严重。根据相关统计数据显示，我国的农药有效利用率仅为20％～30％。因此，既能有效控制病虫害的为害，又能减少农药用量，是当前农情治理中亟需解决的问题。

随着精准农业的发展，精准施药技术及相关装备成为解决以上问题的有效手段。将植保机械与信息技术和智能控制技术相结合，研制出变量施药控制信息系统，对农田每一个区域的病虫害精分管理。采取最准确定位和最合理的农药投入量，来获取经济和环境上的最大效益。

一种精准农业喷药控制系统,包括机器视觉对靶单元、给药单元、施药单元与控制反馈单元。该控制系统通过机器视觉识别病虫害，并判断病虫害等级，得出施药方案，把施药信息发送给单片机来控制电磁阀实现变量施药。但目前机器视觉受环境影响很大，且识别准确率很低，只是处于实验室研究阶段。一种基于北斗卫星的变量施药自动控制系统。该系统通过北斗卫星对作业农田位置进行定位,并将定位信息传输给控制器,使控制器根据地理信息从存储模块调取对应该农田的喷药方案,通过输出模块控制压力泵和控制阀门,来控制喷药的药量。但该专利仅涉及到田间定位和喷药系统，没有涉及施药决策系统。没有给出病虫害严重程度和作业机械速度与施药量之间的关系或得出这种关系模型的方法。

综上所述，在现有技术中，变量施药没有得到有效的解决，并且实际施药作业时影响施药量的主要因素与施药量之间的关系难以确立。为解决上述问题，本发明提供了一种变量施药信息处理系统及方法。

发明内容

本发明提供一种变量施药信息处理系统及方法，通过系统生成的农情差异性分布图，再结合RTK导航定位设备来指导施药机械完成田间变量喷施。本发明在实际应用中能够实现自适应变量喷施，能够在有效控制病虫害的前提下，合理使用农药量，提高农药有效利用率。

本发明是通过如下技术方案得以实现的：

一种变量施药信息处理系统，包括地理信息处理单元、RTK导航定位单元、电子矢量图解译单元和病虫害专家单元；所述地理信息处理单元将采集到的地理信息经过处理得到病虫害空间差异性分布图，病虫害空间差异性分布图输出到电子矢量图解译单元，电子矢量图解译单元将接收到的病虫害空间差异性分布图信息和RTK导航定位单元采集的信息进行处理后得到病虫害严重程度值，并经数据通讯单元将信息传递给病虫害专家单元，病虫害专家单元根据机组行驶速度及病虫害严重程度值给出对应病虫害位置的施药量，并经执行控制器控制喷头的喷涂从而进行变量作业。

进一步的，所述地理信息处理单元，包括触摸显示屏和工业控制机；所述触摸显示屏用来显示地理信息并进行人机交互，所述工业控制机用来处理地理信息数据；地理信息处理单元将田间采集到的病虫害数据，通过空间插值算法对病虫害数据进行插值，转换成SHP格式的栅格图形文件，用户通过人机交互界面对栅格图形文件进行编辑，从而得到理想的病虫害空间差异性信息分布图。

进一步的，所述电子矢量图解译单元，包括病虫害空间差异性分布图和RTK导航定位单元，所述RTK导航定位单元包括基准站和移动站。RTK导航定位单元以一个固定频率实时输出精确的经纬度信息等数据。通过RTK导航定位单元输出的实时位置坐标解译病虫害空间差异性分布图，输出作业机组在该位置对应的田间病虫害严重程度值。

进一步的，所述电子矢量图解释单元根据喷杆的长度和碰头的个数，将喷杆分为m个控制区；通过移动站天线安装的位置与喷杆的空间距离反推算出喷杆上各个控制区的定位坐标，每个控制区可以单独控制施药量，可实现更合理更精准的施药。

进一步的，所述数据通讯单元，包括CAN通讯模块和数传模块；所述CAN通讯模块为智能协议转换器用来将工业控制机输出的信号转换成CAN信号，执行控制器通过CAN通讯模块接收工业控制机输出的执行命令，执行相应的施药操作；所述数传模块用来将机组田间作业状态发送到远程数据服中心进行数据存储和状态监控。

一种变量施药信息处理方法，包括以下步骤：

步骤一：人工携带手持式GIS设备去田间采集病虫害信息，或者采用自动探测设备如工业相机或光谱探测设备结合定位设备去田间采集病虫害信息，主要包括地理信息、对病虫害严重程度值的评估和属性信息；

步骤二：通过触摸显示屏中的人机交互界面将田间病虫害信息导入变量施药信息处理系统中；

步骤三：变量施药信息处理系统中的地理信息处理单元将采集的带有地理位置坐标信息的病虫害信息插值形成病虫害空间差异性分布图，然后转化成可以运用的SHP数据格式并存储到数据库中，用户可通过人机交互界面对该数据进行分析和编辑，最终得到带有田间病虫害空间差异性分布图；

步骤四：田间作业时通过RTK导航定位单元解译病虫害空间差异性分布图，得出喷杆的各个控制区的实时位置所对应的病虫害空间差异性分布图上的病虫害严重程度值，并将病虫害严重程度值发送给病虫害专家系统输入接口；

步骤五：速度传感器将机组实时速度信息发送给病虫害专家系统输入接口；

步骤六：病虫害专家单元根据输入的病虫害严重程度和机组行驶速度通过模糊控制推理出施药量；

步骤七：通过CAN通讯模块将施药量发送给执行控制器，通过数传模块将作业状态发送到远程数据服中心进行数据存储和状态监控；

步骤八：执行控制器通过脉冲宽度调制方法，在不改变PWM方波周期的前提下，改变输出的频率和占空比来改变电磁阀通断时间，实现变量喷施；

步骤九：重复步骤四、五、六、七、八。

有益效果：

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.该系统可以根据喷杆的长度和喷头的个数，将喷杆分为多个控制区，这样每个控制区可以单独控制施药量，可以实现更合理更精准的施药，获取经济和环境上的最大效益。

2.采用RTK导航定位设备进行田间定位，稳定性好，测量误差低，定位精度精度更高。

3.该变量施药信息处理系统实现了从田间病虫害信息分析到田间施药作业的各应用模块的集合，为田间作业带来了极大的方便。能够控制病虫害的为害的同时降低农药使用量，提高农药有效利用率。

附图说明

图1为变量施药信息处理系统装置结构示意图；

图2为喷杆示意图；

图3为变量施药信息处理方法框图。

附图标记如下：

1.基准站；2.基站卫星天线；3.基站接收机；4.蓄电池；5.电台；6.三脚架；7.移动平台(拖拉机)；8.触摸显示屏；9.工业控制机；10.移动站卫星接收机从机；11.移动站卫星接收机主机；12.电台；13.智能协议转换器；14.双绞屏蔽线；15.移动站接收机；16.执行控制器；17.喷头；18.施药装置；19.速度传感器；20.电磁阀；21.数传模块；22.喷杆；23.喷头；24.连接件；25.定位点。

具体实施方式

为对本发明做进一步的理解，现下面结合附图，对本发明方案做进一步详细说明：

所述变量施药信息处理系统，以Microsoft Visual Studio为开发环境，基于ArcGIS Engine嵌入式开发组件，采用C#程序设计语言开发，该系统在Windows平台下运行。

所述变量施药信息处理系统，包括、RTK导航定位单元、电子矢量图解译单元、病虫害专家单元、数据通讯单元；

所述地理信息处理单元，包括触摸显示屏8、工业控制机9。所述触摸显示屏8用来显示地理信息、机组作业状态并进行人机交互。该系统将田间采集的病虫害信息，通过插值算法生成病虫害空间差异性分布图，并将该图转换成SHP格式的栅格图形文件。用户可以通过所述触摸显示屏8中的人机交互界面对SHP格式文件进行分析、编辑和存储，从而得到最理想的病虫害空间信息分布图。

所述电子矢量图解译单元包括空间差异性分布图和RTK导航定位单元，所述RTK导航定位单元包括基准站1和移动站。RTK导航定位单元以一个固定频率如5HZ实时输出精确的经纬度信息等数据。通过RTK导航定位单元输出的实时位置坐标解译病虫害空间差异性分布图，输出作业机组在该位置对应的田间病虫害严重程度值。

电子矢量图解译单元，根据喷杆22的长度，和24个喷头，将喷杆22分为6个控制区，可以通过移动站接收机安装的位置与喷杆的距离反推算出喷杆上各个控制区的定位点25坐标，这样每个控制区可以单独控制施药量，实现更精准的施药。

所述病虫害专家单元，包括速度传感器19，所述速度传感器19安装在移动平台(拖拉机)7的一个车轮上，用来实时检测拖拉机的行驶速度，并实时将速度信息发送给所述工业控制机9。将电子矢量图解译系统解译出的病虫害严重程度值和作业机组前进速度作为病虫害专家单元输入量，通过模糊控制算法得出所需施药量。

所述数据通讯单元，包括CAN通讯模块13和数传模块21。所述CAN通讯模块13为智能协议转换器用来将工业控制机9输出的信号转换成CAN信号，执行控制器16通过CAN通讯模块13接收工业控制机9输出的执行命令。所述数传模块21用来将机组田间作业状态发送到远程数据服中心进行数据存储和状态监控。

一种变量施药信息处理方法，包括以下步骤：

步骤一：人工携带手持式GIS设备去田间采集病虫害信息，或者采用自动探测设备如工业相机或光谱探测设备结合定位设备去田间采集病虫害信息，主要包括地理信息、对病虫害严重程度值的评估和属性信息等；

步骤二：通过触摸显示屏8中的人机交互界面将田间病虫害信息导入变量施药信息处理系统中；

步骤三：地理信息处理单元将采集的带有地理位置坐标信息的病虫害信息插值成病虫害空间差异性分布图，然后转化成可以运用的SHP数据格式并存储到数据库中，用户可以通过人机交互界面对该数据进行分析和编辑，最终得到带有田间病虫害信息的空间差异性分布图；

步骤四：田间作业时通过RTK导航定位单元解译病虫害空间差异性分布图，得出喷杆的各个控制区的实时位置所对应的病虫害差异性分布图上的病虫害严重程度值，并将病虫害严重程度值发送给病虫害专家系统输入接口；

步骤五：速度传感器19将测得的实时机组速度信息发送给病虫害专家系统输入接口；

步骤六：病虫害专家系统根据输入的病虫害严重程度和机组行驶速度通过模糊控制推理出施药量；

步骤七：通过CAN通讯模块13将施药量发送给执行控制器16，通过数传模,21将作业状态发送到远程数据服中心进行数据存储和状态监控；

步骤八：执行控制器16通过脉冲宽度调制方法，在不改变PWM方波周期的前提下，改变输出的频率和占空比来改变电磁阀20通断时间，实现变量喷施；步骤九：重复步骤四、五、六、七、八。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，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等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种变量施药信息处理系统，其特征在于，包括地理信息处理单元、RTK导航定位单元、电子矢量图解译单元和病虫害专家单元；所述地理信息处理单元将采集到的地理信息经过处理得到病虫害空间差异性分布图，病虫害空间差异性分布图输出到电子矢量图解译单元，电子矢量图解译单元将接收到的病虫害空间差异性分布图信息和RTK导航定位单元采集的信息进行处理后得到病虫害严重程度值，并经数据通讯单元将信息传递给病虫害专家单元，病虫害专家单元根据机组行驶速度及病虫害严重程度值给出对应病虫害位置的施药量，并经执行控制器控制喷头的喷涂从而进行变量作业。

2.根据权利要求1所述的变量施药信息处理系统，其特征在于，所述地理信息处理单元，包括触摸显示屏和工业控制机；所述触摸显示屏用来显示地理信息并进行人机交互，所述工业控制机用来处理地理信息数据；地理信息处理单元将田间采集到的病虫害数据，通过空间插值算法对病虫害数据进行插值，转换成SHP格式的栅格图形文件，用户通过人机交互界面对栅格图形文件进行编辑，从而得到理想的病虫害空间差异性信息分布图。

3.根据权利要求1所述的变量施药信息处理系统，其特征在于，所述电子矢量图解译单元，包括病虫害空间差异性分布图和RTK导航定位单元，所述RTK导航定位单元包括基准站和移动站。RTK导航定位单元以一个固定频率实时输出精确的经纬度信息等数据。通过RTK导航定位单元输出的实时位置坐标解译病虫害空间差异性分布图，输出作业机组在该位置对应的田间病虫害严重程度值。

4.根据权利要求3所述的变量施药信息处理系统，其特征在于，所述电子矢量图解释单元根据喷杆的长度和碰头的个数，将喷杆分为m个控制区；通过移动站天线安装的位置与喷杆的空间距离反推算出喷杆上各个控制区的定位坐标，每个控制区可以单独控制施药量，可实现更合理更精准的施药。

5.根据权利要求1所述的变量施药信息处理系统，其特征在于，所述数据通讯单元，包括CAN通讯模块和数传模块；所述CAN通讯模块为智能协议转换器用来将工业控制机输出的信号转换成CAN信号，执行控制器通过CAN通讯模块接收工业控制机输出的执行命令，执行相应的施药操作；所述数传模块用来将机组田间作业状态发送到远程数据服中心进行数据存储和状态监控。

6.一种变量施药信息处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：人工携带手持式GIS设备去田间采集病虫害信息，或者采用自动探测设备如工业相机或光谱探测设备结合定位设备去田间采集病虫害信息，主要包括地理信息、对病虫害严重程度值的评估和属性信息；

步骤二：通过触摸显示屏中的人机交互界面将田间病虫害信息导入变量施药信息处理系统中；

步骤三：变量施药信息处理系统中的地理信息处理单元将采集的带有地理位置坐标信息的病虫害信息插值形成病虫害空间差异性分布图，然后转化成可以运用的SHP数据格式并存储到数据库中，用户可通过人机交互界面对该数据进行分析和编辑，最终得到带有田间病虫害空间差异性分布图；

步骤四：田间作业时通过RTK导航定位单元解译病虫害空间差异性分布图，得出喷杆的各个控制区的实时位置所对应的病虫害空间差异性分布图上的病虫害严重程度值，并将病虫害严重程度值发送给病虫害专家系统输入接口；

步骤五：速度传感器将机组实时速度信息发送给病虫害专家系统输入接口；

步骤六：病虫害专家单元根据输入的病虫害严重程度和机组行驶速度通过模糊控制推理出施药量；

步骤七：通过CAN通讯模块将施药量发送给执行控制器，通过数传模块将作业状态发送到远程数据服中心进行数据存储和状态监控；

步骤八：执行控制器通过脉冲宽度调制方法，在不改变PWM方波周期的前提下，改变输出的频率和占空比来改变电磁阀通断时间，实现变量喷施；

步骤九：重复步骤四、五、六、七、八。