CN110335167B - 一种植物种植信息采集分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种植物种植信息采集分析系统，包括控制中心，所述控制中心通讯连接有一个以上的数据采集中心，每个所述数据采集中心都通讯连接有一个以上的信息采集节点，每个所述信息采集节点都包括用于与对应的所述数据采集中心通讯连接的通讯模块以及分别与所述通讯模块连接的土壤湿度检测模块、光照强度检测模块、土壤PH值检测模块、降雨检测模块和空气温湿度检测模块，所述数据采集中心预先设置有各所述信息采集节点的位置信息通过对土壤、空气、光照等参数的检测采集，并以此为依据建立植物生产模型，有助于对植物进行精确的灌溉施肥，实现精细化管理，由于采集的主要是数据信息，系统负荷相对较小且分析结构准确性相对较高。

Description

一种植物种植信息采集分析系统

技术领域

本发明涉及一种植物种植管理系统，尤其是一种植物种植信息采集分析系统。

背景技术

种植业早我国具有悠久的历史，当然存在不少问题，以茶叶为例，虽然我国茶叶总产量位居世界首位，但是还存在着以下这些问题：一是茶叶单产低下，据农业部资料显示，我国2014年茶叶种植面积达到274.1万公顷，产量209万吨。种植面积约占全球种植总面积的60％，而茶叶总产量却只占全球总产量的的41.6％，茶叶单产较低说明我国茶叶生产效益较低，该问题主要是由生产技术落后，及管理方式粗放导致的；二是生产技术过时，我国茶叶种植技术多以人工为主，其灌溉方式粗放，肥料把控缺乏标准，导致大量过剩浪费或不足。

将茶树种植与物联网技术相结合，通过传感设备实时收集环境及植株生长数据，并通过分析比对来达到精准种植的效果，将会对茶叶的种植起到有益的推进作用。公布号为CN108288049A的中国发明专利申请公开了一种基于农业物联网的农业种植智能管理系统，包括种植方案分析部分、数据采集部分和管理PC终端；种植方案分析部分包括图像采集装置，图像采集装置的输出端连接有一图像特征提取单元，图像特征提取单元通过信息传输模块连接有一图像特征分析单元，图像特征分析单元连接有图像特征数据库和种植方案获取单元；种植方案获取单元连接有种植方案数据库和管理PC终端；管理PC终端通过无线通信模块连接有一远程服务器和一移动终端设备。该系统在一定程度上有助于对植物进行精确的灌溉施肥，实现精细化管理，但是该系统主要收集的是图像特征，信息量大，系统负荷也相对较大，且忽略了对植物生产至关重要的光照和空气等因素，影响分析结果的准确性。

有鉴于此，本申请人对植物种植信息采集分析系统进行了深入的研究，遂有本案产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种系统负荷相对较小且分析结构准确性相对较高的植物种植信息采集分析系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种植物种植信息采集分析系统，包括控制中心，所述控制中心通讯连接有一个以上的数据采集中心，每个所述数据采集中心都通讯连接有一个以上的信息采集节点，每个所述信息采集节点都包括用于与对应的所述数据采集中心通讯连接的通讯模块以及分别与所述通讯模块连接的土壤湿度检测模块、光照强度检测模块、土壤PH值检测模块、降雨检测模块和空气温湿度检测模块，所述数据采集中心预先设置有各所述信息采集节点的位置信息；

所述信息采集节点将各检测模块获取的检测信息传递给对应的所述数据采集中心，所述数据采集中心接受到所述检测信息后，按预先设定的时间间隔对所述检测信息进行打包处理并添加时间信息和对应的位置信息形成信息包，再将所述信息包传递给所述控制中心，所述控制中心对所述信息包进行存储形成数据库，当所述数据库内的所述信息包达到预先设定的数量之后，所述控制中心根据所述数据库建立植物生长模型，之后按预先设定的时间间隔重建所述植物生长模型。

作为本发明的一种改进，所述信息采集节点还包括用于为对应的所述通讯模块、所述土壤湿度检测模块、所述光照强度检测模块、所述土壤PH值检测模块、所述降雨检测模块和所述空气温湿度检测模块供电的备用电池。

作为本发明的一种改进，每个所述数据采集中心连接有15-20个所述信息采集节点。

作为本发明的一种改进，所述数据采集中心预先设置有与该数据采集中心对应的各检测模块的模块信息，所述数据采集中心接受到所述检测信息后，根据对应的所述模块信息对所述检测信息的完整性进行核查，如果所述检测信息中缺少任意一个检测模块提供的信息，则将该模块信息添加到所述信息包中，并将该信息包标记为错误信息包，否则将该信息包标记为分析信息包；

所述数据库有两个，分别为用于存储所述错误信息包的故障数据库和用于存储所述分析信息包的分析数据库，所述植物生长模型根据所述分析数据库建立或重建，所述控制中心根据所述故障数据库生成警报信息。

作为本发明的一种改进，所述控制中心还对所述分析信息包进行CRC校验，并将未通过所述CRC校验的所述分析信息包标记为错误信息包。

作为本发明的一种改进，所述控制中心还根据所述故障数据库建立聚类模型和/或关联模型。

作为本发明的一种改进，所述植物生长模型的建立或重建方法如下：

S1、连接所述分析数据库；

S2、按从近向远的时间顺序依次获取所述分析数据库中的所述分析信息包，每获取一个所述分析信息包后进行下一步骤；

S3、判断所述分析信息包是否达到预先设定的数量，达到则进行下一步骤，否则返回上一个步骤；

S4、根据各所述分析信息包以环境条件为特征形成向量，所述环境条件包括温度、压力、湿度、土壤酸度、地理经度和地理纬度；

S5、判断所述特征的数值是否在预先设定的范围值内，是则进行下一步骤，否则删除对应的所述向量，并将对应的分析信息包标记为错误信息包；

S6、根据各所述向量建立k-近邻模型，其中k为正整数。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1、通过对土壤、空气、光照等参数的检测采集，并以此为依据建立植物生长模型，有助于对植物进行精确的灌溉施肥，实现精细化管理，由于采集的主要是数据信息，系统负荷相对较小且分析结构准确性相对较高。

2、通过收集错误信息，有助于即使排出故障，为系统的稳定、高效运行提供了巨大的帮助；也在错误分析、系统维护的方面提供了巨大的帮助，提高了系统在面对意外问题方面的对抗能力。

3、本发明可为植物种植提供了精细化管理，智能化管理、科学化管理的途径，既提高了种植的质量，同时也减少了种植时的资源浪费现象与对种植土地的破坏。

4、本发明还可以与还可以作为现有农业智能种植设备的补充和扩展。作为其探测方面的一部分，给予其更为详尽的数据，作为中转装置为相关种植技术提供更多的帮助。

附图说明

图1为本发明植物种植信息采集分析系统的结构示意图；

图2为本发明中的信息采集节点的结构示意图；

图3为本发明中的植物生长模型的建立或重建方法的逻辑拓扑图。

图中部分视图省略螺栓，图中对应标示如下：

10-控制中心； 20-数据采集中心；

30-信息采集节点； 31-通讯模块；

32-土壤湿度检测模块； 33-光照强度检测模块；

34-土壤PH值检测模块； 35-降雨检测模块；

36-空气温湿度检测模块； 37-备用电池。

具体实施方式

下面结合具体实施例对发明做进一步的说明：

如图1和图2所示，本实施例提供的植物种植信息采集分析系统，包括控制中心10，控制中心10通讯连接有一个以上的数据采集中心20，每个数据采集中心20都通讯连接有一个以上的信息采集节点30，每个信息采集节点30都包括用于与对应的数据采集中心10通讯连接的通讯模块31以及分别与通讯模块31连接的土壤湿度检测模块32、光照强度检测模块33、土壤PH值检测模块34、降雨检测模块35和空气温湿度检测模块36，当然，控制中心10、数据采集中心20以及各检测模块都为可以从市场上直接购买获得的设备或模块，其中，控制中心10和数据采集中心20可以设置在同一个服务器上，也可以设置在不同的服务器上，借助安装在服务器上的软件或功能模块实现对应的功能，需要说明的是，用于实现数据采集中心10和控制中心10的功能的软件或功能模块为常规的软件或模块，已广泛应用于各类系统中，此处不再详述。

信息采集节点30根据其探测范围在实地的探测有效面积，分布在种植地中，具体的布置位置和密度需要根据实际情况来确定。使用时，各检测模块实时采集对应位置的温湿度、光照强度和降雨量等相关信息，信息采集节点30将各检测模块获取的检测信息通过通讯模块31传递给对应的数据采集中心20。在本实施例中，通讯模块31采用集成有通讯功能的节点控制器，具体的，通讯模块31为ESP32芯片，其用Tensilica LX6双核处理器，主频240MHz，集成WiFi和双模蓝牙，即通讯模块31通过WiFi或者蓝牙与数据采集中心20无线连接。光照强度检测模块33采用BH1750光照传感器，其通过IIC与节点控制器连接，空气温湿度检测模块36采用AM2302温湿度传感器，其通过单总线传输模式与节点控制器连接，各检测模块均使用控制器I/O对输出电压进行数据采集。

优选的，在本实施例中，信息采集节点30还包括用于为对应的通讯模块31、土壤湿度检测模块32、光照强度检测模块33、土壤PH值检测模块34、降雨检测模块35和空气温湿度检测模块35供电的备用电池37，具体的备用电池37通过节点控制器为各检测模块供电，即备用电池37与节点控制器连接。具体的，备用电池37为可充电的锂电池和与该锂电池连接的电源管理模块，该电源管理模块为TP4056芯片。正常工作状态下，锂电池处于充电状态，通过地下铺设的与市电连接的电路供电，并有断电保护保证锂电池充电安全；在遇到突发情况时，可以有24小时的工作时间，同时在此刻向数据采集中心20发送警告。

每个数据采集中心20连接有15-20个信息采集节点30，各数据采集中心20都预先设置有与之连接的各信息采集节点30的位置信息；数据采集中心20接受到检测信息后，按预先设定的时间间隔对检测信息进行打包处理并添加时间信息和对应的位置信息形成信息包，再将该信息包传递给控制中心10，具体的，数据采集中心20采集控制器采用ESP32芯片，该ESP32芯片内置有WiFi模块。

数据采集中心20还可以监管对应的各信息采集节点的工作状态，当与之连接的信息采集节点30的某项或多项信息采集持续缺失时，或信息采集节点30发出断电警报，或信息采集节点30直接失去联系时，数据采集中心20会将相应错误打包至向控制中心10传输的信息中，以便及时发现问题进行维护。具体的，数据采集中心20还预先设置有与该数据采集中心20对应的各检测模块的模块信息，数据采集中心20接受到检测信息后，根据对应的模块信息对检测信息的完整性进行核查，如果所述检测信息中缺少任意一个检测模块提供的信息，则将该模块信息添加到对应的信息包中，并将该信息包标记为错误信息包，否则将该信息包标记为分析信息包。

控制中心10对信息包进行存储形成数据库，当数据库内的信息包达到预先设定的数量之后(例如存储了一个完成植物生产的周期的数据之后)，控制中心10根据数据库建立植物生长模型，之后按预先设定的时间间隔重建所述植物生长模型，以减少误差。具体的，数据库有两个，分别为用于存储错误信息包的故障数据库和用于存储分析信息包的分析数据库，即控制中心接受到信息包后，会先对信息包进行区分并存储到对应的数据库中。植物生长模型根据分析数据库建立或重建，控制中心10根据故障数据库生成警报信息。

植物生长模型的分析结构以图表的形式进行展示，用户可通过网页进行查看，其中数据的展示图表来自于百度Echart，并且针对突发情况，展示部分会给予用户及时的警报帮助用户发现问题。

优选的，控制中心10还对分析信息包进行CRC校验，并将未通过CRC校验的分析信息包标记为错误信息包。即控制中心10完成对信息包的区分之后，还会对分析信息包进行筛选，将分析信息包中存在明显错误的信息包筛选出来，被筛选出来的信息包存储在故障数据库中。具体的，信息采集节点30与数据采集中心20采用nRF24L01无线通信模块作为无线传输介质，使用自定义协议完成数据收发，14字节数据帧格式如下表所示：

其中，帧起始表示一帧发送数据的开始；数据域包括节点地址以及各个传感器的数据；CRC校验段由15个位的CRC顺序和1个位的CRC界定符构成，计算范围从帧起始到PH值。CRC校验的方法如下：原始数据发送时，14字节数据帧中的最后16bit的数字是发送端对前面其它数据的检查结果，形成CRC校验码(设为A)，数据接收到后，可以用数据重新再算出CRC码(设为B)，用来和接收到的这个数据中的码(A)比对，相同的话，说明数据正常，否则即为存在明显错误信息。

优选的，控制中心10还根据故障数据库建立聚类模型和/或关联模型，具体的聚类模型和/或关联模型为常规的模型，如k-means聚类算法或Aprior关联算法获得的模型，此处不再详述。这样，可以通过储存在数据库中的错误报告来判断错误来源，以便相关人员进行检修，例如，根据模型发现有10个同一类型的检测模块的错误大多数都是在M厂家生产的，故障都是在夜间发生的，则维修人员根据分析结果，能结合自己认知，判断分析可能M厂的传感器对光照敏感。

植物生长模型主要用于根据已有的、正确的信息(或数据)，来预测现有的新数据情况下的植物的生长情况，并根据其生长情况给与相应意见。

优选的，参考图3所示，植物生长模型的建立或重建方法如下：

S1、连接分析数据库，如果连接失败则发送错误报告；

S2、按从近向远的时间顺序依次获取分析数据库中的分析信息包，每获取一个分析信息包后进行下一步骤；

S3、判断分析信息包是否达到预先设定的数量或者是否包含预先设定的时间范围，是则进行下一步骤，否则返回上一个步骤；

S4、根据各分析信息包中的数据以环境条件为特征形成向量，环境条件包括温度、压力、湿度、土壤酸度、地理经度和地理纬度，在本实施例中，该向量为[温度、压力、湿度、土壤酸度、地理经度、地理纬度]；

S5、判断特征的数值是否在预先设定的范围值内，是则进行下一步骤，否则删除对应的向量，并将对应的分析信息包标记为错误信息包，同时将其转移到故障数据库；

S6、根据各向量建立k-近邻模型，其中k为正整数，具体的，将上述向量放在N维向量空间中(其中N为正整数)，然后计算最早获取的分析信息包中的数据在N维向量空间中对后续获得的分析信息包中的数据的欧式距离，接着按预先设定的比例选取欧式距离最小的样本空间中的点，最后将这些点的结果比较大的作为结果输出。

本实施例提供的植物种植信息采集分析系统可以有效的对信息进行收集、分析，对植物的生长状况及环境因素实现远程监控，方便农民进行精细化，科学化的种植管理，推动种植向智能化方向的发展。

上面结合附图对本发明做了详细的说明，但是本发明的实施方式并不仅限于上述实施方式，本领域技术人员根据现有技术可以对本发明做出各种变形，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种植物种植信息采集分析系统，其特征在于，包括控制中心，所述控制中心通讯连接有一个以上的数据采集中心，每个所述数据采集中心都通讯连接有一个以上的信息采集节点，每个所述信息采集节点都包括用于与对应的所述数据采集中心通讯连接的通讯模块以及分别与所述通讯模块连接的土壤湿度检测模块、光照强度检测模块、土壤PH值检测模块、降雨检测模块和空气温湿度检测模块，所述数据采集中心预先设置有各所述信息采集节点的位置信息；

所述信息采集节点将各检测模块获取的检测信息传递给对应的所述数据采集中心，所述数据采集中心接受到所述检测信息后，按预先设定的时间间隔对所述检测信息进行打包处理并添加时间信息和对应的位置信息形成信息包，再将所述信息包传递给所述控制中心，所述控制中心对所述信息包进行存储形成数据库，当所述数据库内的所述信息包达到预先设定的数量之后，所述控制中心根据所述数据库建立植物生长模型，之后按预先设定的时间间隔重建所述植物生长模型；

所述数据采集中心预先设置有与该数据采集中心对应的各检测模块的模块信息，所述数据采集中心接受到所述检测信息后，根据对应的所述模块信息对所述检测信息的完整性进行核查，如果所述检测信息中缺少任意一个检测模块提供的信息，则将该模块信息添加到所述信息包中，并将该信息包标记为错误信息包，否则将该信息包标记为分析信息包；

所述数据库有两个，分别为用于存储所述错误信息包的故障数据库和用于存储所述分析信息包的分析数据库，所述植物生长模型根据所述分析数据库建立或重建，所述控制中心根据所述故障数据库生成警报信息；

所述植物生长模型的建立或重建方法如下：

S1、连接所述分析数据库；

S2、按从近向远的时间顺序依次获取所述分析数据库中的所述分析信息包，每获取一个所述分析信息包后进行下一步骤；

S3、判断所述分析信息包是否达到预先设定的数量，达到则进行下一步骤，否则返回上一个步骤；

S4、根据各所述分析信息包以环境条件为特征形成向量，所述环境条件包括温度、压力、湿度、土壤酸度、地理经度和地理纬度；

S5、判断所述特征的数值是否在预先设定的范围值内，是则进行下一步骤，否则删除对应的所述向量，并将对应的分析信息包标记为错误信息包；

S6、根据各所述向量建立k-近邻模型，其中k为正整数。

2.如权利要求1所述的植物种植信息采集分析系统，其特征在于，所述信息采集节点还包括用于为对应的所述通讯模块、所述土壤湿度检测模块、所述光照强度检测模块、所述土壤PH值检测模块、所述降雨检测模块和所述空气温湿度检测模块供电的备用电池。

3.如权利要求1所述的植物种植信息采集分析系统，其特征在于，每个所述数据采集中心连接有15-20个所述信息采集节点。

4.如权利要求1所述的植物种植信息采集分析系统，其特征在于，所述控制中心还对所述分析信息包进行CRC校验，并将未通过所述CRC校验的所述分析信息包标记为错误信息包。

5.如权利要求1所述的植物种植信息采集分析系统，其特征在于，所述控制中心还根据所述故障数据库建立聚类模型和/或关联模型。

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