CN110679259A

CN110679259A - 基于自动驾驶巡检装置的智能水肥一体化系统及方法

Info

Publication number: CN110679259A
Application number: CN201911102503.9A
Authority: CN
Inventors: 李小伟; 高佼; 解兆延; 王知学
Original assignee: Shandong Jiaotong University
Current assignee: Shandong Jiaotong University
Priority date: 2019-11-12
Filing date: 2019-11-12
Publication date: 2020-01-14

Abstract

本公开提出了基于自动驾驶巡检装置的智能水肥一体化系统及方法，系统包括自动驾驶巡检装置、种植区信息采集系统、水肥一体化混施装置及监控后台；采用自动驾驶巡检装置采集农作物图像样本，监控后台根据农作物图像样本、农作物所处的环境信息及土壤信息，获得不同区域与农作物生长周期、生长状况，并生成相应的水肥混施方案；水肥一体化混施装置：用于接收根据水肥混施方案进行水肥混施，进行精准施肥或灌溉。可以大幅提高农作物的产量、节省能源，又可完全做到无人值守，解放劳动力，降低种植成本。

Description

基于自动驾驶巡检装置的智能水肥一体化系统及方法

技术领域

本公开涉及智慧农业相关技术领域，具体的说，是涉及一种基于自动驾驶巡检装置的智能水肥一体化系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

各地区农场化和种植大户已有基本规模，但是农作物配套施肥灌溉设施还相对比较落后，大多数小麦等农作物依然使用传统的施肥方式，即撒播式施肥或大水冲施肥料，并且施肥的时间根据经验设定，肥料效率降低了一半。在灌溉方面，大部分地区还是采用传统的地面灌溉，其中有相当比例雨水被蒸发损耗，农业水资源和化肥利用率不高；灌溉周期完全靠种植人员主观意愿，与农作物的生长需求结合度差距大，小麦等农作物产量就大打折扣。随着经济的发展，劳动力成本越来越高，农场依然采用这种传统方式去种植，造成人力浪费，也造成种植成居高不下。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了基于自动驾驶巡检装置的智能水肥一体化系统及方法，采用自动驾驶巡检装置以巡检方式实时采集农作物状态图像数据，根据图像数据获取的农作物生长状态、病虫害等因素，进行精准施肥或灌溉。可以大幅提高农作物的产量、节省能源，又可完全做到无人值守，解放劳动力，降低种植成本。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一个或多个实施例提供了基于自动驾驶巡检装置的智能水肥一体化系统，包括自动驾驶巡检装置、种植区信息采集系统、水肥一体化混施装置及监控后台；

自动驾驶巡检装置：用于采用巡检方式采集种植区的农作物图像样本；

种植区信息采集系统：用于检测种植区农作物所处的环境信息及土壤信息；

监控后台与自动驾驶巡检装置无线连接，监控后台分别与种植区信息采集系统的采集控制柜及水肥一体化混施装置的控制柜连接，用于根据农作物图像样本、农作物所处的环境信息及土壤信息，获得不同区域与农作物生长周期、生长状况，并生成相应的水肥混施方案；

水肥一体化混施装置：用于接收根据水肥混施方案进行水肥混施。

进一步地，自动驾驶巡检装置至少包括定位装置、无线通信模块、移动平台、图像采集装置及主控制器，所述主控制器分别与定位装置、无线通信模块、移动平台和图像采集装置连接。

进一步地，自动驾驶巡检装置的主控制器接收监控后台发送的巡检路径，将巡检路径发送至移动平台按照巡检路径移动进行巡检；

或/和

自动驾驶巡检装置的主控制器接收监控后台发送的观测位置，到达观测位置开启图像采集装置进行图像采集；

或/和

自动驾驶巡检装置的主控制器将采集的图像预筛选，剔除存在亮度、清晰度、或者抖动图像质量问题的图像，将预筛选后的原图像发送至监控后台；

或/和

所述自动驾驶巡检装置还包括超声波传感器，所述超声波传感器与主控制器电连接，设置在自动驾驶巡检装置的前端用于检测前方的障碍物；

或/和

自动驾驶巡检装置还包括相互连接的蓄电池和充电模块，充电模块为自动充电模块。

进一步地，种植区信息采集系统包括设置在田间检测环境信息及土壤信息的传感器组、以及分别与传感器组的传感器连接的数据采集器，所述数据采集器与监控后台通过有线或者无线连接。

进一步地，水肥一体化混施装置设置在田间的固定位置，包括混施装置控制柜、通水管路、过滤器和肥料配置装置；混施装置控制柜分别与通水管路、过滤器和肥料配置装置连接；

过滤器设置在水肥一体化混施装置通水管路的进水端上，用于对农作物用水进行过滤；

肥料配置装置：包括标准体积固体肥料仓，设置在固体肥料仓下方的肥料配置室以及设置在配置室内的搅拌装置，标准体积固体肥料仓用于为肥料配置室提供固体肥料，所述配置室包括分别连接通水管路的配置室进水端和配置室出水端；

进一步地，标准体积固体肥料仓包括氮配料仓、磷配料仓和钾配料仓，以及与每个配料仓连接的吸收泵，所述吸收泵与混施装置控制柜电连接，吸收泵用于将肥料定量的输送至配置室内。

进一步地，智能水肥一体化系统还包括依次排列布设在田间的水管管道，水管管道末端设置灌水器，所述水管管道连接水肥一体化混施装置的通水管路的出水端，还包括设置在水管管道上的水泵和流量计，以及设置在各个管道分支上的电磁阀，所述水泵、流量计及电磁阀的分别连接水肥一体化混施装置的控制柜。

进一步地，水肥混施方案包括肥料的配比、施肥量、施肥时间、灌溉时间、灌溉量和灌溉区域。

一个或多个实施例提供了基于自动驾驶巡检装置的智能水肥一体化系统的工作方法，包括如下步骤：

根据获取的配置信息生成巡检路径，将巡检路径发送至自动驾驶巡检装置；

获取自动驾驶巡检装置采集的种植区的农作物图像样本，获取农作物所处的环境信息及土壤信息；

根据获取的农作物图像样本、环境信息和土壤信息，确定农作物当前的生长周期和生长环境，根据生长周期和生长环境生成水肥混施方案。

进一步地，根据获取的配置信息生成巡检路径的方法为：通过安装在自动巡检驾驶装置上的GPS按照农作物生长区域行驶种植区四周的路段，自动记录该区域的地图路径信息并上传，根据该区域的地图路径信息和配置信息设定巡检路线；

或者

自动驾驶巡检装置接收到巡检路径，按照巡检路径进行巡检在观测位置进行数据采集；或者自动驾驶巡检装置采集完数据对采集的图像预筛选，剔除存在亮度、清晰度或者抖动的图像质量问题的图像；

或者

自动驾驶巡检装置预筛选图像的方法为：采用二值化处理，获得图像的灰度图像，判断图像中的物体边界是否清晰，如果有明显边界，将采集的原图像上传；否则，删除，重新采集；

或者

根据生长周期和生长环境生成水肥混施方案的方法具体为：根据土壤信息中的土壤墒情信息、pH值、EC值结合农作物生长周期或病虫害情况，确定固体肥料在线溶解及水肥溶液混合比例关系及施肥量，作为施肥方案；

按照土壤信息中的土壤熵值以及农作物生长周期，确定当前生长周期下的需水量或者土壤湿度数据，生成包括灌溉区域、灌溉流速和灌溉时间、灌溉时长的方案，作为灌溉方案；水肥混施方案包括上述施肥方案和灌溉方案。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

(1)本公开采用自动驾驶巡检装置以巡检方式实时采集农作物状态图像数据，根据图像数据获取农作物生长状态、病虫害等因素，进行精准施肥或灌溉。可以大幅提高农作物的产量、节省能源，又可完全做到无人值守，解放劳动力，降低种植成本。

(2)自动驾驶巡检装置的设置一方面减少了设备投入，另一方面比起固定设置的图像采集装置，可以从不同角度或者方位实现农作物的状态图像采集，提高了数据采集的准确性和全面性。

(3)自动驾驶巡检装置可以在采集数据过程中对采集的图像进行预筛选，将不合格的图像剔除，并重新采集，降低了数据的冗繁度，降低了数据传输的压力，提高系统的数据处理速度。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

图1是根据一个或多个实施方式的装置的框图；

图2是本公开实施例2方法流程图；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

实施例1

在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1所示，基于自动驾驶巡检装置的智能水肥一体化系统，包括自动驾驶巡检装置、种植区信息采集系统、水肥一体化混施装置及监控后台；

自动驾驶巡检装置：用于采用巡检方式采集种植区的农作物图像样本。

种植区信息采集系统：用于检测种植区农作物所处的环境信息及土壤信息。

监控后台与自动驾驶巡检装置无线连接，监控后台分别与种植区信息采集系统的采集控制柜及水肥一体化混施装置的控制柜连接，用于根据农作物图像样本、农作物所处的环境信息及土壤信息，获得不同区域与农作物生长周期与生长状况，并生成相应的水肥混施方案；

水肥一体化混施装置：用于接收根据水肥混施方案进行水肥混施；

水肥混施方案可以包括肥料的配比、施肥量、施肥时间、灌溉时间、灌溉量和灌溉区域。

在一些实施例中，自动驾驶巡检装置至少包括定位装置、无线通信模块、移动平台、图像采集装置及主控制器，所述主控制器分别与定位装置、无线通信模块、移动平台和图像采集装置连接。移动平台可以为轮式移动平台。

自动驾驶巡检装置的主控制器接收监控后台发送的巡检路径，将巡检路径发送至移动平台按照巡检路径移动进行巡检。当巡检路径中包括观测位置，到达观测位置开启图像采集装置进行图像采集，将采集的图像预筛选，剔除存在亮度、清晰度、或者抖动(即运动模糊)等图像质量问题的图像，将预筛选后的原图像发送至监控后台。

可选的，所述自动驾驶巡检装置还可包括超声波传感器，所述超声波传感器与主控制器电连接，设置在自动驾驶巡检装置的前端用于检测前方的障碍物。

在另一些实施例中，自动驾驶巡检装置的供电单元可以包括蓄电池和充电模块，可选的，充电模块可以设置为自动充电模块，巡检结束后自动行驶到充电桩处进行无线充电。定位装置可以为GPS模块。自动驾驶巡检装置的无线通信模块可以采用任意无线模块，可以为Wi-Fi模块、NB-IoT模块或LoRa模块等。

种植区信息采集系统用于采集农作物的环境数据及土壤信息，包括：设置在田间的传感器组、以及分别与传感器组的传感器连接的数据采集器，所述数据采集器与监控后台通过有线或者无线连接。

可选的，传感器组包括土壤湿度传感器、pH值传感器、土壤EC值传感器、土壤的温度传感器、空气温湿度传感器、光照传感器、雨量传感器和微量元素含量检测仪等，依次分别用于检测土壤墒情、土壤pH值、土壤EC值、土壤的温度值、空气的温湿度、光照强度、雨量和微量元素含量等数据，各传感器分别与数据采集器连接，将采集的数据传输至监控后台。

作为进一步的改进，为了实现精准灌溉与精准施肥，需要根据不同区域的土壤墒情与农作物生长周期、生长状况进行水肥混施，本实施例设置了水肥一体化混施装置，用于固体肥料在线溶解、水肥配比与水肥混施，水肥一体化混施装置可以设置在田间的固定位置，包括混施装置控制柜、通水管路、过滤器和肥料配置装置；

过滤器设置在水肥一体化混施装置通水管路的进水端上，用于对农作物用水进行过滤，农作物用水包括肥料混合用水及灌溉用水，将微灌水源水中含有的砂石固体颗粒分离出来，使水质得到初步净化。起到脱泥沙作用，避免对后端管路的堵塞。

肥料配置装置：包括标准体积固体肥料仓，设置在固体肥料仓下方的肥料配置室以及设置在配置室内的搅拌装置，标准体积固体肥料仓包括氮配料仓、磷配料仓、钾配料仓，以及与每个配料仓连接的吸收泵，所述吸收泵与混施装置控制柜电连接，所述配置室包括分别连接通水管路的配置室进水端和配置室出水端。当需要进行用肥时，根据配比方案，通过控制吸收泵自动吸收所需量的肥料，传送至肥料配置室，打开配置室进水端按照比例进水搅拌混合获得需求的肥料混合物。

作为一种可以实现的方式，可以在田间依次排列布设水管管道，水管管道的末端设置灌水器，所述水管管道连接水肥一体化混施装置的出水端，将通过水肥一体化混施装置的水或者肥料准确灌溉在农作物周围。

还包括设置在水管管道上的水泵和流量计，以及设置在各个管道分支上的电磁阀，所述水泵、流量计及电磁阀的分别连接水肥一体化混施装置的控制柜，水肥一体化混施装置的控制柜根据水肥混施方案打开相应的电磁阀进行施肥或者灌溉。

本实施例监控后台可以为多个终端控制中心，可以设置服务器实现大数据的采集和挖掘，还可以连接移动终端，通过移动终端控制水肥混施的监控和参数的更改。

实施例2

本实施例提供基于自动驾驶巡检装置的智能水肥一体化系统的工作方法，包括如下步骤：

步骤1根据获取的配置信息生成巡检路径，将巡检路径发送至自动驾驶巡检装置；配置信息可以为用户输入的观测位置设置、巡检次数、巡检频率等。

步骤2、获取自动驾驶巡检装置采集的种植区的农作物图像样本，获取农作物所处的环境信息及土壤信息；

步骤3、根据获取的农作物图像样本、环境信息和土壤信息，确定农作物当前的生长周期和生长环境，根据生长周期和生长环境生成水肥混施方案。

根据获取的配置信息生成巡检路径，可以获取种植区的地图，根据地图设置巡检路径；也可以采用自动驾驶巡检装置进行设置，在巡检前或者是在使用本装置之前，自动驾驶巡检装置按照农作物生长区域行驶经过种植区的所有道路，自动记录下该区域的地图路径信息并上传，并在后续自动驾驶操作中，根据该区域的地图路径信息设定巡检路线进行自动观测。

具体的，可以通过安装在自动巡检驾驶装置上的GPS按照农作物生长区域行驶种植区四周的路段，自动记录该区域的地图路径信息并上传，根据该区域的地图路径信息和配置信息设定巡检路线。

作为进一步的方案，自动驾驶巡检装置接收到巡检路径，按照巡检路径进行巡检在观测位置进行数据采集，可以直接将采集的数据上传。

可选的，自动驾驶巡检装置采集完数据可以对采集的图像预筛选，剔除存在亮度、清晰度、或者抖动(即运动模糊)等图像质量问题的图像。预筛选方法具体为：采用二值化处理，获得图像的灰度图像，判断图像中的物体边界是否清晰，如果没有明显边界，删除，重新采集，否则，把采集的原图像上传。

步骤3中，根据获取的农作物图像样本、环境信息和土壤信息，与服务器后台存储的农作物生长状态数据进行比对，确定农作物当前的生长周期和生长环境的方法，具体为：

1)获取生长周期标准图像及病虫害比对图像，按照图像所属的类别建立标准图像集；所述类别包括生长周期类别和病虫害类别。

2)将当前采集的待识别图像分别与标准图像集中的图像进行比对，确定待识别图像所属的类别，获得所处的生长周期类别及病虫害类别。

具体的，步骤3中所述生长周期根据不同的作物有一些差别可以包括幼苗期、开花期、成熟期等，可以根据采集的图像与存储的生长周期标准图像对比确定生长周期。

所述生长环境包括病虫害情况、空气湿度和温度、土壤湿度、以及土壤的微量元素含量，病虫害情况可以根据采集的图像与存储的病虫害比对图像进行对比确定，根据图像识别结果确定病虫害类型。

步骤3中根据生长周期和生长环境生成水肥混施方案的方法具体为：根据土壤信息中的土壤墒情信息、pH值、EC值结合农作物生长周期或者病虫害情况，确定固体肥料在线溶解及水肥溶液混合比例关系及施肥量，作为施肥方案，传输至水肥一体化混施装置制定出农作物在每个生长周期氮磷钾的配比肥液。

按照土壤信息中的土壤熵值以及农作物生长周期，确定当前生长周期下的需水量或者土壤湿度数据，生成包括灌溉区域、灌溉流速、灌溉时间和灌溉时长的方案，作为灌溉方案。水肥混施方案包括上述施肥方案和灌溉方案。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims

1.基于自动驾驶巡检装置的智能水肥一体化系统，其特征是：包括自动驾驶巡检装置、种植区信息采集系统、水肥一体化混施装置及监控后台；

2.如权利要求1所述的基于自动驾驶巡检装置的智能水肥一体化系统，其特征是：自动驾驶巡检装置至少包括定位装置、无线通信模块、移动平台、图像采集装置及主控制器，所述主控制器分别与定位装置、无线通信模块、移动平台和图像采集装置连接。

3.如权利要求2所述的基于自动驾驶巡检装置的智能水肥一体化系统，其特征是：自动驾驶巡检装置的主控制器接收监控后台发送的巡检路径，将巡检路径发送至移动平台按照巡检路径移动进行巡检；

或/和

4.如权利要求1所述的基于自动驾驶巡检装置的智能水肥一体化系统，其特征是：种植区信息采集系统包括设置在田间检测环境信息及土壤信息的传感器组、以及分别与传感器组的传感器连接的数据采集器，所述数据采集器与监控后台通过有线或者无线连接。

5.如权利要求1所述的基于自动驾驶巡检装置的智能水肥一体化系统，其特征是：水肥一体化混施装置设置在田间的固定位置，包括混施装置控制柜、通水管路、过滤器和肥料配置装置；混施装置控制柜分别与通水管路、过滤器和肥料配置装置连接；

肥料配置装置：包括标准体积固体肥料仓，设置在固体肥料仓下方的肥料配置室以及设置在配置室内的搅拌装置，标准体积固体肥料仓用于为肥料配置室提供固体肥料，所述配置室包括分别连接通水管路的配置室进水端和配置室出水端。

6.如权利要求5所述的基于自动驾驶巡检装置的智能水肥一体化系统，其特征是：标准体积固体肥料仓包括氮配料仓、磷配料仓和钾配料仓，以及与每个配料仓连接的吸收泵，所述吸收泵与混施装置控制柜电连接，吸收泵用于将肥料定量的输送至配置室内。

7.如权利要求5所述的基于自动驾驶巡检装置的智能水肥一体化系统，其特征是：智能水肥一体化系统还包括依次排列布设在田间的水管管道，水管管道末端设置灌水器，所述水管管道连接水肥一体化混施装置的通水管路的出水端，还包括设置在水管管道上的水泵和流量计，以及设置在各个管道分支上的电磁阀，所述水泵、流量计及电磁阀的分别连接水肥一体化混施装置的控制柜。

8.如权利要求1所述的基于自动驾驶巡检装置的智能水肥一体化系统，其特征是：水肥混施方案包括肥料的配比、施肥量、施肥时间、灌溉时间、灌溉量和灌溉区域。

9.基于自动驾驶巡检装置的智能水肥一体化系统的工作方法，其特征是，包括如下步骤：

10.如权利要求9的工作方法，其特征是：

根据获取的配置信息生成巡检路径的方法为：通过安装在自动巡检驾驶装置上的GPS按照农作物生长区域行驶种植区四周的路段，自动记录该区域的地图路径信息并上传，根据该区域的地图路径信息和配置信息设定巡检路线；

或者

按照土壤信息中的土壤熵值以及农作物生长周期，确定当前生长周期下的需水量或者土壤湿度数据，生成包含灌溉区域、灌溉流速和灌溉时间、灌溉时长的方案，作为灌溉方案；水肥混施方案包括上述施肥方案和灌溉方案。