CN110679440A - 一种应用北斗短报文通信功能的精准灌溉系统及灌溉方法 - Google Patents

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Abstract

一种应用北斗短报文通信功能的精准灌溉系统，包括中央处理模块、移动监测模块以及分布在种植区各个节点处的施水模块，中央处理模块、移动监测模块以及施水模块之间通过带有短报文通信功能和定位功能的的北斗RDSS业务进行通信；施水模块包括固定型通信终端、施水单元以及节点传感器组，节点传感器组收集种植区的节点数据并将节点数据传输给固定型通信终端，固定型通信终端通过北斗RDSS业务与中央处理模块进行数据传输，固定型通信终端接收从中央处理模块发出的控制信号并传输给施水单元。采用上述技术方案，在广袤偏远的风沙干旱环境，也能实现精准灌溉并保持灌溉系统的稳定性，另外，本发明还提供了相应的精准灌溉方法。

Description

一种应用北斗短报文通信功能的精准灌溉系统及灌溉方法
技术领域
本发明涉及作物灌溉技术领域，尤其是一种应用北斗短报文通信功能的精准灌溉系统及灌溉方法。
背景技术
农业是国民经济的基础。我国是农业大国，同时也是贫水大国，尤其是风沙干旱环境，水资源更为紧缺。节约用水、高效用水，是开展农作物种植的广泛需求。传统的粗放型大水漫灌，会造成水资源的巨大浪费。
灌溉的原则是：灌溉量、灌溉次数和时间应根据所种植植物的需水特性、生长阶段、气候、土壤条件而定，根据植物的需求进行适时、适量、合理的灌溉操作。精准灌溉是在土壤、气候、作物、水源和灌溉设施等约束条件下，通过对灌溉方式、时机、速度、水量等实施精准控制，使种植植物保持在适宜生长的最佳状态，实现灌溉的最优化控制。
近年来，已经有一些喷灌、微灌、渗灌等灌溉技术得到应用，取得了良好的经济效益和社会效益，但仍然普遍存在灌溉效率低下和用水浪费的问题，主要原因在于这些节水灌溉的控制方式多是人工手动控制，或利用定时器控制，自动化程度低，灌溉量依靠经验，缺乏科学管理，节水不彻底，阻碍了节水灌溉的进一步推广。
一些灌溉技术应用无线通讯模块、构建物联网进行数据传输，由中央处理器控制输水设备运行，甚至通过构建数学模型，来进行灌溉的自动控制，提高了灌溉控制的精准，但在实际应用中仍存在一些问题，如：无线通讯模块受地域信号的影响较大，存在信号传输不稳定的问题；或需要布设地面数据传输设施，基础设施投入较大；在广袤偏僻、人烟稀少的荒漠、戈壁中，因地面基站较少，无线数据网络覆盖面匮乏，使用有线网络又会带来基建成本高、维护困难，难以实现较为准确的定位、跟踪与监控，因此，需要改进。
发明内容
本发明目的是针对广阔偏僻的风沙干旱种植地域，提供一种可实时监控、可变量实施、可人工干预、并适用于风沙干旱环境植物种植的精准灌溉系统及灌溉方法。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种应用北斗短报文通信功能的精准灌溉系统，包括中央处理模块、移动监测模块以及分布在种植区各个节点处的施水模块，所述中央处理模块、移动监测模块以及施水模块之间通过带有短报文通信功能和定位功能的的北斗RDSS业务进行通信；所述施水模块包括固定型通信终端、施水单元以及节点传感器组，所述节点传感器组收集种植区的节点数据并将节点数据传输给固定型通信终端，所述固定型通信终端通过北斗RDSS业务与中央处理模块进行数据传输，所述固定型通信终端接收从中央处理模块发出的控制信号并传输给施水单元；所述移动监测模块包括无人机，所述无人机上设有巡视摄像头以及无人机通信终端，所述无人机通信终端接收巡视摄像头的影像数据并通过北斗RDSS业务与中央处理模块进行数据传输。
进一步的，所述中央处理模块为北斗指挥型用户机。
根据权利要求1所述的应用北斗短报文通信功能的精准灌溉系统，其特征在于：所述固定型通信终端包括主控单元、存储单元、短报文信息处理单元、电源单元、用户输入单元以及用户输出单元。
进一步的，所述节点传感器组包括采集器，所述施水单元包括流量开关、储水装置、增压水泵、流量传感器以及灌溉水管，所述灌溉水管的输入端连接储水装置，所述流量传感器、增压水泵以及流量开关设置在灌溉水管上，所述灌溉水管的输出端分出若干灌溉子管；用户输入单元通过串行RS232通信数据线与节点传感器组的采集器相连接；用户输出单元通过串行RS485通信数据线与施水单元的增压水泵以及流量开关相连接。
进一步的，所述节点传感器组包括土壤湿度传感器、温度传感器以及风速传感器，所述土壤湿度传感器的感应部位设于地表以下5～10cm处，温度传感器的感应部位设于地表，风速传感器的感应部位设于地表以上10～30cm处；所述储水装置设置于地表30cm以上。
进一步的，所述移动监测模块还包括移动型通信终端，所述移动型通信终端包括安卓手机，所述安卓手机上以及固定型通信终端上皆设有北斗蓝牙通信单元，移动型通信终端与固定型通信终端之间通过蓝牙进行连接。
进一步的，所述北斗蓝牙通信单元为基于STM32单片机为核心的蓝牙通信模块并兼容北斗RDSS工作模式。
一种适用于风沙干旱环境植物种植的精准灌溉方法，包括以下步骤：
S1：在风沙干旱环境种植区内设置若干个灌溉节点，每个灌溉节点设置节点传感器组、施水单元以及固定型通信终端，节点传感器组用于感知灌溉节点处的温度、土壤湿度以及风速并传输给固定型通信终端，固定型通信终端通过带有短报文通信功能和定位功能的北斗RDSS业务远程传输给中央处理模块；
S2：中央处理模块将从节点传感器组处收到的数据与中央处理模块设定的自动灌溉数据进行对比与分析，自动计算灌溉量；
S3：中央处理模块通过北斗RDSS业务将控制信号远程输送给固定型通信终端，固定型通信终端将收到的控制信号传输给施水单元实现灌溉节点的自动灌溉。
进一步的，还包括以下步骤：
A1：无人机在灌溉节点上空进行巡视，无人机上的无人机通信终端将巡视影像和位置信息通过北斗RDSS业务远程传输给中央处理模块:；
A2：作业人员结合影像中种植物的长势，通过中央处理模块向固定型通信终端远程传输控制信号，固定型通信终端将收到的控制信号传输给施水单元进行种植物的灌溉。
进一步的，还包括以下步骤：
B1：作业人员手持移动型通信终端在种植区内进行巡查，移动型通信终端通过与灌溉节点处的固定型通信终端蓝牙连接来获取节点传感器组数据；
B2：作业人员结合种植物的长势，通过移动型通信终端向固定型通信终端传输控制信号，固定型通信终端将收到的控制信号传输给施水单元进行种植物的灌溉。
本发明的有益效果是，针对风沙干旱环境种植区，利用北斗系统的定位与短报文功能，在广袤偏远地区，构建起可靠的精准灌溉系统，实现种植物的精准灌溉，该方案能显著提高水资源的利用率，在戈壁沙漠地带尤其重要，降低作业人员的劳动强度，并且采用带短报文通信功能的北斗系统来传输数据，在偏远地带，也能保证数据传输的稳定性。
附图说明
图1为本发明的模块示意图。
图2为本发明实施例中罗布麻的灌溉区域划分图。
图3为施水单元的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明进行说明。
如图1所示，一种应用北斗短报文通信功能的精准灌溉系统，包括中央处理模块、移动监测模块以及分布在种植区各个节点处的施水模块，中央处理模块、移动监测模块以及施水模块之间通过带有短报文通信功能和定位功能的的北斗RDSS业务进行通信。
中央处理模块为北斗指挥型用户机，主机可选用预装WINDOWS系统的服务器或预装WINDOWS系统的客户端，北斗指挥型用户机能存储种植物的灌溉数学模型，并将收到的数据与数据模型进行对比，进而计算出需要灌溉量。
施水模块包括固定型通信终端、施水单元以及节点传感器组。固定型通信终端包括主控单元、存储单元、短报文信息处理单元、电源单元、用户输入单元以及用户输出单元。节点传感器组包括土壤湿度传感器、温度传感器风速传感器以及采集器；如图3所示，施水单元包括流量开关4、储水装置1、增压水泵3、流量传感器2以及灌溉水管5，灌溉水管5的输入端连接储水装置1，流量传感器2、增压水泵3以及流量开关4设置在灌溉水管5上，灌溉水管5的输出端分出若干灌溉子管6。固定型通信终端的用户输入单元通过串行RS232通信数据线与节点传感器组的采集器相连接，节点传感器组收集种植区的节点数据并将节点数据传输给固定型通信终端，用户输出单元通过串行RS485通信数据线与施水单元的增压水泵3以及流量开关4相连接。
移动检测模块包括无人机和移动型通信终端。无人机上设有巡视摄像头以及无人机通信终端，移动型通信终端包括安卓手机安装在安卓手机上的北斗蓝牙通信单元，安卓智能手机可选用Android4 .0以上操作系统的安卓手机，如北京九天利建的S500北斗卫星通讯手机。
固定型通信终端也包括北斗蓝牙通信单元，北斗蓝牙通信单元为基于STM32单片机为核心的蓝牙通信模块并兼容北斗RDSS工作模式。
无人机通信终端、移动型通信终端以及固定型通信终端皆通过北斗RDSS业务与中央处理模块进行数据传输，移动型通信终端通过蓝牙可以单独和固定型通信终端之间进行数据传输。移动型通信终端可通过安卓手机的应用程序，如APP、微信小程序等，与其他的移动型通信终端、中央处理单元之间共享数据接口，进行数据分析与管理。
下面为自动精准灌溉的方法：
S1：将风沙干旱环境种植区划分为多个灌溉区域7，每个灌溉区域7设置一个以上的灌溉节点，每个灌溉节点设置节点传感器组、施水单元以及固定型通信终端，节点传感器组用于感知灌溉节点处的温度、土壤湿度以及风速并传输给固定型通信终端，固定型通信终端通过带有短报文通信功能和定位功能的北斗RDSS业务远程传输给中央处理模块；
S2：中央处理模块将从节点传感器组处收到的数据与中央处理模块设定的自动灌溉数据进行对比与分析，自动计算灌溉量；
S3：中央处理模块通过北斗RDSS业务将控制信号远程输送给固定型通信终端，固定型通信终端将收到的控制信号传输给施水单元；
S4：施水单元收到固定型通信终端的施水信号后，开启增压水泵3和流量开关4，灌溉水管5的输出端分出若干灌溉子管6，灌溉子管6的终端设置流量开关4，灌溉子管6分散到该灌溉节点所覆盖的区域，在流量开关4的控制下，可以是渗灌输出，也可以是滴灌输出，实现灌溉节点的自动精准灌溉，较少水资源的消耗。
下面为无人机巡视并进行人工干预的方法：
A1：无人机在灌溉节点上空进行巡视，无人机上的无人机通信终端将巡视影像和位置信息通过北斗RDSS业务远程传输给中央处理模块:；
A2：作业人员结合影像中种植物的长势，通过中央处理模块向固定型通信终端远程传输控制信号，固定型通信终端将收到的控制信号传输给施水单元进行种植物的灌溉。
另外，还可以根据种植物的长势，人工修正北斗指挥型用户机中储存的灌溉数学模型，使得自动灌溉更加精准，采用无人机巡视进行人工修正，就不需要作业人员深入种植现场，降低劳动强度，而且结合无人机和固定型通信终端的定位功能，我们能够清楚了解到图像所示对应哪个灌溉节点，足不出户既完成实施监控、人工主动灌溉以及修改灌溉数学模型，
下面为作业人员实地考察进行人工灌溉干预的方法：
B1：作业人员手持移动型通信终端在种植区内进行巡查，移动型通信终端通过与灌溉节点处的固定型通信终端蓝牙连接来获取节点传感器组数据；
B2：作业人员结合种植物的长势，通过移动型通信终端向固定型通信终端传输控制信号，此处直接蓝牙传输，固定型通信终端将收到的控制信号传输给施水单元进行种植物的灌溉。
另外，作业人员实地考察种植物的长势后，认为需要修改对应种植物的灌溉数学模型，可以直接通过移动型通信终端远程与中央处理模块对接，进行修改，此时安卓手机与固定型通信终端之间通过蓝牙连接，接收灌溉节点处的温度、土壤湿度以及风速数据，以便在对灌溉数学模型进行修改时，提供参考。
下面具体进行举例：
罗布麻为多年生草本植物，具有较高的药用价值和经济价值。罗布麻有着发达的水平和垂直根系，能穿过表土重盐层2～3m以下，吸取下层土壤中的水分，适宜在沙漠边缘、盐碱荒地、戈壁荒滩等沙质地上种植。
传统的罗布麻种植技术中，一般的灌溉操作是：平整土地做畦，开浅沟铺设灌溉水管5，选择2年生以上细嫩的垂直根茎和水平根茎进行截根栽植，栽植深度6～9cm，株距30cm，45万～90万株/hm2，覆土10cm；栽植后灌水（10～15cm深）、松土，掌握好湿度、温度、通气、浅覆土等几个环节。罗布麻的不同生长阶段，需水量不同。例如幼苗期需水量较大，土壤湿度保持在 30%～35%（V/V）（土壤表面湿润、不能有明水）；出苗后需保持透气，土壤湿度适量降低；后期的灌水周期较长。
如图2、3所示，参照传统灌溉操作方法，在沙漠边缘的荒漠种植区域内平整土地做畦后，参照罗布麻的传统种植管理经验，划分成相对独立的灌溉区域7，以10hm2为例，设置6个灌溉区域7，每个区划约1.6hm2，设置1个灌溉节点，包括灌溉节点传感器组1组（含土壤湿度、温度和风速传感器各1个）、施水单元1套（含1个储水装置1、1个增压水泵3、1个流量传感器2和1个流量开关4）。
固定型通信终端可通过北斗RDSS业务接收来自中央处理模块的指令，控制增压水泵3和流量开关4的启动与关停，并将流量状态以短报文形式反馈至中央处理单元。
土壤湿度传感器的感应部位设于地表以下5～10cm处，温度传感器的感应部位设于地表，风速传感器的感应部位设于地表以上10～30cm处；
储水装置1可采用封闭式装置，设置于地表30cm以上，其体积可以根据灌溉区划的大小和区划内的土质状况而定（如10～100m3），可通过增压水泵3从储水装置1中引出灌溉用水，并在流量开关4的控制下通过1条或1条以上（如12条）的灌溉子管6输出灌溉用水，此处保证能覆盖灌溉区；
灌溉水管5的终端设置流量开关4，在流量开关4的控制下，可以是渗灌输出，也可以是滴灌输出，流量开关4根据流量传感器2反馈的流量状态进行调整，如以3～10L/h的流量进行滴灌。例如：播种后的滴灌量以土地表面湿润、地表无明水为准；出苗后可每天滴灌1次；5～8天后滴灌次数减少至每2～3天1次；苗高40cm之内时可10～20天滴灌1次。
本发明的有益效果是，针对风沙干旱环境种植区，利用北斗系统的定位与短报文功能，在广袤偏远地区，构建起可靠的精准灌溉系统，实现种植物的精准灌溉，该方案能显著提高水资源的利用率，在戈壁沙漠地带尤其重要，降低作业人员的劳动强度，并且采用带短报文通信功能的北斗系统来传输数据，在偏远地带，也能保证数据传输的稳定性。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改、组合和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种应用北斗短报文通信功能的精准灌溉系统，其特征在于：包括中央处理模块、移动监测模块以及分布在种植区各个节点处的施水模块，所述中央处理模块、移动监测模块以及施水模块之间通过带有短报文通信功能和定位功能的的北斗RDSS业务进行通信；
所述施水模块包括固定型通信终端、施水单元以及节点传感器组，所述节点传感器组收集种植区的节点数据并将节点数据传输给固定型通信终端，所述固定型通信终端通过北斗RDSS业务与中央处理模块进行数据传输，所述固定型通信终端接收从中央处理模块发出的控制信号并传输给施水单元；
所述移动监测模块包括无人机，所述无人机上设有巡视摄像头以及无人机通信终端，所述无人机通信终端接收巡视摄像头的影像数据并通过北斗RDSS业务与中央处理模块进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的应用北斗短报文通信功能的精准灌溉系统，其特征在于：所述中央处理模块为北斗指挥型用户机。
3.根据权利要求1所述的应用北斗短报文通信功能的精准灌溉系统，其特征在于：所述固定型通信终端包括主控单元、存储单元、短报文信息处理单元、电源单元、用户输入单元以及用户输出单元。
4.根据权利要求3所述的应用北斗短报文通信功能的精准灌溉系统，其特征在于：所述节点传感器组包括采集器，所述施水单元包括流量开关、储水装置、增压水泵、流量传感器以及灌溉水管，所述灌溉水管的输入端连接储水装置，所述流量传感器、增压水泵以及流量开关设置在灌溉水管上，所述灌溉水管的输出端分出若干灌溉子管；
用户输入单元通过串行RS232通信数据线与节点传感器组的采集器相连接；用户输出单元通过串行RS485通信数据线与施水单元的增压水泵以及流量开关相连接。
5.根据权利要求4所述的应用北斗短报文通信功能的精准灌溉系统，其特征在于：所述节点传感器组包括土壤湿度传感器、温度传感器以及风速传感器，所述土壤湿度传感器的感应部位设于地表以下5～10cm处，湿度传感器的感应部位设于地表，风速传感器的感应部位设于地表以上10～30cm处；所述储水装置设置于地表30cm以上。
6.根据权利要求1所述的应用北斗短报文通信功能的精准灌溉系统，其特征在于：所述移动监测模块还包括移动型通信终端，所述移动型通信终端包括安卓手机，所述安卓手机上以及固定型通信终端上皆设有北斗蓝牙通信单元，移动型通信终端与固定型通信终端之间通过蓝牙进行连接。
7.根据权利要求6所述的应用北斗短报文通信功能的精准灌溉系统，其特征在于：所述北斗蓝牙通信单元为基于STM32单片机为核心的蓝牙通信模块并兼容北斗RDSS工作模式。
8.一种适用于风沙干旱环境植物种植的精准灌溉方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：在风沙干旱环境种植区内设置若干个灌溉节点，每个灌溉节点设置节点传感器组、施水单元以及固定型通信终端，节点传感器组用于感知灌溉节点处的温度、土壤湿度以及风速并传输给固定型通信终端，固定型通信终端通过带有短报文通信功能和定位功能的北斗RDSS业务远程传输给中央处理模块；
S2：中央处理模块将从节点传感器组处收到的数据与中央处理模块设定的自动灌溉数据进行对比与分析，自动计算灌溉量；
S3：中央处理模块通过北斗RDSS业务将控制信号远程输送给固定型通信终端，固定型通信终端将收到的控制信号传输给施水单元实现灌溉节点的自动灌溉。
9.根据权利要求7所述的适用于风沙干旱环境植物种植的精准灌溉方法，其特征在于：还包括以下步骤：
A1：无人机在灌溉节点上空进行巡视，无人机上的无人机通信终端将巡视影像和位置信息通过北斗RDSS业务远程传输给中央处理模块:；
A2：作业人员结合影像中种植物的长势，通过中央处理模块向固定型通信终端远程传输控制信号，固定型通信终端将收到的控制信号传输给施水单元进行种植物的灌溉。
10.根据权利要求7所述的适用于风沙干旱环境植物种植的精准灌溉方法，其特征在于：还包括以下步骤：
B1：作业人员手持移动型通信终端在种植区内进行巡查，移动型通信终端通过与灌溉节点处的固定型通信终端蓝牙连接来获取节点传感器组数据；
B2：作业人员结合种植物的长势，通过移动型通信终端向固定型通信终端传输控制信号，固定型通信终端将收到的控制信号传输给施水单元进行种植物的灌溉。
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