CN111021319A - 一种基于大数据的明渠灌溉控制系统及方法 - Google Patents

一种基于大数据的明渠灌溉控制系统及方法 Download PDF

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杨武
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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Abstract

本发明提供了一种基于大数据的明渠灌溉控制系统及方法。根据本发明的基于大数据的明渠灌溉控制系统包括：液位传感器和阀门装置；其中，阀门装置包括控制器和用于控制进水阀门和排水阀门的阀门执行器；用于测量待灌溉地块的液位的液位传感器连接至控制器；控制器基于液位传感器测量到的待灌溉地块的液位和/或接收到的灌溉指令来控制阀门执行器。

Description

一种基于大数据的明渠灌溉控制系统及方法
技术领域
本发明涉及农业灌溉领域，具体涉及一种基于大数据的明渠灌溉控制系统及方法。
背景技术
我国水稻种植面积在世界范围内居第二位，大约占世界水稻种植面积的1/6。我国总耕地面积大约18亿亩，水稻种植面积约4.5亿亩左右，占比25％。
灌溉环节对于水稻种植极为重要，全国农作物总用水占社会总用水的70％，水稻灌溉用水占全国农作物总用水的90％。尽管影响水稻生产的因素很多，但是作为喜湿喜温的水稻来说，灌溉方式影响了其生长的全过程。“水是水稻的命，又是水稻的病”。水稻灌溉用水量平均在6000多m3/公顷，而水稻的实际需水量，加上渗漏和棵间蒸发量最多需要3000-3750m3/公顷，其余的水都作为重力水浪费掉了。
水稻种植地块小、数量多且分散，在传统的灌溉方式下，需要人工对土水渠开口堵口；部分地区水渠为水泥硬化渠，安装了一些简易的塑料或铁制阀门，但是仍需要大量人力去手动开关阀门。
因此，目前的水稻种植管水过程，灌溉和放水的用水管理需要耗费大量人力成本，劳动强度大、灌溉效率低。同时，长期淹水灌溉的方式非常不合理，灌溉水的利用率极低，不仅造成了水资源的严重浪费，而且还带来了水资源的污染，影响到国家的生态平衡。
而且目前，稻田灌溉基本是依靠经验判断灌溉时机和灌溉量，对水资源造成浪费，而且粗放的灌溉方式不仅增加用电、用水，还要耗费大量的人力，使农业生产成本增高，生产效益下降。
为了降低水稻灌水的劳动力，并节省水资源，市面上出现了一些智能的灌溉阀门，但是这些阀门或者需要依赖于渠道的硬化或者管道化，或者需要依赖于铺设电线或者电缆，同时这些阀门并不具备云服务功能。因此，这些阀门并适用于最普遍的土渠灌溉的水稻应用场景，无法真正解决劳动力的问题，而且也不是未来信息化农业、智能化农业的发展方向，无法在广大的水稻种植区大面积推广应用。
针对东北水稻田特点设计的自动灌溉阀门，采用太阳能供电，阀门为蝶阀，传感器可实时监测水位，且阀门控制器可利用传感器实时采集稻田里的水位信息。利用大数据分析，对阀门安装地点的灌溉给出精准建议，同时可以实现阀门的远程控制，实现精准灌溉、节约用水、减少劳动成本的目的。
但是，该技术存在如下一些缺点：
①阀门不具备云服务功能
②阀门质地较轻，密闭性较差
③阀门材质为塑料，长期的室外应用易坏。
④水渠必须为硬化渠或者管道渠，无法大面积推广。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种基于大数据的明渠灌溉控制系统及方法，运用物联网、云计算、大数据等先进技术，采用软硬件集成的方式，在保证系统的简单易用及可复制性的基础上，围绕水稻种植用水管理提供综合解决方案，实现了稻田灌溉的远程自动化操控，并可实时监测稻田水位，真正的实现了节省大量劳动力的目的，并可根据水稻的需水规律及种植者的灌排习惯进行灌水，实现了水稻的精准灌溉，最终实现了节水的目的，为种植者创造效益，为社会改善生态环境。
根据本发明，提供了一种基于大数据的明渠灌溉控制系统，包括：液位传感器和阀门装置；其中，阀门装置包括控制器和用于控制进水阀门和排水阀门的阀门执行器；用于测量待灌溉地块的液位的液位传感器连接至控制器；控制器基于液位传感器测量到的待灌溉地块的液位和/或接收到的灌溉指令来控制阀门执行器。
优选地，液位传感器包括插入待灌溉土壤的入土部分和露在待灌溉土壤外的测量部分。
优选地，基于大数据的明渠灌溉控制系统包括云端管理系统，而且阀门装置还包括与云端管理系统通信的通讯模块。
优选地，通讯模块包括LoRa天线，LoRa天线通过LoRa协议通过基站与云端管理系统通信。
优选地，由液位传感器和阀门装置组成的设备分配有唯一识别码，并且阀门装置的通讯模块利用唯一识别码与云端管理系统通信。
优选地，云端管理系统基于阀门所在区域的未来降雨概率以及降雨量预测的大数据分析、以及经由通讯模块接收到的液位传感器测量到的待灌溉地块的液位，经由通讯模块向控制器发送灌溉指令。
优选地，阀门装置还包括用于为明渠灌溉控制系统供电的太阳能供电系统。
优选地，控制器在液位传感器测量到的待灌溉地块的液位低于阈值时操作阀门执行器进行灌溉。
根据本发明，还提供了一种基于大数据的明渠灌溉控制方法，采用了上述基于大数据的明渠灌溉控制系统，该明渠灌溉控制方法包括：
第一步骤：利用液位传感器测量待灌溉地块的液位；
第二步骤：将液位传感器测量到的待灌溉地块的液位，与由液位传感器和阀门装置组成的设备分配有唯一识别码，传递给云端管理系统；
第三步骤：云端管理系统根据唯一识别码确定由液位传感器和阀门装置组成的设备所在区域；
第四步骤：云端管理系统基于该所在区域的未来降雨概率以及降雨量预测的大数据分析、以及经由通讯模块接收到的液位传感器测量到的待灌溉地块的液位，经由通讯模块向控制器发送灌溉指令；
第五步骤：控制器根据灌溉指令操作控制进水阀门和排水阀门的阀门执行器。
优选地，该明渠灌溉控制方法还包括：在液位传感器测量到的待灌溉地块的液位低于阈值时，控制器操作阀门执行器进行灌溉。
本发明本至少能够实现如下有益效果：
①实现了稻田灌溉的远程自动化操控，并可实时监测稻田水位，真正的实现了节省大量劳动力的目的
②可根据水稻的需水规律及种植者的灌排习惯进行灌水，实现了水稻的精准灌溉，最终实现了节水的目的
③节水灌溉下水稻可增产5％-10％，有助于提高水稻的整精米率，降低垩白米率和垩白度，进而提高水稻的品质。
④节水灌溉还可以减轻因为传统淹灌模式下长期泡田导致的浪费、肥料浪费及水土污染等问题，经济效益和生态效益显著。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于大数据的明渠灌溉控制系统的立体视图。
图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于大数据的明渠灌溉控制系统的正视图。
图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于大数据的明渠灌溉控制系统的侧视图。
图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于大数据的明渠灌溉控制方法的流程图。
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
<第一实施例>
图1、图2和图3分别示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于大数据的明渠灌溉控制系统的立体视图、正视图和侧视图。
如图1、图2和图3所示，根据本发明优选实施例的基于大数据的明渠灌溉控制系统包括：液位传感器100和阀门装置200；其中，阀门装置200包括控制器21和用于控制进水阀门和排水阀门的阀门执行器22；用于测量待灌溉地块的液位的液位传感器100连接至控制器21；控制器21基于液位传感器100测量到的待灌溉地块的液位和/或接收到的灌溉指令来控制阀门执行器22。
在具体实施例中，液位传感器100包括插入待灌溉土壤的入土部分和露在待灌溉土壤外的测量部分。在操作时，保持入土部分和测量部分之间的基础面与地面齐平，向上测量水位深度。
例如，如图1、图2和图3所示，液位传感器100通过防水缆线11连接至控制器21。
优选地，如图1、图2和图3所示，基于大数据的明渠灌溉控制系统包括云端管理系统300，而且阀门装置200还包括与云端管理系统300通信的通讯模块23。具体地，例如，通讯模块23包括LoRa天线，LoRa天线通过LoRa协议通过基站，例如利用4G网络，与云端管理系统300(云平台)通信。
而且，进一步优选地，由液位传感器100和阀门装置200组成的设备分配有唯一识别码，并且阀门装置200的通讯模块23利用唯一识别码与云端管理系统300通信，以实现数据的采集与通讯传输。这样，云端管理系统300可以根据唯一识别码获取由液位传感器100和阀门装置200组成的设备所在的设备的土壤灌溉情况，并单独地控制各个设备，从而实现精细的灌溉管理。
而且例如，在优选示例中，阀门装置200还包括用于为明渠灌溉控制系统供电的太阳能供电系统24。
在具体示例中，设置了四种灌溉模式，手动模式、远程模式、自动模式和智能灌溉，满足不同应用场景：
手动模式下，在本地控制器上通过开关按钮输入灌溉指令，实现对阀门启闭的控制。
远程模式下，可以通过云端系统或手机APP软件向控制器传输灌溉指令实现对阀门的远程启闭控制。
自动模式下，首先在云端管理系统上设置水稻不同生育期(时间段)对水位的要求，通过网络将设置的参数下发至控制器中保存。当田间的水位低于设置的水位值下限时，阀门自动开启，对稻田补水；当水位达到水位值设置的水位值上限时，阀门自动关闭，停止补水。
智能模式下，控制器每隔预定时间(例如15分钟)采集一次田间水位值，上传至云端管理系统，云端管理系统结合阀门所在区域未来降雨概率以及降雨量的预测的大数据分析，随时调整灌溉建议，每天为农户推送一次，或者向控制器传输指令，以最大程度的提高水资源的利用效率。也就是说，例如，云端管理系统可以基于阀门所在区域的未来降雨概率以及降雨量预测的大数据分析、以及经由通讯模块接收到的液位传感器测量到的待灌溉地块的液位，经由通讯模块向控制器发送灌溉指令。
<第二实施例>
图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于大数据的明渠灌溉控制方法的流程图。该方法采用了图1、图2和图3所示的根据本发明优选实施例的基于大数据的明渠灌溉控制系统。
如图4所示，根据本发明优选实施例的基于大数据的明渠灌溉控制方法包括：
第一步骤S1：利用液位传感器测量待灌溉地块的液位；
第二步骤S2：将液位传感器测量到的待灌溉地块的液位，与由液位传感器和阀门装置组成的设备分配有唯一识别码，传递给云端管理系统；
例如，可利用LoRa天线通过LoRa协议通过基站，例如利用4G网络进行数据传输。
第三步骤S3：云端管理系统根据唯一识别码确定由液位传感器和阀门装置组成的设备所在区域；
第四步骤S4：云端管理系统基于该所在区域的未来降雨概率以及降雨量预测的大数据分析、以及经由通讯模块接收到的液位传感器测量到的待灌溉地块的液位，经由通讯模块向控制器发送灌溉指令；
第五步骤S5：控制器根据灌溉指令操作控制进水阀门和排水阀门的阀门执行器。
进一步地，该方法还可以执行下述步骤：在液位传感器测量到的待灌溉地块的液位低于阈值时，控制器操作阀门执行器进行灌溉。
本发明本至少能够实现如下有益效果：
①实现了稻田灌溉的远程自动化操控，并可实时监测稻田水位，真正的实现了节省大量劳动力的目的
②可根据水稻的需水规律及种植者的灌排习惯进行灌水，实现了水稻的精准灌溉，最终实现了节水的目的
③节水灌溉下水稻可增产5％-10％，有助于提高水稻的整精米率，降低垩白米率和垩白度，进而提高水稻的品质。
④节水灌溉还可以减轻因为传统淹灌模式下长期泡田导致的浪费、肥料浪费及水土污染等问题，经济效益和生态效益显著。
需要说明的是，除非特别指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于大数据的明渠灌溉控制系统，其特征在于包括：液位传感器和阀门装置；其中，阀门装置包括控制器和用于控制进水阀门和排水阀门的阀门执行器；用于测量待灌溉地块的液位的液位传感器连接至控制器；控制器基于液位传感器测量到的待灌溉地块的液位和/或接收到的灌溉指令来控制阀门执行器。
2.根据权利要求1所述的基于大数据的明渠灌溉控制系统，其特征在于，液位传感器包括插入待灌溉土壤的入土部分和露在待灌溉土壤外的测量部分。
3.根据权利要求1或2所述的基于大数据的明渠灌溉控制系统，其特征在于，基于大数据的明渠灌溉控制系统包括云端管理系统，而且阀门装置还包括与云端管理系统通信的通讯模块。
4.根据权利要求1或2所述的基于大数据的明渠灌溉控制系统，其特征在于，通讯模块包括LoRa天线，LoRa天线通过LoRa协议通过基站与云端管理系统通信。
5.根据权利要求1或2所述的基于大数据的明渠灌溉控制系统，其特征在于，由液位传感器和阀门装置组成的设备分配有唯一识别码，并且阀门装置的通讯模块利用唯一识别码与云端管理系统通信。
6.根据权利要求1或2所述的基于大数据的明渠灌溉控制系统，其特征在于，云端管理系统基于阀门所在区域的未来降雨概率以及降雨量预测的大数据分析、以及经由通讯模块接收到的液位传感器测量到的待灌溉地块的液位，经由通讯模块向控制器发送灌溉指令。
7.根据权利要求1或2所述的基于大数据的明渠灌溉控制系统，其特征在于，阀门装置还包括用于为明渠灌溉控制系统供电的太阳能供电系统。
8.根据权利要求1或2所述的基于大数据的明渠灌溉控制系统，其特征在于，控制器在液位传感器测量到的待灌溉地块的液位低于阈值时操作阀门执行器进行灌溉。
9.一种基于大数据的明渠灌溉控制方法，采用了根据权利要求1至7所述之一的基于大数据的明渠灌溉控制系统，其特征在于所述明渠灌溉控制方法包括：
第一步骤：利用液位传感器测量待灌溉地块的液位；
第二步骤：将液位传感器测量到的待灌溉地块的液位，与由液位传感器和阀门装置组成的设备分配有唯一识别码，传递给云端管理系统；
第三步骤：云端管理系统根据唯一识别码确定由液位传感器和阀门装置组成的设备所在区域；
第四步骤：云端管理系统基于该所在区域的未来降雨概率以及降雨量预测的大数据分析、以及经由通讯模块接收到的液位传感器测量到的待灌溉地块的液位，经由通讯模块向控制器发送灌溉指令；
第五步骤：控制器根据灌溉指令操作控制进水阀门和排水阀门的阀门执行器。
10.根据权利要求9所述的基于大数据的明渠灌溉控制方法，其特征在于还包括：在液位传感器测量到的待灌溉地块的液位低于阈值时，控制器操作阀门执行器进行灌溉。
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