CN111034592A - 一种基于物联网的油茶自动灌溉系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于物联网的油茶自动灌溉系统及控制方法，包括信息采集系统、上位机和智能灌溉系统，信息采集系统包含多个信息采集装置，信息采集系统与上位机无线通信连接，智能灌溉系统与信息采集系统通信连接，信息采集系统包含信息采集架、翻斗式雨量计和土壤传感器，智能灌溉系统的灌溉装置设置于油茶树根部附近，能够有针对性且比较详细地采集信息，将信息进行储存，并根据所采集信息进行自动浇灌施肥，减少人工参与管理，减少水分和养分的损失，从而降低成本。

Description

一种基于物联网的油茶自动灌溉系统及控制方法

技术领域

本申请涉及农业物联网技术领域，具体涉及一种基于物联网的油茶自动灌溉系统及控制方法。

背景技术

油茶是一种常绿小乔木，因其种子可以榨油以供食用而得名，榨得的茶油既可以作为食用油，也可以在工业中作为润滑油和防锈油；茶饼可作为农药和肥料，可提高农田的蓄水能力和也能在稻田中起到防治虫害的效果；果皮可以提制栲胶；叶部含有医药工业中所需的成分。因油茶功效众多，其种植规模逐步扩大，山区内开始实现规模化种植。

但油茶对水分和光照要求较为严格，如果油茶树浇灌不及时或者浇水量不足就会影响油茶结果质量。一方面山区种植本身在管理方面具有一定的难度，山区人工管理的昂贵的费用，人工管理不到位，可能导致会影响浇灌的及时性，从而影响结果质量。另一方面，目前的农业物联网大多采集作物的环境信息，无法针对于油茶树进行有针对性的、系统的信息采集，并通过采集信息进行智能精准浇灌管理。

发明内容

本申请要解决的技术问题是提供一种基于物联网的油茶自动灌溉系统及控制方法，能够针对油茶种植园进行有针对性的、系统的信息采集，并根据采集的信息实现自动浇灌管理。

本申请为了解决上述技术问题，提出了如下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供了一种基于物联网的油茶自动灌溉系统及控制方法，包括信息采集系统、上位机和智能灌溉系统，所述信息采集系统与所述上位机无线通信连接，所述智能灌溉系统与所述信息采集系统电连接，其中：

所述信息采集系统包括信息采集架、翻斗式雨量计和土壤传感器，所述信息采集架包括立杆、第一横杆和第二横杆，所述立杆通过固定装置竖直埋设于种植园内，所述第一横杆和所述第二横杆均与所述立杆固定连接，且所述第二横杆位于所述第一横杆的下方，所述第一横杆上安装有第一温湿度一体传感器、风向传感器、风速传感器、二氧化碳传感器和光照强度传感器；所述第二横杆上摄像头和第二温湿度一体传感器；所述第二横杆的下方安装有终端控制箱；所述翻斗式雨量计放置于种植园内的地面上，所述土壤传感器埋设于种植园的土壤表层；所述温湿度一体传感器、所述风向传感器、所述风速传感器、所述光照强度传感器、所述翻斗式雨量计和所述土壤传感器均与所述终端控制箱通信连接；

所述智能灌溉系统包括混肥装置、循环装置和灌溉装置，所述混肥装置的进水端分别与水池和营养液池连通，所述混肥装置的出水端与所述循环装置的进水端相连通，所述循环装置的出水端与所述灌溉装置的进水端相连通，所述灌溉装置的出水端设置于油茶树根部；

所述灌溉装置包括灌溉外管和内芯，所述内芯设置在所述灌溉外管内，所述灌溉外管的内壁上设置有内螺纹，所述内芯的外壁上设置有与所述灌溉外管的内螺纹相对应外螺纹，所述灌溉外管与所述内芯通过螺纹连接；所述灌溉外管的相邻两条螺纹之间开设有出水孔；所述浇灌外管的上端固接有堵头，所述堵头开有进水孔，通过进水管与所述循环装置相连通，所述灌溉外管底端设置有钻头，所述钻头与所述灌溉外管活动连接。

采用上述实现方式，第一横杆上和第二横杆上的传感器可以准确采集到油茶树顶部空气的温度、湿度、风速、风向以及光照等气象信息，第二横杆上的摄像头可采集到油茶树图像，翻斗式雨量计可以采集到降雨量，土壤传感器埋则可采集到土壤的环境参数，信息采集有针对性，且比较详细；采集的信息可传至上位机进行保存处理，智能灌溉系统根据信息采集系统采集的信息，可实现对油茶的定量浇灌施肥，通过灌溉装置直接伸入土壤对根部进行灌溉施肥；减少人工参与管理，降低人工成本，节约水分及营养液，降低材料成本。

结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述终端控制箱内设置有微处理器、信号转换装置以及供电电源，所述信号转换装置的信号输入端与各传感器通信连接，所述信号转换装置的信号输出端与所述微处理器的信号输入端通信连接，所述翻斗式雨量计的信号输出端与所述微处理器的信号输入端通信连接，所述微处理器、传感器、所述摄像头、所述翻斗式雨量计、所述信号转换装置均与所述供电电源电连接。利用信号转换装置将各传感器采集的信号进行转换并传输至微处理器进行处理中转，供电电源则满足各传感器、微处理器和信号转装置的用电需求。

结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述终端控制箱内还设置有无线传输模块，所述微处理模器、所述摄像头均通过所述无线传输模块与所述上位机通信连接。通过无线传输模块将信息传输至上位机，传输稳定高效，免去了有线传输方式的复杂性。

结合第一方面第二种可能的实现方式，在第一方面第三种可能的实现方式中，所述无线传输模块包括无线数据传输终端和无线视频传输终端组成，所述无线传输模块与所述供电模块电连接。通过无线数据传输终端将数据信息传输至上位机，利用无线视频传输终端将视频信息传输至上位机，利用供电模块满足无线传输模块工作的用电需求。

结合第一方面，在第一方面第四种可能的实现方式中，所述上位机包括数据处理模块和信息管理平台，所述数据处理模块的信号输入端通过所述无线传输模块与所述微处理器通信连接，所述数据处理模块的信号输出端与所述信息管理平台通信连接。数据处理模块接收无线传输模块发送的数据进行存储，并且将信息展示在信息管理平台。

结合第一方面，在第一方面第五种可能的实现方式中，所述混肥装置的进水端通过两个电磁阀分别与水池和营养液池连通。

结合第一方面第五种可能的实现方式，在第一方面第六种可能的实现方式中，所述混肥装置、所述循环装置、所述灌溉装置和所述电磁阀均与微处理器通信连接。

通过控制电磁阀开关来控制进入混肥装置的水量以及营养液，通过混肥装置对进行水和营养液进行混合搅拌，通过循环装置经混合后的水肥输送至灌溉装置，并将废液排除，通过灌溉装置对油茶进行灌溉施肥。

结合第一方面，在第一方面第七种可能的实现方式中，所述第一温湿度传感器和二氧化碳传感器安装于第一百叶箱内，所述第一百叶箱安装在第一横杆上；所述第二温湿度传感器安装在第二百叶箱内，所述第二百叶箱安装在第二横杆上。通过百叶箱对内部的传感器进行有效的保护，延长传感器的使用寿命，使所测数据更具真实性。

结合第一方面，在第一方面第八种可能的实现方式中，所述立杆顶端设置有避雷针。由于整个信息采集架的高度高于油茶树，通过顶端设置避雷针可以对设备和工作人员起到很好的保护作用。

第二方面，本申请实施例提供了一种基于物联网的油茶自动灌溉控制方法，所述方法包括：

(1)通过上位机向各传感器发出采集信息指令；

(2)温湿度传感器采集空气湿度和温度，风向传感器采集风向，风速传感器采集风速，光照强度传感器采集光照强度，二氧化碳传感器采集二氧化碳浓度，土壤传感器采集土壤温度、土壤湿度和土壤电导率，摄像头拍摄现场视频；

(3)信号转换装置将各传感器采集得到的模拟信号转换为数字信号，并将转换得到的数据发送至微处理器；

(4)微处理器将上述数据及图像通过无线传输模块传输至上位机，储存于上位机内的数据处理模块中，并展示在信息管理平台上；

(5)微处理模器在接收数据后，判断土壤含水量以及养分，当低于阈值时，基于控制模型自动控制智能灌溉系统进行灌溉施肥。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种基于物联网的油茶自动灌溉系统的示意图；

图2为本申请实施例提供的信息采集架的示意图；

图3为本申请实施例提供的智能灌溉系统的示意图；

图4为本申请实施例提供的灌溉装置的示意图；

图5为本申请实施例提供的一种基于物联网的油茶自动灌溉控制方法的流程示意图。

图1-5中：1-信息采集系统，2-上位机，3-智能灌溉系统，4-立杆，5-第一横杆，6-第二横杆，7-第一百叶箱，8-光照强度传感器，9-风向传感器，10-风速传感器，11-第二百叶箱，12-摄像头，13-翻斗式雨量计，14-土壤传感器，15-终端控制箱，16-微处理器，17-信号转换装置，18-供电电源，19-无线传输模块，20-混肥装置，21-循环装置，22-灌溉装置，23-避雷针，24-灌溉外管，25-内芯，26-螺纹，27-出水孔，28-钻头，29-堵头，30-进水管。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本方案进行阐述。

图1为本申请实施例提供的一种基于物联网的油茶自动灌溉系统，包括信息采集系统1、上位机2和智能灌溉系统3，信息采集系统1包含多个信息采集装置，并且信息采集系统1与上位机2无线通信连接，智能灌溉系统3也与信息采集系统1通信连接，其中：

为保证能够针对油茶种植园进行针对的、详细的信息采集，本实施例的信息采集系统1包含信息采集架，信息采集架竖直设置在油茶种植园内，信息采集架包括立杆4、第一横杆5和第二横杆6，立杆4竖直埋设在油茶种植园内的土壤中，第一横杆5和第二横杆6均通过焊接固定在立杆4上。并且第二横杆6位于第一横杆5的下方，第一横杆5上安装有第一百叶箱7、光照强度传感器8、风向传感器9和风速传感器10，第一百叶箱7内安装有第一温湿度传感器和二氧化碳传感器。第二横杆6上安装有第二百叶箱11和摄像头12，第二百叶箱11内安装有第二温湿度控制器。为保证既不干扰油茶树的生长也不干扰各传感器对数据的采集，第一横杆5设置在距离油茶树冠上方100cm处，第二横杆6设置在距离油茶树冠上方70cm处。为实现对降水量的采集，本实施例还设置有翻斗式雨量计13和多个土壤传感器14，翻斗式雨量计13设置在油茶种植园内，土壤传感器14埋设在种植园的土壤表层下，土壤传感器14的埋设深度为20cm或40cm。为实现对各采集设备的控制，在立杆4的中部设置有终端控制箱15，各传感器和翻斗式雨量计13均与终端控制箱15通信连接。

智能灌溉系统3包括混肥装置20、循环装置21和灌溉装置22，混肥装置20的进水端分别与水池和营养液池连通，混肥装置20的出水端与循环装置21的进水端相连通，循环装置21的出水端与灌溉装置22的进水端相连通，灌溉装置22的出水端设置于油茶树根部；

灌溉装置22包括灌溉外管24和内芯25，内芯25设置在灌溉外管24内，为方便水流的流通，本实施例在灌溉外管24的内壁和内芯的外壁上均设置有螺纹26，灌溉外管24的内壁上设置有内螺纹，内芯25的外壁上设置有与灌溉外管24的内螺纹相对应外螺纹，灌溉外管24与内芯25通过螺纹连接；灌溉外管24的相邻两条螺纹之间开设有出水孔27；灌溉外管24的上端固接有堵头29，堵头29开有进水孔，通过进水管30与循环装置21相连通，灌溉外管24底端设置有钻头28，钻头28与灌溉外管24活动连接。灌溉装置22通过钻头28可以轻易地钻入油茶树根部附近，混合后的水肥通过进水管30进入灌溉装置22，水肥在灌溉装置内沿着螺纹26流动，并通过相邻两条螺纹之间的出水孔27排出，使水肥直接浇灌到油茶树的根部，避免了在土壤外浇灌造成的水分和养分的浪费。

在本实施例中，温湿度传感器采用数字型传感器，采用I²C总线数字输出信号，在接收到微处理器发送来的采集命令后，根据指令以及空气温湿度传感器内部的协议判断指令，若指令合法则进行数据采集并将数据重新传送到微处理器中。风向传感器9和风速传感器10为电流型传感器电流输出为4-20mA，在接收到终端控制箱15发送来的采集命令时，风向传感器9和风速传感器10根据自己内部协议判断指令的合法性，若合法则进行风向数据的采集并实现数据的缓存。光照强度传感器8为电流型传感器，在接收到终端控制箱15发送来的采集命令时，光照强度传感器8根据其内部协议判断采集指令是否匹配，匹配通过后将采集到的光照强度信息通过485总线传回单片机的对应地址缓存区。土壤传感器14选择5TE土壤温湿度电导率一体化的传感器，由于传感器的输出信号为SDI-12总线模式，所以需要使用TRS-1203接口转换器将SDI-12转换为RS485信号，能同时采集到土壤温度、土壤湿度、土壤电导率三个参数，所以在接收到终端控制箱15发送来的采集命令时，传感器根据其内部协议判断采集指令是否匹配，匹配通过后将采集到的信息通过485总线传回单片机的对应地址缓存区。

由于本实施例的信息采集架设置的高度较高，已经超过油茶树冠的高度，为保证现场人员和设备的安全，本实施例在立杆的顶端设置有避雷针23，对现场人员及设备进行防雷保护。

进一步地，终端控制箱15内设置微处理器16、信号转换装置17和供电电源18，信号转换装置17的信号输入端与各传感器通信连接，信号转换装置17的信号输出端与微处理器16的信号输入端电连接，翻斗式雨量计13的信号输出端与微处理器16的信号输入端电连接，微处理器16、各传感器、摄像头12、翻斗式雨量计13、信号转换装置17均与供电电源18电连接。本实施例的信号转换装置17由集线器和采集卡组成。

为将微处理器16获取数据传输至上位机2，本实施例设置有无线传输模块19，无线传输模块19包括无线数据传输终端(DTU)和无线视频传输终端(VTU)，无线数据传输终端(DTU)信号输入端与微处理器16的信号输入端通信连接，其信号输出端与上位机2通信连接，无线视频传输终端(VTU)信号输入端与摄像头12的通信连接，其信号输出端与上位机2通信连接。通过无线数据传输终端(DTU)将采集数据传输至上位机2，通过无线视频传输终端(VTU)将视频信息传输至上位机2。为满足无线数据传输终端(DTU)和无线视频传输终端(VTU)的用电需求，本实施例的无线传输模块19的无线数据传输终端(DTU)和无线视频传输终端(VTU)也与供电电源18电连接。

为实现信息的存储和展示，上位机包含MySQL数据库和信息管理平台，在数据库下建立果园园区相对应的连接名和表名，将传感器模块采集的数据通过无线传输模块存放到数据库所建立的表中，并将相关数据信息和视频信息展示在管理平台上。

进一步地，为实现根据采集的土壤信息按照比例配制水肥浇灌施肥，本实施例的混肥装置20的进水端通过两个电磁阀分别与水池和营养液池连通，并且混肥装置20、循环装置21、灌溉装置22和电磁阀均与微处理器通信连接。根据采集的土壤信息，控制智能浇灌系统按照所需水分及营养液进行浇灌施肥。

由上述实施例可知，本实施例提供了一种基于物联网的油茶自动灌溉系统，包括信息采集系统1、上位机和智能灌溉系统3，信息采集系统1包含多个信息采集装置，并且信息采集系统1与上位机无线通信连接，智能灌溉系统3与信息采集系统1通信连接，并且信息采集系统包含信息采集架翻斗式雨量计和土壤传感器，能够有针对性且比较详细地采集信息，将信息进行储存，并根据所采集信息进行自动浇灌施肥，减少人工参与管理，从而降低人工成本。

与上述实施例提供的一种基于物联网的油茶自动灌溉系统相对应，本申请还提出了一种基于物联网的油茶自动灌溉系统的控制方法的实施例，参见图4，所述方法包括：

(1)通过上位机向各传感器发出采集信息指令。

当需要对油茶种植园内的信息进行采集时，人工通过上位机发出信息采集指令，各装置开始工作。

(2)温湿度传感器采集空气湿度和温度，风向传感器采集风向，风速传感器采集风速，光照强度传感器采集光照强度，二氧化碳传感器采集二氧化碳浓度，土壤传感器采集土壤温度、土壤湿度和土壤电导率，摄像头拍摄现场视频。

各装置接收到采集指令后，采集到空气湿度、温度、风速、风向、光照强度、二氧化碳浓度，土壤的温度、湿度以及电导率，并拍摄到现场的实时视频画面。

(3)信号转换装置将各传感器将采集得到的模拟信号转换为数字信号，并将转换得到的数据发送至微处理器。

由于各传感器采集到的模拟信号无法直接识别，本实施例通过信号转换装置的集线器和采集卡将各传感器采集到的模拟信号的数据需转换为数字信号，并将转换得到的信号传输给微处理器。

(4)微处理器将上述数据及图像通过无线传输模块传输至上位机，储存于上位机内的数据处理模块中，并展示在信息管理平台上。

微处理器通过无线数据传输终端(DTU)将数据信息传输至上位机，摄像头拍摄的视频信息通过无线视频传输终端(VTU)传输至上位机，储存于上位机的MySQL数据库中，并通过信息管理平台进行展示。

(5)微处理模器在接收数据后，判断土壤含水量以及养分，当低于阈值时，基于控制模型自动控制智能灌溉系统进行灌溉施肥。

微处理器根据接收的土壤数据判断土壤的含水量和养分高于还是低于阈值，若低于阈值，证明油茶树处于缺水或缺养分状态继而启动电磁阀，按照一定比例通入水和营养液，并控制混肥装置进行混合，并通过循环装置输送至灌溉装置，控制灌溉装置通过滴灌或者喷灌的方式为油茶田补水，补水过程中依旧不断检测土壤，当高于阈值时则停止灌溉。

本实施例的灌溉方式还可设定为定时浇灌模式，预先设定浇灌时间点，在预定的时间点按照设定的水肥比例进行定时浇灌。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本申请未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本申请的技术方案并非是对本申请的限制，如来替代，本申请仅结合并参照优选的实施方式进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本申请的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本申请的宗旨，也应属于本申请的权利要求保护范围。

Claims (10)

1.一种基于物联网的油茶自动灌溉系统，其特征在于：包括信息采集系统、上位机和智能灌溉系统，所述信息采集系统与所述上位机无线通信连接，所述智能灌溉系统与所述信息采集系统电连接，其中：

所述信息采集系统包括信息采集架、翻斗式雨量计和土壤传感器，所述信息采集架包括立杆、第一横杆和第二横杆，所述立杆通过固定装置竖直埋设于种植园内，所述第一横杆和所述第二横杆均与所述立杆固定连接，且所述第二横杆位于所述第一横杆的下方，所述第一横杆上安装有第一温湿度一体传感器、风向传感器、风速传感器、二氧化碳传感器和光照强度传感器；所述第二横杆上摄像头和第二温湿度一体传感器；所述第二横杆的下方安装有终端控制箱；所述翻斗式雨量计放置于种植园内的地面上，所述土壤传感器埋设于种植园的土壤表层；所述温湿度一体传感器、所述风向传感器、所述风速传感器、所述光照强度传感器、所述翻斗式雨量计和所述土壤传感器均与所述终端控制箱通信连接；

所述智能灌溉系统包括混肥装置、循环装置和灌溉装置，所述混肥装置的进水端分别与水池和营养液池连通，所述混肥装置的出水端与所述循环装置的进水端相连通，所述循环装置的出水端与所述灌溉装置的进水端相连通，所述灌溉装置的出水端设置于油茶树根部；

所述灌溉装置包括灌溉外管和内芯，所述内芯设置在所述灌溉外管内，所述灌溉外管的内壁上设置有内螺纹，所述内芯的外壁上设置有与所述灌溉外管的内螺纹相对应外螺纹，所述灌溉外管与所述内芯通过螺纹连接；所述灌溉外管的相邻两条螺纹之间开设有出水孔；所述灌溉外管的上端固接有堵头，所述堵头开有进水孔，通过进水管与所述循环装置相连通，所述灌溉外管底端设置有钻头，所述钻头与所述灌溉外管活动连接。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的油茶自动灌溉系统，其特征在于：所述终端控制箱内设置有微处理器、信号转换装置以及供电电源，所述信号转换装置的信号输入端与各传感器通信连接，所述信号转换装置的信号输出端与所述微处理模器的信号输入端通信连接，所述翻斗式雨量计的信号输出端与所述微处理模器的信号输入端通信连接，所述微处理器、传感器、所述摄像头、所述翻斗式雨量计、所述信号转换装置均与所述供电电源电连接。

3.根据权利要求2所述的基于物联网的油茶自动灌溉系统，其特征在于：所述终端控制箱内还设置有无线传输模块，所述微处理模器、所述摄像头均通过所述无线传输模块与所述上位机通信连接。

4.根据权利要求3所述的基于物联网的油茶自动灌溉系统，其特征在于：所述无线传输模块包括无线数据传输终端和无线视频传输终端组成，所述无线传输模块与所述供电模块电连接。

5.根据权利要求1所述的基于物联网的油茶自动灌溉系统，其特征在于：所述上位机包括数据处理模块和信息管理平台。

6.根据权利要求1所述的基于物联网的油茶自动灌溉系统，其特征在于：所述混肥装置的进水端通过两个电磁阀分别与水池和营养液池连通。

7.根据权利要求6所述的基于物联网的油茶自动灌溉系统，其特征在于：所述混肥装置、所述循环装置、所述灌溉装置和所述电磁阀均与微处理器通信连接。

8.根据权利要求1所述的基于物联网的油茶自动灌溉系统，其特征在于：所述第一温湿度传感器和二氧化碳传感器安装于第一百叶箱内，所述第一百叶箱安装在第一横杆上；所述第二温湿度传感器安装在第二百叶箱内，所述第二百叶箱安装在第二横杆上。

9.根据权利要求1所述的基于物联网的油茶自动灌溉系统，其特征在于：所述立杆顶端设置有避雷针。

10.一种基于物联网的油茶自动灌溉控制方法，其特征在于：采用如权利要求1-9任一项所述的基于物联网的油茶自动灌溉系统，所述方法包括：

(1)通过上位机向各传感器发出采集信息指令；

(2)温湿度传感器采集空气湿度和温度，风向传感器采集风向，风速传感器采集风速，光照强度传感器采集光照强度，二氧化碳传感器采集二氧化碳浓度，土壤传感器采集土壤温度、土壤湿度和土壤电导率，摄像头拍摄现场视频；

(3)信号转换装置将各传感器采集得到的模拟信号转换为数字信号，并将转换得到的数据发送至微处理器；

(4)微处理器将上述数据及图像通过无线传输模块传输至上位机，储存于上位机内的数据处理模块中，并展示在信息管理平台上；

(5)微处理模器在接收数据后，判断土壤含水量以及养分，当低于阈值时，基于控制模型自动控制智能灌溉系统进行灌溉施肥。

Images