CN111512284A - 动态管理灌溉和作物投入的田地传感器的综合使用的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于结合从安装在机械化灌溉机械上的单一目的的或集成的传感器的阵列获取的近实时和/或实时数据的使用的系统。根据优选实施方式，本发明的集成传感器优选地提供各种数据的收集。安装在机械化灌溉机械上的集成传感器的数量可优选地基于检测到的管理区的数量和/或检测到的地点来确定。根据另外的优选实施方式，本发明的集成传感器可优选地提供当前田地条件的特定数据并且将检测到的数据发送到中央控制装置以应用适当的分析来确定作物健康、作物用水、作物缺水指数和各种作物指数。

Description

动态管理灌溉和作物投入的田地传感器的综合使用的系统和 方法

相关申请

本申请要求于2017年11月3日递交的第62/581,136号美国临时申请的优先权。

本发明的背景技术与技术领域

技术领域

本发明总体上涉及用于灌溉作物管理的系统和方法，并且更具体地涉及用于安装在机械化灌溉机械上以动态管理灌溉和作物投入的田地传感器的综合使用的系统和方法。

背景技术

现代中心枢轴和线性灌溉系统通常包括由一个或多个塔架结构支承的互连跨接件(例如，灌溉跨接件)以支承管路(例如，水管段)。继而，将管路进一步附接到以期望的模式喷洒水(或喷洒其他施用物)的喷洒器/喷嘴系统。在这些现代灌溉系统中，采用大量的动力元素以控制灌溉的各方面。这些元素通常包括用于各种传感器、喷雾器、驱动控制系统、电机和变换器的远程独立电源。

现代灌溉机械使操作人员能够非常迅速地将所需量的施用物(例如，水或化学品)大面积施用到土壤和/或农作物上。这样做，对于操作人员来说重要的是要尽可能多地知晓土壤中的水分含量、温度、湿度和农作物状况。对施用物进行不当施用既昂贵，可能损害目标作物，并且又可能造成环境威胁。为了避免这种缺陷，操作人员必须不断监视自己的田地。

对于操作人员而言，对给定田地领域的准确和高效监视是重大挑战。例如，通过利用手动方法(即，挖洞并目视评估土壤湿度或通过土壤在手中的感觉)或安装在田地中的各种类型的仪器来确定田地中的土壤水位。大多数情况下，不容易将土壤含水量数据转换成可用形式以供灌溉设备操作人员来进行决策。此外，手动监测土壤水分含量费时，并且不利于充分了解整个田地的土壤水分状态。此外，为了在许多田地中做好土壤含水量监测工作，需要以各种深度处安装三个、四个或更多个土壤含水量传感器，或者如果进行人工收集，则需要大量的步行。无论哪种情况，现有系统中的含水量数据都无法容易供所有者或操作人员使用，也并不是易于使用的形式。对于有关作物健康、温度、降水、风力、湿度等的数据也是如此。

现有技术的系统已尝试提供传感器的组合，为操作人员提供准确和方便的数据。例如，如第6,484,652号美国专利教导了一种用于农用车辆的土壤感测方法，该方法包括通过将地面接合工具穿透到土壤中并向土壤施加电压/电流来收集样本。然而，该系统需要穿透土壤和特定的测量程序。相似地，第8,822,904号美国专利号教导了用于确定植物生长条件的植物传感器。然而，该系统严格受限于监测作物用的光学传感器。另外，第9,026,316号美国专利教导了一种用于分配养分的设备，该设备包括编程以确定主要养分施用率和附加养分促进率的可变速率控制器。然而，该系统受限于对化学品和养分的喷雾进行控制。

为了克服现有技术的局限，需要可靠且高效的系统以用于安装在机械化灌溉机械上的田地传感器的综合使用，从而动态管理灌溉水和其他作物投入。

发明内容

为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明提供用于结合从安装在机械化灌溉机械上的集成传感器的阵列获取的实时或近实时数据的使用的系统。根据优选实施方式，本发明的集成传感器优选地提供各种数据的收集。根据另外的优选实施方式，本发明的集成传感器套件可优选地包括公共壳体内的内部安装的传感器，其中，内部安装的传感器优选地包括光谱仪、辐射计和传感器来测量温度、降水量、相对湿度、大气压、太阳辐射和其他气候因素。根据另外的优选实施方式，安装在机械化灌溉机械上的集成传感器的数量可优选地基于检测到的感兴趣的管理区的数量和/或检测到的地点来确定。根据另外的优选实施方式，本发明的集成传感器可优选地提供当前田地条件的特定数据，并且将检测到的数据发送到中央控制器(其位于枢轴点处或云中)以应用适当的分析来确定作物健康、作物用水和作物缺水。此外，也可使用RGB或热图。另外，NDVI、EVI和多种其他指数可优选地被计算作为作物健康状况的指标。根据另外的优选实施方式，根据本发明所应用的分析可优选地处理、结合和评估所收集到的数据，更新水平衡并且生成灌溉和作物管理建议(如可变速率处方)。

并入说明书中并构成说明书一部分的附图示出了本发明的各实施方式，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。

附图说明

图1示出了与本发明使用的示例性灌溉系统。

图2示出了示出根据本发明的第一优选实施方式的控制装置的示例性处理架构的框图。

图3示出了根据本发明的另外的优选实施方式的框图。

图4示出了根据本发明的优选实施方式的示例性传感器的视图。

图5示出了根据本发明的另外的优选实施方式的示例性传感器的替代性视图。

具体实施方式

出于促进理解本发明原理的目的，现在参照附图中所示示例性实施方式，并采用特定语言来描述这些示例性实施方式。然而，可以理解，本文并不意图限制本发明的范围，并且可预期本领域技术人员通常会想到对于所示装置的改变和进一步修改。

本文中所使用的术语“程序”、“计算机程序”、“软件程序”、“模块”等被定义为设计用于在计算机系统上执行的指令序列。程序、计算机程序、模块或软件应用程序可包括子例程、函数、过程、对象实现、可执行应用程序、小程序、小服务程序、源代码、目标代码、共享库、动态链接库和/或设计为用于在计算机系统上执行的其他指令序列。如本文中所定义的那样，数据存储装置包括允许计算机从中读取数据并且维持所存储的数据以允许计算机能够再次读取数据的多个不同类型的计算机可读介质。例如，这种数据存储装置可包括非易失性存储器，诸如ROM、闪存、电池备份RAM、磁盘驱动存储器、CD-ROM、DVD和其他永久性存储介质。然而，根据本发明的不同实施方式，甚至考虑将诸如RAM、缓冲器、高速缓冲存储器和网络电路的易失性存储装置用作这种数据存储装置。此外，本文中论述的所有数据处理、存储和算法/步骤可无限制地如经由云等在远程服务器或处理器上执行。

本文中描述的系统和方法的各方面可实现为被编程到包括可编程逻辑装置(PLD)(诸如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程阵列逻辑(PAL)装置、电可编程逻辑和存储装置和基于标准单元的装置)以及专用综合电路(ASIC)的各种电路中的任何电路中的功能。用于实现系统和方法的各方面的其他可能性包括具有存储器的微控制器、嵌入式微处理器、固件、软件等。此外，系统和方法的各方面可实施于具有基于软件的电路仿真、离散逻辑(顺序和组合的)自定义装置、模糊(神经网络)逻辑、量子装置以及上述任何装置类型的混合物。当然，基础装置技术可提供为各种部件类型，例如，诸如类似互补金属氧化物半导体(CMOS)的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)技术、类似发射器联接逻辑(ECL)的双极技术、聚合物技术(例如，硅共轭聚合物和金属共轭聚合物-金属结构)、模拟和数字混合等。

图1示出了可与本发明的示例性实施方案一起使用的示例性自推进灌溉系统100。应理解，图1中公开的灌溉系统100是示例性灌溉系统，而本发明的特征可集成在该示例性灌溉系统上。因此，图1是说明性的，并且各种系统中的任一种(即固定系统以及线性和中心枢轴自推进灌溉系统、静态系统、转角系统)可在不受限的情况下与本发明一起使用。

如图1所示，示例性灌溉系统100可包括中心枢轴结构102、联接(例如，连接)至中心枢轴结构102的主段组件104(主灌溉段组件)以及联接至主段组件104的扩展段组件106(扩展灌溉段组件)。该示例性系统有时被称为“弯曲型设备”，这是因为延伸组件能够在给定点200处绕主段组件104的端点枢转或“弯曲”。

如图1进一步所示，中心枢轴结构102可以进入井、蓄水库(例如，水箱)或其他流体源，以将水提供给灌溉系统100。例如，井可位于中心枢轴结构102下方。在另一实例中，井可紧邻耕种区域(例如田地)。流体源可联接至农产品的储存库或其他源，从而将肥料、杀虫剂和/或其他化学品注入流体中以生成在灌溉期间施用的施用物。在一实施方式中，中心枢轴结构102可包括框架组件(例如，镀锌钢框架组件或者类似物)。

主段组件104通常包括由塔架结构112和端部塔架结构114支承的多个互连的跨接件108、110。扩展段组件106还包括多个互连跨接件116、118。如图所示，这些件可与闩锁机构200连接并且由塔架结构120和端部塔架结构122支承。应理解，主段组件104和扩展段组件106可包括任意数量的跨接件和塔架结构。

进一步如图所示，每个塔架结构112、114、120、122通常还可包括轮子124、126，以辅助使铰接式灌溉系统100绕指定区域横越(例如，枢转)。在一实施方式中，轮子124、126中的至少一个可由适当的驱动单元127(例如，驱动电机)或者类似物驱动，以辅助使系统100绕指定区域横越。在一实施方式中，每个驱动单元127可由止动系统控制，从而在检测到不利情况时驱动单元127被减慢或被完全关闭。在另一实施方式中，灌溉系统100还可包括止动箱，该止动箱将对主段组件104进行驱动的所有驱动单元127关断。在该实施方式中，对扩展段组件106进行驱动的驱动单元127将以相比主段组件104增加的速率对扩展段组件106进行驱动。

如图1所示，每个跨接件108、110、116、118包括导管128、130、132、134(例如，管道)，所述导管配置成沿着系统100的长度将液体(例如，施用物)运载(例如，运输、提供等)到多个施用物散布装置(例如，喷水设备、洒水器等)以灌溉期望的区域。施用物散布装置可沿着导管128、130、132、134布置以将施用物提供到种植区域。每个导管128、130、132、134可彼此联接以允许各导管之间的流体连通。在一实施方式中，导管128、130、132、134可由桁架型框架(框架结构)支承。如图1所示，扩展段组件106包括安装在端部塔架结构122上的端部枪144。例如，端部枪144可经由诸如吊杆结构等之类的适当的支承结构146安装到端部塔架结构122。在一实施方式中，端部枪144是配置成在田地的角落或其他指定区域处被启用以增加可被灌溉的土地量的适当的压力喷雾器。

现在参照图2，将对体现出对灌溉系统100的一个或更多个操作性方面进行控制的功能的示例性的控制装置138进行论述。如图所示，示例性控制装置138优选地包括处理器140、存储器142、定位模块151、数据存储模块150和网络接口144。处理器140为控制装置138提供处理功能，并且可包括任意数量的处理器、微控制器或其他处理系统，如云中的远程处理器。处理器140可执行实现本文中描述的技术的一个或多个软件程序。存储器142是有形计算机可读介质的示例，其中，有形计算机可读介质提供存储功能，以存储诸如上述的软件程序和代码段之类的各种数据或其他数据以指示处理器140和控制装置138的其他元件执行本文中描述的步骤。存储器142可包括例如可移动和不可移动存储元件，诸如RAM、ROM、闪存(例如，SD卡、迷你SD卡、微型SD卡)、磁性存储装置、光学存储装置、USB存储装置等。网络接口144提供使控制装置138能够通过诸如无线接入点、收发器等之类的各种部件以及由这些部件(例如，驱动器、配置软件等)采用的任何相关的软件来与一个或多个网络149进行通信的功能。

在实施方式中，示例性控制装置138优选地还可包括灌溉位置确定模块148，而灌溉位置确定模块148可包括全球定位系统(GPS)接收器等以计算灌溉系统100的位置。此外，控制装置138可联接到灌溉系统100的引导装置或类似系统152(例如，转向组件或转向机构)以控制灌溉系统100的运动。如图所示，控制装置138还可包括位置地形补偿模块151以辅助对系统的运动和位置感知进行控制。此外，控制装置138还可优选地包括多个输入和输出以从传感器154和监测装置接收数据，而这将在下面进行进一步论述。

现在参照图3，将进一步论述结合有本发明的各方面的示例性系统300。如图所示，系统300可优选地附接到水源330等以在压力下将水或施用物供给到系统300。附加地，系统可优选地能够经由注入泵335等从罐或水库333在压力下接收水或施用物。如另外所示，示例性灌溉系统300可包括设置为对流向包括端部枪321和其他喷头312的喷洒装置的水压进行监测的换能器326、328、331。此外，系统可优选地包括相应的驱动单元307、309、311。如另外所示，相应的驱动单元307、309、311优选地向相应的驱动轮组302、304、306提供扭矩和制动。

此外，本发明的系统300还可优选地包括控制/枢轴板308以及诸如用于接收位置数据的GPS接收器320和用于监测系统中的水流的流量计332之类的元件。另外，本发明的系统还可包括间接作物传感器318，其中，间接作物传感器318可优选地包括湿度传感器以确定土壤的给定区域中的水含量水平。附加地，传感器318还可包括光学器件以允许检测作物类型、生长阶段、健康、疾病的存在、生长速率等。另外，系统可包括土壤或植物传感器(未示出)。此外，检测系统还可从能够测量天气特征(诸如温度、太阳辐射、湿度、风速、风向、压力、降水、温度等)的经连接的或远程的气象站(未示出)等接收数据。另外，系统还可优选地包括用于在系统元件之间接收和传输信号的无线收发器/路由器324、325。

根据替代性的优选实施方式，系统还可使用电力线载波系统或单独的有线网络在系统元件之间传输信号。此外，本发明的优选系统还可替代性地包括安装在跨接件310上的附加元件，如附加的传感器等。

根据另外的优选实施方式，根据本发明的系统还可优选地包括集成传感器套件单元322，其中，该传感器套件单元322优选地包括位于公共壳体内的传感器和处理元件的组合。根据另外的优选实施方式，示例性的集成传感器套件单元322可优选地被单独供电并且在内部进行管理，如将在下面进一步论述。

现在参照图4，将对本发明的其他方面进行进一步论述。如图4所示，本发明的示例性的集成传感器套件单元400可优选地包括能与较大的灌溉机械的系统分开且分离地起作用的集成的传感器、处理器和通信芯片的组群。替代性地，本发明的示例性的集成传感器套件单元400可与灌溉机械的处理器和传感器共享处理和管理功能，以便在需要时提供冗余度和处理速度。

如图4所示，本发明的示例性的集成传感器套件单元400可优选地包括降水检测器403，其中，降水检测器403可优选地检测降水的形式和速率。根据另外的优选实施方式，降水检测器403还可包括用于确定所检测到的降雨，露水，冰雹和其他类型降水的分布和液滴大小的传感器。根据另外的实施方式，本发明的示例性的集成传感器套件单元400还可优选地包括加速度计404，其中，加速度计404可检测传感器套件单元400的倾斜、取向和加速度。另外，本发明的传感器套件单元400还可包括GPS芯片405，其中，GPS芯片405优选地在传感器套件单元400的内部。

此外，本发明的传感器套件单元400还可包括辐射计407以确定长波和短波入射的太阳辐射和光合有效辐射。附加地，本发明的示例性传感器套件单元400还可包括光谱仪408。根据优选实施方式，光谱仪可优选地为七波段光谱仪等。根据优选实施方式，光谱仪可放置在传感器套件单元400的底部。附加地，本发明的示例性传感器套件单元400还可包括内部通信芯片406以允许传感器套件单元400与各种远程计算机和服务器进行通信。根据优选实施方式，通信芯片406可例如包括蜂窝、Wi-Fi、无线局域网(WLAN)、蓝牙、ZigBee、802.11和/或任何其他基于标准的协议或专有无线协议。根据另外的优选实施方式，有线通信也可经由IP协议、TC/PIP、电力线载波和/或任何其他基于标准的协议或专有协议和硬件来进行。根据又一另外的优选实施方式，集成传感器套件400还可包括太阳能板402以分开为传感器套件400供电，或者可通过其他手段来供电，如利用灌溉机械提供的电力。

现在参照图5，将对本发明的其他方面进行进一步论述。如图5所示，示例性的集成传感器套件单元400的底面500(如上所述)可包括附加的和/或替代性的传感器和通信元件。如图所示，示例性的集成传感器套件单元400还可包括辅助感测元件503，其中，辅助感测元件503可包括例如土壤湿度传感器、摄像机、红外传感器等。根据又一另外的优选实施方式，集成传感器套件400还可包括空气传感器506，其中，空气传感器506可例如包括用于检测空气温度、湿度、压力等的传感器。根据另外的优选实施方式，集成传感器套件400还可包括光学传感器504以检测作物健康、作物用水、作物缺水指数、植物产量比并且提供数据以计算其他作物指数。根据另一种环境，光学传感器504可检测并获得数据以产生NDV1、EVI和各种其他指标。如另外在图5中所示，诸如示例性的四向净辐射计508和光谱仪502之类的另外的传感器可结合到集成传感器套件单元400的底面500中。此外，可无限制地添加和使用其他传感器(如RGB传感器等)。

如另外在图5中所示，示例性的集成传感器套件单元400可优选地安装在跨接元件510上。根据优选实施方式，传感器套件单元400可使用优选地包括连接臂516的夹具或托架512来固定到跨接元件510。根据另外的优选实施方式，传感器套件单元400可以是优选地使用能够锁定和松开以使得传感器套件单元400能够适当定位的可调节旋钮514来连接至连接臂516的。

根据另外的优选实施方式，可优选地基于检测到的或预确定的管理区的数量和/或地点来确定安装在机械化灌溉机械上的集成传感器的数量。根据另外的优选实施方式，本发明的集成传感器可优选地提供当前田地条件的特定数据并且将检测到的数据发送到中央控制装置以应用适当的分析来确定计算作物健康、作物用水、作物缺水指数等。另外，可优选地计算NDVI、EVI和各种其他指数。根据另外的优选实施方式，根据本发明应用的分析可优选地处理、组合和评估收集到的数据，更新水平衡并且生成灌溉和作物管理建议，其中，灌溉和作物管理建议包括何时施用、施用什么(诸如水、肥料、作物保护化学品等)、施用多少以及具体在田地中的何处施用，但不限于此。根据另外的优选实施方式，本发明的系统可优选地配置成基于在灌溉机械的当前通过期间或在灌溉机械的随后通过期间感测到的数据来自动地实现可变速率灌溉或施用物处方。

虽然关于本发明的上面的描述包含很多特异性，但是这些不应被解释为对范围的限制，而是应被认为是示例。许多其他变型是可能的。例如，通过本发明，本发明的处理元件可在许多不同的频率、电压、安培和总线配置上进行操作。此外，本发明提供的通信本质上可设计为双工或单工。此外，根据需要，向本发明和从本发明传输数据的过程可设计成本质上为推或拉。另外，本发明的每个特征可制造成从远处的监测站远程启用和访问。相应地，数据可优选地根据需要上载到本发明和从本发明下载。

相应地，本发明的范围不应由所示的实施方式确定，而是应由所附权利要求书及其合法等同物确定。

Claims (23)

1.一种用于在灌溉系统内提供感测和通信的系统，所述灌溉系统具有至少一个跨接件和用于使所述跨接件移动的驱动系统，其中，所述系统包括：

多个喷头，其中，所述多个喷头构造成在压力下接收施用物以及将所述施用物喷雾至待灌溉的田地上；

GPS接收器，所述GPS接收器用于接收位置数据；

流量计，所述流量计用于监测流向所述多个喷头的水流；以及

集成传感器套件单元，其中，所述集成传感器套件单元包括位于单个传感器壳体内的多个传感器；另外其中，所述集成传感器套件单元还包括多个通信元件；另外其中，所述集成传感器套件单元包括中央电源总线；另外其中，所述多个传感器和所述多个通信元件电连接至所述中央电源总线；

另外其中，所述多个传感器包括选自包含降水检测器、加速度计、GPS芯片、辐射计、RGB传感器和光谱仪在内的传感器群组的至少四个传感器；以及

另外其中，所述多个通信元件包括使用选自包含蜂窝、Wi-Fi、WLAN、蓝牙、ZigBee、Sigfox、LoRa、LTE-M和802.11、TC/PIP和电力线载波在内的协议群组的至少两个协议来提供通信的芯片。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括太阳能板；其中，所述太阳能板集成至所述传感器壳体中。

3.如权利要求2所述的系统，其中，所述太阳能板配置成通过所述中央电源总线将电力提供至一个或更多个传感器。

4.如权利要求3所述的系统，其中，所述系统还包括作物传感器；其中，所述作物传感器配置成检测并传输作物数据。

5.如权利要求3所述的系统，其中，所述集成传感器套件单元还包括传感器控制器；其中，所述传感器控制器配置成从所述多个传感器接收数据；另外其中，所述传感器控制器还配置成将控制指令传输至所述多个传感器。

6.如权利要求5所述的系统，其中，所述集成传感器套件单元还配置成对数据进行控制、将数据传输至所述多个通信元件以及从所述多个通信元件接收数据。

7.如权利要求6所述的系统，其中，所述集成传感器套件单元配置成使用完全在所述集成传感器套件单元内的处理资源来接收、传输和处理数据。

8.如权利要求7所述的系统，其中，所述集成传感器套件单元配置成将经处理的数据传输至远程处理器。

9.如权利要求8所述的系统，其中，所述降水检测器配置成检测降水的形式和速率。

10.如权利要求9所述的系统，其中，所述降水检测器配置成对检测到的降水的液滴大小进行确定。

11.如权利要求10所述的系统，其中，所述集成传感器套件单元还包括加速度计；其中，所述加速度计配置成检测所述传感器套件单元的倾斜、取向和加速度。

12.如权利要求11所述的系统，其中，所述GPS芯片容纳在所述单个传感器壳体内。

13.如权利要求12所述的系统，其中，所述辐射计配置成检测长波和短波太阳辐射；另外其中，所述辐射计还配置成检测光合有效辐射的水平。

14.如权利要求13所述的系统，其中，所述光谱仪包括七波段光谱仪。

15.如权利要求14所述的系统，其中，所述集成传感器套件单元还包括选自包含土壤湿度传感器、摄像机和红外传感器在内的传感器群组的传感器。

16.如权利要求15所述的系统，其中，所述集成传感器套件单元还包括空气传感器；其中，所述空气传感器配置成检测空气温度、湿度和气压。

17.如权利要求16所述的系统，其中，所述集成传感器套件单元还包括光学传感器；其中，所述光学传感器配置成对如下数据进行检测：所述数据指示选自包含作物健康、作物用水、作物缺水指数和植物产量比在内的条件群组的条件。

18.如权利要求17所述的系统，其中，所述光学传感器还配置成检测数据以产生NDVI和EVI计算结果。

19.如权利要求18所述的系统，其中，所述辐射计包括四向净辐射计。

20.如权利要求19所述的系统，其中，所述辐射计和所述光谱仪集成至所述单个传感器壳体的下面。

21.如权利要求20所述的系统，其中，所述集成传感器套件单元安装至所述跨接件上；其中，所述集成传感器套件单元通过连接臂固定至所述跨接件；另外其中，所述传感器套件单元是使用配置成用于锁定和松开的可调节旋钮来连接至所述连接臂的。

22.如权利要求21所述的系统，其中，所述集成传感器套件单元配置成对数据进行处理、更新系统水平衡以及生成灌溉和作物管理建议。

23.如权利要求22所述的系统，其中，所述集成传感器套件单元配置成自动生成用于可变速率处方的处方；另外其中，所述集成传感器套件单元配置成将生成的所述处方传输给种植者以近实时地接受、拒绝或修改。

Images