CN114760835A - 整合田间、作物和灌溉设备数据来灌溉管理的系统、方法及装置 - Google Patents

整合田间、作物和灌溉设备数据来灌溉管理的系统、方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于提供灌溉排程模块的系统、方法及装置，所述灌溉排程模块包括用于为给定田间位置提供灌溉排程数据的图形用户接口。根据优选实施例，所述灌溉排程模块配置为针对给定的一组预测数据来计算并显示灌溉建议。根据另一优选实施例，灌溉建议包括圆形的代表性形状，所述圆形基于田间水分状态从完整圆形变为完整圆形的新月形百分比。

Description

整合田间、作物和灌溉设备数据来灌溉管理的系统、方法及 装置
相关申请
本申请主张2019年12月9日提交的美国专利申请第62/945,268号的优先权。
技术领域
本发明一般涉及灌溉管理系统。更具体地，本发明涉及用于为灌溉管理提供田间、作物和灌溉设备数据的完全集成的系统、方法及装置。
背景技术
现代田间灌溉机器是驱动系统和洒水系统的组合。通常，这些系统根据它们设计执行的行程类型分为两种类型：中心枢轴和/或线性。
无论是中心枢轴还是线性，常见的灌溉机器通常包括一种架空喷灌系统，所述架空喷灌系统由几段管道(通常是镀锌钢或铝)连接在一起，并且由桁架支撑，安装在轮式塔上，洒水器沿其长度定位。这些机器以圆形模式(如果中心枢轴)或线性移动，并从外部水源(即井或水管)供水。所述灌溉机器的基本功能是将实施对象(即水或其他溶液)应用于一给定位置。
传统上，种植者将使用实地侦察、卫星、无人驾驶飞行器(unmanned aerialvehicle,UAV)和/或微型飞行器(micro air vehicle,MAV)图像绘制田间地图。此外，部署的灌溉机器和有源传感器提供持续的数据流。这些监测因素中的每一个都会影响作物产量。除了这些因素之外，种植者还受到作物生产所需的商品和服务成本(例如水、电、化肥)的影响。这些成本随着天气数据和商品定价而不断变化。目前，这些信息组还没有集成或易于显示。相反地，这些数据的管理和分析可能非常昂贵，并且需要三个或更多软件平台来查看和分析数据。此外，种植者需要花费越来越多的时间来手动组合数据并计算田间灌溉需求。
为了克服现有技术的局限，需要一种能够有效整合和显示来自不同来源的数据的系统。此外，需要一种可以为种植者提供可操作的数据分析的系统。
发明内容
为了最小化现有技术中发现的限制，并最小化在阅读说明书时显而易见的其他限制，本发明提供一种用于提供灌溉排程模块的系统、方法及装置，所述灌溉排程模块包括用于为给定田间位置提供灌溉排程数据的一图形用户接口。
根据优选实施例，所述灌溉排程模块配置为针对给定的一组预测数据来计算并显示灌溉建议。根据另一优选实施例，灌溉排程显示包括圆形的代表形状，所述圆形基于田间水分状态从完整圆形变为完整圆形的新月形百分比。
附图说明
图1显示为根据本发明的第一优选实施例的示例性灌溉系统。
图2显示为根据本发明第一优选实施例的示例性控制系统。
图3显示为说明本发明示例性实施例的示例性数据流的功能图。
图4显示为说明用于图3所示系统的示例性数据收集系统的功能图。
图5显示为说明图3所示系统的示例性净产量模块的功能图。
图6显示为说明净生产算法的功能图。
图7显示为说明本发明的用户接口和附加模块的功能图。
图8显示为根据本发明的方面的示例性交互式显示。
图9显示为结合本发明的其他方面的第二交互式显示。
具体实施方式
现在详细参考本发明的示例性实施例，其示例在附图中示出。在可能的情况下，将在整个附图中使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。描述、实施例和附图不应被视为限制权利要求的范围。还应当理解的是，在整个说明书中，除非在逻辑上另有要求，否则在显示或描述过程或方法的情况下，可以以任何顺序、重复、迭代或同时执行该方法的步骤。正如在本申请中所使用的那样，“可能(may)”一词是在允许的意义上使用的(即，意思是“有可能”)，而不是强制性的意思(即，意思是“必须”)。
此外，本文给出的任何示例或说明不应以任何方式视为对与它们一起使用的任何一个或多个术语的限制、限制或表达定义。相反地，这些示例或说明仅被视为说明性的。本领域普通技术人员将理解，与这些示例或说明一起使用的任何一个或多个术语将涵盖其他实施例，这可能会或可能不会与本说明书一起或在本说明书的其他地方给出，并且所有此类实施例都旨在包括在该术语或多个术语的范围内。
如本文所用，术语“程序(program)”、“计算机程序(computer program)”、“软件应用程序(software application)”、“模块(module)”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以包括子例程、函数、过程、对象实现、可执行应用程序、applet、servlet、源代码、对象代码、共享库、动态链接库和/或其他设计用于在计算机系统上执行的指令序列。如本文所定义的，数据存储装置包括允许计算机从中读取数据的许多不同类型的计算机可读介质，包括易失性存储器，例如RAM、缓冲器、高速缓冲存储器和网络电路内的信号。
本文所述的系统和方法的各方面可以被实现为被编程到各种电路中的任何一种的功能，包括可编程逻辑器件(programmable logic devices,PLD)、具有存储器的微控制器、嵌入式微处理器、固件、软件等。此外，系统和方法的方面可以体现在具有基于软件的电路仿真、离散逻辑(顺序和组合)、定制设备、模糊(中性网络)逻辑、量子设备和任何上述设备类型的混合的微处理器中。此外，所公开的实施例的功能可以在一台计算机上实现或在网络或云中或跨网络或云的二台或多台计算机之间共享/分布。
执行的实施例的计算机之间的通信可以使用任何电子、光学、射频信号或符合已知网络协议的其他合适的通信方法和工具来完成。例如，本发明可以包括RF模块，用于接收和发射电磁波，实现电磁波与电子信号之间的转换，以及与通信网络或其他设备进行通信。RF模块可以包括各种现有的执行功能的电路组件，例如天线、RF收发器、数字信号处理器、加密/解密芯片、用户识别模块(subscriber identity module,SIM)卡、存储器等。RF模块可以与互联网、无线网络等多种网络进行通信，并且通过无线网络与其他设备进行通信。
图1-9显示可以与本发明的示例实施方式一起使用的灌溉系统的各种配置。应当理解的是，图1-9中所示的灌溉系统是示例性系统，本发明的特征可以集成到所述系统上。因此，图1-9旨在纯粹是说明性的，而且任何多种系统(即固定系统以及线性和中心枢轴自推进灌溉系统；固定系统；角落系统)都可以与本发明一起使用，而无需局限性。例如，虽然图1显示为中心枢轴灌溉系统，但本发明的示例性灌溉系统100也可实施为线性灌溉系统。示例的灌溉系统100无意以任何方式限制或限定本发明的范围。
现在参考图1，本发明的示例性灌溉机器100优选地可包括一主跨体104、一中心枢轴结构102以及多个支撑驱动塔108、110。所述示例性灌溉机器100还可包括附接在一连接点112处的一角跨体106。所述角跨体106能够由一可转向驱动单元114支撑和移动。所述角跨体106可以包括一吊杆116以及一端枪(未示出)和/或其他喷雾器。此外，优选地提供一位置传感器118来为系统提供位置和角度定向数据，如下面进一步讨论的。此外，提供一中央控制面板120用于封闭车载计算机组件，例如下文讨论的示例性控制装置121的组件。所述控制面板120还可以链接到收发器，用于在系统组件、设备/互联网云103、远程服务器105和/或类似物之间发送和接收数据。根据本发明的另一方面，所述控制面板120可以进一步链接到远程传感组件，例如位于无人驾驶飞行器122(UAV)或载人驾驶飞行器(mannedaerial vehicle,MAV)上的传感器套件。所述系统优选地进一步设计成接收和处理由卫星124和其他高空监测系统提供的传感器数据。
此外，所述系统可以包括和/或接收来自多个远程传感器128的数据，所述多个远程传感器128可以提供原田间土壤数据(例如水分含量)和/或作物相关数据。所述系统还可以包括多个图像传感器123、125，其优选地可以包括用于间接确定给定土壤区域中的水分含量的传感器和/或允许检测作物类型、生长阶段、健康、疾病的存在、增长率等。所述系统还可以包括一气象站126或类似装置，以测量诸如湿度、压力、降水、太阳辐射、温度等的天气特征。此外，所述系统可以包括用于在系统组件之间接收和发送信号的多个无线收发器/路由器127、129。优选地，由本发明的检测器和传感器收集到的数据被连接到跨度被转发到一主控制面板120和控制装置121。或者，可以收集接收到的数据并将其重新传输到远程服务器/云以进行处理和分析。
现在参考图2，现在将讨论表示控制所述灌溉系统100的一个或多个操作方面的功能的示例性控制装置121。如图所示，所述示例性控制装置121可以包括一处理器122、一存储器126以及一网络接口124。所述处理器122可以为所述控制装置121提供处理功能，并且可以包括任意数量的处理器、微控制器或其他处理系统。所述处理器122可以执行并且所述存储器126能够存储一个或多个软件程序以及其他数据，以允许所述处理器122和所述控制装置121的其他组件实施本文描述的技术。所述存储器126还可以为指令集和模块提供存储，例如可变率灌溉(variable rate irrigation,VRI)模块129，以计算和控制实施对象通过灌溉系统的时间和支出。所述存储器126还可以包括一灌溉定位模块132或类似装置，以向系统提供映像和位置数据。所述存储器还可以包括用于分析土壤和作物状况的一土壤/作物分析模块133，如下面进一步讨论的。所述存储器还可以包括一机器/发动机模块131，用于通过发动机传感器、燃料传感器、OBD-II链路等接收诊断和维护信息。
所述控制装置121还可以包括一网络接口124或类似装置，以使所述控制装置121能够通过灌溉机器内部和外部的各种组件与一个或多个网络134通信。所述控制装置121还可以包括一用户接口125，其可以是物理屏幕和/或远程可访问的软件。优选地，所述系统包括一个或多个位置检测装置136(例如GPS、LORAN等)以提供位置数据。所述系统还优选地包括一阀和喷嘴控制/反馈系统130，以允许控制灌溉组件和多个输入/输出以接收来自多个传感器138和多个监测装置的数据，如下面进一步讨论的。
优选地，所述作物/土壤分析模块133可以组合和分析图像数据、现场数据和天气数据以确定作物生长速率和潜在作物产量。根据另一优选实施例，可以使用植被指数来处理和比较成像数据，例如但不限于：比率植被指数(ratio vegetation index,RVI)、归一化差异植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)、土壤调整植被指数(soil-adjusted vegetation index,SAVI)、修正土壤调整植被指数(modified soil-adjusted vegetation index,MASVI)以及简化简单比率指数(reduced simple ratioindex,RSR)。所述作物/土壤分析模块133将优选地处理、组合和评估从所有来源收集的数据，更新水平衡并产生灌溉管理建议。例如，所述作物/土壤分析模块133可以接收当前田间条件的田间特定数据，并且可以优选地使用系统的分析来计算作物用水量、作物水分胁迫指数、植物产量比和其他指数。此外，可以优选地计算植被指数，以检查从空中数据计算的值，并在云层或其他大气干扰存在时提供信息。所述作物/土壤分析模块133和净产量值模块135(如下文进一步讨论)可以向所述可变率灌溉模块129提供数据，所述可变率灌溉模块129可以自主创建和执行灌溉计划，所述灌溉计划包括给定田间的定制驱动指令和实施对象分散率如下文进一步讨论。本发明的处理器122可以优选地与驱动控制和应用压力控制接口来执行灌溉计划。
现在参考图3，显示说明本发明的方面的框图。如图所示，本发明的数据和传感器系统130优选地向数据收集输入132提供输入信号，然后优选地对其进行处理以由所述土壤/作物分析模块133进行分析。来自所述土壤/作物分析模块133的输出优选地可由所述可变率灌溉模块129访问。所述可变率灌溉模块129可以优选地从所述净产量值模块135接收数据，如下面进一步讨论的。
现在参考图4，来自传感器系统的输入信号优选地通过一组数据收集输入132接收，然后被收集并存储在存储器/数据储存库127中。数据源可以包括：系统诊断/总线数据140；土壤传感器输入142；气候传感器输入144；图像传感器输入146；远程数据输入148；和远程/MAV/卫星输入150。由于来自本发明的每个来源的数据在格式和数据结构上可能不同，因此数据优选地被转换成通用格式，例如XML或其他格式，以便随后可以对数据进行挖掘、建模和解释。根据优选实施例，所述数据储存库127优选地为系统中的所有传感器数据以及外部提供的数据以及任何所需的输入转换、扩展数据字典和包含所有输入的数据库设计提供公共模式和存档。由于存储在数据储存库127上的数据是从各种工具获得的，因此优选地进一步处理数据以去除重复和/或冲突的数据。这种数据去冲突优选地通过数据去冲突方法的组合来解决，例如通过一数据去冲突引擎123等提供的基于规则的和机器学习工具。如图7所示，一旦消除冲突，所述土壤/作物分析模块133优选地从所述数据存储127中提取数据，并且将数据与历史作物/天气数据134和其他输入融合。优选地，数据融合是使用几种技术完成的，这些技术可以包括Dempster/Schaeffer、贝叶斯(Bayesian)分类器、神经网络、平行坐标、遗传算法、AI技术和其他分类方案。一旦融合，数据可以优选地通过用户接口182与所述可变率灌溉模块129数据和诊断数据140一起被访问和显示。
根据优选实施例，所述用户接口182可以是任何类型的输入装置。在实施例中，所述用户接口182可以经由有线或无线通信连接进行通信，包括但不限于外围组件互连快速(PCie)连接、以太网连接、光纤连接、USB连接等。用户接口可以优选地包括通过网页提供数据的网络可访问链接，该网页包括如下文进一步讨论的图形用户接口(graphical userinterfaces,GUIs)。
现在参考图5-6，所述系统还可以包括一净产量值模块135，其优选地操作以收集和分析与作物健康、作物生长速率、潜在作物产量和运营成本有关的数据。示例输入变量可以包括：商品定价138；天气数据164；作物生长数据165；资源定价数据167；驱动系统数据140；以及历史数据134。优选地，数据的组合和分析被不断地处理和更新。
如图6所示，所述净产量值模块135优选地使用包括几个处理步骤的净产量值算法168来分析收集的数据。根据优选实施例，所述净产量值算法168优选地使用回归分析172处理接收到的数据以创建所选变量的未来值模型。根据优选实施例，模型可以包括一条或多条商品定价曲线174、作物产量优化曲线176以及资源定价曲线178。这些各自的模型优选地代表在给定生长季节的过程中每个变量的一组预计的未来值。此后，所述净产量值算法168优选地进一步将数学优化建模180应用于建模曲线以确定最佳目标作物产量、灌溉处方和收获排程。所使用的优化方法可以包括没有限制的任何数学优化方法。根据优选实施例，可以优选地使用人工智能技术，例如进化算法等。然后优选地由所述可变率灌溉模块129传输或访问优化的目标作物产量、灌溉规定和收获排程，以用于为给定区域制定目标灌溉规定。
如图7所示，所述土壤/作物分析模块133、所述可变率灌溉模块129和传播媒介诊断系统140的数据输出均可通过用户接口182访问。优选地对输出数据进行建模并使其可用于在集中于数据的图形和数学可视化的仪表板显示中呈现。所述用户接口182优选地提供一接口，通过所述接口由本发明产生的数据被转换成预定义的或用户可选择的视觉表示，如下面进一步讨论的。
现在参考图8，本发明的系统优选地通过提取数据、转换数据并通过请求者的网络浏览器显示建议和预测数据来处理请求。图8显示根据本发明的结合了多个图形用户接口(graphical user interfaces,GUI)的示例性交互式显示。如图所示，第一GUI显示184包括每日灌溉建议以及给定日期189(例如09/06)的灌溉建议的支持信息。在示例显示184中，示例作物“薄荷”连同初始作物蒸散率(ETo)186和当前日期的灌溉深度188一起被显示。提供灌溉建议192(例如，以英寸为单位的灌溉深度)以及指示剩余田间容量百分比的代表性形状190，如下面进一步讨论的。显示的其他支持信息包括：程度日期194；当前时间196；建议灌溉速度198；雨量预报200以及记录雨量202。
如第二GUI显示185所示，本发明可显示未来日期范围204(例如09/06–09/12)的灌溉建议。如图所示，该显示可以包括每日灌溉建议206(例如，灌溉深度，以英寸为单位)以及指示剩余田地容量百分比的代表性形状208。如图所示，每日灌溉建议206可以叠加在代表性形状208上以提供组合信息的有效视图。田间容量210也可以用数字表示。
如在每个GUI显示184、185中所示，灌溉建议可以打印在代表形状190、208的内部或上方，所述形状表示预测的每一天的田间水分状态。优选地，形状190、208可以基于根据土壤水分状态从完整圆形变为新月形的圆形。例如，对于当天的灌溉建议，较少的土壤水分(需要更多的灌溉)可能最好用一个不太完整的圆形来表示。根据进一步的优选实施例，分配189、204给建议的日期可以在每个灌溉推荐之上提供。在灌溉建议之下，打印的土壤水分状态可能会以数字形式报告为田间持水量的百分比(％FC)210。优选地，通过点击灌溉建议或形状190、208，可以扩展任何一天的灌溉预测以显示相关的作物和灌溉数据。本发明的形状190、208可以是彩色的，而且还可以改变颜色、阴影和/或强度以指示不同水平的土壤水分。
参考图9，示例性灌溉建议显示212可以包括图表213，所述图表213具有选定范围内的每一天的信息行。所述图表213可以包括列出每个日期214的信息的列，包括：作物蒸散率(ETc)216；原田间容量216；灌溉后田间容量220；赤字222；灌溉深度224；雨量预报200；预定灌溉量228；记录雨量230；灌溉速度232；灌溉开始时间234；当前时间236；以及灌溉结束时间238。所述图表还可以包括一种或多种基于圆形的形状，所述形状表示土壤水分状态，如上文详细讨论的。
根据优选实施例，用户接口可以优选地允许用户手动输入每日灌溉量。所述系统还可以优选地接收并自动输入接收到的每日降雨量。在这两种情况下，本发明的显示器可以优选地自动更新和显示用户选择的提前天数的更新的灌溉预报数据。因此，用户可以建议提前选定天数的灌溉，并直观地看到原始灌溉预测与预定灌溉预测的比较。此外，所述系统可以优选地计算和更新每一天的土壤水分亏缺以及在选定时期的每一天填补亏缺所需的灌溉。
本发明的范围不应由所示实施例确定，而应由所附权利要求及其合法等效物确定。

Claims (12)

1.一种系统，用于为一第一作物的一输水系统创建灌溉排程数据，其中所述输水系统由一主管道及多个喷雾器组成，其特征在于：所述系统包括：
一传感器系统，所述传感器系统配置为产生一第一组传感器数据，其中所述第一组传感器数据包括图像数据、土壤数据、作物数据及天气数据；
一作物分析模块，所述作物分析模块配置为分析所述第一组传感器数据，以产生一第二组产量计算数据，其中所述第二组产量计算数据包括在多个预期收获日期的一组预期作物产量；
一产量分析模块，所述产量分析模块配置为接收并分析所述第一组传感器数据以及所述第二组产量计算数据；
其中所述产量分析模块配置为接收一第三组产量值数据，所述第三组产量值数据包括所述第一作物的商品定价、天气预报数据及运营成本数据，所述产量分析模块配置为计算所述第一作物的生长和维护的每日运营成本，所述产量分析模块配置为至少部分基于所述天气预报数据来计算所述每日运营成本；
其中所述产量分析模块配置为至少部分基于所述第二组产量计算数据和所计算的第一作物的每日运营成本来计算多个每日净产量值；
其中所述传感器系统配置为产生更新的传感器数据，所述产量分析模块配置为基于所述更新的传感器数据来产生更新的产量计算数据；以及
一可变率灌溉模块，所述可变率灌溉模块配置为至少部分基于由所述产量分析模块产生的多个每日净产量值来计算和显示一第四灌溉建议，其中所述第四灌溉建议以指示一田间水分状态的一代表形状来显示，所述代表形状由一个圆形组成，所述圆形根据所述田间水分状态从一个完整圆形变为所述一个完整圆形的一新月形百分比。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述可变率灌溉模块配置为基于用户输入的信息修改所述第四灌溉建议。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述可变率灌溉模块配置为自动创建和执行一灌溉计划，所述灌溉计划包括所述第一作物的多个自定义驱动指令以及多个实施对象分散率。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于：所述可变率灌溉模块配置为与一驱动控制单元连接，以执行所述灌溉计划。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于：所述可变率灌溉模块配置为与一水压控制单元接口，以执行所述灌溉计划。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于：所述产量分析模块配置为根据一商品定价曲线来计算一第五每日净产量值。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于：所述产量分析模块配置为根据一资源定价曲线来计算一第六每日净产量值。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于：所述产量分析模块配置为至少部分基于多个收集的系统数据来计算所述每日运营成本。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于：所述多个收集的系统数据包含从至少一发动机传感器和至少一燃料传感器接收的诊断及维护信息。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于：所述产量分析模块配置为向所述可变率灌溉模块发送一第七收获排程，所述可变率灌溉模块配置为至少部分基于所述第七收获排程来计算一第八可变率灌溉指示。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于：所述作物分析模块配置为使用一植被指数来分析图像数据。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于：所述植被指数选自多个植被指数的一群组，所述群组包含：比率植被指数、归一化差异植被指数、土壤调整植被指数、修正土壤调整植被指数以及简化简单比率指数。
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