CN207354860U - 茶园肥水一体滴灌监测与控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种茶园肥水一体滴灌监测与控制系统，包括无线传感器网络、控制器，还包括远程服务器、远程控制显示平台，其中无线传感器网络与控制器通讯连接，控制器与远程服务器通讯连接，远程服务器与远程控制显示平台通讯连接。本实用新型得到的用于滴灌控制的数据准确度更高，可有效降低能耗和资源浪费，实现精准滴灌，并提高了茶园滴灌控制效果。

Description

茶园肥水一体滴灌监测与控制系统

技术领域

本实用新型涉及茶园滴灌系统领域，具体是一种茶园肥水一体滴灌监测与控制系统。

背景技术

随着农业科技的发展和人们对农副产品质量要求不断提高，传统的生产模式已不能适应社会发展和生产者的需求，农业科技也越来越得到高度重视，先进科技技术的应用在一定程度上摆脱了对自然环境的改变和抗衡，而进行有效的农业生产，农业设施的机械及信息自动控制技术是体现现代化水平的重要标志之一。

我国茶区具有较丰富的经验，并有不少单位早已建立了规模不等的茶园流灌工程。湖南涞江茶场的流灌工程规模较大，提水用的大小机埠就有9处，总吸水量达2500立方米/时，送水渠道总长达26000米，将洣江河水引入，可灌面积占全场茶园总面积的70%，也有不少生产单位，因陋就简地修筑临灌水渠，在山脚边或园边兴建水利渠道，开挖水沟引水灌溉，在多雨季节里，还可利用灌水沟当排水沟，排除茶园积水。

但是当前我国农业水资源利用率不高、短缺、浪费并存的现状是农业灌溉发展所面临的主要问题，如何在促进茶树优质高产、减少能源消耗的前提下，精准预测作物对水和肥料的需求量，实现水量的自动控制与精确施肥是茶园精准灌溉的发展方向。

实用新型内容 本实用新型的目的是提供一种茶园肥水一体滴灌监测与控制系统，以解决现有技术茶园存在的能耗高、浪费严重、无法精准滴灌的问题。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：

茶园肥水一体滴灌监测与控制系统，其特征在于：包括无线传感器网络、控制器，其中：

无线传感器网络基于ZigBee技术构建，将茶园划分为多个网格，每个网格中分别布置多种具备无线通讯功能的传感器，构建多个无线传感网络节点模块，以及汇聚点模块和路由模块，多个无线传感网络节点模块一一对应配置于各个网格，每个网格中的多种传感器分别通过无线与网格配套的无线传感网络节点模块通讯连接，各个无线传感网络节点模块分别通过无线与汇聚点模块通讯连接，汇聚点模块通过无线与路由模块通讯连接，路由模块与控制器通讯连接，由多种传感器、多个无线传感网络节点模块、汇聚点模块、路由模块构成无线传感器网络；

控制器布置在茶园现场，控制器通过自身通讯端口与无线传感器网络中的路由模块通讯连接，由控制器接收无线传感器网络中各个传感器检测数据，控制器通过自身数字端口与茶园滴灌管路系统中各种滴灌设备的控制模块、各个电磁阀的控制模块连接，由控制器产生控制信号并将控制信号传送至各种滴灌设备的控制模块、各个电磁阀的控制模块，实现茶园滴灌的现场自动控制。

所述的茶园肥水一体滴灌监测与控制系统，其特征在于：控制器为WelleplusWR200系列的嵌入式控制器，该控制器通过自身RS接口与无线传感器网络中的路由模块通讯连接，该控制器通过自身数字接口与茶园滴灌管路系统中各种滴灌设备的控制模块、各个电磁阀的控制模块连接，同时该控制器提供现场人机交互界面，通过现场人机交互界面实现茶园滴灌的现场手动控制。

所述的茶园肥水一体滴灌监测与控制系统，其特征在于：还包括远程服务器、远程控制显示平台，所述控制器通过GPRS模块与远程服务器通讯连接，远程服务器通过Internet网络与远程控制显示平台通讯连接，控制器将接收的来自无线传感器网络的数据传输至远程服务器中存储，所述远程控制显示平台通过Internet网络访问远程服务器以获取数据，远程控制显示平台提供远程人机交互界面，远程专家可通过远程人机交互界面实现茶园滴灌的远程手动控制。

与已有技术相比，本实用新型的有益效果体现在：

1、本实用新型通过多种传感器采集多点不同土壤深度采集信息，得到用于滴灌控制的数据准确度更高。

2、本实用新型结合茶学专家领域知识，可得到相应的控制信息，因此能够实现对茶园的精准滴灌，降低了能耗和资源浪费，可实现精准滴灌。

3、本实用新型能够实现远程自动和手动控制，以及现场自动和手动控制，通过远程和现场控制相结合的方式，提高了茶园滴灌控制效果。

附图说明

图1为本实用新型系统原理框图。

具体实施方式

如图1所示，茶园肥水一体滴灌监测与控制系统，包括无线传感器网络、控制器，其中：

无线传感器网络基于ZigBee技术构建，将茶园划分为多个网格，每个网格中分别布置多种具备无线通讯功能的传感器，每个网格中多种传感器分别监测包括但不限于该网格中的茶园土壤温度信息、土壤 PH 值信息、土壤 EC值信息、空气温湿度信息、光照强度信息、风速信息、风向信息、降雨量信息、茶园滴灌管路系统中各种滴灌设备的开关状态信息和电磁阀的状态信息，构建多个无线传感网络节点模块，以及汇聚点模块和路由模块，多个无线传感网络节点模块一一对应配置于各个网格，每个网格中的多种传感器分别通过无线与网格配套的无线传感网络节点模块通讯连接，各个无线传感网络节点模块分别通过无线与汇聚点模块通讯连接，汇聚点模块通过无线与路由模块通讯连接，路由模块与控制器通讯连接，由多种传感器、多个无线传感网络节点模块、汇聚点模块、路由模块构成无线传感器网络；

控制器布置在茶园现场，控制器通过自身通讯端口与无线传感器网络中的路由模块通讯连接，由控制器接收无线传感器网络中各个传感器检测的茶园土壤温度信息、土壤PH 值信息、土壤 EC值信息、空气温湿度信息、光照强度信息、风速信息、风向信息、降雨量信息、茶园滴灌管路系统中各种滴灌设备的开关状态信息和电磁阀的状态信息，控制器通过自身数字端口与茶园滴灌管路系统中各种滴灌设备的控制模块、各个电磁阀的控制模块连接，控制器内部通过程序构建有专家知识库、规则库，其中专家知识库中存储有茶树在生长的不同阶段对灌溉量与施肥量的知识数据，规则库中结合专家知识库以及无线传感器网络中的信息，通过模糊PID控制算法中模糊控制规则得到控制信息，最后由控制器根据控制信息得到相应的控制信号，并将控制信号传送至各种滴灌设备的控制模块、各个电磁阀的控制模块，实现茶园滴灌的现场自动控制。

控制器为Welleplus WR200系列的嵌入式控制器，该控制器通过自身RS接口与无线传感器网络中的路由模块通讯连接，该控制器通过自身数字接口与茶园滴灌管路系统中各种滴灌设备的控制模块、各个电磁阀的控制模块连接，同时该控制器提供现场人机交互界面，通过现场人机交互界面实现茶园滴灌的现场手动控制。

本实用新型茶园肥水一体滴灌监测与控制系统还包括远程服务器、远程控制显示平台，所述控制器通过GPRS模块与远程服务器通讯连接，远程服务器通过Internet网络与远程控制显示平台通讯连接，其中远程服务器中构建有数据库，控制器将接收的来自无线传感器网络的信息传输至远程服务器，并由远程服务器存储在自身数据库中，所述远程控制显示平台通过Internet网络访问远程服务器中的数据库以获取数据库中信息，远程控制显示平台提供远程人机交互界面，远程专家可通过远程人机交互界面实现茶园滴灌的远程手动控制。

远程控制显示平台中构建有控制程序、比较程序，其中比较程序中预设有各个传感器的预警阈值，远程控制显示平台获取远程服务器的数据库中信息后，由比较程序与对应的预警阈值比较，若超出预警阈值时，由控制程序生成相应的控制信息，并由远程控制显示平台通过远程服务器将控制信息发送至控制器，最后由控制器根据控制信息得到相应的控制信号，实现茶园滴灌的远程自动控制。

远程控制显示平台中人机交互界面以动态方式进行显示各个传感器的信息，显示的刷新周期应能够手工设置；各类数据的显示以不同的图形方式进行展示，根据不同数据的类型及属性以适合的图形显示，用户通过显示界面能够较直观的了解茶园的生产状况；茶园采集传送的信息有多种类型，在实时数据显示时按照数据的不同类别分类显示。

具体实施例：

基于国内外先进的灌溉技术，针对黄山猴魁茶树的生长环境，结合茶学专家领域知识设计了出了一套适应于黄山猴魁茶树的肥水一体化的微滴灌系统。

茶树生长需要的水分，主要靠自然降水供给。茶区虽多处在湿润与半湿润地区，但由于地域辽阔，自然地理因子复杂，雨水分布既有地区的差别，也有季节的不同，即使在同一个月中，分布也捉摸不定，时多时少。茶园灌溉的效果高低，虽然与灌水次数与灌溉水量有关，但重要的还要看是否适时，也就是说要掌握好灌水落石的火候。

本实用新型微滴灌系统通过系统平台、通信设备及现场控制设备共同实现茶园环境信息、土壤信息、 及控制信息的采集、传输，对土壤信息进行数据分析与融合，完成各类信息的动态显示、实现茶园滴灌的远程控制、发布与茶相关的知识。茶园环境信息包括空气温湿度、光照强度、 风速、风向、降雨量，土壤信息包括壤温湿度、土壤 PH 值、土壤 EC值，控制信息包括各电磁阀工作状态、水肥累积流量、控制开关信息。

（1）、以黄山六百里茶园为实验基地，针对黄山特色茗茶的生长环境和土壤特点，在空间上将茶园以网格化形式进行划分，不同的时段测量各网格区域土壤的水分和养分信息。在各网格部署土壤温度、土壤含水量、土壤pH值和土壤养分等传感器以及相应的无线传感网络节点。多点采集不同深度的温湿度土壤 PH 值、土壤 EC值、空气温湿度、光照强度、风速、风向、降雨量、各电磁阀的开关状态等信息。

（2）、控制器采用Welleplus WR200系列控制器，Welleplus WR200为嵌入式控制器，具有多个数字信号和模拟信号接口，同时具有一个以太网接口和两个RS485接口，便于连接各类型传输设备。该控制器支持具有国际标准的IEC 61131工业自动化编程语言，可进行二次开发控制程序。数字输入、数字输出接口可以对阀门等设备进行开、关控制，从而对灌溉进行控制。RS485接口可以对传感器的数据进行实时采集。控制器可现场控制，也可接收远程信号实现远程控制。

（3）、基于ZigBee的无线传感网络节点模块、汇聚点模块和路由模块，构建能够覆盖茶园目标信息的多跳、自组织无线传感器网络，利用冗余节点、多模式供电等技术，将采集到的各个传感器上的数据和阀门开关状态信息，通过控制器上的GPRS模块，完整发送至服务器。

（4）、对于数据的接收采用了两种方法：一是通过配置组态王，用组态王和ModbusTcpServer进行通讯，并将组态王与数据库进行连接，实现数据的接收与存储。二是用自己开发的服务器端口读写模块，主要用于读取端口数据，将接收到传感器数据信息及开关状态并存入数据库；将控制信息（如系统启/停、供水电磁阀开/关、供肥电磁阀开/关、滴灌电磁阀开/关、喷灌电磁阀开/关等）通过端口发送至控制器实现茶园的肥水微滴灌控制。

（5）、围绕茶学专家的先验知识，构建茶树滴灌和施肥的知识数据库和规则库。茶树在生长的不同阶段对灌溉量与施肥量着不同的需求，因此，将茶学专家知识与采集的土壤水分和养分信息相结合，通过模糊PID控制算法中模糊控制规则的构建,实施肥水的精准灌溉。

（6）、控制分为现场手动控制，现场自动控制，远程手动控制，远程自动控制。通过远程分析控制平台采集的数据，结合茶学专家知识实现滴灌系统的远程自动控制。平台用户也可通过自己分析数据信息结合自身经验远程手动控制。在远程控制信号传输出现故障时，可通过二次开发的控制器实现现场自动控制或茶农根据对灌溉“三看”的经验知识在现场进行控制。

（7）、茶园微滴灌系统平台是茶园肥水一体滴灌监测与控制系统的专业远程控制平台。

本实用新型实施例中数据显示：

由茶园传输来的各类数据以动态方式进行显示，显示的刷新周期应能够手工设置；各类数据的显示以不同的图形方式进行展示，根据不同数据的类型及属性以适合的图形显示，用户通过显示界面能够较直观的了解茶园的生产状况；茶园采集传送的信息有多种类型，在实时数据显示时按照数据的不同类别分类显示，如土壤类采集的信息、气象信息等。

本实用新型实施例中开关状态显示：

微滴灌工作主要涉及到的设备为：供电电源开关、供水电磁阀、供肥电磁阀、流量计、滴灌电磁阀、喷灌电磁阀等。制作了相应的动画界面直观形象的显示茶园微滴灌系统的运行状态。微滴灌的工作状态主要分为以下七种：

（1）关机。各种设备包括开关、电磁阀等均处于关闭状态（以下用on表示工作或Off表示关闭）；

（2）水滴灌。供电开关on、供水电磁阀on、供肥电磁阀off、流量计on、滴灌电磁阀on、喷灌电磁阀off；

（3）水喷灌。供电电源开关on、供水电磁阀on、供肥电磁阀off、流量计on、滴灌电磁阀off、喷灌电磁阀on；

（4）水喷滴灌。供电电源开关on、供水电磁阀on、供肥电磁阀off、流量计on、滴灌电磁阀on、喷灌电磁阀on；

（5）水肥滴灌。供电电源开关on、供水电磁阀on、供肥电磁阀on、流量计on、滴灌电磁阀on、喷灌电磁阀off；

（6）水肥喷灌。供电电源开关on、供水电磁阀on、供肥电磁阀on、流量计on、滴灌电磁阀off、喷灌电磁阀on；

（7）水肥喷滴灌。供电电源开关on、供水电磁阀on、供肥电磁阀on、流量计on、滴灌电磁阀on、喷灌电磁阀on；

本实用新型实施例中远程控制：

统计分析采集到的数据，结合猴魁茶树种植专家的经验知识，系统给出判断，实现茶园微滴灌系统的智能化控制。

对于可控制供电电源开关、供水电磁阀、供肥电磁阀、滴灌电磁阀、喷灌电磁阀等，手动远程控制需要专门的用户授权，即只能由具备远程控制权限的用户才能操作。

具备远程控制权限的用户，可通过茶园控制系统的专业远程控制平台控制现场各种设备的开关。普通用户只能查看开关状态，不能控制。

本实用新型实施例中种植预警：

结合专家领域知识，设定阈值。若监测到现场数据出现异常则进行报警，即预警状态变为红色。

本实用新型实施例中远程专家：

设有不同领域的专家，用户可根据自己的需求对专家进行留言提问，用户的留言将会通过后台发送到管理员的邮箱，管理员进行审核，审核通过后将邮件转发给专家，专家进行回复。

本实用新型实施例中用户管理：

后台设置三个等级的管理员：超级管理员、站点管理员、文章发布员，具有不同的管理权限。

超级管理员：最高级别用户，可以增加或删除管理员用户，可以增设相关的栏目，并对平台的相关栏目设定权限；

站点管理员：可以浏览实时数据和工作状态，可以进行茶园滴灌的远程控制。 但不能增/删用户、不能设定栏目、不能设定各栏目权限；

文章发布员：可以发布有关茶的知识和新闻。

普通用户：所有能够浏览网页的用户，只能进行浏览。可以通过注册对专家进行留言咨询。

Claims (3)

1.茶园肥水一体滴灌监测与控制系统，其特征在于：包括无线传感器网络、控制器，其中：

无线传感器网络基于ZigBee技术构建，将茶园划分为多个网格，每个网格中分别布置多种具备无线通讯功能的传感器，构建多个无线传感网络节点模块，以及汇聚点模块和路由模块，多个无线传感网络节点模块一一对应配置于各个网格，每个网格中的多种传感器分别通过无线与网格配套的无线传感网络节点模块通讯连接，各个无线传感网络节点模块分别通过无线与汇聚点模块通讯连接，汇聚点模块通过无线与路由模块通讯连接，路由模块与控制器通讯连接，由多种传感器、多个无线传感网络节点模块、汇聚点模块、路由模块构成无线传感器网络；

控制器布置在茶园现场，控制器通过自身通讯端口与无线传感器网络中的路由模块通讯连接，由控制器接收无线传感器网络中各个传感器检测数据，控制器通过自身数字端口与茶园滴灌管路系统中各种滴灌设备的控制模块、各个电磁阀的控制模块连接，由控制器产生控制信号并将控制信号传送至各种滴灌设备的控制模块、各个电磁阀的控制模块，实现茶园滴灌的现场自动控制。

2.根据权利要求1所述的茶园肥水一体滴灌监测与控制系统，其特征在于：控制器为Welleplus WR200系列的嵌入式控制器，该控制器通过自身RS接口与无线传感器网络中的路由模块通讯连接，该控制器通过自身数字接口与茶园滴灌管路系统中各种滴灌设备的控制模块、各个电磁阀的控制模块连接，同时该控制器提供现场人机交互界面，通过现场人机交互界面实现茶园滴灌的现场手动控制。

3.根据权利要求1或2所述的茶园肥水一体滴灌监测与控制系统，其特征在于：还包括远程服务器、远程控制显示平台，所述控制器通过GPRS模块与远程服务器通讯连接，远程服务器通过Internet网络与远程控制显示平台通讯连接，控制器将接收的来自无线传感器网络的数据传输至远程服务器中存储，所述远程控制显示平台通过Internet网络访问远程服务器以获取数据，远程控制显示平台提供远程人机交互界面，远程专家可通过远程人机交互界面实现茶园滴灌的远程手动控制。