CN209749385U - 一种精准灌溉监控系统 - Google Patents

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温宗周
田强明
李丽敏
李成强
许冠芝
程少康
刘德阳
徐根祺
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Abstract

本实用新型公开的一种精准灌溉监控系统,包括设置在待监控的农田附近的监测站,监测站包括环境因子采集模块,环境采集因子模块的输出端连接控制器a,控制器a还连接气象因子采集模块,控制器a将环境因子采集模块和气象因子采集模块采集的待监控农田的数据信息通过GPRS无线通信模块传输给中心站,中心站将数据信息进行分类处理并将气象数据输出给决策分析模块,将环境因子数据信息传输给客户端,决策分析模块将气象数据分析并计算得到农田的实际需水量,并将计算结果传输给客户端。本实用新型公开的监控系统,解决了现有灌溉监控系统需要大量人工实验,从而导致人工成本高并且实验数据存在主观性误差的问题。

Description

一种精准灌溉监控系统
技术领域
本实用新型属于农业设备技术领域,具体涉及一种精准灌溉监控系统。
背景技术
目前,我国人均拥有的水资源占有量不足世界人均数的四分之一,南北方的水资源分布又极不均衡,南方地区耕地面积占全国的42%,水资源量占全国81%,然而北方地区耕地面积占全国的58%,水资源量仅占全国水资源量19%。我国作为农业灌溉用水大户,近几年,灌溉用水量达到了全国总用水的65%左右。因此,解决我国灌溉缺水问题必须发展节水灌溉,改变传统的农业经营模式。研究表明根据气象资料、土壤数据、植物生理状况等多环境因子作为植物灌溉需水量的信息,精确控制灌溉延续时间、灌溉量和灌溉周期,能够很好的使作物的各个生育期都能得到最佳的用水量,从而提高水资源的利用率,同时,又能提高作物的产量,这将会加快农业现代化的进程。
在中国,农业灌溉55%的用水量以过量灌溉后大量渗漏渗透到植物根部以下、地表径流流失、输水渠道渗漏等方式被浪费。因此,科学的灌溉决策,使农作物生活在一个农作物真正感到舒服的土壤环境中,对提高农作物的产量有非常重要的意义,并且能够节约水资源。现有的灌溉监控系统大多通过传感器采集的数据全部与人工经验设定的阈值对比实现灌溉的控制,但是这种灌溉系统需要筛选各种大量的实验数据,人工成本大且实验数据的偏差无法准确计算,获得的数据主观性较强。因此,有效的灌溉监控系统不仅可以缓解水资源日趋紧张的矛盾,还可以增加农作物的产量,降低农产品的成本。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种精准灌溉监控系统,解决了现有灌溉监控系统需要大量人工实验,从而导致人工成本高并且实验数据存在主观性误差的问题。
本实用新型所采用的技术方案是,一种精准灌溉监控系统,包括设置在待监控农田附近的监测站,监测站包括安装在待监控农田的环境因子采集模块,环境采集因子模块的输出端连接控制器a,控制器a还连接气象因子采集模块,控制器a将环境因子采集模块和气象因子采集模块采集的待监控农田的数据信息通过GPRS无线通信模块传输给中心站,中心站将数据信息进行分类处理并将气象数据输出给决策分析模块,将环境因子数据信息传输给客户端,决策分析模块将气象数据分析并计算得到农田的实际需水量,并将计算结果传输给客户端,控制器a的输出端连接灌溉控制模块的输出端,灌溉控制模块的输出端信号连接电磁阀,灌溉控制模块根据控制器a传送的数据信息控制安装在灌溉装置上的电磁阀开闭,调节灌溉装置工作状态。
控制器a通过RS232的通讯连接存储模块,用于保存环境因子采集模块采集到的数据信息。
控制器a还连接电源模块,为控制器a供电,电源模块采用包括安装在监测站顶部的太阳能电池板,太阳能电池板电线连接电压转换模块,电压转换模块连接稳压线路,太阳能电池板通过电压转换模块和稳压线路将电压转换为12V,为控制器a供电。
环境采集因子模块包括土壤湿度传感器、土壤温度传感器、水位计和电磁流量计,土壤湿度传感器间隔安装在待监控农田地面土层下方20cm、30cm和40cm不同深度土壤中,用于采集土层不同深度土壤含水量;土壤温度传感器间隔安装在待监控农田土壤中,用于采集土壤温度;水位计垂直插在待监控农田的土壤中,用于采集农田的水位;电磁流量计安装在灌溉装置的出水口,用于采集灌溉量。
气象因子采集模块包括铺设在距离待监控农田地面土层上方150cm的气象监测站,用于采集农田附近的空气温湿度、光照强度、风速和大气压强气象数据和监测降雨量,气象监测站的输出端连接控制器b,控制器b通过wifi无线通信模块将采集的气象数据传输给控制器a。
控制器b还连接电源模块。
气象监测站的型号为YY-QXZDZ-E1,气象监测站包括空气温湿度传感器、光照强度传感器、风速传感器、大气压强传感器和雨量计。
中心站包括服务器、数据库、预警系统和防火墙。
本实用新型的有益效果是,一种精准灌溉监控系统,解决了现有灌溉监控系统需要大量人工实验,从而导致人工成本高并且实验数据存在主观性误差的问题。通过对软硬件设计和利用机器学习技术完成对精准灌溉模型参数的训练,将气象监测模块监测到的空气温湿度、光照强度、风速、大气压强和由土壤湿度传感器和土壤温度传感器监测得到的土壤湿度和温度信息通过wifi无线通信传输给控制器,再通过GPRS无线通信模块传输给中心站,最后经由决策分析模块,根据蒸腾量预测模型对蒸腾量做出预测,利用预测得到的蒸腾量再乘以相应的作物系数,便可得到实际的蒸腾蒸发量,也就是作物的实际需水量。再根据水量平衡原理,便可算出真正的灌溉量。后期还可以根据灌溉的数据反馈给决策分析模块进行学习,及时调整灌溉策略。
附图说明
图1是本实用新型的一种精准灌溉监控系统的结构示意图。
图中,1.控制器a,2.环境因子采集模块,3.存储模块,4.电源模块,5.土壤湿度传感器,6.土壤温度传感器,7.水位计,8.电磁流量计,9.气象监测站,10.太阳能电池板,11.wifi无线通信模块,12.控制器b,13.灌溉控制模块,14.电磁阀,15.GPRS无线通信模块,16.中心站,17.决策分析模块,18.客户端。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
本实用新型的一种精准灌溉监控系统,如图1所示,包括设置在待监控农田附近的监测站,监测站包括安装在待监控农田的环境因子采集模块2,环境采集因子模块2的输出端连接控制器a1,控制器a1还连接气象因子采集模块,控制器a1将环境因子采集模块2和气象因子采集模块采集的待监控农田的数据信息通过GPRS无线通信模块15传输给中心站16,中心站16将数据信息进行分类处理并将气象数据输出给决策分析模块17,将环境因子数据信息传输给客户端18,决策分析模块17将气象数据分析并计算得到农田的实际需水量,并将计算结果传输给客户端18,控制器a1的输出端连接灌溉控制模块13的输出端,灌溉控制模块13的输出端信号连接电磁阀14,灌溉控制模块13根据控制器a1传送的数据信息控制安装在灌溉装置上的电磁阀14的开闭,调节灌溉装置工作状态。
控制器a1通过RS232的通讯连接存储模块3,用于保存环境因子采集模块2采集到的数据信息。存储模块3的芯片型号为AT45DB161D,通过RS232的通讯方式和控制器1相连,用于保存环境因子采集模块2采集到的各个数据(包括不同土壤深度含水量、土壤温度、灌溉时田间水位、灌溉量、气象监测站监测到的空气温湿度、光照强度、风速、大气压强和雨量信息)。
控制器a1还连接电源模块4,为控制器a1供电,电源模块4采用包括安装在监测站顶部的太阳能电池板,太阳能电池板电线连接电压转换模块,电压转换模块连接稳压线路,太阳能电池板通过电压转换模块和稳压线路将电压转换为12V,为控制器a1供电。
环境采集因子模块包括土壤湿度传感器5、土壤温度传感器6、水位计7和电磁流量计8,土壤湿度传感器5间隔安装在待监控农田地面土层下方20cm、30cm和40cm不同深度土壤中,用于采集土层不同深度土壤含水量,以确保植物根系的土层保持在合理的湿度范围之内;土壤温度传感器6间隔安装在待监控农田土壤中,用于采集土壤温度;水位计7垂直插在待监控农田的土壤中,用于采集农田的水位;电磁流量计8安装在灌溉装置的出水口,用于采集灌溉量。
土壤湿度传感器5型号为SWR-4,土壤温度传感器6型号为ST-TR-WS,水位计7型号为FD-5326,电磁流量计8型号为QTLD。
气象因子采集模块包括铺设在距离待监控农田地面土层上方150cm的气象监测站9,可灵活安装需要的传感器,用于采集农田附近的空气温湿度、光照强度、风速和大气压强气象数据和监测降雨量,气象监测站9的输出端连接控制器b12,控制器b12通过wifi无线通信模块11将采集的气象数据传输给控制器a1。
控制器b12还连接所述电源模块4。
气象监测站9的型号为YY-QXZDZ-E1,气象监测站9包括空气温湿度传感器、光照强度传感器、风速传感器、大气压强传感器和雨量计。
中心站16包括服务器、数据库、预警系统和防火墙。服务器实现监控系统GPRS无线通信模块15的连接、病毒的防范以及环境因子采集模块2和气象监测站9采集数据的存储;数据库系统是存储在服务器内的一套数据库,实现上传数据的分类存储;预警系统对土壤湿度传感器5、土壤温度传感器6、水位计7、电磁流量计8、气象监测站9、电磁阀14设备工作是否正常的警情信息下发报警信号;防火墙实现访问控制数据的安全性管理。
本实用新型的一种精确灌溉监控系统工作原理为:气象监测站9铺设在离地面150cm的位置,可灵活安装需要的传感器,包括空气温湿度传感器、光照强度传感器、风速传感器和大气压强传感器,采集空气温湿度、光照强度、风速和大气压强,再利用土壤湿度传感器5和土壤温度传感器6得到的土壤温湿度,共七种即容易获得又是影响蒸腾量的主要因素;获得的七种因素传输给控制器a1,控制器a1通过GPRS无线通信模块15传输给中心站16,中心站16得到的数据通过数据库分析分类,将气象数据传输给决策分析模块17得到实际的灌溉量,同时将环境采集模块采集的数据信息显示在客户端18,决策分析模块17将实际的灌溉量显示在客户端18。
客户端18除了可以显示决策分析模块17得到的灌溉量之外,同时显示土壤湿度传感器5、土壤温度传感器6、水位计7和电磁流量计8以及气象监测站9采集到的数据,又可以显示电磁阀14的开关状态。
决策分析模块17采用决策分析软件,通过机器学习技术得到预测蒸腾蒸发量的模型,再利用作物各个阶段的作物系数(可由联合国粮农组织推荐的作物系数表中获取),便可得到实际的蒸腾蒸发量,为了降低计算的复杂度,再利用简化的水量平衡公式便可得到实际的灌溉量。实际蒸腾蒸发量公式为ETC=ET0*KC,其中ETC:实际蒸腾蒸发量,mm/d;ET0:预测蒸腾量,mm/d;KC:作物系数;
简化后的水量平衡公式为:I+H1=ETc-P+H2,其中,I:灌溉量,mm;ETc:蒸腾蒸发量,mm/d;P:降雨量,mm/d;H1:灌溉前的田间水位;H2:灌溉后的田间水位。
本实用新型的一种精准灌溉监控系统的工作过程:首先,检查装置的供电是否正常,再自动进行初始化设置。然后将气象监测站监测到的空气温湿度、光照强度、风速、大气压强通过wifi无线通信模块11传输给控制器a1,再加上控制器a1通过土壤湿度传感器5和土壤温度传感器6获得的土壤温湿度数据,再通过GPRS无线通信模块15传输给中心站16,最后经由决策分析模块17,根据蒸腾量预测模型对蒸腾量做出预测,利用预测得到的蒸腾量再乘以相应的作物系数,便可得到实际的蒸腾蒸发量,也就是作物的实际需水量。再根据简化的水量平衡原理,便可算出真正的灌溉量。测得的传感器数据和算出的蒸腾蒸发量同时在客户端18上进行显示,同时计算出的灌溉量便会经过控制器a1作用于灌溉控制模块13,灌溉控制模块13便会控制电磁阀14的开闭,同时电磁流量计8监测灌溉量。灌溉之后,土壤湿度传感器5将测得的不同土层深度的含水量反馈给决策分析模块17,决策分析模块17再通过机器学习技术自动调整灌溉策略,实现精准灌溉任务。
本实用新型的一种精准灌溉监控系统,从信息监测部分到控制灌溉部分再到决策监测部分构成了一个完整的监控系统。以作物各时期对水分的需求量为依据,以提高作物的水分利用率为目标,适时适量地进行灌溉,使作物一直生长在最佳土壤湿度状态,最终实现农业生产的高品质、高产量、高效益。

Claims (8)

1.一种精准灌溉监控系统,其特征在于,包括设置在待监控农田附近的监测站,所述监测站包括安装在待监控农田的环境因子采集模块(2),所述环境因子采集模块(2)的输出端连接控制器a(1),所述控制器a(1)还连接气象因子采集模块,所述控制器a(1)将所述环境因子采集模块(2)和所述气象因子采集模块采集的待监控农田的数据信息通过GPRS无线通信模块(15)传输给中心站(16),所述中心站(16)将数据信息进行分类处理并将气象数据输出给决策分析模块(17),将环境因子数据信息传输给客户端(18),所述决策分析模块(17)将气象数据分析并计算得到农田的实际需水量,并将计算结果传输给所述客户端(18),所述控制器a(1)的输出端连接灌溉控制模块(13)的输出端,所述灌溉控制模块(13)的输出端信号连接电磁阀(14),所述灌溉控制模块(13)根据所述控制器a(1)传送的数据信息控制安装在灌溉装置上的所述电磁阀(14)的开闭,调节灌溉装置工作状态。
2.如权利要求1所述的一种精准灌溉监控系统,其特征在于,所述控制器a(1)通过RS232的通讯连接存储模块(3),用于保存所述环境因子采集模块(2)采集到的数据信息。
3.如权利要求1所述的一种精准灌溉监控系统,其特征在于,所述控制器a(1)还连接电源模块(4),为所述控制器a(1)供电,所述电源模块(4)采用包括安装在监测站顶部的太阳能电池板,所述太阳能电池板电线连接电压转换模块,所述电压转换模块连接稳压线路,所述太阳能电池板通过所述电压转换模块和所述稳压线路将电压转换为12V,为所述控制器a(1) 供电。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种精准灌溉监控系统,其特征在于,所述环境采集因子模块包括土壤湿度传感器(5)、土壤温度传感器(6)、水位计(7)和电磁流量计(8),所述土壤湿度传感器(5)间隔安装在待监控农田地面土层下方20cm、30cm和40cm不同深度土壤中,用于采集土层不同深度土壤含水量;所述土壤温度传感器(6)间隔安装在待监控农田土壤中,用于采集土壤温度;所述水位计(7)垂直插在待监控农田的土壤中,用于采集农田的水位;所述电磁流量计(8)安装在灌溉装置的出水口,用于采集灌溉量。
5.如权利要求3所述的一种精准灌溉监控系统,其特征在于,所述气象因子采集模块包括铺设在距离待监控农田地面土层上方150cm的气象监测站(9),用于采集农田附近的空气温湿度、光照强度、风速和大气压强气象数据,所述气象监测站(9)的输出端连接控制器b(12),所述控制器b(12)通过wifi无线通信模块(11)将采集的气象数据传输给所述控制器a(1)。
6.如权利要求5所述的一种精准灌溉监控系统,其特征在于,所述控制器b(12)还连接所述电源模块(4)。
7.如权利要求5所述的一种精准灌溉监控系统,其特征在于,所述气象监测站(9)的型号为YY-QXZDZ-E1,所述气象监测站(9)包括空气温湿度传感器、光照强度传感器、风速传感器、大气压强传感器和雨量计。
8.如权利要求1-3任一项所述的一种精准灌溉监控系统,其特征在于,所述中心站(16)包括服务器、数据库、预警系统和防火墙。
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CN112602563A (zh) * 2020-12-15 2021-04-06 珠海市现代农业发展中心(珠海市金湾区台湾农民创业园管理委员会、珠海市农渔业科研与推广中心) 一种节水灌溉系统及精准灌溉方法

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