CN214151461U - 一种基于物联网的玉米大田监测系统 - Google Patents

一种基于物联网的玉米大田监测系统 Download PDF

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陈晓娟
李雪
李国华
姜万昌
宫玉琳
南春岩
孙鸿辉
郑筱妤
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Abstract

一种基于物联网的玉米大田监测系统,涉及智慧农业与物联网技术领域,解决现有技术对玉米大田监测时,准确性与实时性差的问题,数据采集与传输模块包括土壤监测模块、气象监测模块及虫情监测模块,分别采集玉米大田的土壤、气象环境、视频和虫情数据,并通过LoRa或4G无线通信方式上传数据至云平台,云平台为用户提供监测数据显示和预警功能,且云平台通过API接口与客户服务平台对接。本实用新型可实时准确地监测玉米大田土壤要素、环境要素、虫情数据,系统结构简单、亩投入低成本、功耗低、组网灵活、监测全面、实用性强,有利于玉米大田的科学管理,可有效辅助管理人员展开玉米作物的农业生产活动。

Description

一种基于物联网的玉米大田监测系统
技术领域
本实用新型涉及智慧农业与物联网技术领域,具体涉及一种基于物联网的玉米大田监测系统。
背景技术
在农业生产过程中,农作物的播种、生长及产量与农田环境要素息息相关,如:环境温湿度、土壤温湿度、土壤养分、光照强度等,及时准确地掌握农田环境要素对农业生产至关重要。传统粗放型农业生产过程,主要依靠农业从业者的经验判断农田环境,进行作物的播种、施肥及其他农田管理等活动,但这种基于经验的农业生产缺乏准确性和规划性,且耗费人力资源较多,不利于农业生产效率的提高和农业生产的良性发展。
随着现代科学技术的发展,物联网技术、信息技术和智能化技术越来越多的应用到农业生产过程中,特别是在农业大棚和农业示范园区内,物联网技术及其设备得到了广泛的应用,显著提高了生产效率和生产过程的科学性。但应用于农业大棚和农业示范园区的物联网监测系统由于其结构、成本、管理方式等因素的制约,难以在大范围农田中推广,多数地区,农业大田仍缺乏科学合理的监测系统支撑农业生产过程。以玉米种植为例,近年来,玉米种植面积大幅提高,对产量的贡献已经超过水稻,成为我国第一大主粮,玉米作为粮、经、饲兼用的作物,对整个国民经济发展有着巨大的影响,但在玉米种植过程中,玉米大田管理仍以传统人工巡视为主,缺乏准确性。为改善这一状况,提高玉米大田监测的准确性与实时性,增强玉米大田管理过程的科学性,提高玉米产量,本实用新型提供了一种结构简单、低成本、低功耗、且适用于玉米大田的物联网监测系统。
实用新型内容
本实用新型为了解决现有技术对玉米大田监测时,准确性与实时性差的问题,提供一种基于物联网的玉米大田监测系统。
一种基于物联网的玉米大田监测系统,包括数据采集与传输模块、云平台和客户服务平台;所述数据采集与传输模块采集的信息通过无线通信传输至云平台,云平台对接收的数据进行显示和预警,并通过API接口与客户服务平台通信;
所述数据采集与传输模块包括土壤监测模块、气象监测模块及虫情监测模块,分别采集玉米大田的土壤、气象环境、视频及虫情数据,并通过无线通信方式上传数据至云平台;
所述土壤监测模块分为网关节点和多个监测子节点,每个监测子节点包括:土壤传感器组、LoRa无线通信模块、主控模块和电源模块,所述土壤传感器组、LoRa无线通信模块和电源模块分别与主控模块连接;
网关节点选用支持4G传输的LoRa网关;多个监测子节点和网关节点间为星型组网;
所述气象监测模块包括气象传感器组、摄像头、太阳能供电模块和主控箱和杆体;
所述主控箱分别与气象传感器组、摄像头和太阳能供电模块电连接,所述气象传感器组和摄像头均置于杆体顶部横杠上,主控箱置于杆体中部太阳能供电模块置于杆体顶端;所述气象监测模块采集数据均采用4G方式传输到云平台。
进一步的,所述网关节点置于农田中心位置,多个监测子节点置于以网关节点为中心的正六边形区域的三个顶点上,构成等边三角形,每三个监测子节点构成一个等边三角形。
进一步的,所述虫情监测模块选用主波长365nm智能虫情测报灯。
进一步的,所述云平台包括监测数据显示和预警模块,对数据采集与传输模块传输的土壤数据、气象环境、视频图像的信息进行监测或预警,用户通过手机终端设备访问云平台;所述云平台通过API接口与客户服务平台传输信息。
进一步的,所述土壤传感器组包括土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH值传感器和土壤电导率传感器。
进一步的,所述气象传感器组1包括温湿度传感器、风速传感器、雨量传感器和光照传感器。
进一步的,所述客户服务平台为用户提供历史数据存储、数据处理、大数据分析和农田评估信息。
本实用新型的有益效果:本实用新型所述的监测系统可实时准确地监测玉米大田土壤温度、土壤湿度、土壤PH值、土壤电导率及土壤氮磷钾含量、环境温度、湿度、光照、雨量、风速等主要环境要素,监测草地贪夜蛾、玉米螟虫等玉米主要虫害,提高玉米大田监测的准确性与实时性,增强玉米大田管理过程的科学性。具体有几下优点:
1、可实现玉米大田土壤要素、气象环境要素、虫害、作物长势的全面监测,有利于玉米大田的综合分析,可有效辅助管理人员进行农田管理、决策和控制。
2、所述土壤监测模块,采用LoRa与4G结合的无线通信方式,LoRa具有传输距离远、成本低的特点,非常适用于节点多监测范围广的场景,监测子节点采用LoRa通信方式更经济实用;网关节点及视频和图像的传输采用4G方式,可以保证传输带宽及通信的实时性。
3、本实用新型监测子节点和网关节点的位置关系充分考虑了玉米大田的特点,既能实现大范围监测,又可提高局部监测精度,系统的实用性更强。
4、本实用新型亩投入成本低、功耗小、组网灵活、实时性强,不仅可以应用于玉米大田监测,还可以应用于其他农作物大田监测场景,具有较强的实用性。
附图说明
图1为本实用新型所述的一种基于物联网的玉米大田监测系统的原理框图;
图2为本实用新型所述的一种基于物联网的玉米大田监测系统中监测子节点的原理框图;
图3为本实用新型所述的一种基于物联网的玉米大田监测系统中气象监测模块的原理框图;
图4为本实用新型所述的一种基于物联网的玉米大田监测系统中气象监测模块的安装关系示意图;
图5为本实用新型所述的一种基于物联网的玉米大田监测系统中监测子节点和网关节点位置关系示意图。
图中:1、气象传感器组,2、太阳能供电模块,3、摄像头,4、杆体,5、主控箱,6、地基。
具体实施方式
结合图1至图5说明本实施方式,一种基于物联网的玉米大田监测系统,包括数据采集与传输模块、云平台和客户服务平台。所述数据采集与传输模块包括土壤监测模块、气象监测模块及虫情监测模块,分别采集玉米大田的土壤、气象环境、视频和虫情数据,并通过LoRa或4G无线通信方式上传数据至云平台,云平台主要为用户提供监测数据显示和预警功能,且云平台通过API接口与客户服务平台对接,客户服务平台为用户提供历史数据存储、数据处理、大数据分析和农田评估功能。
如图1所示,土壤监测模块分为多个监测子节点和网关节点。其中监测子节点如图2所示,包括土壤传感器组、LoRa无线通信模块、主控模块和电源模块,所述主控模块MCU为STM32L053R8T6单片机,功耗低;LoRa无线通信模块芯片为SX1268,功耗低,传输距离远,成本低,有利于大范围部署;网关节点选用支持4G传输的LoRa网关,装有4G全频棒状天线,带有标准6针SIM卡接口,4G传输方式有利于提高系统的灵活性。LoRa自组网有三种工作模式:节点主动上报、轮询唤醒、服务器下发。多个监测子节点和网关节点间为星型组网。监测子节点和网关节点位置关系如图5所示,网关节点置于农田中心位置,监测子节点置于以网关节点为中心的正六边形区域的三个顶点上,构成等边三角形,每三个监测子节点构成一个等边三角形,根据实际地势情况,可在六边形的中心和其余顶点处增加监测子节点,必要时可调整监测子节点间距。
本实施方式中,所述土壤监测模块工作工程如下:每个监测子节点中的土壤传感器组,即:土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH值传感器和土壤电导率传感器分别负责采集土壤温度、土壤湿度、土壤PH值、土壤电导率及土壤氮磷钾含量等主要土壤要素,由主控模块MCU读取传感器组数据,经LoRa无线通信模块将数据发送至网关节点,再由网关节点采用4G方式将数据传输到云平台。
如图3所示,所述气象监测模块主要包括气象传感器组1、摄像头3、太阳能供电模块2、主控箱5和杆体4,其中气象传感器组1置于杆体顶部横杠上并通过串口与主控箱5相连,负责采集环境温度、湿度、光照、雨量、风速等主要气象环境数据;摄像头3置于杆体顶部横杆上并与主控箱5相连,负责监测作物长势;主控箱5置于杆体4中部,是气象监测模块的主控单元;太阳能供电模块2置于杆体4顶端,负责为气象传感器组、摄像头3和主控箱5供电;杆体4置于地基6上。所述气象监测模块采集的环境要素、视频和图像数据均采用4G方式传输到云平台。
本实施方式中,所述虫情监测模块选用主波长365nm智能虫情测报灯,负责监测草地贪夜蛾、玉米螟虫等玉米病虫害信息,具有害虫诱捕和拍照、分类统计、实时报传、远程检测、虫害预警功能,智能虫情测报灯有效测报范围为50亩-100亩,亩投入成本低。
本实施方式中,所述云平台包括监测数据显示和预警模块,具有数据中转和数据暂存功能;监测数据显示和预警模块负责显示土壤、气象环境、视频图像等监测信息,当某一(或某些)指标超出阈值时,显示预警信息,用户可通过手机等终端设备访问云平台,随时查看上述信息。
采用本实施方式所述的监测系统对数据进行采集并进行数据一致性检验,去除传感器测量的异常数据,得到最优数据集,然后再对同区域内多个传感器采集的同类原始数据进行自适应加权融合。即在总均方误差最小的条件下,根据各传感器实时测量到的数据,以自适应方式为区域内的n个传感器分配相应的最优加权因子wi(i=1,2,...,n),传感器的方差越大,对应所分配的权值越小,进而求得最终的估计值
Figure BDA0002993611110000051
贴近真实值,能够更真实地反应农田情况。
具体过程如下:以土壤温度传感器为例,假设某玉米大田区域内共设置n个传感器测量土壤温度,第i(i=1,2,...,n)个土壤温度传感器的方差为
Figure BDA0002993611110000052
待估计的传感器真实值为X,各传感器的测量值经过一致性检验后为X1,X2,...Xi,...,Xn,它们彼此相互独立,并且是X的无偏估计,各传感器的加权因子为wi(i=1,2,...,n),则估计值
Figure BDA0002993611110000053
和加权因子wi(i=1,2,...,n)满足公式:
Figure BDA0002993611110000054
总均方误差
Figure BDA0002993611110000055
根据多元函数求极值理论,得总均方误差最小时对应的加权因子为:
Figure BDA0002993611110000056
所对应的最小均方误差为:
Figure BDA0002993611110000057
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本实用新型构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本实用新型的保护范围。因此,本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于物联网的玉米大田监测系统,包括数据采集与传输模块、云平台和客户服务平台;其特征是:所述数据采集与传输模块采集的信息通过无线通信传输至云平台,云平台对接收的数据进行显示和预警,并通过API接口与客户服务平台通信;
所述数据采集与传输模块包括土壤监测模块、气象监测模块及虫情监测模块,分别采集玉米大田的土壤、气象环境、视频及虫情数据,并通过无线通信方式上传数据至云平台;
所述土壤监测模块分为网关节点和多个监测子节点,每个监测子节点包括:土壤传感器组、LoRa无线通信模块、主控模块和电源模块,所述土壤传感器组、LoRa无线通信模块和电源模块分别与主控模块连接;
网关节点选用支持4G传输的LoRa网关;多个监测子节点和网关节点间为星型组网;
所述气象监测模块包括气象传感器组(1)、摄像头(3)、太阳能供电模块(2)和主控箱(5)和杆体(4);
所述主控箱(5)分别与气象传感器组(1)、摄像头(3)和太阳能供电模块(2)电连接,所述气象传感器组(1)和摄像头(3)均置于杆体(4)顶部横杠上,主控箱(5)置于杆体中部太阳能供电模块(2)置于杆体(4)顶端;所述气象监测模块采集数据均采用4G方式传输到云平台。
2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的玉米大田监测系统,其特征在于:所述网关节点置于农田中心位置,多个监测子节点置于以网关节点为中心的正六边形区域的三个顶点上,构成等边三角形,每三个监测子节点构成一个等边三角形。
3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的玉米大田监测系统,其特征在于:所述土壤传感器组包括土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH值传感器和土壤电导率传感器。
4.根据权利要求1所述的一种基于物联网的玉米大田监测系统,其特征在于:所述气象传感器组(1)包括温湿度传感器、风速传感器、雨量传感器和光照传感器。
5.根据权利要求1所述的一种基于物联网的玉米大田监测系统,其特征在于:所述虫情监测模块选用主波长365nm智能虫情测报灯。
6.根据权利要求1所述的一种基于物联网的玉米大田监测系统,其特征在于:所述云平台包括监测数据显示和预警模块,对数据采集与传输模块传输的土壤数据、气象环境、视频图像的信息进行监测或预警,用户通过手机终端设备访问云平台;所述云平台通过API接口与客户服务平台传输信息。
7.根据权利要求1所述的一种基于物联网的玉米大田监测系统,其特征在于:所述客户服务平台为用户提供历史数据存储、数据处理、大数据分析和农田评估信息。
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CN114675694A (zh) * 2022-03-24 2022-06-28 宁波云笈科技有限公司 基于Lora无线传感的5G智慧育苗方法及系统
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