CN102626026A - 基于gps、gis和传感网技术的茶园精确管理*** - Google Patents

基于gps、gis和传感网技术的茶园精确管理*** Download PDF

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陈宏�
张书慧
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Abstract

本发明公开了一种基于GPS、GIS和传感网技术的茶园精确管理***，通过GPS、GIS和传感网技术对茶园内茶叶生长环境信息、茶园作业机械、防霜（冻）风扇以及作业生产状况进行实时精准定位管理。使用全球定位***和地理信息***采集茶园地块轮廓属性，采用地理信息***管理茶园内的土壤养分、温度与茶叶产量信息，根据土壤养分信息和茶叶长势需求进行变量施肥作业；根据茶园内病虫草害分布情况，进行变量喷药作业；应用由温度传感器、无线传输模块组成的茶园温度监测网络实时监测茶园内环境温度，根据逆温条件产生,实时控制防霜（冻）风扇工作,预防控制茶园冻害产生，保障茶叶质量和产量。

Description

基于GPS、GIS和传感网技术的茶园精确管理***
技术领域
本发明属于农业领域，涉及一种应用GPS、GIS和无线传输技术的茶园环境与作业的精准管理***。
背景技术  
随着人们物质生活水平的不断提高，茶叶消费向高档、名优化趋势发展，茶叶的品质则成为最大的关注点。目前，在茶树栽植与生长过程中，对茶园的施肥、施药、采摘等作业主要依靠茶农的经验进行，而且施肥和喷药量使用也是采用均匀施肥作业和常量喷药，缺乏切实可行的精准管理与科学指导。由于茶园内各处土壤养分、病虫害受害程度存在差异性，造成了茶园部分区域内化肥与农药等化学品的过度使用，出现茶叶品质下降，在市场上失去竞争力等问题。同时，名优茶生产，力求早上市，卖好价，但名优茶以“早”为贵的商品特点与山区茶园易受冻害的情况存在着矛盾。由于茶树物候期提前，加上早生、特早生无性系茶树良种的推广以及先进科学技术的应用，春茶开园早，常常发生倒春寒，使茶树发生霜（冻）害，不但损失产量，更重要的是降低茶叶的品质，给茶农造成很大的经济损失。为保证获得茶叶的高品质、高产量，需要有针对性的科学施肥、用药，提高茶叶的品质，降低生产投入成本的同时减少对环境的污染；通过实时监测茶园温度，掌握茶树霜（冻）害发生的原因及发生规律，及时控制防霜(冻)风扇或采取相应的预防与补救措施，防止和减少霜（冻）害的发生，保障茶叶质量和产量是茶园管理的一项重要技术，也是提高种茶业种植效益的有效途径。
在茶园进行温度监测方面，江苏大学戴青玲等人选择PC机作为主控单元，通过RS-485总线通信对各节点进行监控。分别对上位机操作界面、通信接口和终端节点的各个功能模块进行设计。使用有线数据传输，成本高，日后维修较困难。
茶园防霜风扇是近年来从日本引进的技术，该技术是每个风扇内含有一个控制器，各个控制器控制各自的风扇。该方式投入较高，而且没有实现集中控制、集中管理的效果。
茶园是一个比较复杂的环境，布线比较困难，将无线传感网络技术应用在茶园防霜(冻)***中，国内外还较少见。
就农作物的生长环境而言，温度是其最基本的生长要素。传统环境温度监测手段人工依赖性大，监测范围小，在应用中受到限制。国内外对作物生长环境温度监测技术，大多应用在温室控制中，其监测对象主要是：蔬菜、瓜果等农作物。应用于茶叶生长管理的环境温度实时监测***，还未见报道。
根据环境温度、养分和受害状况与地理位置的准确信息，通过茶园管理专家***得出合理的作业指令，在茶园内应用GIS、GPS、变量施肥机和变量喷药机实施变量施肥和变量喷药还未见报道。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于GPS、GIS和传感网技术的茶园精确管理***，该***是通过GPS（全球定位***）、GIS（地理信息***）和传感网技术对茶园内茶叶生长环境，包括茶园土壤养分、环境温度、病虫害信息、茶园作业机械、防霜（冻）风扇以及作业生产状况进行实时定位精准管理，及时控制防霜(冻)风扇，并采取相应的预防与补救措施，防止和减少霜（冻）害的发生，保障茶叶质量和产量。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于GPS、GIS和传感网技术的茶园精确管理***，其特征在于：该***包括田间控制模块、田间作业模块、田间管理模块和中央控制模块；在中央控制模块内设有地理信息***；所述田间控制模块包括田间GPS和田间作业控制器；田间作业模块包括变量施肥机和变量喷药机；变量施肥机和变量喷药机与田间GPS和田间作业控制器连接；田间作业控制器通过Z-BEE数据采集与无线传输设备与中央控制模块连接，并将中央控制模块给出的施肥处方数据和田间GPS提供的位置信息传送给变量施肥机，通过变量施肥机实现变量施肥作业；将中央控制模块给出的喷药处方数据和田间GPS提供的位置信息传送给变量喷药机实现变量喷药作业；田间管理模块包括温度传感器和防霜-（冻）风扇，温度传感器实时测量茶园内温度变化信息并将信息通过Z-BEE数据采集与无线传输设备传送给中央控制模块，中央控制模块实时发出指令控制防霜冻风扇工作。
本发明的工作原理是：使用全球定位***（GPS）和地理信息***（GIS）采集茶园地块轮廓属性，采用地理信息***（GIS）管理茶园内的土壤养分、温度与茶叶产量信息，通过编程实现茶园地图绘制与管理、茶园土壤、茶叶采摘与茶叶产量信息管理；根据土壤养分信息和茶叶长势需求进行变量施肥作业；根据茶园内病虫草害分布情况，进行变量喷药作业；应用由温度传感器、无线传输模块组成的茶园温度监测网络实时监测茶园内环境温度，当逆温条件产生时,实时控制防霜（冻）风扇工作,预防控制茶园冻害发生。从而保障茶叶生产的品质与产量。
本发明可对茶园进行实时温度监测防霜冻作业与管理。位于4米和茶树叶冠层高度的2个温度传感器被设置成省电工作模式，每隔10分钟测得该处的温度，并将数据通过Z-BEE数据采集与无线传输设备发送到田间作业控制器，使用的Z-BEE数据采集与无线传输设备传输距离是2000米，对于较远处的中央计算机，使用中间结转数据采集与无线传输设备。由温度传感器、Z-BEE数据采集与无线传输设备、防霜风扇和中央计算机组成的无线温度监测与防霜网络，实时测量茶园内温度变化，当逆温形成后，中央计算机根据逆温产生条件,实时发出指令控制防霜（冻）风扇工作, 防霜（冻）风扇的启动可由田间作业控制器控制，也可由位于风扇附近的Z-BEE数据采集与无线传输设备接收启动指令后，控制风扇工作。
本发明将空间信息技术、传感器检测技术、传感网技术与自动控制技术相结合，实现对茶园环境温度信息的自动采集、无线传输、实时监测和精准作业与管理。在不同季节，根据茶园内茶叶生长环境温度、土壤养分、病虫害信息，应用空间信息技术和传感网技术对茶园温度进行不间断实时监测，通过茶园管理专家***得出合理的管理指令，通过GPS和变量施肥机或变量喷药机实现按茶叶生长营养需求、或受害控制进行变量施肥和喷药，达到减少投入、提高效益和保障茶叶品质的目的。解决在茶园养分空间分布不均匀，或病虫害程度不同的情况下，以均衡常量的作业方式施肥、喷药所造成的化肥、农药使用过度的问题。通过实时精准的空间管理，进行实时有针对性的精准调控，节省人力、物力，降低生产成本，降低损失，提高茶品质量和产量。
附图说明
图1 为本发明的总体框图。
图2为本发明的的连接示意图。
具体实施方式
本发明所述的基于GPS、GIS和传感网技术的茶园精确管理***，见图1和图2。该***包括田间控制模块1、田间作业模块2、田间管理模块3和中央控制模块4；中央控制模块4是中央计算机。在中央计算机内设有地理信息***41；田间控制模块1包括田间GPS11和田间作业控制器12；田间作业控制器12可以是田间计算机。田间作业模块2包括变量施肥机21和变量喷药机22；变量施肥机21和变量喷药机22与田间GPS11和田间作业控制器12连接；田间作业控制器12通过Z-BEE数据采集与无线传输设备5与中央控制模块4连接，并将中央控制模块4给出的施肥处方数据和田间GPS11提供的位置信息传送给变量施肥机21，通过变量施肥机21实现变量施肥作业；将中央控制模块4给出的喷药处方数据和田间GPS11提供的位置信息传送给变量喷药机22实现变量喷药作业；田间管理模块3包括温度传感器31 和防霜冻风扇32，温度传感器31 实时测量茶园内温度变化信息并将信息通过Z-BEE数据采集与无线传输设备5传送给中央控制模块4，中央控制模块4实时发出指令控制防霜（冻）风扇32工作。
本发明中央控制模块4为中央计算机，中央计算机内***软件包括四个部分：第一部分是茶园施肥、施药与防(霜)冻管理；第二部分是作业决策；第三部分是通信与交互控制；第四部分是实时状态显示与记录。田间作业控制器内软件包括三部分：第一部分是田间局部信息采集与传输；第二部分是茶园作业位置识别与变量作业控制；第三部分是与中央计算机通讯,获取操作指令数据。在田间作业控制器内嵌茶园作业位置识别与控制程序。
变量施肥机21有两种工作方式：自动方式和手动方式。自动工作方式下，根据装配在施肥机上的GPS所提供的位置信息和工作速度信息，由田间作业控制器自动读取由控制中心发出的施肥处方数据和GPS提供的施肥机作业位置、速度来控制肥料排出，实现变量施肥作业；手动工作方式时，施肥量由人工在变量施肥控制器触摸屏上手动输入所需的施肥量结合装配在拖拉机上的速度传感器提供的速度信息完成对茶园的变量施肥作业。变量施肥机在茶园内的作业指令（即处方数据）可以2种方式获得：① 通过田间作业控制器与中央计算机通信获得；② 通过从中央计算机下载数据得到。
变量喷药机22也可以两种方式工作：自动方式和手动方式。自动工作方式下，由变量作业控制器自动读取由控制中心给出的喷药处数据，根据装配在喷药机上的GPS所提供的位置信息和工作速度信息，提取喷药处方数据，控制药量喷洒，实现变量喷药作业；手动工作方式时，施药量由人工在变量控制器的触摸屏上输入所需的药量，结合装配在拖拉机上的速度传感器提供的速度信息完成对茶叶变量喷药作业。
图1 为本***总体框图。GIS软件是使用Professional MapInfo 7.5，安装在中央计算机内，以Professional MapInfo 7.5结合GIS组件MapX5.0，应用VC++语言开发茶园精准管理***。由拖拉机的发动机为GPS导航***和田间作业控制器等用电设备提供12V直流电。在拖拉机的驱动轮上安装速度传感器，速度传感器使用无源速度传感器，实时测量拖拉机（即变量施肥机或变量喷药机）的作业速度，速度信号经屏蔽电线缆传输到田间作业控制器。在变量施肥机、变量喷药机上安装GPS导航***装备，通过RS232接口与田间作业控制器连接；在茶园作业时由田间作业控制器（内嵌茶园作业位置识别与控制程序）接收GPS信号。识别所在位置，依据处方数据发出控制脉冲控制变量执行机构动作。温度传感器安放在防霜(冻)风扇处，在一个防霜(冻)风扇位置处安装两个温度传感器，一个安装在茶树冠层高度，一个安装在4米高处；2个温度传感器传感器与Z-BEE数据采集与无线传输设备连接，温度信号由 Z-BEE数据采集与无线传输设备发送到田间作业控制器和中央计算机。
防霜(冻)风扇与 Z-BEE数据采集与无线传输设备连接，当 Z-BEE数据采集与无线传输设备接收到来自田间作业控制器和PC机（中央计算机）的控制指令后发出一个直流脉冲信号启动或停止防霜(冻)风扇。
本发明分中央计算机和田间作业控制器两层管理和控制作业。中央计算机的作用是应用GIS管理茶园，给出决策处方或指令；田间作业控制器负责接收指令、控制在茶园局部作业。在中央计算机端，使用GIS建立茶园土壤养分、病虫害分布、防霜（冻）风扇分布的空间数据库，并以GIS为平台开发施肥决策***、施药决策***和茶园防冻决策***，对无线通信模块使用VC++语言编程实现与茶园环境与作业通信及其显示***。在中央计算机实时显示茶园状况：包括茶园温度，温度分布情况，茶园土壤养分分布现状，风扇位置分布及工作状态，逆温产生的区域，施肥机作业位置，工作速度，所排肥量，喷药机工作速度，喷出药量，作业位置，茶叶采摘作业与产量记录等。在田间，使用ARM920T-S3C2410微处理器为核心开发的田间作业控制器的主要作用是执行控制作业，控制茶园局部防霜（冻）风扇工作，或控制变量作业机进行变量作业。两者之间即可通过无线网络进行通讯，也可通过有线连接交互信息或下载作业指令。
对茶园精确管理是通过使用GPS结合GIS获得茶园边界地图，使用网格划分程序对茶园进行网格划分（一个网格称作一个操作单元），在对每一个网格内进行土壤采样、土壤养分测试后，输入到GIS中，建立茶园土壤养分数据库；应用GPS获得茶园内防霜冻风扇的位置，同时在每一个防霜冻风扇处安放2个温度传感器，一个位于地面高4米处，一个放置于茶树冠层高度。应用GIS获得茶园温度与风扇分布地图，并建立温度变化与防霜（冻）数据库。
使用时，打开本***，有三个子***供选择：施肥、施药与防霜（冻）。选择施肥子***后，进入变量施肥管理。在此功能下分有文件、查询、地图管理、土壤（位置、养分分布）、施肥决策与处方输出、网络连接、施肥作业（作业历史、施肥日期、施肥量、作业现场位置等）监测与显示功能；选择施药子***后，进入变量施药管理。下分有文件、查询、地图管理、害情分布、用药决策与处方输出、网络连接、施药作业管理（施药日期、施药量、作业历史、作业现场位置）等项目；选择防霜（冻）子***后，进入实时温度监测与防霜(冻)作业管理。主要有对文件、地图、传感器（1,2，……,2N）、风扇（1,2，……,N）、温度分布、温差分布、逆温分布和风扇作业管理等项目.
使用本发明的精确管理***，可以合理有效使用化肥和农药，及时预防和控制茶园霜（冻）害的发生。一方面，可以节省肥料、药量的投入，降低生产成本的同时提高茶叶的品质，减少对环境的污染。而且通过实时监测茶园逆温产生，及时控制风扇，防止和减少霜（冻）害的发生，保障茶叶产量和质量。另一方面，应用GPS对茶园监测点进行实时定位，可以根据环境（温湿度）异常点的具***置，管理者通过GIS精准的空间管理，进行有针对性的精准调控。可以在很大程度上节省人力、物力，降低生产成本。第三，本精确管理***中每个无线节点成本低廉、能方便的接入***网络，节点数目可扩展，能量消耗低，支持休眠，可以在电池供电的情况下长时间使用，稳定性好，便于维护。且使用无线传输数据也可减少耗能与维护费用，提高监测与管理***工作的稳定性，并实现集中管理，分散控制。

Claims (6)

1.一种基于GPS、GIS和传感网技术的茶园精确管理***，其特征在于：该***包括田间控制模块（1）、田间作业模块（2）、田间管理模块（3）和中央控制模块（4）；在中央控制模块（4）内设有地理信息***（41）；所述田间控制模块（1）包括田间GPS（11）和田间作业控制器（12）；田间作业模块（2）包括变量施肥机（21）和变量喷药机（22）；变量施肥机（21）和变量喷药机（22）与田间GPS（11）和田间作业控制器（12）连接；田间作业控制器（12）通过Z-BEE数据采集与无线传输设备（5）与中央控制模块（4）连接，并将中央控制模块（4）给出的施肥处方数据和田间GPS（11）提供的位置信息传送给变量施肥机（21），通过变量施肥机（21）实现变量施肥作业；将中央控制模块（4）给出的喷药处方数据和田间GPS（11）提供的位置信息传送给变量喷药机（22）实现变量喷药作业；田间管理模块（3）包括温度传感器(31) 和防霜（冻）风扇（32），温度传感器(31) 实时测量茶园内温度变化信息并将信息通过Z-BEE数据采集与无线传输设备（5）传送给中央控制模块（4），中央控制模块（4）实时发出指令控制防霜（冻）风扇（32）工作。
2.根据权利要求1所述的基于GPS、GIS和传感网技术的茶园精确管理***，其特征在于：变量施肥机（21）有自动方式和手动方式两种工作方式。
3.根据权利要求1所述的基于GPS、GIS和传感网技术的茶园精确管理***，其特征在于：变量喷药机（22）有自动方式和手动方式两种工作方式。
4.根据权利要求1所述的基于GPS、GIS和传感网技术的茶园精确管理***，其特征在于：中央控制模块（4）实时显示茶园状况，茶园状况包括茶园温度、温度分布情况、茶园土壤养分分布现状、风扇位置分布及工作状态、逆温产生的区域、施肥机作业位置、工作速度、所排肥量、喷药机工作速度，喷出药量，作业位置、茶叶采摘作业与产量记录。
5.根据权利要求1所述的基于GPS、GIS和传感网技术的茶园精确管理***，其特征在于：中央控制模块（4）应用地理信息***（41）对田间控制模块（1）、田间作业模块（2）进行控制。
6.根据权利要求1所述的基于GPS、GIS和传感网技术的茶园精确管理***，其特征在于：中央控制模块（4）通过田间GPS（11）结合地理信息***（41）获得茶园边界地图，使用网格划分方式对茶园进行网格划分，在对每一个网格内进行土壤采样、土壤养分测试后，输入到地理信息***（41）中，建立茶园土壤养分数据库。
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