CN105897912A - 一种智能灌溉***及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能灌溉***，包括依次通讯连接的控制终端模块、信息采集终端模块、网关模块、网络服务器模块、处理***和人机交互界面模块；所述处理***包括数据库模块、知识库模块、推理机模块、解释机模块和知识获取模块，用户通过所述人机交互界面模块与智能灌溉***进行信息交换。如此设置，本发明公开的智能灌溉***，其能够有效提高灌溉的智能化程度，通过***智能决策，结合专业知识经验，指导使用者更好地去管理植物园。本发明还公开了一种用于上述智能灌溉***的工作方法。
Description
技术领域
本发明涉及农业灌溉领域，更具体的涉及一种智能灌溉***及其工作方法。
背景技术
我国荔枝种植总面积达到600 000hm2，占全世界荔枝种植总面积的75％；荔枝总产量达到1 290 000t，占世界荔枝总产量的47.78％。
目前，由于水果生长的自然环境比较复杂，果园生产管理主要由人工完成，果树的生长环境、生长发育、栽培技术的实施、生长状况、病虫害的预测等主要靠人为经验判断。
随着科学技术的进步和发展，果农们越来越需要通过精细作业提高水资源利用率和荔枝产量，而精细农业则要求果农们能实时得知荔枝树的生长环境，以及能够得到荔枝领域专家的经验指导，以便果农们更好地去管理荔枝园。然而相关技术中的灌溉***不能满足上述要求，给果农工作带来不便。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是实现结合检测和专家知识指导为一体的植物园灌溉***，具体来说，本发明提供了一种智能灌溉***。本发明还提供了一种用于上述智能灌溉***的工作方法。
本发明提供的智能灌溉***，包括依次通讯连接的控制终端模块、信息采集终端模块、网关模块、网络服务器模块、处理***和人机交互界面模块；
所述处理***包括数据库模块、知识库模块、推理机模块、解释机模块和知识获取模块，所述网络服务器模块通过通讯连接所述数据库模块连接处理***，所述推理机模块分别通讯连接数据库模块和知识库模块，所述解释机模块分别通讯连接数据库模块和知识库模块，所述知识获取模块与知识库模块通讯连接，所述人机交互界面模块分别单独通讯连接知识获取模块、解释机模块、推理机模块和数据库模块；
用户通过所述人机交互界面模块与智能灌溉***进行信息交换。
优选地，所述控制终端模块包括核心处理器、无线通信装置、天线、功率放大芯片、功率放大电路、双稳态脉冲电磁阀及其***驱动电路的电磁阀、控制电路、充电电路、电源和太阳能充电器：所述核心处理器通过串口与无线通信装置相连，所述天线与功率放大芯片连接，所述功率放大芯片通过功率放大电路与无线通信装置连接，所述双稳态脉冲电磁阀及其***驱动电路的电磁阀通过控制电路与核心处理器连接，上述部件通过电源供电，所述太阳能充电器通过充电电路与电源连接。
优选地，所述信息采集终端模块包括采集终端处理器、采集终端无线通信装置、采集终端功率放大芯片、采集终端功率放大电路、采集终端天线、空气温湿度传感器、光强度传感器、土壤水分传感器、采集终端充电电路、采集终端电源和采集终端太阳能充电器：所述采集终端处理器通过串口与采集终端无线通信装置连接，所述采集终端天线与采集终端功率放大芯片连接，所述采集终端功率放大芯片通过采集终端功率放大电路与采集终端无线通信装置连接，所述空气温湿度传感器通过电路与采集终端处理器连接，所述光强度传感器通过总线与采集终端处理器连接，所述土壤水分传感器通过电路与采集终端处理器连接，上述部件通过采集终端电源供电，所述采集终端太阳能充电器通过采集终端充电电路与采集终端电源连接。
优选地，所述网关模块包括包括网关处理器、GPRS、协调器、存储器、存储电路、网关充电电路、网关电源和网关太阳能充电器：所述网关处理器通过两个串口分别连接GPRS和协调器，所述存储器通过存储电路与网关处理器连接，上述部件通过网关电源供电，所述网关太阳能充电器通过网关充电电路与网关电源连接。
优选地，所述网络服务器模块基于TCP/IP协议，采用多线程编程技术和Socket网络通信机制。
优选地，所述处理***内部各模块间通过数据库连接技术通讯连接。
本发明还提供了一种智能灌溉***的工作方法，所述工作方法用于上述任意一项的智能灌溉***，具体包括下述步骤：
1)信息采集终端模块上电后，自动采集植物园的温度、湿度、光照度和土壤水分含水率的环境信息，通过无线网络传输到网关模块；
2)网关模块将信息采集终端模块的数据进行格式化处理，利用GPRS与协调器建立起TCP/IP连接，通过互联网将数据发送到网络服务器模块上，并发送同步休眠命令到信息采集终端模块，使信息采集终端模块进入休眠状态；
3)网络服务器模块对网关模块的数据包进行解析后，将温度、湿度、光照度、土壤水分含水量的环境因素存储到数据库模块里；
4)用户通过人机交互界面模块输入植物园的经度、纬度、植物品种、植物所处的生育期的辅助事实信息，***将这些事实数据存储到数据库模块里；
5)推理机模块通过分析用户输入的事实和信息采集终端模块采集的环境因素，从知识库模块里找出相应的知识信息，为接下来的决策提供信息支持；
6)推理机模块调用知识库模块里的灌溉预测模型信息，将用户输入的事实信息、植物园环境实时因素和知识信息输入到模型中，进行灌溉预测决策，得到灌溉时间间隔，将该结果和计算过程存储到数据库模块里；
7)解释机模块将数据库模块里的决策结果和计算过程通过人机交互界面模块显示出来，给用户提供指导；
8)网络服务器模块读取数据库模块里的决策结果，通过互联网将决策结果数据包发送到网关模块上；
9)网关模块接收数据包并且校验无误后，将同步休眠命令加入数据包中，通过无线传输将融合后的数据包发送到控制终端模块上；
10)控制终端模块接收并且解析含有决策结果与同步休眠命令的数据包，根据其预测灌溉间隔天数进行控制电磁阀的开启或者关闭操作，操作完成后进入休眠模式。
优选地，在上述工作方法的步骤6中，用户通过人机交互界面模块选择“根据灌溉制度决策”、“灌溉定量决策”和“目标产量施肥决策”的决策选项，并输入相关事实进行操作，若用户无法准确知道植物园的天气信息，***会自动通过天气预报功能得出所选日期里植物园的天气信息，***中的推理机模块会分别调用知识库模块里的灌溉制度决策模型、灌溉定量决策模型和目标产量施肥决策模型，结合用户输入的事实数据，得出对应的决策结果，把推理的中间结论和推理结论存储到数据库模块中，解释机模块分别读取中间结论和推理结论，通过人机交互界面分别显示出来，对用户产生指导作用。
本发明的有益效果：
1)实现实时监控：***通过信息采集终端模块和控制终端模块等模块能够完成对植物园的实时监控。
2)实现智能化灌溉：***通过数据采集和分析、计算并给出专家指导意见，实现了植物园灌溉的智能化灌溉。
3)天气数据自动录入：当用户无法准确输入荔枝园其他环境数据时，***会自动调用天气预报功能，辅助用户输入相应的准确数据，使***的使用更加具备智能化。
4)方便用户学习相关知识：用户可以通过电脑、手机或PDA设备的网页浏览器登陆***，学习***记载的知识和经验。
附图说明
图1为本发明智能灌溉***实施例的模块连接示意图；
图2为本发明智能灌溉***的工作方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1至图2，本具体实施方式所提供的智能灌溉***，包括多个信息采集终端模块、多个控制终端模块、网关模块、网络服务器模块、数据库模块、知识库模块、推理机模块、解释机模块、知识获取模块和人机交互界面模块；每个所述信息采集终端模块与每个所述控制终端模块分别通过无线传感网与网关模块相互连接；所述网关模块通过无线传感网相互连接，且所述网关模块通过互联网与所述网络服务器模块相连接；所述网络服务器模块通过数据库连接技术与所述数据库模块相连接；所述推理机模块通过数据库连接技术分别与所述数据库模块和所述知识库模块相连接；所述解释机模块通过数据库连接技术分别与数据库模块和所述知识库模块相连接；所述知识获取模块通过数据库连接技术与所述知识库模块相连接；所述人机交互界面模块通过网页开发技术分别与所述知识获取模块和所述解释机模块相连接，所述人机交互界面模块通过数据库技术与数据库模块连接；所述信息采集终端模块用于监测荔枝园的温度、湿度和土壤含水率等多种环境参数，并将每个所述环境信息通过无线传感网传输到所述网关模块；所述控制终端模块通过无线传感网接收所述网关模块的指令，解析所述指令后来对电磁阀进行开启或者关闭操作；所述网关模块用于在所述信息采集终端模块和所述控制终端模块休眠的时候，所述网关模块将数据进行格式化处理，利用GPRS(GeneralPacket Radio Service)技术与所述网络服务器模块建立起TCP/IP连接，通过互联网将数据发送到所述网络服务器模块；所述网络服务器模块，用于将温度、湿度、光照度、土壤水分含水量等多个环境参数、每个所述信息采集终端模块实时电压值和所述控制终端模块状态存储到所述数据库模块；所述数据库模块，用于存储来自所述网络服务器模块的多个荔枝园的环境参数、存储来自所述推理机模块的中间推理结论和最终结论、存储来自所述解释机模块的最终结果、存储来自所述人机交互界面模块的事实数据以及向所述推理机模块提供事实数据；所述知识库模块，用于存储来自所述知识获取模块的专家知识，并向所述推理机模块提供专家知识以及向所述解释机模块提供专家知识或者结论；所述推理机模块，用于从所述数据库模块读取事实数据，结合从所述知识库模块读取的专家知识，通过推理，得出结论；所述解释机模块，用于向用户解释***的推理过程和最终结论，增加***结论的说服力，对专家的领域知识进行解释，对普通用户起到教学的作用；所述知识获取模块，用于将专家输入的领域知识进行归类、分析和整理，并将这些知识存储到所述知识库模块中；所述人机交互界面模块，用户通过该模块与专家***进行信息交换；所述信息交换包括录入原始事实、输出所述推理机模块的推理过程和结论。
作为优选地，本实施例中，所述信息采集终端模块包括核心处理器STM32F103ZET6、无线通信模块CC2530、功率放大芯片RFX2401、2.4GHZ天线、空气温湿度传感器DHT22、光强度传感器GY-30、土壤水分传感器TDR-3、电源开关模块、电源模块和太阳能充电模块。其中，信息采集终端模块固定在钢制的三脚脚架上，脚架可以变换高度，分别为0.5M，1.0M和1.5M。测量时，脚架稳固在被测荔枝园的土壤上，将TDR-3土壤水分传感器垂直插进土壤中来测量土壤含水率。所述核心处理器STM32F103ZET6通过串口与无线通信模块CC2530连接，所述2.4GHZ天线通过有内螺内孔的SMA针头与功率放大芯片RFX2401连接，所述功率放大芯片RFX2401通过功率放大电路与CC2530模块连接，所述空气温湿度传感器DHT22通过电路与STM32F103ZET6连接，所述光强度传感器GY-30通过IIC总线与STM32F103ZET6连接，所述土壤水分传感器TDR-3通过电路与STM32F103ZET6连接，所述电源模块通过电源开关模块给各模块供电，所述太阳能充电模块通过充电电路与电源模块连接。
所述控制终端模块包括核心处理器STM32F103ZET6、无线通信模块CC2530、2.4GHZ天线、功率放大芯片RFX2401、双稳态脉冲电磁阀及其***驱动电路的电磁阀模块、电源开关模块、电源模块和太阳能充电模块：所述核心处理器STM32F103ZET6通过串口与无线通信模块CC2530连接，所述2.4GHZ天线通过有内螺内孔SMA针头与功率放大芯片RFX2401连接，所述功率放大芯片RFX2401通过功率放大电路与CC2530模块连接，所述双稳态脉冲电磁阀及其***驱动电路的电磁阀模块通过控制电路与STM32F103ZET6连接，所述电源模块通过电源开关模块给各模块供电，所述太阳能充电模块通过充电电路与电源模块连接。
所述网关模块包括包括核心处理器STM32F103ZET6、存储模块、电源开关模块、电源模块和太阳能充电模块：所述核心处理器STM32F103ZET6通过两个串口分别连接GPRS和Zigbee协调器，所述存储模块通过存储电路与STM32F103ZET6连接，所述电源模块通过电源开关模块给各模块供电，所述太阳能充电模块通过充电电路与电源模块连接。
所述网络服务器模块基于TCP/IP协议，采用多线程编程技术和Socket网络通信机制，采用C#语言编写；所述数据库模块采用SQL Server 2008数据库，该模块包含事实数据库、计算过程和结果数据库，中间结论数据库、最终结论数据库等；所述知识库模块采用SQL Server 2008数据库，该模块包含专家知识库和决策模型库。
所述推理机模块采用JDBC(Java Data Base Connectivity)数据连接技术通过读取事实数据库的数据，结合专家知识库的知识，运用决策模型库中合适的决策模型，进行推理，将其推理的中间结论和最终结论分别存储到中间结论数据库和最终结论数据库中；所述解释机模块采用JDBC数据连接技术从中间结论数据库读取中间结论以及从最终结论数据库中读取最终结论，通过人机交互界面模块向用户解释***的推理过程，向用户解释***的最终结论，增加***结论的说服力。
所述知识获取模块，通过网页开发技术AJAX获取专家输入的领域知识，运用JDBC数据连接技术这些知识存储到专家知识库中。
所述人机交互界面模块通过网页开发技术AJAX将用户录入的原始事实提供给专家***的推理机模块调用，同时将推理机模块的推理过程和结论显示在界面上，对普通用户起到指导的作用。
如图2所示，本发明还提供了一种用于上述智能灌溉***的工作方法，所述工作方法用于所述的智能灌溉***，具体包括下述步骤：：
1)信息采集终端模块上电后，自动采集荔枝园的温度、湿度、光照度和土壤水分含水率等环境信息，通过无线传感网传输到网关模块；
2)网关模块将信息采集终端模块数据进行格式化处理，利用GPRS模块与远程服务器模块建立起TCP/IP连接，通过互联网将数据发送到网络服务器模块上，并发送同步休眠命令到信息采集终端模块，使信息采集终端模块进入休眠状态；
3)网络服务器模块对网关模块的数据包进行解析后，将温度、湿度、光照度、土壤水分含水量等多个环境因素存储到数据库模块里的事实数据库中；
4)用户通过人机交互界面模块输入荔枝园的经度、纬度、荔枝品种、荔枝树所处的生育期等专家***进行决策的所需要辅助事实，专家***将这些事实数据存储到数据库模块里的事实数据库中；
5)推理机模块通过分析用户输入的事实和信息采集终端模块采集的环境因素，从知识库模块里的专家知识库里查找出相应的专家知识，如作物系数Kc、土壤水分下限指标Gx等，为接下来的决策提供专家知识支持；
6)推理机模块调用知识库模块里的模型库中的灌溉预测模型，将用户输入的事实、荔枝园环境实时因素和专家知识输入到模型中，进行灌溉预测决策，得到灌溉时间间隔，将该结果存储到数据库模块里的结果数据库中，将计算过程存储到数据库模块里的计算过程数据库中；
7)解释机模块将数据库模块里的结果数据库中的决策结果和计算过程数据库中的计算过程通过人机交互界面模块显示出来，给用户指导的作用；
8)服务器模块读取数据库模块里的结果数据库中的决策结果，通过互联网将决策结果数据包发送到网关模块上；
9)网关模块接收数据包并且校验无误后，将同步休眠命令加入数据包中，通过无线传感网将融合后的数据包发送到控制终端模块上；
10)控制终端模块接收并且解析含有决策结果与同步休眠命令的数据包，根据其预测灌溉间隔天数进行控制电磁阀的开启或者关闭操作，操作完成后进入休眠模式。
优选的，在步骤6中，用户还可以通过人机交互界面模块选择“根据灌溉制度决策”、“灌溉定量决策”和“目标产量施肥决策”等决策选项，并输入相关事实，若用户无法准确知道荔枝园的天气信息，专家***会自动通过天气预报功能得出所选日期里荔枝园的天气信息，专家***中的推理机模块会分别调用知识库模块里的模型库中的灌溉制度决策模型、灌溉定量决策模型和目标产量施肥决策模型，结合用户输入的事实数据，得出对应的决策结果，把推理的中间结论存储到数据库模块的中间结论数据库中，把推理结论存储到数据库模块的最终结论数据库中，解释机模块分别读取中间结论数据库的推理过程和最终结论数据库中的最终结论，通过人机交互界面分别显示出来，对用户产生指导作用。
以上对本发明所提供的一种智能灌溉***及其工作方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种智能灌溉***，其特征在于，包括依次通讯连接的控制终端模块、信息采集终端模块、网关模块、网络服务器模块、处理***和人机交互界面模块；
所述处理***包括数据库模块、知识库模块、推理机模块、解释机模块和知识获取模块，所述网络服务器模块通过通讯连接所述数据库模块连接处理***，所述推理机模块分别通讯连接数据库模块和知识库模块，所述解释机模块分别通讯连接数据库模块和知识库模块，所述知识获取模块与知识库模块通讯连接，所述人机交互界面模块分别单独通讯连接知识获取模块、解释机模块、推理机模块和数据库模块；
用户通过所述人机交互界面模块与智能灌溉***进行信息交换。
2.如权利要求1所述的智能灌溉***，其特征在于，所述控制终端模块包括核心处理器、无线通信装置、天线、功率放大芯片、功率放大电路、双稳态脉冲电磁阀及其***驱动电路的电磁阀、控制电路、充电电路、电源和太阳能充电器：所述核心处理器通过串口与无线通信装置相连，所述天线与功率放大芯片连接，所述功率放大芯片通过功率放大电路与无线通信装置连接，所述双稳态脉冲电磁阀及其***驱动电路的电磁阀通过控制电路与核心处理器连接，上述部件通过电源供电，所述太阳能充电器通过充电电路与电源连接。
3.如权利要求1所述的智能灌溉***，其特征在于，所述信息采集终端模块包括采集终端处理器、采集终端无线通信装置、采集终端功率放大芯片、采集终端功率放大电路、采集终端天线、空气温湿度传感器、光强度传感器、土壤水分传感器、采集终端充电电路、采集终端电源和采集终端太阳能充电器：所述采集终端处理器通过串口与采集终端无线通信装置连接，所述采集终端天线与采集终端功率放大芯片连接，所述采集终端功率放大芯片通过采集终端功率放大电路与采集终端无线通信装置连接，所述空气温湿度传感器通过电路与采集终端处理器连接，所述光强度传感器通过总线与采集终端处理器连接，所述土壤水分传感器通过电路与采集终端处理器连接，上述部件通过采集终端电源供电，所述采集终端太阳能充电器通过采集终端充电电路与采集终端电源连接。
4.如权利要求1所述的智能灌溉***，其特征在于，所述网关模块包括包括网关处理器、GPRS、协调器、存储器、存储电路、网关充电电路、网关电源和网关太阳能充电器：所述网关处理器通过两个串口分别连接GPRS和协调器，所述存储器通过存储电路与网关处理器连接，上述部件通过网关电源供电，所述网关太阳能充电器通过网关充电电路与网关电源连接。
5.如权利要求1所述的智能灌溉***，其特征在于，所述网络服务器模块基于TCP/IP协议，采用多线程编程技术和Socket网络通信机制。
6.如权利要求1-5其中一项所述的智能灌溉***，其特征在于，所述处理***内部各模块间通过数据库连接技术通讯连接。
7.一种智能灌溉***的工作方法，其特征在于，所述工作方法用于如上述权利要求1-5中任一项所述的智能灌溉***，具体包括下述步骤：
1)信息采集终端模块上电后，自动采集植物园的温度、湿度、光照度和土壤水分含水率的环境信息，通过无线网络传输到网关模块；
2)网关模块将信息采集终端模块的数据进行格式化处理，利用GPRS与协调器建立起TCP/IP连接，通过互联网将数据发送到网络服务器模块上，并发送同步休眠命令到信息采集终端模块，使信息采集终端模块进入休眠状态；
3)网络服务器模块对网关模块的数据包进行解析后，将温度、湿度、光照度、土壤水分含水量的环境因素存储到数据库模块里；
4)用户通过人机交互界面模块输入植物园的经度、纬度、植物品种、植物所处的生育期的辅助事实信息，***将这些事实数据存储到数据库模块里；
5)推理机模块通过分析用户输入的事实和信息采集终端模块采集的环境因素，从知识库模块里找出相应的知识信息，为接下来的决策提供信息支持；
6)推理机模块调用知识库模块里的灌溉预测模型信息，将用户输入的事实信息、植物园环境实时因素和知识信息输入到模型中，进行灌溉预测决策，得到灌溉时间间隔，将该结果和计算过程存储到数据库模块里；
7)解释机模块将数据库模块里的决策结果和计算过程通过人机交互界面模块显示出来，给用户提供指导；
8)网络服务器模块读取数据库模块里的决策结果，通过互联网将决策结果数据包发送到网关模块上；
9)网关模块接收数据包并且校验无误后，将同步休眠命令加入数据包中，通过无线传输将融合后的数据包发送到控制终端模块上；
10)控制终端模块接收并且解析含有决策结果与同步休眠命令的数据包，根据其预测灌溉间隔天数进行控制电磁阀的开启或者关闭操作，操作完成后进入休眠模式。
8.如权利要求7所述的智能灌溉***的工作方法，其特征在于，在步骤6中，用户通过人机交互界面模块选择“根据灌溉制度决策”、“灌溉定量决策”和“目标产量施肥决策”的决策选项，并输入相关事实进行操作，若用户无法准确知道植物园的天气信息，***会自动通过天气预报功能得出所选日期里植物园的天气信息，***中的推理机模块会分别调用知识库模块里的灌溉制度决策模型、灌溉定量决策模型和目标产量施肥决策模型，结合用户输入的事实数据，得出对应的决策结果，把推理的中间结论和推理结论存储到数据库模块中，解释机模块分别读取中间结论和推理结论，通过人机交互界面分别显示出来，对用户产生指导作用。
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