CN106171865A - 一种基于云平台的一体化智能灌溉*** - Google Patents

一种基于云平台的一体化智能灌溉*** Download PDF

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Abstract

一种基于云平台的一体化智能灌溉***，包括滴灌单元、控制部分、网关和远程监控平台，土壤水分传感器和红外热成像装置通过无线网络连接无线通信装置，无线通信装置通过无线网络将土壤水分数据和生长情况拍成的照片传送到分区控制器，分区控制器结合土壤水分传感器以及红外图像计算作物水分亏缺指数，将水分亏缺指数信息通过无线网络连接主控制器，主控制器内存储作物生长阶段需水量的多组预设值，若当前水分亏缺指数小于预设值中对应当前土壤湿度值，远程监控平台根据微处理器数据控制水泵工作。

Description

一种基于云平台的一体化智能灌溉***
技术领域
本发明属于农业技术领域，具体涉及一种基于云平台的一体化智能灌溉***。
背景技术
农业(Agriculture)为通过培育动植物生产食品及工业原料的产业。农业属于第一产业，研究农业的科学是农学。农业的劳动对象是有生命的动植物，获得的产品是动植物本身。我们把利用动物植物等生物的生长发育规律，通过人工培育来获得产品的各部门的认可，统称为农业。农业是支撑国民经济建设与发展的基础产品。简单地说是人类运用其智慧去改变自然环境，利用动植物的生长繁殖来获得产品，更进一步换取经济收益的一种***。
随着技术的进水与发展，农业技术也得到快速发展，各种智能技术运用到农业中，取得了长足的进步。随着设施灌溉的进一步推进，会越来愈多的感受到新的问题，如：
1、人为随意延长灌溉时间，多开阀门，有时遇到灌溉次数不均匀造成部分农作物缺水受旱，农民通常又采用“点片补水”的办法补救，其结果是顾了头、顾不了尾，受旱面积越补越多。
2、严重破坏农作物水利运行规律，使滴灌质量无法保证，达不到节水增产增效的目的。
3、伴随轮灌制度的规范化和科学化，人工操作难度将会越来较大，人工操作已逐渐成为节水滴灌大面积发展的阻力。
4、很多种植户受长期沟灌传统思维影响不能严格按照设计灌溉时间、次序进行灌溉，而是经常人为增加轮灌面积，延长灌溉时间，造成轮灌计划得不到有效执行，最终造成农作物滴灌***运行不正常，农田因灌水不均匀而局部减产。
近年来，随着无线信息传输技术的发展，ZigBee无线网络以其低成本、低功耗、低速率、近距离、短延时、高安全等特点，在现代发展中得到高度关注。
现有的滴灌***一般只能在固定的时间点进行固定时间的喷洒，不能深度契合土壤的湿度状况，往往存在喷洒过量或灌溉不足的现象，譬如以下专利：
专利“灌溉***”(申请号201310191289.5，申请日2013.05.21)公布了一种灌溉***，包括：发动机、开关、电源、水泵和喷头，所述灌溉***还包括控制器，所述开关同时与所述控制器、所述电源和所述发动机电连接，所述水泵与所述发动机和所述电源电连接，并连接所述喷头。其中一个实施例中，所述控制器用于定时发送启动信号和结束信号给所述开关；所述开关用于响应所述控制器发出的所述启动信号，连通所述电源和所述发动机，以及响应所述结束信号，断开所述电源和所述发动机的连接。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于云平台的一体化智能灌溉***；采用PLC控制器实现整个***智能化控制，通过智能移动终端对整个自动化作业进行检测控制。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于云平台的一体化智能灌溉***，包括滴灌单元、控制部分、网关和远程监控平台，
所述滴灌单元包括水泵、进水总阀、输水总管和与所述输水总管软管连通的输水支管、电磁阀和滴箭，所述水泵连接水源，一级电磁阀连接进水总阀，二级电磁阀连接输水支管；所述控制部分包括检测单元、PLC控制器、智能移动终端和远程监控平台，检测单元包括土壤水分传感器和红外热成像装置，PLC控制器包括分区控制器和主控制器，检测单元通过无线方式连接至分区控制器，所述分区控制器通过无线网络与区域主控制器连接，所述区域主控制器连接通过无线网络连接到远程监控平台，区域控制器具有显示屏以及手动控制操作键；
网关内置无线通信模块和Zigbee收发器模块；网关通过内置无线通信模块与远程监控平台连接；无线传感器安装在地垄中，无线传感器通过Zigbee无线网络与网关连接；远程监控平台用于接收控制***和无线传感器发送的数据，实时监控并保存数据，
所述控制器为单片机，所述无线传感器包括无线温度传感器和无线湿度传感器，所述无线通信模块为WIFI、ZigBee、2G、3G、4G网络中的一种，所述远远程监控平台为云服务器，所述云服务器包括数据库，
主控制器与进水总阀和分区控制器电连接，所述分区控制器与对应输水支管上设置的所有滴箭的进水阀和相应的湿度传感器连接；其中滴箭的数量、间距、行距和埋深以及湿度传感器与滴箭的间距和埋深可以根据土壤质地以及所栽培的作物种类来确定；
土壤水分传感器和红外热成像装置通过无线网络连接无线通信装置，无线通信装置通过无线网络将土壤水分数据和生长情况拍成的照片传送到分区控制器，分区控制器结合土壤水分传感器以及红外图像计算作物水分亏缺指数，将水分亏缺指数信息通过无线网络连接主控制器，主控制器内存储作物生长阶段需水量的多组预设值，若当前水分亏缺指数小于预设值中对应当前土壤湿度值，远程监控平台根据微处理器数据控制水泵工作。
所述上壤水分传感器为TDR-3土壤水分传感器，所述远程监控平台为云服务器，所述远程PLC控制器还包括报警模块，报警模块的输出端与分区控制器上的通讯串口连接，而该通讯串口则与Wifi模块进行网络信号连接；用于当植物严重干旱情况时，发出报警信号，
并将报警信号发送至主控制器，人们在访问登陆云服务器后即可查看处理。
每个分区控制器控制一个农田区域的输水支管的上控制阀以及土壤水分传感器监测设备，并分别与对应的区域主控制器相连接实现数据的传送与接收进行数据的通讯。
湿度传感器将收集的土壤湿度信息和红外热成像装置提取的照片反馈给分区控制器，分区控制器根据水分亏缺指数，对一级电磁阀和二级电磁阀进行调整，保证土壤湿度处于所需水平。
水源包括水窖、太阳能热水器、水箱和水井，其中水窖设置在温室外地势较低的地方，可用于储存雨水，以节约用水。当水窖中水位过低时，水窖中的水位传感器会将水窖中的水位信息传送到PLC控制器，PLC控制器会发出指令开启水泵，从水井自动向水窖补水。水窖、水箱通过三通管相连接，三通管的三个端口分别设置第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀以分别控制太阳能热水器、水箱和水窖中水流的方向；水箱还设置温度传感器，水箱内的温度传感器将水箱中的温度信息传送到PLC控制器，当水箱实测温度信号低于设定温度信号时，PLC控制器发出指令控制开启第一电磁阀和第二电磁阀从而使水流入水箱中，当水箱内的温度达到设定值时，PLC控制器发出指令控制关闭第一电磁阀和第二电磁阀；同理当水箱的实测温度信号高于设定温度信号时，PLC控制器发出指令开启第二电磁阀、第三电磁阀和增压泵，从而使水窖中的水流入水箱中，当温度达到设定值时，PLC控制器发出指令控制关闭第二电磁阀和第三电磁阀，从而实现对水箱中的进行自动控制。
本发明具有以下优势：
1、增产效益：实施了灌溉遥控管理，有效地执行轮灌制度，按需及时灌溉、施肥，最大限度的满足了作物的生长需要，使作物长势良好，实现增产。
2、节水效益：实现现代农业节水灌溉控制技术，杜绝了在管理过程中，人工不能按时准确地开关阀门，从而会造成灌水量过多或灌水量不足的现象。
3、节电效益：实现精确管理灌溉，从原来的节水灌溉到现在的灌溉节水，有效的控制了水泵的运行功率、运行时长，达到节约用电的目的。
本发明通过在灌水器的下方设置相应的湿度传感器，监测每一局部区域的土壤湿度，并通过子控制器根据目标湿度自动控制灌水器的进水阀，从而实现始终使作物根区土壤水分处于最优控制阈值。该***省去了毛细管束的使用，避免了毛细管堵塞造成故障的问题，***更加可靠，同时可以对每一局部区域进行单独控制，节水效果更好。本发明既可以广泛应用于各种温室作物的灌溉过程中，也可以用于推广水头控制灌溉方法。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步说明
实施例1
一种基于云平台的一体化智能灌溉***，包括滴灌单元、控制部分、网关和远程监控平台，
所述滴灌单元包括水泵、进水总阀、输水总管和与所述输水总管软管连通的输水支管、电磁阀和滴箭，所述水泵连接水源，一级电磁阀连接进水总阀，二级电磁阀连接输水支管；所述控制部分包括检测单元、PLC控制器、智能移动终端和远程监控平台，检测单元包括土壤水分传感器和红外热成像装置，PLC控制器包括分区控制器和主控制器，检测单元通过无线方式连接至分区控制器，所述分区控制器通过无线网络与区域主控制器连接，所述区域主控制器连接通过无线网络连接到远程监控平台，区域控制器具有显示屏以及手动控制操作键；
网关内置无线通信模块和Zigbee收发器模块；网关通过内置无线通信模块与远程监控平台连接；无线传感器安装在地垄中，无线传感器通过Zigbee无线网络与网关连接；远程监控平台用于接收控制***和无线传感器发送的数据，实时监控并保存数据，
所述控制器为单片机，所述无线传感器包括无线温度传感器和无线湿度传感器，所述无线通信模块为WIFI、ZigBee、2G、3G、4G网络中的一种，所述远远程监控平台为云服务器，所述云服务器包括数据库，
主控制器与进水总阀和分区控制器电连接，所述分区控制器与对应输水支管上设置的所有滴箭的进水阀和相应的湿度传感器连接；其中滴箭的数量、间距、行距和埋深以及湿度传感器与滴箭的间距和埋深可以根据土壤质地以及所栽培的作物种类来确定；
土壤水分传感器和红外热成像装置通过无线网络连接无线通信装置，无线通信装置通过无线网络将土壤水分数据和生长情况拍成的照片传送到分区控制器，分区控制器结合土壤水分传感器以及红外图像计算作物水分亏缺指数，将水分亏缺指数信息通过无线网络连接主控制器，主控制器内存储作物生长阶段需水量的多组预设值，若当前水分亏缺指数小于预设值中对应当前土壤湿度值，远程监控平台根据微处理器数据控制水泵工作。
所述土壤水分传感器为TDR-3土壤水分传感器，所述远程监控平台为云服务器，所述远程PLC控制器还包括报警模块，报警模块的输出端与分区控制器上的通讯串口连接，而该通讯串口则与Wifi模块进行网络信号连接；用于当植物严重干旱情况时，发出报警信号，并将报警信号发送至主控制器，人们在访问登陆云服务器后即可查看处理。
每个分区控制器控制一个农田区域的输水支管的上控制阀以及土壤水分传感器监测设备，并分别与对应的区域主控制器相连接实现数据的传送与接收进行数据的通讯。
湿度传感器将收集的土壤湿度信息和红外热成像装置提取的照片反馈给分区控制器， 分区控制器根据水分亏缺指数，对一级电磁阀和二级电磁阀进行调整，保证土壤湿度处于所需水平。
水源包括水窖、太阳能热水器、水箱和水井，其中水窖设置在温室外地势较低的地方，可用于储存雨水，以节约用水。当水窖中水位过低时，水窖中的水位传感器会将水窖中的水位信息传送到PLC控制器，PLC控制器会发出指令开启水泵，从水井自动向水窖补水。水窖、水箱通过三通管相连接，三通管的三个端口分别设置第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀以分别控制太阳能热水器、水箱和水窖中水流的方向；水箱还设置温度传感器，水箱内的温度传感器将水箱中的温度信息传送到PLC控制器，当水箱实测温度信号低于设定温度信号时，PLC控制器发出指令控制开启第一电磁阀和第二电磁阀从而使水流入水箱中，当水箱内的温度达到设定值时，PLC控制器发出指令控制关闭第一电磁阀和第二电磁阀；同理当水箱的实测温度信号高于设定温度信号时，PLC控制器发出指令开启第二电磁阀、第三电磁阀和增压泵，从而使水窖中的水流入水箱中，当温度达到设定值时，PLC控制器发出指令控制关闭第二电磁阀和第三电磁阀，从而实现对水箱中的进行自动控制。
本发明的灌溉管网包括输水总管和与所述输水总管软管连通的输水支管，支管上间隔设置有若干滴箭，各支管的末端共同连接一排气管，排气管的两端垂直伸出地面。每个滴箭下方的土壤中设置有用于监测土壤中水分含量的湿度传感器。
红外热成像装置对拼接好的图像进行红外图像分割，区分冠层、背景和地面充分蒸发参考面，分别从冠层图像和地面充分蒸发参考面图像得到冠层温度(TC)和地面充分蒸发参考面温度(TW)的空间分布，结合田间空气温度传感器4监测的空气温度数据，采用Irmak等定义的测试干球温度加5℃估算作物气孔完全关闭时的叶片温度TD，即TD＝TA+5；作物水分亏缺指数计算模块按照CWSI＝(TC-TW)/(TD-TW)计算作物水分亏缺指数，并将CWSI直观的展示在空间分布图上；预警模块对CWSI高于某一临界值(比如0.5)的下垫面分区(实际生产中可结合灌区渠系或灌溉管网编号分区)在分布图中进行高亮显示预警，表明此区域为作物水分亏缺区。所述作物水分亏缺指数CWSI的计算公式为：CWSI＝(TC-TW)/(TD-TW)式中，TC为冠层温度，TW为地面充分蒸发参考面温度，TD＝TA+5为作物气孔完全关闭时的叶片温度，TA为测试干球温度，即田间空气温度。
使用本发明的灌溉***时，土壤水分传感器和红外热成像装置会将土壤的水分以及红外热成像等信息传递给PLC控制器，当土壤水肥热检测装置实测的水分数据低于PLC控制器的设定值时，PLC控制器发出指令开启智能灌溉***。首先当水窖内水位过低时，水位传感器将水位信息传送到PLC控制器，PLC控制器发出指令开启一级电磁阀对水窖供水；当实测水位信号达到设定信号时，PLC控制器发出指令关闭一级电磁阀；湿度传感器将收集的土壤湿度信息和红外热成像装置提取的照片反馈给分区控制器，分区控制器根据水分亏缺指数，对进水阀进行调整，保证土壤湿度处于所需水平。控制器接受水位传感器和总进水阀的信息，如果水位传感器的水位信息正常时，则将用户设置的土壤湿度值传送给各子控制器，执行灌溉任务。当水位传感器发出水位过低信号时，控制器便输出指令打开总进水阀进行补水；待水位补满后，水位传感器再次将水位信息反馈给控制器，控制器输出指令关闭进水阀。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种基于云平台的一体化智能灌溉***，其特征在于：包括滴灌单元、控制部分、网关和远程监控平台，
所述滴灌单元包括水泵、进水总阀、输水总管和与所述输水总管软管连通的输水支管、电磁阀和滴箭，所述水泵连接水源，一级电磁阀连接进水总阀，二级电磁阀连接输水支管；
所述控制部分包括检测单元、PLC控制器、智能移动终端和远程监控平台，检测单元包括土壤水分传感器和红外热成像装置，PLC控制器包括分区控制器和主控制器，检测单元通过无线方式连接至分区控制器，所述分区控制器通过无线网络与区域主控制器连接，所述区域主控制器连接通过无线网络连接到远程监控平台，区域控制器具有显示屏以及手动控制操作键；
网关内置无线通信模块和Zigbee收发器模块；网关通过内置无线通信模块与远程监控平台连接；无线传感器安装在地垄中，无线传感器通过Zigbee无线网络与网关连接；远程监控平台用于接收控制***和无线传感器发送的数据，实时监控并保存数据，
所述控制器为单片机，所述无线传感器包括无线温度传感器和无线湿度传感器，所述无线通信模块为WIFI、ZigBee、2G、3G、4G网络中的一种，所述远远程监控平台为云服务器，所述云服务器包括数据库，
主控制器与进水总阀和分区控制器电连接，所述分区控制器与对应输水支管上设置的所有滴箭的进水阀和相应的湿度传感器连接；其中滴箭的数量、间距、行距和埋深以及湿度传感器与滴箭的间距和埋深可以根据土壤质地以及所栽培的作物种类来确定；
土壤水分传感器和红外热成像装置通过无线网络连接无线通信装置，无线通信装置通过无线网络将土壤水分数据和生长情况拍成的照片传送到分区控制器，分区控制器结合土壤水分传感器以及红外图像计算作物水分亏缺指数，将水分亏缺指数信息通过无线网络连接主控制器，主控制器内存储作物生长阶段需水量的多组预设值，若当前水分亏缺指数小于预设值中对应当前土壤湿度值，远程监控平台根据微处理器数据控制水泵工作。
2.根据权利要求1所述的基于云平台的一体化智能灌溉***，其特征在于：所述土壤水分传感器为TDR-3土壤水分传感器，所述远程监控平台为云服务器，所述远程PLC控制器还包括报警模块，报警模块的输出端与分区控制器上的通讯串口连接，而该通讯串口则与Wifi模块进行网络信号连接；用于当植物严重干旱情况时，发出报警信号，并将报警信号发送至主控制器，人们在访问登陆云服务器后即可查看处理。
3.根据权利要求1或2所述的基于云平台的一体化智能灌溉***，其特征在于：每个分区控制器控制一个农田区域的输水支管的上控制阀以及土壤水分传感器监测设备，并分别与对应的区域主控制器相连接实现数据的传送与接收进行数据的通讯。
4.根据权利要求1所述的基于云平台的一体化智能灌溉***，其特征在于：湿度传感器将收集的土壤湿度信息和红外热成像装置提取的照片反馈给分区控制器，分区控制器根据水分亏缺指数，对一级电磁阀和二级电磁阀进行调整，保证土壤湿度处于所需水平。
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