CN106962147A - 基于北斗卫星***的无人机智能节水灌溉***及构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于北斗卫星***的无人机智能节水灌溉***及构建方法,包括土壤信号采集***,用于接收来自土壤的反射信号,经GNSS主板转换成二进制数据流,通过无线网络***传输到云计算服务***;云计算服务***,规划飞行航线,向无人机传达指令,对接收的数据流进行土壤湿度反演运算,结合作物和季节特点制定合理的灌溉方案,向灌溉***发送指令;灌溉***,接收云计算服务***的灌溉指令,对土壤进行定量精确灌溉;无线网络传输***:完成***之间的数据流和指令的传输与发送以及农田的实时监控。本发明公开的智能、定位和精确的方法实现了土壤的智能节水灌溉,提高了农业生产效率,节约人力资源,促进农业的现代化与智能化发展。
Description
技术领域
本发明涉及一种灌溉***,具体涉及一种基于北斗卫星***的无人机智能节水灌溉***及构建方法。
背景技术
我国是农业大国,农业用水量占全国用水量的68%,其中灌溉用水量占农业用水量的90%以上。然而由于水资源的浪费和污染现象日益严重,农业水资源严重短缺。加之大多数农户采用大水漫灌,农业灌溉效率低下,造成水资源严重浪费。因此,改革农业灌溉技术,发展智能节水灌溉势在必行。
目前我国的农业节水灌溉控制技术尚不成熟,农业基础设施薄弱,大多数技术***依然处于理论研究、试用阶段,设备成本高,应用较少。
本智能节水灌溉***由基于北斗无人机一体化的土壤信号采集***、基于ZigBee与GPRS技术融合的无线网络传输***以及进行控制和反演的云计算服务***等多项技术,将现有的大型云计算技术与高速发展的北斗卫星导航***和无线通讯技术相结合,大幅度提升灌溉农业的自动化程度以及作业精度。通过控制无人机的飞行轨迹,获取土壤反射信号,并进行土壤湿度参数反演,精确获取土壤水分状况,控制喷灌装置用水量,实现农作物的智能节水灌溉,有利于提高灌溉用水效率,缓解用水压力,加快农业现代化的实现,缩小与发达国家的差距。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足,提供一种基于北斗卫星***的无人机智能节水灌溉***及构建方法。
本发明采用的技术方案为:一种基于北斗卫星***的无人机智能节水灌溉***,包括:
土壤信号采集***,利用搭载北斗导航***的无人机接收来自土壤的反射信号和定位;土壤信号采集***由无人机和其上搭载的双天线***、供电装置和GNSS主板组成;双天线***安装有两根同高度、不同朝向的天线,其中北斗直达信号接收机天线垂直朝上,内置的北斗/GPS芯片,用于接收北斗卫星的高仰角卫星信号,采用自主定位模式完成定位;北斗反射信号接收机天线斜朝下45°,用来接收北斗卫星反射信号,信号经过北斗直达信号采集模块、北斗反射信号采集模块处理提取出仰角、方位角、信噪比和土壤反射信号,采集到的信号由GNSS主板转换为二进制数据流,通过无线网络传输***传输到云计算服务***;
云计算服务***,设计和控制无人机的航线并反演土壤反射信号得到土壤湿度,当土壤湿度低于设定值即开启灌溉***;云计算服务***包括算法模块、数据库模块以及网络通信模块;其中算法模块根据农田位置和数字高程等参数规划无人机飞行航线,向无人机传达指令,对土壤信号进行采集;根据土壤信号采集***和GPS分别所提供的土壤信号和定位信息,计算出土壤的位置,借助土壤微波辐射亮温正向模型对土壤湿度反演运算,结合作物和季节特点制定灌溉方案,向灌溉设备发送指令;数据库模块用于存储数据;网络通信模块用于发送指令和接收数据;
灌溉***,用于接收云计算服务***的灌溉指令,对土壤进行定量精确灌溉;灌溉***包括网络模块、水量控制模块;其中,所述的网络模块用于灌溉***与云计算服务***之间的信息透传以及向水量控制模块发送指令;所述的水量控制模块用于接收网络模块发送的指令,控制喷头出水量;
无线网络传输及监控***:用于土壤信号采集***、灌溉***与云计算服务***之间的数据传输和信息传递以及农田的实时监控;无线网络传输及监控***包括:ZigBee网络模块、GPRS模块;其中,所述的ZigBee网络模块用于土壤信号采集***、灌溉***与云计算服务***之间的信息透传;所述的GPRS模块用于农田的实时监控和***之间辅助信息传递。
作为优选,所述土壤信号采集***的供电装置采用太阳能电池板和备用锂电池供电。
上述基于北斗卫星***的无人机智能节水灌溉***的构建方法,包括以下步骤:
步骤一、构建土壤信号采集***
选定监测农田,配置一无人机,安装双天线***、供电装置和GNSS主板,调整双天线***的安装角度和太阳能电池的朝向角度,控制无人机进行飞行试验和信号采集,查看数据信号,反复调整;
步骤二、建立云计算服务***
构建算法模块、数据库模块以及网络通信模块;优化算法计算速度和最优设计,规划无人机飞行航线、土壤湿度反演运算以及制定合理的灌溉方案;设计数据库存储和访问最优方式,提高存储和访问速度;
步骤三、建立灌溉***
灌溉设备上安装网络模块和水量控制模块,通过实验调节网络模块和水量控制模块的灵敏度;
步骤四、构建无线网络传输及监控***
建立硬件平台,包括交换机、磁盘阵列、防火墙、服务器、协调器、路由和终端,为土壤信号采集***、云计算服务***和灌溉***之间的网络通信。
本发明的有益效果:(1)采用全自动化操作***,由***自动定位并设计无人机的运行轨迹,采集土壤反射信号,代替传统手持式人工监测方式,有效的解决了对人力资源的大量需求。
(2)云计算服务***可以自动控制无人机的飞行轨迹和高度,从而可以有效解决中小尺度土地遥感影像低分辨率的问题。
(3)无人机起飞受时间和空间限制较小,数据采集方便快捷,可以有效地缩短监测周期,达到全天时全天候的高精度监测。
附图说明
图1为本发明北斗无人机的智能灌溉节水***布置示意图;
图2为本实施例中监测点的分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1所示,一种基于北斗卫星***的无人机智能节水灌溉***,包括:
土壤信号采集***,利用搭载北斗导航***的无人机接收来自土壤的反射信号和定位;土壤信号采集***由无人机和其上搭载的双天线***、供电装置和GNSS主板组成;供电装置采用太阳能电池板和备用锂电池供电,双天线***安装有两根同高度、不同朝向的天线,其中北斗直达信号接收机天线垂直朝上,内置的北斗/GPS芯片,用于接收北斗卫星的高仰角卫星信号,采用自主定位模式完成定位;北斗反射信号接收机天线斜朝下45°,用来接收北斗卫星反射信号,信号经过北斗直达信号采集模块、北斗反射信号采集模块处理提取出仰角、方位角、信噪比和土壤反射信号,采集到的信号由GNSS主板转换为二进制数据流,通过无线网络传输***传输到云计算服务***;
云计算服务***,设计和控制无人机的航线并反演土壤反射信号得到土壤湿度,当土壤湿度低于设定值即开启灌溉***;云计算服务***包括算法模块、数据库模块以及网络通信模块;其中算法模块根据农田位置和数字高程等参数规划无人机飞行航线,向无人机传达指令,对土壤信号进行采集;根据土壤信号采集***和GPS分别所提供的土壤信号和定位信息,计算出土壤的位置,借助土壤微波辐射亮温正向模型对土壤湿度反演运算,结合作物和季节特点制定灌溉方案,向灌溉设备发送指令;数据库模块用于存储数据;网络通信模块用于发送指令和接收数据;
灌溉***,用于接收云计算服务***的灌溉指令,对土壤进行定量精确灌溉;灌溉***包括网络模块、水量控制模块;其中,所述的网络模块用于灌溉***与云计算服务***之间的信息透传以及向水量控制模块发送指令;所述的水量控制模块用于接收网络模块发送的指令,控制喷头出水量;
无线网络传输及监控***:用于土壤信号采集***、灌溉***与云计算服务***之间的数据传输和信息传递以及农田的实时监控;无线网络传输及监控***包括:ZigBee网络模块、GPRS模块;其中,所述的ZigBee网络模块用于土壤信号采集***、灌溉***与云计算服务***之间的信息透传;所述的GPRS模块用于农田的实时监控和***之间辅助信息传递。
上述基于北斗卫星***的无人机智能节水灌溉***的构建方法,包括以下步骤:
步骤一:构建土壤信号采集***
选定一监测区,在监测区为农田,通过地面测量获取DEM数据。云计算服务***根据数字高程等数据规划无人机飞行航线,控制无人机进行飞行试验和信号采集,查看数据采集情况,反复调整天线角度和航迹规划算法,提高数据采集精度,使无人机扫描达到最佳状态。
步骤二:建立云计算服务***
在农田设置监测点,借助电阻式土壤湿度测定仪测定土壤湿度如图2所示。云计算服务***根据土壤信号采集***所提供的土壤信号和定位信息,计算出土壤的位置,并借助土壤微波辐射亮温正向模型对土壤湿度进行反演运算,与实际土壤湿度数据进行精度比较,修改算法,提高精度,制定合理的灌溉方案。
步骤三:建立灌溉***
灌溉设备上安装网络模块和水量控制模块,接收云计算服务***的指令,控制喷灌装置用水量,实现智能节水灌溉,灌溉后,借助电阻式土壤湿度测定仪测定监测点的土壤湿度,与作物实际需要的土壤水分数据进行比较,调节水量控制模块的灵敏度和精度。
步骤四:构建无线网络传输及监控***
无线网络传输***是北斗无人机的智能灌溉节水***的核心枢纽,主要有无线、有线或专用网络的形式。建立硬件平台,包括交换机、磁盘阵列、防火墙、服务器、协调器、路由和终端,构建土壤信号采集***、云计算服务***和灌溉***之间的网络通信。
以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明,但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言,在本发明的原理和技术思想的范围内,对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种基于北斗卫星***的无人机智能节水灌溉***,其特征在于:包括:
土壤信号采集***,利用搭载北斗导航***的无人机接收来自土壤的反射信号和定位;土壤信号采集***由无人机和其上搭载的双天线***、供电装置和GNSS主板组成;双天线***安装有两根同高度、不同朝向的天线,其中北斗直达信号接收机天线垂直朝上,内置的北斗/GPS芯片,用于接收北斗卫星的高仰角卫星信号,采用自主定位模式完成定位;北斗反射信号接收机天线斜朝下45°,用来接收北斗卫星反射信号,信号经过北斗直达信号采集模块、北斗反射信号采集模块处理提取出仰角、方位角、信噪比和土壤反射信号,采集到的信号由GNSS主板转换为二进制数据流,通过无线网络传输***传输到云计算服务***;
云计算服务***,设计和控制无人机的航线并反演土壤反射信号得到土壤湿度,当土壤湿度低于设定值即开启灌溉***;云计算服务***包括算法模块、数据库模块以及网络通信模块;其中算法模块根据农田位置和数字高程参数规划无人机飞行航线,向无人机传达指令,对土壤信号进行采集;根据土壤信号采集***和GPS分别所提供的土壤信号和定位信息,计算出土壤的位置,借助土壤微波辐射亮温正向模型对土壤湿度反演运算,结合作物和季节特点制定灌溉方案,向灌溉设备发送指令;数据库模块用于存储数据;网络通信模块用于发送指令和接收数据;
灌溉***,用于接收云计算服务***的灌溉指令,对土壤进行定量精确灌溉;灌溉***包括网络模块、水量控制模块;其中,所述的网络模块用于灌溉***与云计算服务***之间的信息透传以及向水量控制模块发送指令;所述的水量控制模块用于接收网络模块发送的指令,控制喷头出水量;
无线网络传输及监控***:用于土壤信号采集***、灌溉***与云计算服务***之间的数据传输和信息传递以及农田的实时监控;无线网络传输及监控***包括:ZigBee网络模块、GPRS模块;其中,所述的ZigBee网络模块用于土壤信号采集***、灌溉***与云计算服务***之间的信息透传;所述的GPRS模块用于农田的实时监控和***之间辅助信息传递。
2.根据权利要求1所述的基于北斗卫星***的无人机智能节水灌溉***,其特征在于:所述土壤信号采集***的供电装置采用太阳能电池板和备用锂电池供电。
3.根据权利要求1或2所述的基于北斗卫星***的无人机智能节水灌溉***的构建方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤一、构建土壤信号采集***
选定监测农田,配置一无人机,安装双天线***、供电装置和GNSS主板,调整双天线***的安装角度和太阳能电池的朝向角度,控制无人机进行飞行试验和信号采集,查看数据信号,反复调整;
步骤二、建立云计算服务***
构建算法模块、数据库模块以及网络通信模块;优化算法计算速度和最优设计,规划无人机飞行航线、土壤湿度反演运算以及制定灌溉方案;设计数据库存储和访问最优方式,提高存储和访问速度;
步骤三、建立灌溉***
灌溉设备上安装网络模块和水量控制模块,通过实验调节网络模块和水量控制模块的灵敏度;
步骤四、构建无线网络传输及监控***
建立硬件平台,包括交换机、磁盘阵列、防火墙、服务器、协调器、路由和终端,为土壤信号采集***、云计算服务***和灌溉***之间的网络通信。
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