CN107873492A - 一种无人机农田控制灌溉***及其工作方法 - Google Patents

一种无人机农田控制灌溉***及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无人机农田控制灌溉***及工作方法，可用在无人管理需水农作物的灌溉上。所述的无人机农田控制灌溉***由核心处理器、作物长势模块、飞行动力模块、定位模块、农药喷洒模块、土壤龟裂模块、无线收发模块、农田喷灌控制模块、水位检测模块和计算机组成。该发明是由无人机对农田裂缝进行拍摄，拍摄后的图像经过计算机处理，从而确定裂缝的龟裂程度的大小，通过农作物长势识别模块确定作物长势。根据作物的初期、中期、后期和对应的小、中、大龟裂程度对应，再灌溉一定水量盖过土壤。

Description

一种无人机农田控制灌溉***及其工作方法
技术领域
本发明属于农业设备***领域，具体地说，涉及一种无人机农田控制灌溉***及其工作方法。
背景技术
随着我国经济建设发展步伐的不断加快，政府也逐步加大了在节水灌溉技术方面的投资，目的是尽快实现全国农田节水灌溉技术的普及。近年来，我国节水灌溉技术虽然得到了较大的发展，但是仍存在较多的漏洞，在节水灌溉上并没有涉及到先进技术，极大的影响了其推广与普及的进程。因此，完善我国节水灌溉技术是目前的工作重点，以期通过有限的灌溉水资源消耗总量创造出最大的经济效益，为我国农业的发展做出积极的贡献。
中国专利申请号201620034543.X，公开日2016年6月8日的专利文件，公开了新型无人机农田灌溉***喷洒装置。其组成包括：底板，底板开有一号插孔、二号插孔、三号插孔、四号插孔，一号插孔与二号插孔之间通过一号插槽连接，二号插孔与三号插孔之间通过二号插槽连接，三号插孔与四号插孔之间通过三号插槽连接，四号插孔与一号插孔之间通过四号插槽连接，一号插孔连接一号插柱，二号插孔连接二号插柱，三号插孔连接三号插柱，四号插孔连接四号插柱，一号插柱、二号插柱、三号插柱、四号插柱均开有横T形插槽和竖T形插槽，横T形插槽连接横T形插板，竖T形插槽连接竖T形插板，横T形插板之间通过壁板连接，竖T形插板之间通过壁板连接。该实用新型用于无人机农田灌溉，但仅限于直接对农田进行浇灌，灌溉效率低，效果较差。
中国专利申请号201610024995.4，公开日216年4月27日的专利申请文件，公开了一种基于无人机红外热图像采集的大面积农田作物水分状态监测方法，包括步骤：1)在田间设置辅助装置，即田间空气温度传感器和地面充分蒸发参考面；2)通过无人机上云台固定的红外热成像***对农田作物进行大面积的红外图像采集，同步触发GPS模块获取对应图像的定位信息；3)地面数据处理***接收红外图像及定位信息，对图像进行配准、拼接和分割，提取冠层温度和地面充分蒸发参考面温度的空间分布，估算作物气孔完全关闭时的叶片温度，最后计算作物水分亏缺指数，对作物水分亏缺指数值高于临界值的区域进行高亮显示预警。此外，该发明还提出一种与之相适应的***。该发明适用于较大面积的农田作物水分状态监测，有利于实现农业精准灌溉，提高农业现代化水平。但由于需要在农田设置大量传感器，其使用成本极高，不适宜现阶段农业的发展。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有农田灌溉***成本高或效率低的问题，本发明提供一种无人机农田控制灌溉***及其工作方法，运用了无人机空间信息技术、计算机自动控制技术、网络技术等高新科技推广的研究方法，实现了大大减少了调蓄工程数量、降低了工程造价费用的效果，同时，既满足了用户的需求，又有效地减少了弃水，提高了灌溉***运行性能效率，解决了传统漫灌的水资源浪费问题，实现了水资源的合理运用。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种无人机农田控制灌溉***，包括无人机，所述的无人机内置核心处理器、作物长势识别模块、定位模块、土壤龟裂识别模块和飞行动力模块；还包括水位监测模块、农田喷灌控制模块、无线收发模块和计算机；
所述的作物长势识别模块、定位模块、土壤龟裂识别模块和飞行动力模块均与所述的核心处理器连接；
所述的水位监测模块和农田喷灌控制模块设置在农田内；
所述的计算机设置在地面；
所述的无线收发模块设置在地面的信号塔内，为无线连接所述的无人机和所述的计算机的中间设备；
所述的核心处理器、水位监测模块、农田喷灌控制模块分别通过所述的无线收发模块与所述的计算机连接。
优选地，所述的作物长势识别模块包括高清摄像头和作物长势信息存储器；
所述的土壤龟裂识别模块包括高清摄像头和土壤龟裂宽度信息存储器。
优选地，所述的飞行动力模块为锂聚合物电池。
优选地，所述的定位模块为北斗卫星导航模块。
优选地，所述的水位监测模块包括超声波水位传感器。
优选地，所述的超声波水位传感器为Echo Pod超声波液位传感器。
一种上述无人机农田控制灌溉***的工作方法，包括如下步骤：
步骤1，在所述的核心处理器内设置无人机飞行航线，并配对所述的定位模块和所述的计算机；
步骤2，通过无人机携带的高清摄像头对需水农田进行五米的悬停拍摄，图像实时传送到计算机；
步骤3，上述步骤2中计算机对所接收图像进行处理，同时所述的作物长势识别模块识别农作物生长状态；
步骤4，根据上述步骤3中所得到作物生长状态，做出三个处理办法；第一种就是轻控，当作物处在生长初期，裂缝0mm<X<7mm就给予灌溉；第二种则是中控，当作物处在生长中期，裂缝X满足7mm<X<20mm就给予灌溉；第三种就是重控，当作物处在生在末期，裂缝X>20mm就给予灌溉；灌溉信息经计算机传输信号至农田喷灌控制模块，开启灌溉；
步骤5，上述步骤4中开启灌溉后，水位监测模块实时监测所灌溉水位，当水位到达设定要求后，向计算机发出信号，计算机向农田喷灌控制模块发出停止灌溉信号，同时通过无线收发模块向核心处理器发出停止工作返回信号。
优选地，步骤6中所述的水位监测模块的工作方法包括如下步骤，在农田上方设置一个超声波水位传感器，灌溉前，超声波水位传感器通过声波信号从传感器表面到水底的时间为 2t1，超声波在空气中的传输速度c，计算传感器表面到水底的距离h1＝c*t1，当灌溉后所测量的h2＝c*t2，灌溉水位h3＝h1-h2，当h3＝20mm时，停止灌溉。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明利用无人机航拍，通过图像采集，测出农田裂缝龟裂程度的大小，通过作物的生长阶段与龟裂程度做对比，再通过计算机对阀门的端口控制，从而进行适宜灌溉，该节水灌溉技术充分的将通信技术与自动化技术完美的结合，弥补了现代农业节水灌溉的不足，从而大大增加了社会效益；
(2)本发明是利用农作物在不同生长阶段所需水水量的不同，对于生长初期的作物，需水量大，检测到存在裂缝就将会对应灌溉；将作物的生长阶段按照生长初期(裂缝宽度0mm <X<7mm)、生长中期(裂缝宽度20mm>X>7mm)、生长末期(裂缝宽度X>20mm)然后对应的灌溉水位为20mm；这种灌溉达到了节水的效果，也进一步实现了需水作物的增产；
(3)本发明结构简单，设计合理，易于制造。
附图说明
图1：为无人机农田控制灌溉***的装置示意图；
图2：为喷灌设施和计算农作物灌溉水量的装置示意图；
图3：为判断农田裂缝大小所对应需水量流程图。
其中，1计算机、2无线收发模块、3核心处理器、4飞行动力模块、5土壤龟裂识别模块、6定位模块、7农药喷洒模块、8作物长势识别模块、9农田喷灌控制模块、10水位监测模块、11无人机、101信号接受模块、102处理器、103喷灌阀门、104喷灌桩、105超声波水位监测器。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1
如图1所示，一种无人机农田控制灌溉***，包括无人机11，所述的无人机11内置核心处理器3、作物长势识别模块8、定位模块6、土壤龟裂识别模块5和飞行动力模块4；
所述的作物长势识别模块8、定位模块6、土壤龟裂识别模块5和飞行动力模块4均与所述的核心处理器3连接；
还包括水位监测模块10、农田喷灌控制模块9、无线收发模块2和计算机1；
所述的水位监测模块10和农田喷灌控制模块9设置在农田内；
所述的计算机1设置在地面；
所述的无线收发模块2设置在地面的信号塔内，为无线连接所述的无人机11和所述的计算机1的中间设备；
所述的无线收发模块2与计算机1的连接使用S232标准串口通信；无线收发装置2的型号为JF24D，传输速率为1M，具有81个通道可任意设置而互不干扰；
所述的核心处理器3型号为STM32F429/439–180MHzCPU/225DMIPS，高达2MB的双区闪存，具有SDRAM接口、Chrom-AR rator和LCD-TFT控制器；
所述的核心处理器3、水位监测模块10、农田喷灌控制模块9分别通过所述的无线收发模块2与所述的计算机1连接；
飞行动力模块4采用的是锂聚合物电池；
所述的土壤龟裂识别模块5包括高清摄像头和土壤龟裂宽度信息存储器；土壤龟裂识别模块5采用索尼HXR-MC2500高清摄像头，该摄像头最大像素659万、有效像素614w、光学变焦12倍、数字变焦200倍、实际变焦f＝2.9-34.8mm；
所述的定位模块6为北斗卫星导航模块，即采用国内的北斗定位***；
水位检测模块10采用超声波水位检测技术，采用Echo Pod超声波液位传感器。
如图2和图3所示，一种无人机农田控制灌溉***的工作方法，包括如下步骤：
步骤1，在所述的核心处理器3内设置无人机飞行航线，并配对所述的定位模块6和所述的计算机1；
步骤2，通过无人机携带的高清摄像头对需水农田进行五米的悬停拍摄，图像实时传送到计算机1；
步骤3，上述步骤2中计算机1对所接收图像进行处理，同时所述的作物长势识别模块8 根据计算机1所接收图像识别农作物生长状态；具体方法如下，
根据对应图片像素值与实际宽度值的换算系数，这里需要一个像素值与换算关系，可以通过无人机所携带的相机测量一个已知两点的距离，进行换算，本实施例给定一个标准测量两点的距离50mm时在计算机里面显示两点的距离为1024×128像素，那么就直接得出每像素大小50/(1024×128)＝0.00038125毫米/像素；
由此可知，当对应图片像素值为1024×17时，裂纹的真实宽度X＝1024×17×0.00038125＝6.6mm，当图片像素值为1024×44时，裂纹的真实宽度X＝1024×44×0.00038125＝17.2mm，当图片像素值为1024×68时，裂纹的真实宽度X＝1024×68×0.00038125＝26.5mm；
步骤4，根据上述步骤3中所得到的真实裂缝宽度X与农作物生长状态，按照生长初期 (裂缝宽度0mm<X<7mm)、生长中期(裂缝宽度20mm>X>7mm)、生长末期(裂缝宽度 X>20mm)，给出灌溉水位高度为20mm的灌溉量后，经计算机1传输信号至农田喷灌控制模块9中的信号收发器101；处理器102处理信号收发器101所接收信号，控制喷灌阀门103 打开，与喷灌阀门103连接的设置在喷灌桩104上的喷头开始喷水；
本步骤的目的是通过灌溉控制不同生长时期的农作物的裂缝宽度，生长初期，控制农作物裂缝宽度为0mm<X<7mm，生长中期，控制农作物裂缝宽度为7mm<X<20mm，生长末期，控制农作物裂缝宽度为20mm<X，以保持农作物各生长时期的良好长势；
步骤5，上述步骤4中开启灌溉后，水位监测模块10中超声波水位监测器105实时监测所灌溉水位，当水位到达设定要求后，通过信号收发器101向处理器102发出信号，处理器102发出停止灌溉信号，喷灌阀门103关闭，同时通过无线收发模块2向核心处理器3发出停止工作返回信号；
如图2所示，步骤5中所述的水位监测模块10的工作方法包括如下步骤，在农田上方设置一个超声波水位传感器，灌溉前，超声波水位传感器通过声波信号从传感器表面到水底的时间为2t1，超声波在空气中的传输速度c，计算传感器表面到水底的距离h1＝c*t1，当灌溉后所测量的h2＝c*t2，灌溉水位h3＝h1-h2，当h3＝20mm时，停止灌溉。
如图2所示，信号收发器101位于处理器102旁，且信号收发器101与处理器102都位于地面，相距10cm，收发信号器101接受灌溉信息，处理器102放置于喷管阀门开关上，喷灌阀门103发送开阀指令，喷灌桩104上的喷头开始喷水；当超声波水位监测器105监测到水位达到灌溉标准后，发送信号给处理器102，处理器102将喷灌阀门103关闭，再通过信号收发器101给计算机发送结束指令，当前田块处理结束。
实施例2
一种无人机农田控制灌溉***的工作方法，与实施例1基本相同，所不同的是，还包括农药灌溉步骤，将实施例1中步骤2中所拍摄作物长势图片经所述的无线收发模块2传输至计算机1，所述的计算机1分析作物长势，其作物长势与计算机所提供的标准作物长势做对比。然后，对于有虫害或者有杂草作物田块进行标记；并控制药喷洒装置7前往标记田块进行对应农药喷洒；其喷洒的适宜度应符合所需的灌溉作物受虫害面积的大小，面积越大，所喷散的农药相对越多，一方面，解决了传统工人劳动强度大，作业时间长，在对高大密集农作物作业时更是无能为力，导致防虫害、除草失败等缺点。另一方面，解决农药对人员生命安全所造成的威胁，也能够大量的节省劳动力，节省农业投入成本，最终增加农民的经济效益。
农药喷洒模块7使用的是无人机携带的药壶进行农药喷洒；作物长势识别模块8可以通过对比计算机1内农作物各种长势情况识别农作物长势，作出判断，如果长势不旺盛，从而进一步对其采取农药喷洒。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (8)

1.一种无人机农田控制灌溉***，包括无人机(11)，其特征在于：所述的无人机(11)内置核心处理器(3)、作物长势识别模块(8)、定位模块(6)、土壤龟裂识别模块(5)和飞行动力模块(4)；还包括水位监测模块(10)、农田喷灌控制模块(9)、无线收发模块(2)和计算机(1)；
所述的作物长势识别模块(8)、定位模块(6)、土壤龟裂识别模块(5)和飞行动力模块(4)均与所述的核心处理器(3)连接；
所述的水位监测模块(10)和农田喷灌控制模块(9)设置在农田内；
所述的计算机(1)设置在地面；
所述的无线收发模块(2)设置在地面的信号塔内，为无线连接所述的无人机(11)和所述的计算机(1)的中间设备；
所述的核心处理器(3)、水位监测模块(10)、农田喷灌控制模块(9)分别通过所述的无线收发模块(2)与所述的计算机(1)连接。
2.根据权利要求1所述的一种无人机农田控制灌溉***，其特征在于：所述的作物长势识别模块(8)包括高清摄像头和作物长势信息存储器；
所述的土壤龟裂识别模块(5)包括高清摄像头和土壤龟裂宽度信息存储器。
3.根据权利要求2所述的一种无人机农田控制灌溉***，其特征在于：所述的飞行动力模块(4)为锂聚合物电池。
4.根据权利要求3所述的一种无人机农田控制灌溉***，其特征在于：所述的定位模块(6)为北斗卫星导航模块。
5.根据权利要求4所述的一种无人机农田控制灌溉***，其特征在于：所述的水位监测模块(10)包括超声波水位传感器。
6.根据权利要求5所述的一种无人机农田控制灌溉***，其特征在于：所述的超声波水位传感器为Echo Pod超声波液位传感器。
7.一种权利要求6所述的无人机农田控制灌溉***的工作方法，包括如下步骤：
步骤1，在所述的核心处理器(3)内设置无人机飞行航线，并配对所述的定位模块(6)和所述的计算机(1)；
步骤2，通过无人机携带的高清摄像头对需水农田进行五米的悬停拍摄，图像实时传送到计算机(1)；
步骤3，上述步骤2中计算机(1)对所接收图像进行处理，获得农田真实裂缝宽度X，同时所述的作物长势识别模块(8)根据所述的计算机(1)所接收图像识别农作物生长状态；
步骤4，根据上述步骤3中所得到真实裂缝宽度X和农作物生长状态，做出三个处理办法；第一种就是轻控，当作物处在生长初期，裂缝0mm<X<7mm就给予灌溉；第二种则是中控，当作物处在生长中期，裂缝X满足7mm<X<20mm就给予灌溉；第三种就是重控，当作物处在生在末期，裂缝X>20mm就给予灌溉；灌溉信息经计算机(1)传输信号至农田喷灌控制模块(9)，开启灌溉；
步骤5，上述步骤4中开启灌溉后，水位监测模块(10)实时监测所灌溉水位，当水位到达设定要求后，向计算机(1)发出信号，计算机(1)向农田喷灌控制模块(9)发出停止灌溉信号，同时通过无线收发模块(2)向核心处理器(3)发出停止工作返回信号。
8.根据权利要求7所述的一种无人机农田控制灌溉***的工作方法，其特征在于：步骤6中所述的水位监测模块(10)的工作方法包括如下步骤，在农田上方设置一个超声波水位传感器，灌溉前，超声波水位传感器通过声波信号从传感器表面到水底的时间为2t1，超声波在空气中的传输速度c，计算传感器表面到水底的距离h1＝c*t1，当灌溉后所测量的h2＝c*t2，灌溉水位h3＝h1-h2，当h3＝20mm时，停止灌溉。
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