CN108156918B - 一种规模化农田无线物联网智能滴灌***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种规模化农田无线物联网智能滴灌***及方法，属于高效节水灌溉技术领域。本发明所述的规模化农田无线物联网智能滴灌***包括远程控制中心、若干测控模块、田间滴灌***和终端，实现全无线化的控制传输，提出了针对滴灌田间测控模块的降耗休眠措施，同时测控模块标识有专用信息，通过便携式终端读取即可完成测控模块定位、读取、设置等管理操作，解决规模化农田智能化滴灌***功耗高、布置困难、管理复杂的问题；同时降低了规模化农田的智能滴灌***的搭建投入，提高管理效率。
Description
技术领域
本发明涉及高效节水灌溉技术领域，特别是一种针对规模化农田的无线物联网智能化滴灌***及方法。
背景技术
发展滴灌是实现农业节水、高产、高效的重要途径，对于保障农产品安全供给、带动农民脱贫致富、推动农业现代化意义重大。我国以滴灌为主的微灌面积近十年增加了近10倍，2016年达到7905万亩，我国已成为全球滴灌面积最大的国家。随着农村劳动力日渐弱化、土地流转政策颁布，农业生产逐步向规模化、集约化发展，滴灌技术面临着广阔的应用前景。
本技术中规模化农田滴灌主要指控制面积在1000亩及以上的大田滴灌***，主要用于种植小麦、玉米等大田粮食作物或棉花、大豆、马铃薯等大田经济作物。规模化滴灌工程控制面积大、***组成复杂，存在***管理工作量大、规模化效益有待提高等问题，利用现代信息技术实现***的精准化、智能化管控已成为解决该问题的有效途径，但智能化滴灌领域，尤其是针对规模化农田的智能滴灌技术还存着以下问题：现有技术方案多针对设施农业智能滴灌等提出，缺少针对规模化农田滴灌的合理布置方案，方案应用到规模化滴灌中存在灌溉单元控制面积小、阀门数量多、***搭建成本高等问题；其次是规模化农田滴灌控制面积大，田间所用到的智能化装备多，安装、回收、管理复杂。因此，亟需构建能够***解决规模化农田智能滴灌的技术方案。
申请号为CN201610572613.1的技术方案中提出“一种基于物联网的水肥一体化滴灌管理***”，该技术方案通过感应模块、调节模块进行组合搭配构建了一种物联网滴灌管理***，可以进行精量水肥滴灌调控，但该技术主要针对设施滴灌提出，没有涉及到规模化农田滴灌智能化滴灌；申请号为CN200810046093.6的专利提出了“基于ZigBee通信技术的阀门控制器及其控制方法”，提供了针对膜下滴灌的自动化控制***，实现了大田膜下滴灌***远程无线控制，但该***没有提出相应的管理方法。
物联网技术是一种基于互联网的物与物相连的技术，其通过网络，尤其是无线网络实现对对象的全面感知与控制，是大规模信息获取与控制的有效途径，是规模化农田滴灌***的管控的较为理想手段。本发明基于物联网技术，结合与规模化农田适配性好的管网、执行与布设方法，形成***化的规模化农田智能滴灌解决方案。
(1)针对规模化滴灌控制面积广，供电布线不便的特点，基于物联网技术架构，采用全无线化模块进行控制与信息采集，并提出模块降耗休眠措施与通过扫描测控模块表面二维码标识进行测控模块定位、读取、设置等管理操作，解决规模化农田智能化滴灌***布置困难、功耗高、管理复杂的问题。
(2)构建了由远程控制中心，无线测控模块，低功耗电控阀门，小流量、长毛管、薄管壁滴灌带，大流量支管管网组成的完整***搭建模式，有效降低了***成本，为规模化农田智能滴灌***构建提供适配解决方案。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种规模化农田无线物联网智能滴灌***及方法，解决规模化农田智能化滴灌***布置困难、功耗高、管理复杂的问题。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种规模化农田无线物联网智能滴灌***，包括远程控制中心、若干测控模块、田间滴灌***和终端；所述测控模块使用无线通信的方式连接远程控制中心，所述测控模块与相应的田间滴灌***连接，所述田间滴灌***包括被控设备和传感设备；
所述远程控制中心部署于远端服务器上，可同时接入位于不同地点、属于不同用户的灌溉小区，用于对规模化农田无线物联网智能滴灌***进行远程控制，监控田间滴灌***参数、管理滴灌灌溉施肥、获取技术支持与服务、分析参数数据，制定滴灌灌溉制度与程序等，与用户通过终端进行交互；
所述测控模块用于规模化农田无线物联网智能滴灌***的无线控制与数据采集，接收并执行远程控制中心下达的控制指令，驱动与控制指令对应的被控设备并检测被控设备的运行状态；同时采集并向远程控制中心上报田间滴灌***参数；所述测控模块表面附有二维码图片，通过终端扫描二维码即可进行测控模块的定位、信息读取、配置等管理工作。
在上述方案的基础上，所述测控模块可根据需要选择连接被控设备或者传感设备或者同时与被控设备和传感设备连接；所述测控模块可使用电池作为电源，因此也可向远程控制中心上报自身电量以及无线信号强度信息；所述传感设备包括土壤水分、温度、湿度、风速、风向、太阳辐射、流量、压力、pH、电导率、养分、图像识别、电能和功耗等传感设备，所述被控设备包括电控阀门、水泵、施肥机、反冲洗过滤器等具体执行滴灌灌溉的设备。
在上述方案的基础上，所述田间滴灌***还包括输配水管网和压力流量调节装置，所述输配水管网采用口径在110mm以上的大口径支管，每根支管控制一个灌溉小区，毛管与支管连接，毛管入口处安装压力流量调节装置，所述电控阀门安装在每根支管与输配水管网的干管连接处，用于控制整个支管。
在上述方案的基础上，所述支管采用PE材料的可收放软管；所述毛管采用灌水器流量在1.6L/h以下的小流量、薄管壁的滴灌带，滴灌带的铺设长度可达100m以上；所述电控阀门采用电压在6V以下的微功耗的直流脉冲电磁阀，以脉冲信号进行控制，阀门开启、关闭瞬间进行供电，正常工作过程中不耗电。
在上述方案的基础上，所述终端一般为可连接互联网，包含可以扫描并识别二维码图片的摄像功能，可以进行经纬度定位的定位功能以及进行输入输出的功能的便携式装置，可以是常见的智能手机、平板电脑等便携式装置。
在上述方案的基础上，所述测控模块与远程控制中心的无线通信方式可以为4G、3G、GPRS、数传电台以及无线自组织网络等无线通信方式。
在上述方案的基础上，所述二维码图片以印刷、雕刻等形式附在所述测控模块的表面，所述二维码图片中包含的测控模块部署所需要的基本信息包括：测控模块ID，所述测控模块ID为测控模块在滴灌***中的唯一标识信息；测控模块的功能信息，所述功能信息指该测控模块在滴灌***中所执行的功能任务或角色；测控模块的型号信息，包括测控模块的型号与版本等；传感设备信息，包括所连接传感设备的数量、功能、量程、精度、数据转换方式等信息；所连接被控设备信息包括被控设备的类型、控制方式等信息；网络信息，包括测控模块在无线网络中的网络类型、角色、协议类型等，以上信息格式与远程控制中心中格式要求一致，以便于滴灌***与终端识别，将基本信息生成二维码图片并附在测控模块表面的步骤通常在测控模块生产时进行。
上述规模化农田无线物联网智能滴灌***实现滴灌智能化控制的方法，包括以下步骤：
(1)根据灌溉规模与需求，对滴灌***进行设计并按照设计方案将所述滴灌***分成若干个灌溉小区，然后布置所述滴灌***；
(2)对测控模块进行相应的配置管理，并将配置信息保存在远程控制中心，保证测控模块与滴灌***的正常运行；
(3)用户通过远程控制中心遥控灌溉、施肥动作，设置滴灌***灌水量、灌水频率、施肥量、施肥频率等运行参数，使滴灌***按照科学灌溉制度精确运行，也可以依据采集到的田间滴灌***参数进行智能化的灌溉决策。
在上述方案的基础上，步骤(2)中对测控模块进行相应的配置管理的方法，包括以下步骤：
(2-1)使用滴灌***用户名与密码进行登录远程控制中心并选择所配置测控模块所属的灌溉小区；
(2-2)使用终端扫描附在测控模块表面的二维码图片，终端对二维码图片中所包含的基本信息进行读取，读取完成后，终端将ID(***中唯一标识信息)发送至远程控制中心并与滴灌***中的已有信息进行比对；
(2-3)判断滴灌***中是否存在该测控模块；当滴灌***中无此测控模块时，则对测控模块进行安装配置，由用户人工将信息补充完整，然后由终端向远程控制中心发送测控模块的配置信息，其中包括测控模块的基本信息、位置信息与人工补充的信息，最后将配置信息保存到远程控制中心的数据库中，完成配置；如果远程控制中心的数据库中存在该ID，则终端读取数据库中的配置信息，供用户查看、修改，同时用户可以将该测控模块的配置信息删除，将测控模块从滴灌***中删除，进行修改、更新、删除的信息同样由终端发送至远程控制中心；
(2-4)对于已经从田间回收、需要进行重新安装的测控模块，终端扫描田间测控模块表面的二维码图片后，读取基本信息并显示，然后终端将测控模块ID上报至远程控制中心，由远程控制中心对测控模块ID是否合法、是否属于用户所选择的灌溉小区进行校验；当信息有误时，远程控制中心将未通过校验的理由通过终端反馈给用户，帮助用户查找错误原因；当信息内容无误时，滴灌***将接收的信息保存在远程控制中心的数据库中，终端从远程控制中心获取测控模块原安装位置信息，终端将测控模块原有位置与终端实时位置展示在GIS地图图层上，方便用户寻找测控模块的原有安装位置。
在上述方案的基础上，步骤(2-3)中所述位置信息可由终端中的定位功能自动获取，进行配置时，如果终端所在位置即为测控模块的安装部署位置，则位置信息由终端自动录入，若不在该位置，可由人工进行录入，录入的方式可以为手动输入测控模块要安装的经纬度坐标，也可直接在终端内所显示的电子地图上点选；人工补充的信息为非标准化的信息，即因滴灌***不同而各异的参数，如测控模块所在地块、灌溉小区、所属轮灌组、控制逻辑等信息，可由人工简单填写或人工选择远程控制中心提供的选项，选项内容通常是在用户选择测控模块所在滴灌***后由终端从配置数据库中读取得到，配置信息也可以以预置文件的形式提前储存在终端中。
在上述方案的基础上，步骤(3)中所述依据采集到的田间滴灌***参数进行智能化的灌溉决策的方法，包括以下步骤：
(3-1)通过测控模块采集到的田间滴灌***参数信息判断作物是否处于缺水状态，远程控制中心判别后，若处于缺水状态，同时监测未来短期内的降水状况；
(3-2)若监测到未来短期内有降水，则暂不执行灌溉任务；若监测到未来短期内没有降水，远程控制中心计算得到灌溉任务，包括灌溉水量和灌溉时间，灌溉水量通过土壤水分平衡模型进行计算，测控模块控制电控阀门开启的同时，滴灌***首部的测控模块控制水泵开启，执行灌溉任务；
(3-3)灌溉任务执行完成后，管理人员对本次灌溉的效果进行评价，评价结果将储存进入远程控制中心的数据库，指导远程控制中心进行自学习。
在上述方案的基础上，步骤(3-1)中判断作物是否处于缺水状态的判断指标包括田间土壤水分信息和作物生理指标信息，所述作物生理指标信息包括作物表型、冠层温度和视觉图像等。
在上述方案的基础上，步骤(3-2)中所述测控模块中消耗电能的电路组件包括控制测控模块的微处理器与负责通讯的无线通信模块，所述微处理器和无线通信模块分为工作与休眠两种状态，工作状态时，微处理器协调驱动测控模块各组件工作，无线通信模块与远程控制中心进行数据传输，此时工作功耗高；在休眠状态时，仅微处理器保持最低功耗运行，测控模块的其余组件处于关闭状态，此时测控模块功耗最小；微处理器进入休眠工作状态前，可以设置退出休眠的时间，当休眠一定时间后，微处理器会自动由休眠状态转为工作状态并唤醒测控模块的其他组件。
具体的节能休眠方法，包括以下步骤：
(3-2-1)远程控制中心制定灌溉任务后，测控模块首次唤醒，从远程控制中心获取灌溉任务，任务获取完毕后，测控模块进入休眠状态；
(3-2-2)测控模块在没有灌溉任务时，每12小时从休眠状态中重新唤醒进入工作状态一次，主动向远程控制中心上报自身的工作状态；
(3-2-3)对比原有灌溉任务是否发生改变，如未发生改变，则继续进入休眠状态直到下一次唤醒，如发生改变，则从远程控制中心下载最新灌溉任务，确定下次何时从休眠状态转入工作状态并执行灌溉命令；
(3-2-4)根据测控模块采集到的信息和作物缺水指标，若判定作物在执行过一次灌溉动作后依然处于缺水状态，则休眠周期转为1小时，以便用户下发的补充灌溉命令可以得到及时执行。
本发明所述的规模化农田无线物联网智能滴灌***及方法，(1)实现全无线化的控制传输，提出了针对滴灌田间测控模块的降耗休眠措施，同时测控模块标识有专用信息，通过便携式终端读取即可完成测控模块定位、读取、设置等管理操作，解决规模化农田智能化滴灌***功耗高、布置困难、管理复杂的问题。
(2)构建了由远程控制中心，测控模块，小流量、长毛管、薄管壁滴灌带，大口径支管管网、微功耗电控阀门组成的完整解决方案，提升了单个小区控制面积，减少了设备投入，降低了规模化农田的智能滴灌***的搭建投入，提高管理效率。
附图说明
本发明有如下附图：
图1本发明的滴灌***组成图。
图2本发明智能决策流程图。
图3本发明节能策略流程图。
图4本发明基于二维码配置的基本原理图。
图5本发明测控模块配置流程图。
图6本发明测控模块原安装位置展示流程图。
图7本发明管网布设示意图。
具体实施方式
以下结合附图1-7对本发明作进一步详细说明。
1)总体思路
本***主要由远程控制中心，测控模块，田间滴灌***3大部分组成。其中，远程控制中心是整个智能滴灌***的控制中心与软件平台，用于进行规模化农田滴灌***远程控制，展示智能化滴灌***的整体功能，包括监控田间滴灌***参数、管理滴灌灌溉施肥、获取技术支持与服务、分析参数数据，制定滴灌灌溉制度与程序等，与用户通过电脑、手机等多终端连接互联网的终端进行交互。该远程控制中心部署于远程服务器上，无需在滴灌工程现场部署，可同时接入位于不同地点、属于不同用户的灌溉小区。
测控模块用于规模化农田智能化滴灌***的数据采集与无线控制，即测控模块同时具备测量与控制两种功能：可连接土壤水分、温度、湿度、风速、风向、太阳辐射、流量、压力、pH、电导率、养分、摄像机(或其他图像识别设备)、电能、功耗等传感设备采集信息；可连接并驱动电控阀门、水泵、施肥机、反冲洗过滤器等具体执行滴灌灌溉的设备，在本方案中称为被控设备。上述连接方式可以是有线连接，也可以是无线连接。测控模块使用无线通信的方式连接远程控制中心，可接收执行远程控制中心下达的灌溉、施肥等控制指令，驱动对应被控设备并检测其运行状态；连接各类传感设备，采集并向远程控制中心上报田间滴灌***参数，为用户以及智能决策提供数据支持。每个滴灌***根据规模不同可以安装不同数量的测控模块，测控模块与所在灌溉小区进行绑定。位于田间等不方便供电情景的测控模块可使用电池供电并具备节能算法，无需在田间布设线缆。测控模块上具有二维码等标志信息，通过手机等连接互联网的手持终端即可进行方便的定位、读取、配置等管理工作。
本技术方案中的田间滴灌***在首部***安装有测控模块，该测控模块负责位于首部的水泵、施肥机、反冲洗过滤器的控制，同时采集监测首部流量、压力、水泵功耗、过滤器压差、电导率、pH等参数以及视频图像等信息。输配水管网设计中采用大口径支管，配合田间毛管使用小流量、长毛管、薄管壁滴灌带(灌水器流量≤1.6L/h)以及压力流量调节装置，优选地，毛管(滴灌带)铺设长度可达100m以上，单个灌溉小区的控制面积可以提升至100亩及以上。因此，整个滴灌***的灌溉小区数量可大大减少，所需投入的电控阀门与测控模块数量随之减少，滴灌***整体成本得到有效控制。每个灌溉小区配备有一个电控阀门与测控模块。田间配备有采集土壤水分、土壤温度的测控模块，也可配备有采集气温、湿度、太阳辐射的气象要素测控模块，为决策提供数据支持。
用户使用本技术方案中的智能化滴灌***，可以实现通过互联网终端(电脑、手机等)对滴灌***的远程控制管理，提升滴灌***的精量管理水平，降低人工管理带来的繁重劳动，保障滴灌***按照设计的灌溉制度进行灌溉施肥作业，也可使用***中内置的灌溉决策控制模型代替人工进行智能化的灌溉控制，减少人工灌溉决策失误。同时，通过有机集成小流量、长毛管、薄管壁滴灌带等适配组件，构建低成本的规模化农田智能滴灌***，最终实现增产增收目的。
2)远程控制中心
远程控制中心是整个智能化***的控制中心与软件平台，用于进行规模化农田滴灌***远程控制，用户可以通过远程控制中心遥控灌溉、施肥动作，设置滴灌***灌水量、灌水频率、施肥量、施肥频率等运行参数，使规模化滴灌***可以按照科学灌溉制度精确运行，也可以依据采集到的田间滴灌***参数信息进行智能化的灌溉决策，代替人工进行灌溉决策与控制。其决策流程如图2所示，主要通过采集信息判断作物是否处于缺水状态，判断指标包括田间土壤水分信息、作物生理指标信息(作物表型、冠层温度、视觉图像等)，判别后根据未来降水状况与灌溉小区在轮灌组中的顺序决策是否进行灌溉，灌溉水量通过土壤水分平衡模型进行计算。本技术方案中的远程控制中心应具有自学习能力，同时，用户可对每次的决策是否达到要求进行评价，以评估已有灌溉行为的正确性或优良度，为远程控制中心自学习提供指导与改进。
远程控制中心还具备对所连接的测控模块进行配置的功能，配置的过程即将上述测控模块接入到远程控制中心与远程控制中心所管理的灌溉小区进行关联。配置的内容包括通过远程控制中心设置测控模块所属灌溉小区、所属类型、所连接设备的类型、采集信息类型、采集信息校准标定、测控模块地理坐标位置等信息，其中配置的方式还包括通过移动终端(手机等可接入互联网的移动终端)扫描测控模块上的二维码标识信息进行。
3)测控模块及其基于标识信息的配置方法
(1)测控模块
测控模块负责滴灌***中灌溉、施肥、过滤器冲洗等动作的控制，连接的被控设备包括水泵、电控阀门、施肥机以及带有自动冲洗功能的过滤器，由测控模块驱动上述被控设备开启关闭并设置被控设备的开启关闭时间；可连接不同类型的传感设备，包括土壤水分、温度、湿度、风速、风向、太阳辐射、流量、压力、pH、电导率、养分、摄像机(或其他图像识别设备)、电能、功耗等设备，用于采集滴灌***运行、作物生长状况相关信息，测控模块通过无线通讯的方式与本技术方案中的远程控制中心进行通讯，其通信方式可以为4G、3G、GPRS、数传电台以及无线自组织网络等无线通信方式，可接收来自远程控制中心的命令，也可上报当前所驱动被控设备的运行状况以及所采集数据。考虑到规模化农田中难以布设线缆，位于田间的测控模块(如驱动电控阀门工作的模块)使用电池作为电源，因此也可向远程控制中心上报自身电量以及无线信号强度信息。测控模块连接的被控设备、传感设备可根据需要选择，如测控模块可以只连接电控阀门用于灌溉控制，也可只连接土壤水分传感器用于土壤水分采集，也可将同时连接电控阀门与土壤水分传感器。
(2)模块节能策略
位于田间的测控模块使用无线通讯方式以及电池供电，为降低生产成本，优选采用体积小，成本低的电池作为电源，为降低测控模块运行功耗，提升测控模块持续运作时间，减少更换电池工作量，本技术方案在优选使用低功耗电路与通讯方式的同时，为测控模块制定相应的节能工作策略。
测控模块中消耗电能的电路组件通常包括负责测控模块控制的微处理器与负责通讯的无线通信模块，上述两个组件通常分为工作与休眠两种状态，工作状态微处理器协调驱动测控模块各组件工作，无线通信模块与远程控制中心进行数据传输，此时工作功耗较高，如使用电池供电其持续工作时间通常为数天，难以持续支撑测控模块工作一个作物灌溉周期；在休眠状态时，仅微处理器保持最低功耗运行，测控模块的其余组件处于关闭状态，此时测控模块功耗最小。微处理器进入休眠工作状态前，可以设置其退出休眠的时间，即当休眠一定时间后，微处理器会自动由休眠状态转为工作状态并唤醒测控模块的其他组件。
在本滴灌***中，位于田间的测控模块通常为控制田间阀门开启关闭的模块，该模块仅在田间开始灌溉时需要处于工作状态，其余时间可处于低功耗的休眠状态。因此，田间的测控模块可以在仅在接收远程控制中心发送的灌溉命令时以及执行灌溉时处于工作状态即可。通常，规模化农田的滴灌灌溉周期一般为1-7天或更长，因此在本技术方案中，优选采用每12小时进行一次灌溉计划同步，即田间的测控模块在没有灌溉任务时，每12小时从休眠中唤醒进入工作状态一次，主动向远程控制中心上报自身工作状态，并对比原有灌溉计划是否发生改变，如未发生改变，则继续进入休眠状态直到下一次唤醒，如发生改变，则从远程控制中心下载最新灌溉计划，确定下次何时从休眠转入工作状态并执行灌溉命令。同时，考虑到灌溉不充分时，即作物仍然缺水时需及时进行补充灌溉，根据测控模块采集到的作物缺水指标，若判定作物在执行过一次灌溉动作后依然处于缺水状态，则休眠周期转为1小时，以便用户下发的补充灌溉命令可以得到及时执行。上述休眠周期均可根据需要进行设定，执行流程见图3所示。
(3)基于二维码信息标识的模块管理方法
测控模块在安装接入***时，需要人工对测控模块在远程控制中心中的参数信息进行相应配置，并将配置保存在远程控制中心中才能保证测控模块与滴灌***的正常运行。配置信息包括ID、类型、功能、安装位置(经纬坐标)、所控灌溉小区等，其中，对于测控模块连接的传感设备，还需要对传感设备的类型、测量量程、测量精度等信息进行配置。规模化农田滴灌***在实现滴灌智能化控制时，需要安装部署的田间测控模块数量较多，在安装时所需进行配置的信息也较大，使用人工进行配置费时费力，效率较低。
在平时的管理中，为防止分散布置在田间的测控模块在田间进行播种、耕作、收割等作业活动时丢失或被意外损坏，需要在作业前将测控模块从田间收回，待作业结束后由灌溉***的管理人员再次进行安装；同时，管理人员还需要对故障的测控模块及时进行检修替换或回收。实际进行操作时，容易出现因作物枝叶生长较高遮挡测控模块，难以迅速找到要回收或检修的测控模块问题。再次进行安装时，由于测控模块的数量较多，需要管理人员逐一核对原先安装位置，操作麻烦且效率较低；而由于田间难以有固定参照物，再次安装时也常常存在难以找到原有安装位置的问题。
本技术方案在构建规模化农田智能滴灌***时，将测控模块的基本信息生成二维码图片附在测控模块表面，当用户使用便携式的终端(如可接入互联网的手机等移动终端)对测控模块上所附的二维码图片进行扫描时，终端将对二维码图片中所包含的信息进行读取；同时，终端通过互联网与远程控制中心进行通信，根据ID(唯一标识符)对测控模块的配置情况进行查询，根据查询结果提示用户进行配置、查询、控制等操作，并将操作结果发送至远程控制中心，完成相关操作。该方法基本原理图如图4所示。
其中，便携式终端一般为可连接互联网，包含可以扫描识别二维码的摄像功能，可以进行经纬度定位的定位功能以及进行输入输出的功能的便携式装置，可以是常见的智能手机、平板电脑等。
表面所附二维码图片包含测控模块部署所需要的基本信息，包括：ID，指在滴灌***中的唯一标识信息；功能信息，指该测控模块在***中所执行的功能任务或角色；型号信息包括型号与版本等；传感设备信息包括传感设备的数量、功能、量程、精度、数据转换方式等信息；被控设备信息包括被控设备的类型、控制方式等信息；网络信息包括测控模块在无线网络中的网络类型、角色、协议类型等，以上信息格式与远程控制中心中格式要求一致，以便于滴灌***与终端识别。二维码图片可以以印刷、雕刻等形式附在测控模块表面，将基本信息生成二维码图片并附在测控模块表面的步骤通常在测控模块生产时进行。
①配置管理
测控模块的配置管理包括测控模块的配置安装、配置删除与配置的修改更新。进行配置前，需要使用具有一定权限的用户名进行登录远程控制中心并选择所配置测控模块所属的灌溉小区。具体配置实施流程见图5，当用户选择所属灌溉小区后，首先使用终端扫描附在测控模块表面的二维码图片。终端对二维码图片中所包含的基本信息进行读取，读取完成后，终端将ID(***中唯一标识信息)发送至远程控制中心并与滴灌***中已有信息进行比对，判断滴灌***中是否存在该测控模块：当滴灌***中无此测控模块时，则对该测控模块进行安装配置，由用户人工将该测控模块信息补充完整，然后由终端向远程控制中心发送安装信息，其中包括测控模块的基本信息、位置信息与人工补充的信息，最后将配置信息保存到远程控制中心的数据库中，完成配置；如果远程控制中心的数据库中存在该ID，则终端读取数据库中的配置信息，供用户查看、修改，同时用户可以将该测控模块的配置信息删除，即将该测控模块从滴灌***中删除，进行修改、更新、删除的信息同样由终端发送至远程控制中心。
其中，位置信息可由终端中的定位功能自动获取，进行配置时，如果终端所在位置即为测控模块安装部署位置，则位置信息由终端自动录入，若不在该位置，可由人工进行录入，录入的方式可以为手动输入测控模块要安装的经纬度坐标，也可直接在终端内所显示的电子地图上点选；人工补充的信息主要为非标准化的信息，即因滴灌***不同而各异的参数，如测控模块所在地块、灌溉小区、所属轮灌组、控制逻辑等信息，可由人工简单填写或人工选择远程控制中心提供的选项，选项内容通常是在用户选择测控模块所在滴灌***后由终端从配置数据库中读取得到，配置信息也可以以预置文件的形式提前储存在终端中。
当测控模块由于田间作业等活动被收回，需要进行二次安装时，可以通过修改、更新、删除配置对测控模块进行重新配置安装，以提高部署灵活程度。重新安装时，可选择根据原有坐标位置信息部署到原安装位置，也可在修改相关配置后根据实际需要安装在另一个灌溉小区，或直接将测控模块所有配置信息从远程控制中心删除后，对全部配置信息重新配置。
远程控制中心对发送的信息进行校验，校验的内容包括配置信息的完整性、准确性以及合法性，当信息有误时，远程控制中心将未通过校验的理由通过终端反馈给用户，帮助用户查找错误原因；当信息内容无误时，***将接受的信息保存在远程控制中心的配置数据库中，完成配置流程，同时向终端反馈配置完成的信息。
②模块定位
本发明中，经过配置的测控模块在数据库中保存有测控模块的安装位置信息。本方法结合地理信息(GIS)、全球定位(GPS)等技术，通过终端将同一滴灌***中的测控模块以图标的形式展示在电子地图图层上，使各个测控模块的位置一目了然。其中，测控模块类型通过不同形状的图标展示，同时辅以简单的信息，包括ID、工作状态、所采集参数等信息。相关测控模块信息是在用户使用一定权限的用户密码登陆后，从远程控制中心获取。为便于寻找位于田间的测控模块，终端的实时位置也同时显示在地图图层上，用户通过对终端位置与测控模块的位置的比对即可快速定位所要查找的测控模块。上述方法中还包括ID搜索、筛选等功能，便于查询满足特定条件的测控模块，如故障测控模块、离线测控模块等等。
对于已经从田间回收、需要进行重新安装的测控模块，除上文提到对原有配置进行修改、删除并进行重新安装的方法外，本发明还包括以下方法协助用户将测控模块重新安装至原有位置。具体流程图见图6，终端扫描田间的测控模块表面二维码图片后，读取基本信息并显示，然后终端将ID上报至远程控制中心，由远程控制中心对ID是否合法、是否属于用户所选择的滴灌***进行校验。若校验未通过，则流程终止，当校验通过后，终端从远程控制中心获取测控模块原安装位置信息。最后，终端将测控模块原有位置与终端实时位置展示在GIS地图图层上，方便用户寻找测控模块原有安装位置。
4)智能滴灌***布置
为减少田间的测控模块、电控阀门等投入数量，降低智能滴灌***的整体成本，本技术方案提升了单个滴灌灌水小区面积，主要实施方案为使用口径在110mm以上的大口径支管为管网支管，优选采用PE材料可收放软管，提升滴灌管网支管上的流量，因此单根支管可控制面积更大。将毛管直接连接在滴灌***支管上，每根支管控制一个灌溉小区，由于支管流量压力较高，因此在毛管入口安装具有压力流量调节装置，保证进入毛管的水压符合毛管工作范围。毛管使用滴灌灌水器流量在1.6L/h以下的长毛管、薄管壁滴灌带，该类型滴灌带由于流量小，铺设长度可达100m以上，同时管壁较薄，毛管投入较少，通过大口径支管与小流量、长毛管、薄管壁滴灌带的组合，提升了单个灌溉小区的控制面积。电控阀门与测控模块安装在每跟支管与管网干管的连接处，用于控制整个支管，优选电控阀门采用微功耗的直流低电压脉冲电磁阀，即电压在6V以下的微功耗阀门，以脉冲信号进行控制，阀门开启、关闭瞬间进行供电，正常工作过程中不耗电，以满足田间电池供电条件下长时间运作的需求。
每个灌溉小区中安装有一个负责采集土壤水分或作物缺水信息的测控模块，滴灌***的首部安装有负责控制水泵(或水泵控制器)、施肥机、过滤器的测控模块，同时负责采集首部压力、流量、水泵能耗、EC、pH、过滤器压差信息；每个滴灌***优选安装一个可以采集温度、湿度、风速、太阳辐射等气象参数的测控模块，当不安装该测控模块时，优选从互联网获取滴灌***所在位置的气象参数信息。管网布置示意图见图6。
以构建一座位于北京市通州区、控制面积为1000亩规模化小麦智能滴灌***为例，说明发明工作过程。该1000亩滴灌***共分为10个灌溉小区，每个灌溉小区进口设置1个测控模块及其所控制的3V微功耗低压直流脉冲电磁阀，每个灌溉小区中设置一个可以采集土壤水分的测控模块，首部设置有控制水泵、施肥机、过滤器的测控模块，可采集流量、压力、pH、电导率、养分、电能、功耗信息。***中单独设立一个可以采集气象信息的测控模块。上述测控模块均通过4G无线通信的方式接入到远程控制中心，测控模块外壳上附有包含测控模块ID信息的二维码图片。管网以口径为160mm的塑料软管作为支管，每根支管控制一个灌溉小区，毛管采用流量为0.8L/h的小流量、长毛管、薄管壁滴灌带产品，毛管连接在支管上，毛管进口安装有压力流量调节装置，可将毛管进口压力稳定在10m工作水头。
(1)实施例1：智能决策流程
本实施例中以土壤水分作为衡量作物是否缺水的指标，通过布置在二号灌溉小区中的测控模块采集到的土壤水分，远程控制中心判断当前田间小麦处于缺水状态，同时，监测短期之内没有有效降雨，此时，远程控制中心计算得出需要在24小时内进行灌溉，灌溉持续时间4小时，并将上述灌溉内容制定为灌溉任务，当下次二号灌溉小区内的测控模块从休眠中唤醒后，将此灌溉任务同步至二号灌溉小区测控模块。二号灌溉小区控制其连接的电控阀门开启的同时，首部的测控模块控制水泵开启，执行灌溉施肥。任务执行完成后，管理人员可对本次灌溉的效果进评价，评价结果将储存进入数据库，指导远程控制中心进行自学习，通过数据累积，决策流程会避免在其他条件相同时做出满足管理人员评价结果，避免做出评价结果为负面的决策。
(2)实施例2：测控模块休眠策略
以控制二号灌溉小区的测控模块为例说明休眠策略的执行，二号灌溉小区的测控模块及其所控制的电控阀门安装在控制该灌溉小区支管进口处。远程控制中心制定的灌溉任务为2天后进行灌溉，测控模块首次唤醒时，从远程控制中心获取灌溉任务，任务获取完毕后，测控模块进入休眠状态，测控模块内部的微控制器进入低功耗状态，其他电路关闭。12小时后，微控制器将测控模块唤醒，通过无线通信模块向远程控制中心主动上报已经由休眠状态转入工作状态，核对灌溉任务，灌溉任务此时由于管理人员修改，10小时后需要进行灌溉，灌溉持续2小时，此时测控模块重新从远程控制中心接受新的灌溉任务，并将休眠周期设定为10小时，转入休眠状态。10小时后，测控模块再次由休眠转入工作状态，并控制电控阀门开启，执行2小时灌溉任务，任务完成后，向远程控制中心上报灌溉结束，并从远程控制中心接收7天后进行灌溉新的任务，然后进入以12小时为周期的灌溉休眠。
(3)实施例3：基于信息标识的测控模块管理方法
①测控模块的部署过程示例
首先，使用本滴灌***用户名与密码通过终端即本例中的智能手机登录远程控制中心。由于本次进行测控模块管理的现场在北京通州区，本例中所要配置的土壤水分数据的测控模块属于北京通州1000亩小麦智能化滴灌***，故在登录后，首先通过手机选择该滴灌***。选择完成后，用户在手机中选择测控模块配置功能，使用手机扫描二维码图片。手机读取测控模块基本信息，同时将ID上报至远程控制中心。远程控制中心在数据库模块查询ID后发现该测控模块在本滴灌***中不存在，则提示用户是否对该测控模块进行配置。此时选择进行配置，此时终端则提示用户对信息进行补充。本例中需要补充测控模块所属灌溉小区，本例中选择“二号灌溉小区”。若此时终端所在地点与测控模块所要部署安装的地点相同，则该测控模块的位置信息无需人工录入，由终端自动录入；若不在所要部署安装的地点，则可人工录入安装位置的经纬度或直接在电子地图上点选所要安装的大致位置。信息补充完成后，终端将测控模块基本信息、位置信息、补充信息发送至远程控制中心。远程控制中心首先检验接受到的信息是否完整、准确、合法，经校验符合要求，然后将其保存到数据库，同时向手机反馈配置完成的信息。
②测控模块的配置的修改或删除示例
本示例中，使用终端进行登录、滴灌***选择的流程同①中的测控模块部署过程。此时，本示例中的土壤水分测控模块已经安装部署完成并正常工作，本操作以修改该土壤水分测控模块所属灌溉小区信息为例。
用户选择配置修改功能并扫描测控模块表面的二维码图片，终端读取测控模块基本信息后并将ID上报至远程控制中心。经滴灌***校验与比对后，发现ID与相应的配置信息存在，远程控制中心将已存在配置信息下发至手机，由手机终端获取并显示出来。此时显示该测控模块所属灌溉小区为二号灌溉小区，用户对信息进行修改，修改为“三号灌溉小区”。修改完毕后，所发送的信息经远程控制中心核对无误后，保存至数据库，完成配置修改过程同时将修改成功的信息反馈给手机。
测控模块配置的删除与修改类似，当终端将该土壤水分测控模块的配置信息显示在终端上后，用户可以选择测控模块删除功能。选择该功能后，终端向远程控制中心发送“测控模块删除”信息，经校验无误后，将该测控模块全部配置信息从远程控制中心数据库中删除，同时该测控模块退出对应滴灌***。完成删除后，远程控制中心向终端反馈删除成功的信息。
③定位功能示例
本例中，由于田间进行机械化播种作业，将某测控模块从田间收回，现需要将其安装在原有位置。用户扫描所需要再次安装的测控模块表面二维码。终端读取二维码信息并将ID上报至远程控制中心。远程控制中心校验该ID后，将数据库中所保存的该测控模块位置信息发送至终端，终端读取该测控模块的原安装点经纬度坐标为东经116.698051°北纬39.711087°，然后将该安装点坐标以图标的形式显示在手机的电子地图上。同时，通过终端内定位功能所获取的终端当前位置(即目前用户所在位置)为东经116.699021°北纬39.711503°，其中，终端的位置实时更新。获取两点位置信息后，在电子地图上显示两点实时的相对位置与距离(功能类似与常用的手机导航软件)，指引用户前往该点。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (8)
1.一种规模化农田无线物联网智能滴灌***实现滴灌智能化控制的方法，应用规模化农田无线物联网智能滴灌***，所述规模化农田无线物联网智能滴灌***包括远程控制中心、若干测控模块、田间滴灌***和终端；所述测控模块使用无线通信的方式连接远程控制中心，所述测控模块与相应的田间滴灌***连接，所述田间滴灌***包括被控设备和传感设备；
所述远程控制中心部署于远端服务器上，能够同时接入位于不同地点、属于不同用户的灌溉小区，用于对规模化农田无线物联网智能滴灌***进行远程控制，监控田间滴灌***参数、管理滴灌灌溉施肥、获取技术支持与服务、分析参数数据，制定滴灌灌溉制度与程序，与用户通过终端进行交互；
所述测控模块用于规模化农田无线物联网智能滴灌***的无线控制与数据采集，接收并执行远程控制中心下达的控制指令，驱动与控制指令对应的被控设备并检测被控设备的运行状态；同时采集并向远程控制中心上报田间滴灌***参数；所述测控模块表面附有二维码图片，通过终端扫描二维码图片进行测控模块的定位、信息读取、配置管理工作，其特征在于：包括以下步骤：
(1)根据灌溉规模与需求，对滴灌***进行设计并按照设计方案将所述滴灌***分成若干个灌溉小区，然后布置所述滴灌***；
(2)对测控模块进行相应的配置管理，并将配置信息保存在远程控制中心，保证测控模块与滴灌***的正常运行；
(3)用户通过远程控制中心遥控灌溉、施肥动作，设置滴灌***灌水量、灌水频率、施肥量、施肥频率运行参数，使滴灌***按照科学灌溉制度精确运行，依据采集到的田间滴灌***参数进行智能化的灌溉决策；
步骤(2)中对测控模块进行相应的配置管理的方法，包括以下步骤：
(2-1)使用滴灌***用户名与密码进行登录远程控制中心并选择所配置测控模块所属的灌溉小区；
(2-2)使用终端扫描附在测控模块表面的二维码图片，终端对二维码图片中所包含的基本信息进行读取，读取完成后，终端将ID发送至远程控制中心并与滴灌***中的已有信息进行比对；
(2-3)判断滴灌***中是否存在该测控模块；当滴灌***中无此测控模块时，则对测控模块进行安装配置，由用户人工将信息补充完整，然后由终端向远程控制中心发送测控模块的配置信息，其中包括测控模块的基本信息、位置信息与人工补充的信息，最后将配置信息保存到远程控制中心的数据库中，完成配置；如果远程控制中心的数据库中存在该ID，则终端读取数据库中的配置信息，供用户查看、修改，同时用户能够将该测控模块的配置信息删除，将测控模块从滴灌***中删除，进行修改、更新、删除的信息同样由终端发送至远程控制中心；
(2-4)对于已经从田间回收、需要进行重新安装的测控模块，终端扫描田间测控模块表面的二维码图片后，读取基本信息并显示，然后终端将测控模块ID上报至远程控制中心，由远程控制中心对测控模块ID是否合法、是否属于用户所选择的灌溉小区进行校验；当信息有误时，远程控制中心将未通过校验的理由通过终端反馈给用户，帮助用户查找错误原因；当信息内容无误时，滴灌***将接收的信息保存在远程控制中心的数据库中，终端从远程控制中心获取测控模块原安装位置信息，终端将测控模块原有位置与终端实时位置展示在GIS地图图层上，方便用户寻找测控模块的原有安装位置。
2.如权利要求1所述的规模化农田无线物联网智能滴灌***实现滴灌智能化控制的方法，其特征在于：步骤(2-3)中所述位置信息由终端中的定位功能自动获取，进行配置时，如果终端所在位置为测控模块的安装部署位置，则位置信息由终端自动录入，若不在该位置，由人工进行录入，录入的方式为手动输入测控模块要安装的经纬度坐标，或直接在终端内所显示的电子地图上点选；人工补充的信息为非标准化的信息，所述非标准化的信息为因滴灌***不同而各异的参数，包括测控模块所在地块、灌溉小区、所属轮灌组、控制逻辑信息，由人工简单填写或人工选择远程控制中心提供的选项，选项内容是在用户选择测控模块所在滴灌***后由终端从配置数据库中读取得到，配置信息以预置文件的形式提前储存在终端中。
3.如权利要求1所述的规模化农田无线物联网智能滴灌***实现滴灌智能化控制的方法，其特征在于：步骤(3)中所述依据采集到的田间滴灌***参数进行智能化的灌溉决策的方法，包括以下步骤：
(3-1)通过测控模块采集到的田间滴灌***参数信息判断作物是否处于缺水状态，远程控制中心判别后，若处于缺水状态，同时监测未来短期内的降水状况；
(3-2)若监测到未来短期内有降水，则暂不执行灌溉任务；若监测到未来短期内没有降水，远程控制中心计算得到灌溉任务，包括灌溉水量和灌溉时间，灌溉水量通过土壤水分平衡模型进行计算，测控模块控制电控阀门开启的同时，滴灌***首部的测控模块控制水泵开启，执行灌溉任务；
(3-3)灌溉任务执行完成后，管理人员对本次灌溉的效果进行评价，评价结果将储存进入远程控制中心的数据库，指导远程控制中心进行自学习。
4.如权利要求3所述的规模化农田无线物联网智能滴灌***实现滴灌智能化控制的方法，其特征在于：步骤(3-1)中判断作物是否处于缺水状态的判断指标包括田间土壤水分信息和作物生理指标信息，所述作物生理指标信息包括作物表型、冠层温度和视觉图像。
5.如权利要求3所述的规模化农田无线物联网智能滴灌***实现滴灌智能化控制的方法，其特征在于：步骤(3-2)中所述测控模块中消耗电能的电路组件包括控制测控模块的微处理器与负责通讯的无线通信模块，所述微处理器和无线通信模块分为工作与休眠两种状态，工作状态时，微处理器协调驱动测控模块各组件工作，无线通信模块与远程控制中心进行数据传输，此时工作功耗高；在休眠状态时，仅微处理器保持最低功耗运行，测控模块的其余组件处于关闭状态，此时测控模块功耗最小；微处理器进入休眠工作状态前，能够设置退出休眠的时间，当休眠一定时间后，微处理器会自动由休眠状态转为工作状态并唤醒测控模块的其他组件；
具体的节能休眠方法，包括以下步骤：
(3-2-1)远程控制中心制定灌溉任务后，测控模块首次唤醒，从远程控制中心获取灌溉任务，任务获取完毕后，测控模块进入休眠状态；
(3-2-2)测控模块在没有灌溉任务时，每12小时从休眠状态中重新唤醒进入工作状态一次，主动向远程控制中心上报自身的工作状态；
(3-2-3)对比原有灌溉任务是否发生改变，如未发生改变，则继续进入休眠状态直到下一次唤醒，如发生改变，则从远程控制中心下载最新灌溉任务，确定下次何时从休眠状态转入工作状态并执行灌溉命令；
(3-2-4)根据测控模块采集到的信息和作物缺水指标，若判定作物在执行过一次灌溉动作后依然处于缺水状态，则休眠周期转为1小时，以便用户下发的补充灌溉命令能够得到及时执行。
6.如权利要求1所述的规模化农田无线物联网智能滴灌***实现滴灌智能化控制的方法，其特征在于：所述测控模块根据需要选择连接被控设备或者传感设备或者同时与被控设备和传感设备连接；所述测控模块使用电池作为电源，所述测控模块也向远程控制中心上报自身电量以及无线信号强度信息；所述传感设备包括土壤水分、温度、湿度、风速、风向、太阳辐射、流量、压力、pH、电导率、养分、图像识别、电能和功耗传感设备；所述被控设备包括电控阀门、水泵、施肥机、反冲洗过滤器具体执行滴灌灌溉的设备。
7.如权利要求6所述的规模化农田无线物联网智能滴灌***实现滴灌智能化控制的方法，其特征在于：所述田间滴灌***还包括输配水管网和压力流量调节装置，所述输配水管网采用口径在110mm以上的大口径支管，每根支管控制一个灌溉小区，毛管与支管连接，毛管入口处安装压力流量调节装置，所述电控阀门安装在每根支管与输配水管网的干管连接处，用于控制整个支管；
所述支管采用PE材料的可收放软管；所述毛管采用灌水器流量在1.6L/h以下的小流量、薄管壁的滴灌带，滴灌带的铺设长度能够达100m以上；所述电控阀门采用电压在6V以下的微功耗的直流脉冲电磁阀，以脉冲信号进行控制，阀门开启、关闭瞬间进行供电，正常工作过程中不耗电；
所述终端为智能手机或平板电脑；
所述测控模块与远程控制中心的无线通信方式为4G或3G或GPRS或数传电台或无线自组织网络。
8.如权利要求1所述的规模化农田无线物联网智能滴灌***实现滴灌智能化控制的方法，其特征在于：所述二维码图片以印刷、雕刻的形式附在所述测控模块的表面，所述二维码图片中包含的测控模块部署所需要的基本信息包括：测控模块ID，所述测控模块ID为测控模块在滴灌***中的唯一标识信息；测控模块的功能信息，所述功能信息指该测控模块在滴灌***中所执行的功能任务或角色；测控模块的型号信息，包括测控模块的型号与版本；传感设备信息，包括所连接传感设备的数量、功能、量程、精度、数据转换方式信息；所连接被控设备信息，包括被控设备的类型、控制方式信息；网络信息，包括测控模块在无线网络中的网络类型、角色、协议类型，以上信息格式与远程控制中心中格式要求一致，以便于滴灌***与终端识别。
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