CN109470299A - 一种基于物联网的作物生长信息监测***和方法 - Google Patents

一种基于物联网的作物生长信息监测***和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于物联网的作物生长信息监测***和方法，该***包括信息感知***、无线传输***和智能管理***，信息感知***包括墒情监测模块、病虫害监测模块、作物营养状态监测模块、杂草监测模块和作物长势监测模块；作物种植后通过智能管理***界面设置作物生长环境相关信息及阈值，通过感知***实时采集作物生长的墒情、病虫害、营养状态、杂草程度和长势信息，并发送至服务器进行数据存储、分析和显示，若超出阈值时提醒人员进行相应处理，帮助种植者准确判断农作物生长状况，为精准作业提供实时有效的决策信息，解决了传统种植过程中需要定期去种植田块查看作物生长情况、劳动强度大等问题，降低人工成本、提高作业效率和精度。

Description

一种基于物联网的作物生长信息监测***和方法
技术领域
本发明涉及农业信息化技术领域，具体是一种基于物联网的作物生长信息监测***和方法。
背景技术
随着科学技术的发展，现代农业正在朝着更加规模化的方向发展。在传统的小规模农业种植中，管理者到田间通过肉眼观察作物信息和经验即可快速判断农作物的生长状况并迅速采取相应的有效措施，如施药、施肥、灌溉、收获等。然而，对于现代化的大规模作物种植，采用传统的方式很难全面实时掌握作物的生长状况。大规模的作物种植要求管理者具有快速实时获得作物生长状况的能力和科学的管理机制。近年来，物联网在农业实时控制和自动化生产中的作用越来越广，如病虫害的检测和诊断、作物营养状况需水信息等数据的分布式采集及生长环境的实时监测等。目前，国内种植者大多依据经验判断作物需水、养分、病虫害及长势情况，并同样依据经验确定灌溉量、施肥量和作业时间等，这种方法耗时费力，而且容易出现信息采集不全导致错过进行田间管理的最佳时机。采用物联网实时监测农作物全过程生长信息状态的***较为罕见，而将该技术引入到作物种植生产中可以带来巨大的技术变革，不仅能实现对农作物生长情况进行的精准判断并精准作业，而且能提高农作物产量，降低人工成本。
近年来，有工作人员开始关注物联网在农作物生长信息监测方面的应用；中国专利 (CN106657401A)公开了一种基于物联网的农作物生长监测平台及其监测方法，该专利通过多个数据采集节点远程发送采集的作物生长环境信息至服务器数据库中进行存储，并在终端显示实时信息，能够远程采集实时信息保存至数据库并绘制曲线，但未实现根据实时采集数据进行决策控制。中国专利(CN103442052A)公开了一种农田作物生长信息远程监测装置及方法，是通过建立网关进行组网，数据采集并远程发送至服务器，能够远程采集实时的作物、大气、土壤信息，保存至数据库并在网页显示及绘制曲线，该专利主要针对农业物联网***的搭建和数据传输的多路径并行远程接入方法，未涉及到农作物生长全过程信息采集及应用。
综上所述，现有技术中农作物物联网监测***，主要针对物联网***搭建、数据采集传输和信息存储显示方面，少有涉及农作物生长全过程信息采集和应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种基于物联网的作物生长信息监测***和方法，实现远程实时采集作物生长状态信息、生长环境信息、病虫害信息、长势信息并将数据远程发送至服务器保存、显示，并提供报警、查询功能，从而帮助种植者准确判断农作物生长状况，为精准作业提供实时有效的决策信息。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种基于物联网的作物生长信息监测***，包括信息感知***、无线传输***和智能管理***，所述信息感知***包括墒情监测模块、病虫害监测模块、作物营养状态监测模块、杂草监测模块、作物长势监测模块和田间巡检车，所述墒情监测模块实时监测土壤含水率，病虫害监测模块和杂草监测模块通过图像分析处理实现病虫害信息的检测，作物营养状态监测模块实时监测作物生长环境的养分情况，作物长势监测模块采集作物生长图像以分析作物的长势情况；田间巡检车前部和尾部安装有近红外相机和多光谱相机，并安装有北斗定位***；
所述无线传输***包括n个采集节点、汇聚节点及无线通信模块，每个采集节点均与汇聚节点通讯，汇聚节点通过无线通信模块与智能管理***通讯；
所述智能管理***包括服务器、数据库、网页端，其中服务器通过无线传输***接收信息感知***采集的信息，并保存至数据库，从而在网页端进行显示和曲线绘制，以提供数据筛选和查询的功能，用户可通过终端设备访问网页端。
上述方案中，所述墒情监测模块包括土壤温湿度传感器、小型气象站和第一控制器，第一控制器和土壤温湿度传感器、小型气象站连接，并读取传感器实时数据和气象站采集的气象信息。
上述方案中，所述病虫害监测模块包括多个摄像头、远程拍照式智能孢子捕捉仪及远程拍照式智能虫情测报器，所述摄像头根据需求采集作物图像以判断是否存在肉眼可见病虫害，所述捕捉仪定时拍摄捕捉到孢子，并传输给服务器；所述虫情测报器定时拍摄捕捉到虫子，并传输给服务器；当以上三种仪器探测到有病虫害信息时启动田间巡检车，以进入田块大面积采集作物生长图像；所述捕捉仪、虫情测报器分别在传统捕捉仪、传统虫情测报器的基础上增加了摄像头和控制器。
上述方案中，所述作物营养状态监测模块包括氮磷钾传感器及第二控制器，所述氮磷钾传感器埋设在土壤里，以测量土壤氮磷钾含量，第二控制器和氮磷钾传感器连接，并实时读取传感器数据，田间巡检车通过多光谱相机采集叶片图像进行分析作物营养状况。
上述方案中，所述杂草监测模块及作物长势监测模块包括多个摄像头，该摄像头与病虫害监测模块的摄像头共用，探测到杂草信息时启动田间巡检车进行田间杂草信息采集。
一种基于物联网的作物生长信息监测方法，包括以下步骤：
步骤(1)，作物种植信息录入，作物种植后通过服务器***界面录入种植作物品种、种植日期、土壤特性及田块信息；
步骤(2)，阈值设置：设置土壤水分、土壤氮磷钾含量、杂草密度、病虫害程度的阈值，监测***分析结果超过阈值时，服务器***界面发出警报图案提示监测人员以进行相应操作，包括灌溉、施肥、除草、施药；
步骤(3)，作物生长环境信息采集：墒情监测模块固定时间间隔读取土壤温湿度信息和气象站信息(温度、湿度、风速、降雨量)并发送至服务器进行数据保存，服务器统计分析后在网页端进行曲线绘制和显示，提供查询、筛选功能；
步骤(4)，杂草虫害信息采集：作物生长一段时间后，服务器接收杂草的图像信息和病虫害的图像信息并分析，若发现病虫害或杂草信息，则启动田间巡检车通过多光谱和近红外相机拍照采集数据并分析，若分析结果显示病虫害或杂草明显，则进行相应的作业；
步骤(5)，作物营养状态信息采集：作物生长一段时间后，服务器接收氮磷钾数据并分析，若发现土壤中氮磷钾含量较低，则启动田间巡检车通过高光谱和近红外相机拍照采集数据，分析作物叶片营养状况，以确定是否需要进行施肥作业；
步骤(6)，作物长势信息采集：预估作物成熟时间，接近作物成熟期时，通过摄像头采集作物长势信息，远程传送至服务器并分析，若长势趋于成熟则启动田间巡检车进行近距离的作物图像采集分析，若分析结果显示成熟度高则进行收获作业。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明能够实现农作物生长全过程信息监控和采集，远程实时采集作物生长状态信息、生长环境信息、病虫害信息、长势信息并将数据远程发送至服务器存储、分析和显示，并提供报警、查询筛选功能，发现采集的指标信息超出阈值时提醒人员进行相应处理，帮助种植者准确判断农作物生长状况，为精准作业提供实时有效的决策信息，解决了传统种植过程中需要定期去种植田块查看作物生长情况、劳动强度大等问题，降低人工成本、提高作业效率和精度。
附图说明
图1为本发明作物生长信息监测***组成框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
如图1所示，一种基于物联网的作物生长信息监测***，包括信息感知***、无线传输***和智能管理***；所述信息感知***包括墒情监测模块、病虫害监测模块、作物营养状态监测模块、杂草监测模块、作物长势监测模块和田间巡检车；其中墒情监测模块实时监测土壤含水率，病虫害监测模块和杂草监测模块通过图像分析处理实现病虫害信息的检测，作物营养状态监测模块实时监测作物生长环境的养分情况，作物长势监测模块采集作物生长图像以供种植者或专家分析作物的长势情况，田间巡检车前部和尾部安装有近红外相机和多光谱相机，并安装有北斗定位***。
所述墒情监测模块包括土壤温湿度传感器、小型气象站和第一控制器(STM32F4型号单片机)，第一控制器通过232/485串口和土壤温湿度传感器、小型气象站连接，第一控制器通过232/485串口读取土壤温湿度传感器实时数据，气象站采集温度、空气湿度、风速和降雨量信息，并通过232/485串口发送到第一控制器，土壤温湿度传感器根据实际需求可埋设在土壤10-60cm处。
所述病虫害监测模块包括多个摄像头(型号为：海康威视DS-2AF7230SI)、远程拍照式智能孢子捕捉仪、远程拍照式智能虫情测报器；摄像头安装在田头对准田块，根据需求采集作物图像以供种植者或专家判断是否存在肉眼可见病虫害；远程拍照式智能孢子捕捉仪在传统孢子捕捉仪基础上增加摄像头(型号为：大恒图像Manta G-507C)和控制器(STM32F4型号单片机)，根据需求安装在田块合适位置，定时拍摄捕捉到的孢子图像，并通过无线传输***将图像传输到智能管理***的服务器；远程拍照式智能虫情测报器在传统虫情测报器的基础上增加摄像头(型号为：大恒图像Manta G-507C)和控制器 (STM32F4型号单片机)，根据需求安装在田块合适位置，定时拍摄捕捉到的虫子图像，并通过无线传输***将图像传输到智能管理***的服务器；当以上三种仪器探测到有病虫害信息时启动田间巡检车，田间巡检车通过人工驾驶或自动导航进入田块大面积采集作物生长图像以详细分析作物病虫害情况。
所述作物营养状态监测模块包括氮磷钾传感器、第二控制器(STM32F4型号单片机)，其中氮磷钾传感器根据实际需求可埋设在土壤10-60cm处，以测量土壤的氮磷钾含量，第二控制器通过232/485串口和氮磷钾传感器连接,并通过232/485串口读取传感器实时数据，田间巡检车通过携带的多光谱相机采集叶片图像进行分析作物营养状况。
所述杂草监测模块及作物长势监测模块包括多个摄像头，其中摄像头与病虫害监测模块的摄像头共用，安装在田头对准田块根据需求进行拍照分析，探测到杂草信息时启动田间巡检车进行详细的田间杂草信息采集。
所述无线传输***包括n个采集节点、汇聚节点及无线通信模块，其中每个采集节点均与汇聚节点通讯，汇聚节点通过无线通信模块与智能管理***通讯，无线通信模块可根据距离和无线通信信号强度自动切换为网络传输方式或无线电台传输方式，无线传输可通过2G/3G/4G/WIFI/LoRa等进行远程数据传输。
所述智能管理***包括服务器、数据库、网页端，其中服务器通过无线传输***接收信息感知***采集的信息，并保存至数据库，从而在网页端进行显示和曲线绘制，以提供数据筛选和查询的查询，用户可通过手机、计算机等终端设备访问网页端。
使用上述作物信息监测***，包括以下步骤：
(1)作物种植信息录入：作物种植后通过服务器***界面录入种植作物品种、种植日期、土壤特性及田块信息；
(2)阈值设置：根据作物品种需求和种植专家建议设置土壤水分、土壤氮磷钾含量、杂草密度、病虫害程度的阈值，监测***分析结果超过阈值时，服务器***界面发出警报提示监测人员以进行相应操作如进行灌溉、施肥、除草、施药等；
(3)作物生长环境信息采集：墒情监测模块固定时间间隔读取土壤温湿度传感器采集的温湿度信息和气象站的温湿度、风速、降雨量信息，并远程发送至服务器进行数据保存，服务器统计分析后在网页端进行曲线绘制和显示，并提供查询、筛选等功能；
(4)杂草虫害信息采集：作物生长一段时间后，服务器读取杂草监测模块摄像头采集的图像信息和病虫害监测模块中摄像头、远程拍照式孢子捕捉仪和远程拍照式智能虫情测报器采集的图像并分析，若发现病虫害或杂草信息，则人工驾驶或自动导航田间巡检车，通过高光谱和近红外相机拍照采集数据并分析，若分析结果显示病虫害或杂草明显则进行喷施和除草作业；
(5)作物营养状态信息采集：作物生长一段时间后，服务器读取作物营养状态监测模块的氮磷钾传感器数据并分析，若发现土壤中氮磷钾含量较低，则人工驾驶或自动导航田间巡检车，通过高光谱和近红外相机拍照采集数据并分析作物叶片营养状况，以确定是否需要进行施肥作业；
(6)作物长势信息采集：按照作物品种和生长周期预估作物成熟时间，接近作物成熟期时，作物长势监测模块频繁操作摄像头采集作物长势信息远程，传送至服务器并分析，若长势趋于成熟则启动田间巡检车进行近距离的作物图像采集分析，若分析结果显示成熟度高则进行相应的收获作业。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于物联网的作物生长信息监测***，其特征在于，包括信息感知***、无线传输***和智能管理***，所述信息感知***包括墒情监测模块、病虫害监测模块、作物营养状态监测模块、杂草监测模块、作物长势监测模块和田间巡检车，所述墒情监测模块实时监测土壤含水率，病虫害监测模块和杂草监测模块通过图像分析处理实现病虫害信息的检测，作物营养状态监测模块实时监测作物生长环境的养分情况，作物长势监测模块采集作物生长图像以分析作物的长势情况；田间巡检车前部和尾部安装有近红外相机和多光谱相机，并安装有北斗定位***；
所述无线传输***包括n个采集节点、汇聚节点及无线通信模块，每个采集节点均与汇聚节点通讯，汇聚节点通过无线通信模块与智能管理***通讯；
所述智能管理***包括服务器、数据库、网页端，其中服务器通过无线传输***接收信息感知***采集的信息，并保存至数据库，从而在网页端进行显示和曲线绘制，以提供数据筛选和查询的功能，用户可通过终端设备访问网页端。
2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的作物生长信息监测***，其特征在于，所述墒情监测模块包括土壤温湿度传感器、小型气象站和第一控制器，第一控制器和土壤温湿度传感器、小型气象站连接，第一控制器读取传感器实时数据和气象站采集的气象信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的作物生长信息监测***，其特征在于，所述病虫害监测模块包括多个摄像头、远程拍照式智能孢子捕捉仪及远程拍照式智能虫情测报器，所述摄像头根据需求采集作物图像以判断是否存在肉眼可见病虫害，所述捕捉仪定时拍摄捕捉到孢子，并传输给服务器；所述虫情测报器定时拍摄捕捉到虫子，并传输给服务器；当以上三种仪器探测到有病虫害信息时启动田间巡检车，以进入田块大面积采集作物生长图像；所述捕捉仪、虫情测报器分别在传统捕捉仪、传统虫情测报器的基础上增加了摄像头和控制器。
4.根据权利要求1所述的一种基于物联网的作物生长信息监测***，其特征在于，所述作物营养状态监测模块包括氮磷钾传感器及第二控制器，所述氮磷钾传感器埋设在土壤里，以测量土壤氮磷钾含量，第二控制器和氮磷钾传感器连接，并实时读取传感器数据，监测到土壤中氮磷钾含量较低时启动田间巡检车通过多光谱相机采集叶片图像进行分析作物营养状况。
5.根据权利要求1所述的一种基于物联网的作物生长信息监测***，其特征在于，所述杂草监测模块及作物长势监测模块包括多个摄像头，该摄像头与病虫害监测模块的摄像头共用，探测到杂草信息时启动田间巡检车进行田间杂草信息采集。
6.一种基于物联网的作物生长信息监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)，作物种植信息录入；
步骤(2)，阈值设置：设置土壤水分、土壤氮磷钾含量、杂草密度、病虫害程度的阈值，监测***分析结果超过阈值时，服务器***界面发出警报图案提示监测人员以进行相应操作；
步骤(3)，作物生长环境信息采集：墒情监测模块固定时间间隔读取土壤温湿度传感器和气象站的信息并发送至服务器进行数据保存，服务器统计分析后在网页端进行曲线绘制和显示，提供查询、筛选功能；
步骤(4)，杂草虫害信息采集：作物生长一段时间后，服务器接收杂草的图像信息和病虫害的图像信息并分析，若发现病虫害或杂草信息，则启动田间巡检车通过多光谱和近红外相机拍照采集数据并分析，若分析结果显示病虫害或杂草明显，则进行相应的作业；
步骤(5)，作物营养状态信息采集：作物生长一段时间后，服务器接收氮磷钾数据并分析，若发现土壤中氮磷钾含量较低，则启动田间巡检车通过高光谱和近红外相机拍照采集数据，分析作物叶片营养状况，以确定是否需要进行施肥作业；
步骤(6)，作物长势信息采集：预估作物成熟时间，接近作物成熟期时，通过摄像头采集作物长势信息，远程传送至服务器并分析，若长势趋于成熟则启动田间巡检车进行近距离的作物图像采集分析，若分析结果显示成熟度高则进行收获作业。
7.根据权利要求6所述的一种基于物联网的作物生长信息监测方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：作物种植后通过服务器***界面录入种植作物品种、种植日期、土壤特性及田块信息。
8.根据权利要求6所述的一种基于物联网的作物生长信息监测方法，其特征在于，所述步骤(2)中的相应操作包括灌溉、施肥、除草、施药。
9.根据权利要求6所述的一种基于物联网的作物生长信息监测方法，其特征在于，所述步骤(3)中气象站信息包括温度、湿度、风速、降雨量。
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