CN111011176A - 一种高效节水智能灌溉*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效节水智能灌溉***，包括滴灌控制终端、中心节点设备和水利***服务器；所述滴灌控制终端包括滴灌控制器、电源模块、开关阀门和433通信模块，所述电源模块用于给滴灌控制终端供电，所述滴灌控制器通过433通信模块接收中心节点设备发送的开关控制信号，所述滴灌控制器根据接收到的开关控制信号以控制开关阀门开启或者关闭；所述中心节点设备包括中心控制器和与中心控制器电性连接的433通信模块、NBIOT模块。本发明的高效节水智能灌溉***采用433M+NBIOT二级组网架构的方式，实现了扁平化组网架构，达到了简化网络架构，降低网络部署成本的目的。

Description

一种高效节水智能灌溉***
技术领域
本发明涉及农业技术领域，尤其涉及一种高效节水智能灌溉***。
背景技术
我国是世界上最缺水的13个国家之一，人均只有2100立方米，仅为世界平均水平的28％，解决水资源危机的出路：一是开源，二是节流，就我国目前的发展阶段和水平而言，节流是首要途径。农业用水约占全国用水总量的62％，部分地区高达90％以上，农业为我国第一用水大户，所以大力发展农业智能高效节水灌溉，自然就成为我国缓解水资源供需矛盾的必然选择。尤其在缺水情况更为严重的北方，例如内蒙、宁夏等，更对农业灌溉提出了更“精细”的要求。
传统区域灌溉模式通常为人工巡场灌溉，需要大量的巡场人员，占用过多的劳动力，区域灌溉人工劳动强度大，且成产效率低下，人力成本较高；同时，无科学的灌溉数据支持，存在漏灌、过度灌溉等问题，浪费水资源。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高效节水智能灌溉***，其采用了433通信与NBIOT模块组合的方式，达到了简化网络架构，降低网络部署成本的目的。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
一种高效节水智能灌溉***，包括滴灌控制终端、中心节点设备和水利***服务器；所述滴灌控制终端包括滴灌控制器、电源模块、开关阀门和433通信模块，所述电源模块用于给滴灌控制终端供电，所述滴灌控制器通过433通信模块接收中心节点设备发送的开关控制信号，所述滴灌控制器根据接收到的开关控制信号以控制开关阀门开启或者关闭；
所述中心节点设备包括中心控制器和与中心控制器电性连接的433通信模块、NBIOT模块，所述中心节点设备通过NBIOT模块与水利***服务器通信连接，所述水利***服务器用于向中心节点设备发送灌溉控制信号，所述中心节点设备用于将灌溉控制信号转发至滴灌控制终端。
进一步地，所述灌溉***还包括气象监测装置，所述气象监测装置用于将监测到的气象参数发送至水利***服务器。
进一步地，所述水利***服务器根据接收到的各区域的植物种类、气象参数、土壤温湿度状态和养分含量来匹配得到施肥和灌溉计划，并将所述施肥和灌溉计划反馈至对应用户的智能终端处以使得用户完成更精准的灌溉及施肥操作。
进一步地，所述滴灌控制终端还设置有与滴灌控制器电性连接的压力检测模块、流量传感器，所述压力检测模块用于完成对滴灌控制终端的水压检测，所述流量传感器用于完成对滴灌控制终端的流量检测。
进一步地，所述电源模块为干电池，所述中心节点设备还包括与中心控制器电性连接的太阳能供电模块。
进一步地，所述中心节点设备还设置有通信接口以实现与外部设备的通信，所述通信接口为RS232接口和/或RJ45接口。
进一步地，所述滴灌控制终端包括入水口和出水口，所述入水口与供水端相接，所述出水口设置于植物根系附近。
进一步地，所述水利***服务器与中心控制设备之间的通信通过如下步骤实现：
所述水利***服务器与中心控制设备相互独立向对方发送心跳信息，所述心跳信息每隔第一预设时间发送一次；
所述水利***服务器在第二预设时间内没有接收到中心控制设备发送的心跳消息，则认为连接断开，当检测到断开连接时，重新加载以实现信息重连；
所述中心控制设备在第三预设时间内没有接受到水利***发送的心跳消息，则认为连接断开，当检测为连接断开时，则重新加载通信连接以实现信息的重连。
进一步地，所述第一预设时间为1分钟，所述第二预设时间和第三预设时间相同，所述第二预设时间和第三预设时间均为4分钟。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明的高效节水智能灌溉***采用433M+NBIOT二级组网架构的方式，实现了扁平化组网架构，达到了简化网络架构，降低网络部署成本的目的；进而实现中心节点设备据轮灌计划，自动将开启或关闭阀门的信号下发到滴灌控制器，由滴灌控制器器实施某轮灌区的阀门开启或关闭，实现农业灌溉的自动控制，达到合理灌溉、施肥、节约水肥、提高产量、减轻劳动强度的目的。
附图说明
图1为本实施例的高效节水智能灌溉***的结构框图；
图2为本实施例的高效节水智能灌溉***的另一结构框图；
图3为本实施例的高效节水智能灌溉***的流程图；
图4为本实施例的中心节点设备的结构图示；
图5为本实施例的水利***服务器与中心节点设备的心跳交互流程图；
图6为本实施例的打开滴灌控制终端的控制流程图。
附图说明：1、中心节点设备。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
根据在以往在农业水利项目中积累的智能节水灌溉方面的技术经验，充分调研业界的智能灌溉设备的现有技术水平，并同时充分考虑到设备野外工作的恶劣环境，最大程度化的设计了设备的低功耗省电技术，提出了合理的设备总体方案。
在本实施例中，灌溉***使用了NB-IOT模块进行自主通信组网的***研究，智能滴灌装置分为三部分：滴灌控制器、中心节点、水利***服务器(云平台)，滴灌控制器负责数据采集和控制阀门，它通过433M无线与中心节点建立连接，中心节点把滴灌控制器传过来的数据通过NB-IOT传给云平台，云平台要打开关闭阀门，是通过中心节点下发指令给滴灌控制器去控制打开关闭阀门的。
具体如图1和图2所示，本实施例提供了一种高效节水智能灌溉***，包括滴灌控制终端、中心节点设备1和水利***服务器；所述滴灌控制终端包括滴灌控制器、电源模块、开关阀门和433通信模块，所述电源模块用于给滴灌控制终端供电，所述滴灌控制器通过433通信模块接收中心节点设备1发送的开关控制信号，所述滴灌控制器根据接收到的开关控制信号以控制开关阀门开启或者关闭。
中心节点设备1具体结构如图4所示，所述中心节点设备1包括中心控制器和与中心控制器电性连接的433通信模块、NBIOT模块，所述中心节点设备1通过NBIOT模块与水利***服务器通信连接，所述水利***服务器用于向中心节点设备1发送灌溉控制信号，所述中心节点设备1用于将灌溉控制信号转发至滴灌控制终端。在本实施例中具体的通信初始化方式的流程图如图3所示。
更为优选地，所述滴灌控制终端还设置有与滴灌控制器电性连接的温湿度传感器、植物生长监测模块，所述温湿度传感器用于检测对应土壤的温湿度状态，所述植物生长监测模块用于检测植物生长所需的养分含量，所述滴灌控制终端用于将对应土壤温湿度状态和养分含量通过中心节点设备1传输至水利***服务器。
所述灌溉***还包括气象监测装置，所述气象监测装置用于将监测到的气象参数发送至水利***服务器。所述水利***服务器根据接收到的各区域的植物种类、气象参数、土壤温湿度状态和养分含量来匹配得到施肥和灌溉计划，并将所述施肥和灌溉计划反馈至对应用户的智能终端处以使得用户完成更精准的灌溉及施肥操作。通过设置多种类型的传感器来对土壤以及农作物的生长情况进行检测，以便于设置更为合理的灌溉计划以及施肥策略，通过科学的方式而并不是盲目的方式能够最大限度的发挥该***的能力，使得用户可以从源头上找寻更为合适的灌溉方式，并且通过采集多种原始数据更加便于农业研究者研究扩产增收的方式。设置气象监测模块的目的还有一个是为了更便于了解整体的灌溉情况，当预测到明天要下雨时，此时就会调整今天的灌溉量，使得整体的灌溉更为的合理，而不至于因为没有考虑到天气情况而使得农作物被淹没。
更为优选地，所述滴灌控制终端还设置有与滴灌控制器电性连接的压力检测模块、流量传感器，所述压力检测模块用于完成对滴灌控制终端的水压检测，所述流量传感器用于完成对滴灌控制终端的流量检测。为了实现智能化，通过设置压力检测与流量检测，使得源头控制端更加的可控，能够更准确的了解灌溉的相关数据。
更为优选地，所述电源模块为干电池，所述中心节点设备1还包括与中心控制器电性连接的太阳能供电模块。所述滴灌控制终端包括入水口和出水口，所述入水口与供水端相接，所述出水口设置于植物根系附近。通过设置直抵根系的方式使得水资源的利用效率更高，而不会使得水大量被土壤吸收而没有被农作物吸收，实现更为精准的灌溉达到了节水的目的。
在本实施例中，所述滴灌控制终端：能完成水压、流量等参数的检测；能实现对电磁阀的实时控制；与中心节点设备1的可靠无线通信；采用电池供电，要实现低功耗节电设计，且设备的续航时间至少1年；设备结构也具有密封防水设计；使得其更便于在野外安装。本实施例的滴灌控制器能够充分利用MCU和无线模块的省电功能，以及通过按需输出外设电源供电达到省电节能，降低设备功耗。
在本实例中滴灌控制终端设置于田野间，由于各个农田面积相对较大，所以需要在一片田地中设置多个滴灌控制终端，每个滴灌控制终端的出水口有多个，每个出水口均对准的农作物根系；使得滴灌控制终端的覆盖范围尽量的广泛。
在本实施例中，所述中心节点设备1能实现对多个滴灌控制器的有效通信和控制；基于NBIOT技术的无线通信组网：采取NBIOT模块，实现中心节点和云平台的远程通信。设备采用太阳能供电；且中心节点设备1拥有自定义高效的无线通信协议。
在本实施例中选择NB-IOT来实现通信是由于其有低功耗和覆盖范围广这些优点；除了上述优点将其与其他通信组网方式进行比对，具体的为NB-IOT/LoRa/Zigbee无线组网方案对比：物联网设备节点组网存在2种组网方式，无线组网和有线组网。无线组网我们常见到的有Zigbee，LoRa，NB-IOT等，其中Lora/NB-IOT属于LPWAN技术，LPWAN技术有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗少等特点。
NB-IoT有个明显的优势是数据采集后可直接上传到云端，不需要通过网关，简化了现场部署。通常要部署一个网关需要考虑位置，周围信号影响，考虑因素较多。
现在把这个三个无线组网方案做一个较全面对比：
Figure BDA0002257981200000071
Figure BDA0002257981200000081
综合考虑优缺点，发现NB-IOT更适合用于本实施例的灌溉***中。
如图5所示，在本实施例中提及的自定义高效的通信协议，通过高效的通信协议可以降低开发复杂度，所述水利***服务器与中心控制设备之间的通信通过如下步骤实现：
所述水利***服务器与中心控制设备相互独立向对方发送心跳信息，所述心跳信息每隔第一预设时间发送一次；
所述水利***服务器在第二预设时间内没有接收到中心控制设备发送的心跳消息，则认为连接断开，当检测到断开连接时，重新加载以实现信息重连；
所述中心控制设备在第三预设时间内没有接受到水利***发送的心跳消息，则认为连接断开，当检测为连接断开时，则重新加载通信连接以实现信息的重连。所述第一预设时间为1分钟，所述第二预设时间和第三预设时间相同，所述第二预设时间和第三预设时间均为4分钟。云端服务器和中心节点设备1心跳采用简单高效的交互方式，数据结构简单，传输数据少，降低了开发复杂的，提高了效率。
如图6所示，本实施例中的阀门控制方式具体如下：
1)云端服务器向田间中心协调单元发送打开阀门请求。
2)田间中心协调单元收到云端服务器请求后，转发请求到目标阀门控制单元。
3)若目标阀门控制单元收到打开阀门请求，试图打开阀门，并把操作结果返回田间中心协调单元。
4)若田间中心协调单元收到目标阀门控制单元的打开阀门应答，则转发应答结果返回给云端服务器。
5)若田间中心协调单元接收目标阀门控制单元的打开阀门应答超时，则先向目标阀门控制单元发送唤醒请求，如果唤醒成功，重新转发打开阀门请求给目标阀门控制单元；如果唤醒失败，给云端服务器返回打开阀门失败结果。
6)结束。云端服务器向田间中心协调单元发送打开阀门请求，然后等待应答信息。在服务器端，进程保持睡眠状态直到调用信息的到达为止，是一种比较简单、高效的Web服务架构。本实施例中的田间中心协调单元即是中心节点设备，云端服务器即是水利***服务器，阀门控制单元即是滴灌控制终端。
本实施例的智能灌溉***通过对水温信息、土壤墒情信息、气象信息等的采集以及对闸门、泵站的远程自动控制，依托计算机网络技术、现代通讯技术、自动控制技术、传感器技术、自动灌溉技术、人工智能技术、数据库技术等，对灌溉水资源信息自动采集、传输和处理，实现测、监、管、控的一体化，提高灌区水资源的合理开发利用。
在技术实现上，智能灌溉***的控制层由控制中心、首部控制层和田间控制层三个层级构成。该控制中心采用“分散控制，集中管理”的模式，灌溉***中的首部控制器及其所控制的面积形成一个相对独立的智能灌溉单元，可单独操作。在此基础上将地理位置接近，同属一个管理机构的灌溉单元组网，接入到一个中央控制室进行集中管理。同时可配合小型气象站和土壤墒情监测站实现全自动化精准节水灌溉。
该***解决方案，可实时采集并存储各类数据参数，如土壤温湿度，气象参数，不同植物生长参数，通过对这数据的长期跟踪和分析，可针对不同的区域、不同的场景、不同的种植作物，制定更加合理的施肥和灌溉计划，实现精准灌溉、精准施肥，真正达到节水，增效，增产的目的，大力提升农业节水灌溉的科学管理水平。肥料随同灌溉水进入田间的过程叫做灌溉施肥。即滴灌、地下滴灌等在灌水的同时，按照作物生长各个阶段对养分的需要和气候条件等准确将肥料补加和均匀施在根系附近，被根系直接吸收利用。
智慧水利灌溉控制平台-智能灌溉设备研发项目主要是研制滴灌控制器和中心节点设备1，滴灌控制器完成水压、流量等参数的检测，并实现对电磁阀的实时控制。中心节点实现对管辖区域的一批滴灌控制器的集中控制，并实现和云平台控制中心的通信。滴灌控制器和中心节点设备1，共同构成一个智能灌溉单元的硬件基础实施，是实现智能节水灌溉***的基础。
在智能节水灌溉***中，云平台的控制中心(根据作物生长期、土壤含水量等数据，分析后确定作物不同时间轮灌计划)，将灌溉计划下达到中心节点设备1。中心节点设备1据轮灌计划，自动将开启或关闭阀门的信号下发到滴灌控制器，由滴灌控制器器实施某轮灌区的阀门开启或关闭，实现农业灌溉的自动控制，达到合理灌溉、施肥、节约水肥、提高产量、减轻劳动强度的目的。
随着目前NBIOT技术的发展和逐渐成熟，其低功耗、广域覆盖的技术优势，特别适合在野外节水灌溉的应用场景。因此，本实施例采用433M+GPRS二级组网架构的同时，也利用NBIOT的扁平化组网架构，以达到简化网络架构，降低网络部署成本。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种高效节水智能灌溉***，其特征在于，包括滴灌控制终端、中心节点设备和水利***服务器；所述滴灌控制终端包括滴灌控制器、电源模块、开关阀门和433通信模块，所述电源模块用于给滴灌控制终端供电，所述滴灌控制器通过433通信模块接收中心节点设备发送的开关控制信号，所述滴灌控制器根据接收到的开关控制信号以控制开关阀门开启或者关闭；
所述中心节点设备包括中心控制器和与中心控制器电性连接的433通信模块、NBIOT模块，所述中心节点设备通过NBIOT模块与水利***服务器通信连接，所述水利***服务器用于向中心节点设备发送灌溉控制信号，所述中心节点设备用于将灌溉控制信号转发至滴灌控制终端。
2.如权利要求1所述的一种高效节水智能灌溉***，其特征在于，所述滴灌控制终端还设置有与滴灌控制器电性连接的温湿度传感器、植物生长监测模块，所述温湿度传感器用于检测对应土壤的温湿度状态，所述植物生长监测模块用于检测植物生长所需的养分含量，所述滴灌控制终端用于将对应土壤温湿度状态和养分含量通过中心节点设备传输至水利***服务器。
3.如权利要求2所述的一种高效节水智能灌溉***，其特征在于，所述灌溉***还包括气象监测装置，所述气象监测装置用于将监测到的气象参数发送至水利***服务器。
4.如权利要求3所述的一种高效节水智能灌溉***，其特征在于，所述水利***服务器根据接收到的各区域的植物种类、气象参数、土壤温湿度状态和养分含量来匹配得到施肥和灌溉计划，并将所述施肥和灌溉计划反馈至对应用户的智能终端处以使得用户完成更精准的灌溉及施肥操作。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的一种高效节水智能灌溉***，其特征在于，所述滴灌控制终端还设置有与滴灌控制器电性连接的压力检测模块、流量传感器，所述压力检测模块用于完成对滴灌控制终端的水压检测，所述流量传感器用于完成对滴灌控制终端的流量检测。
6.如权利要求1-4中任意一项所述的一种高效节水智能灌溉***，其特征在于，所述电源模块为干电池，所述中心节点设备还包括与中心控制器电性连接的太阳能供电模块。
7.如权利要求1-4中任意一项所述的一种高效节水智能灌溉***，其特征在于，所述中心节点设备还设置有通信接口以实现与外部设备的通信，所述通信接口为RS232接口和/或RJ45接口。
8.如权利要求1所述的一种高效节水智能灌溉***，其特征在于，所述滴灌控制终端包括入水口和出水口，所述入水口与供水端相接，所述出水口设置于植物根系附近。
9.如权利要求1所述的一种高效节水智能灌溉***，其特征在于，所述水利***服务器与中心控制设备之间的通信通过如下步骤实现：
所述水利***服务器与中心控制设备相互独立向对方发送心跳信息，所述心跳信息每隔第一预设时间发送一次；
所述水利***服务器在第二预设时间内没有接收到中心控制设备发送的心跳消息，则认为连接断开，当检测到断开连接时，重新加载以实现信息重连；
所述中心控制设备在第三预设时间内没有接受到水利***发送的心跳消息，则认为连接断开，当检测为连接断开时，则重新加载通信连接以实现信息的重连。
10.如权利要求9所述的一种高效节水智能灌溉***，其特征在于，所述第一预设时间为1分钟，所述第二预设时间和第三预设时间相同，所述第二预设时间和第三预设时间均为4分钟。
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