本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理面臨著許多困難與瓶頸，主要為：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境多變，信息要素難以快速準確、低成本地獲取，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主體復(fù)雜，需求也千變?nèi)f化，難以精確捕捉等。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)業(yè)用水日益緊缺，對于農(nóng)業(yè)管理中節(jié)水的需求越來越緊迫。

現(xiàn)有技術(shù)中，采用人工控制噴灌速度和流量，以實現(xiàn)節(jié)水灌溉的方法中，工作人員只是憑借已有經(jīng)驗，進行調(diào)節(jié)控制，不僅精確度低，還增加了農(nóng)業(yè)種植成本，同時也造成水資源不必要的浪費。為了實現(xiàn)灌溉過程中的節(jié)水要求，現(xiàn)有智能灌溉主要考慮區(qū)域氣候因素，而忽視了已有灌溉狀態(tài)、農(nóng)作物品種差別、瞬時氣候等因素的影響，使得灌溉測量不能實時調(diào)整，且不能不能針對局部進行灌溉。

因此，有必要提供一種農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水系統(tǒng)，能針對不同區(qū)域、不同作物，不同灌溉時間、不同需水量進行灌溉策略定制，并能實時監(jiān)測區(qū)域環(huán)境、制定有針對性的灌溉策略，實現(xiàn)自動化灌溉，以及提高灌溉的節(jié)水能力和精準度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上述的分析，本發(fā)明旨在提供一種農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水系統(tǒng)，用以解決現(xiàn)有農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)自動化程度不高的問題。

本發(fā)明的目的主要是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

提供一種農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水系統(tǒng)，包括：Web平臺、無線網(wǎng)關(guān)、無線終端設(shè)備；

其中，Web平臺和無線網(wǎng)關(guān)之間采用移動通信網(wǎng)絡(luò)進行通信，無線網(wǎng)關(guān)和無線終端設(shè)備之間采用近距離無線通信網(wǎng)絡(luò)進行通信。

所述Web平臺進一步包括：信息接收模塊、顯示模塊、輸入模塊、注冊模塊、數(shù)據(jù)庫、通信模塊、統(tǒng)計模塊、灌溉計劃模塊；其中，

信息接收模塊用于接收無線網(wǎng)關(guān)上傳的信息；

顯示模塊用于實現(xiàn)顯示功能；

輸入模塊用于實現(xiàn)命令輸入功能；

注冊模塊用于實現(xiàn)無線網(wǎng)關(guān)和無線終端設(shè)備的注冊認證；

數(shù)據(jù)庫用于數(shù)據(jù)存儲；

統(tǒng)計模塊用于根據(jù)用戶需求對相關(guān)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并圖表化展現(xiàn)；

通信模塊用于根據(jù)用戶需求向無線網(wǎng)關(guān)發(fā)出控制指令；

灌溉計劃模塊用于制定灌溉策略。

優(yōu)選的，上述灌溉計劃模塊根據(jù)以下規(guī)則制定灌溉策略：

a.將不同作物、不同環(huán)境屬性的地塊劃分為不同的灌溉單元；

b.在每個灌溉單元中，根據(jù)墑情數(shù)據(jù)、管道壓力數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、海拔、種植作物進行統(tǒng)計分析，插花式編制輪灌組，并對輪灌組的灌溉順序進行編制；

c.根據(jù)作物需求不同，制定觸發(fā)灌溉的墑情下限和停止灌溉的墑情上限，并設(shè)置灌溉時長上限；

d.根據(jù)采集的環(huán)境信息，對墑情上下限進行動態(tài)調(diào)整；

e.通過建模統(tǒng)計分析得到最佳灌溉策略。

所述無線網(wǎng)關(guān)利用太陽能供電。無線網(wǎng)關(guān)根據(jù)項目面積、閥門分布情況進行排布，每個無線網(wǎng)關(guān)設(shè)置不同的頻點或網(wǎng)絡(luò)ID，與關(guān)聯(lián)的無線終端設(shè)備進行通訊。

所述無線終端設(shè)備進一步包括控制終端設(shè)備和采集終端設(shè)備；其中，控制終端設(shè)備包括閥門、水泵、軟啟動器、變頻器；采集終端設(shè)備包括土壤溫濕度、壓力、光照、降水、二氧化氮、管道壓力、流量、采集植物生長參數(shù)的傳感設(shè)備，以及視頻設(shè)備。采集終端設(shè)備能進行定時采集和上報，并響應(yīng)Web平臺的召測。

優(yōu)選的，上述閥門的控制方法為：由Web平臺發(fā)送閥門開/關(guān)的控制指令給無線網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)將上述控制指令轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)的閥門，由閥門執(zhí)行控制指令。

優(yōu)選的，上述閥門上設(shè)置有壓力傳感器，還設(shè)置有物理開關(guān)狀態(tài)接口；閥門將管道壓力狀態(tài)、閥門開/關(guān)狀態(tài)、命令狀態(tài)、連線狀態(tài)和報警信息實時上報給無線網(wǎng)關(guān)，由無線網(wǎng)關(guān)進一步上報給Web平臺。

優(yōu)選的，上述閥門控制方法中還包括單查過程，所述單查是由Web平臺發(fā)送查詢請求給無線網(wǎng)關(guān)進行指定閥門的查詢，無線網(wǎng)關(guān)根據(jù)閥門的實時上報，將閥門的狀態(tài)反饋給Web平臺。

本發(fā)明有益效果如下：

本發(fā)明公開了一種農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水系統(tǒng)，能針對不同區(qū)域、不同作物，不同灌溉時間、不同需水量進行灌溉策略定制，實現(xiàn)智能化、有針對性的制定灌溉策略；并能實時監(jiān)測區(qū)域環(huán)境，遠距離控制設(shè)備，進而實現(xiàn)自動化灌溉；提高了灌溉的節(jié)水能力和精準度?？梢詰?yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉、溫室大棚、環(huán)境監(jiān)測、機井控制、城市管網(wǎng)、災(zāi)情預(yù)警等多種場景。

本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分的從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在所寫的說明書、權(quán)利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。

附圖說明

附圖僅用于示出具體實施例的目的，而并不認為是對本發(fā)明的限制，在整個附圖中，相同的參考符號表示相同的部件。

圖1為農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為插花式編制輪灌組的示意圖；

圖3為灌溉順序的示意圖；

圖4為無線網(wǎng)關(guān)的注冊和連接保持的通信示意圖；

圖5為農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)召測控制流程圖；

圖6為農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水系統(tǒng)的閥門控制流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖來具體描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中，附圖構(gòu)成本申請一部分，并與本發(fā)明的實施例一起用于闡釋本發(fā)明的原理。

根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施例，公開了一種農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水系統(tǒng)，如圖1所示，所述系統(tǒng)包括：Web平臺、無線網(wǎng)關(guān)、無線終端設(shè)備；Web平臺和無線網(wǎng)關(guān)之間采用移動通信網(wǎng)絡(luò)，如GPRS進行通信，無線網(wǎng)關(guān)和無線終端設(shè)備之間采用近距離無線通信網(wǎng)絡(luò)進行通信。

所述Web平臺按功能分為后臺和前臺兩部分。

后臺功能包括：根據(jù)不同用戶進行權(quán)限分配；對用戶、設(shè)備、項目的管理；對采集數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計分析；對智能設(shè)備的運行情況的監(jiān)控；對通訊協(xié)議的管理；對無線終端設(shè)備進行召測參數(shù)設(shè)置；對無線終端設(shè)備進行遠程升級；通過智能節(jié)灌算法實現(xiàn)灌溉策略的制定等。

前臺功能包括：實現(xiàn)展示和命令輸入，展示包括：節(jié)灌項目在地圖上的展示，對灌溉策略及輪灌計劃的展示，種植信息、土壤墑情信息、管道壓力等的信息顯示；命令輸入包括上述展示控制指令、對灌溉策略及輪灌計劃的管理指令，統(tǒng)計指令等等指令的輸入。例如，上述節(jié)灌項目在地圖上的展示具體為：用戶登錄成功后，在地圖上定位到項目所在位置，用戶可以直觀看到項目的整體范圍；還能看到灌溉單元的劃分，以及項目中包含的網(wǎng)關(guān)設(shè)備的位置；同時還能看到哪些出地樁在灌溉；進入具體灌溉單元則可以看到分干管和出地樁的位置。

具體地，所述Web平臺包括：信息接收模塊、顯示模塊、輸入模塊、注冊模塊、數(shù)據(jù)庫、通信模塊、統(tǒng)計模塊、灌溉計劃模塊；其中，

信息接收模塊用于接收無線網(wǎng)關(guān)上傳以及無線終端設(shè)備通過無線網(wǎng)關(guān)上傳的信息；

顯示模塊用于實現(xiàn)上述Web平臺前臺的顯示功能；

輸入模塊用于實現(xiàn)上述Web平臺前臺的命令輸入功能；

注冊模塊用于實現(xiàn)無線網(wǎng)關(guān)和無線終端設(shè)備的注冊認證；

數(shù)據(jù)庫用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲；

統(tǒng)計模塊用于根據(jù)用戶需求對相關(guān)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并圖表化展現(xiàn)；

通信模塊用于根據(jù)用戶命令、升級、注冊、灌溉策略等需求向無線網(wǎng)關(guān)發(fā)出控制指令；

灌溉計劃模塊用于按照預(yù)設(shè)規(guī)則，根據(jù)具體節(jié)灌項目的種植情況、水源情況、海拔情況、氣象情況進行綜合判斷制定灌溉策略，其中，所述預(yù)設(shè)規(guī)則如下：

a.將不同作物、不同環(huán)境屬性的地塊劃分為不同的灌溉單元；

b.在每個灌溉單元中，根據(jù)墑情數(shù)據(jù)、管道壓力數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、海拔、種植作物進行統(tǒng)計分析，插花式編制輪灌組，并對輪灌組的灌溉順序進行編制；

所述插花式編制輪灌組，并不是現(xiàn)有技術(shù)中按照地理方位順序和物理分干管順序來控制閥門，而是依據(jù)墑情數(shù)據(jù)、管道壓力數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、海拔、種植作物等實際情況來編制輪灌組，進而在灌溉時通過選擇輪灌組來控制閥門。例如，如圖2所示，當(dāng)前右側(cè)選中輪灌組編制內(nèi)的閥門既不在一個分干管上，也不在一個地理方位上，而是根據(jù)上述實際情況歸屬于一輪灌組。系統(tǒng)中包括多個不同輪灌組，各輪灌組采用不同的灌溉策略或閥門控制策略。

編制的灌溉順序如圖3所示，對某一項目的某一灌溉計劃，可以定義它的輪灌組及輪灌組的灌溉順序和時長，即定義該灌溉計劃包括的輪灌組、灌溉組之間的灌溉順序(先灌哪個輪灌組，后灌哪個輪灌組)、每個輪灌組灌溉多長時間。

c.根據(jù)作物需求不同，制定觸發(fā)灌溉的墑情下限和停止灌溉的墑情上限，并設(shè)置灌溉時長上限；

d.根據(jù)采集的環(huán)境信息(日照、溫度、濕度、降水信息)，通過模型公式對墑情上下限進行動態(tài)調(diào)整，甚至是啟動臨時停止或臨時開啟灌溉策略；

所述通過模型公式對墑情上下限進行動態(tài)調(diào)整具體是指：根據(jù)實時采集的環(huán)境信息，進行模型計算，得到動態(tài)的觸發(fā)灌溉的墑情下限和停止灌溉的墑情上限。

具體模型公式如下：

墑情上限、下限：W＝(a*S/S0+b*T/T0-c*P/P0)*W0，

式中，a、b、c是系數(shù)，灌溉地的氣候條件不同，則a、b、c的初始取值不同，且墑情上限和下限的取值也不同，S是實際日照值，S0是適宜日照值，T是實際溫度值，T0是適宜溫度值，P是實際降水值，P0是適宜降水值，W0是適宜墑情值。

e.對智能灌溉涉及的所有數(shù)據(jù)進行建模統(tǒng)計分析，得到最佳灌溉策略；

具體地，所述通過建模統(tǒng)計分析，得到最佳灌溉策略是指，根據(jù)d中的模型公式，通過代入實測數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計學(xué)方法或利用大數(shù)據(jù)處理和信息挖掘技術(shù)，不斷調(diào)整系數(shù)a、b、c，最終得到經(jīng)過修正的最優(yōu)墑情上下限的計算模型，該模型就是最佳灌溉策略的模型。

f.對整個智能灌溉流程的各節(jié)點進行記錄，并通知項目管理人員，如管理人員對智能灌溉有異議，可進行干預(yù)，切換灌溉模式為人工灌溉。

所述灌溉計劃模塊制定出灌溉策略后，通信模塊向無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送控制指令，無線網(wǎng)關(guān)進一步控制無線終端設(shè)備，例如控制閥門執(zhí)行開/關(guān)操作。

無線網(wǎng)關(guān)是Web平臺和無線終端設(shè)備之間通信的橋梁。無線網(wǎng)關(guān)通過移動通信網(wǎng)絡(luò)連接Web平臺，通過ZigBee無線自組網(wǎng)、433Hhz技術(shù)等近距離通信協(xié)議與無線終端設(shè)備之間相互連接。無線網(wǎng)關(guān)主要利用太陽能供電。

無線網(wǎng)關(guān)的分布根據(jù)具體項目面積、閥門分布情況而定，網(wǎng)關(guān)設(shè)備盡量避免跨越灌溉單元通訊。每個無線網(wǎng)關(guān)設(shè)置不同的頻點或網(wǎng)絡(luò)ID，與關(guān)聯(lián)的無線終端設(shè)備進行通訊，以避免通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。

無線終端設(shè)備有多個，進一步包括控制終端設(shè)備和采集終端設(shè)備；采集終端設(shè)備包括土壤溫濕度、壓力、光照、降水、二氧化氮、管道壓力、流量等傳感器，以及采集植物生長參數(shù)的傳感器或者視頻設(shè)備；控制終端設(shè)備包括閥門、水泵、軟啟動器、變頻器等。各個采集終端設(shè)備可以定時采集和上報，也可以響應(yīng)Web平臺的召測，實現(xiàn)實時采集。例如，針對管道流量和壓力的召測，用于判斷閥門是否被打開，或者管道內(nèi)部壓力能否打開閥門。閥門控制終端采取電池供電方式，接收無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送的指令，并作出相應(yīng)的開/關(guān)控制操作。

通常情況下，光照、降水、二氧化氮傳感器采集終端設(shè)備在一個節(jié)灌項目中各設(shè)置一個即可；土壤溫濕度、壓力傳感器采集終端設(shè)備根據(jù)輪灌組編制及海拔情況確定確定分布；水泵控制終端設(shè)備根據(jù)項目實際水源情況確定數(shù)量和分布位置；采集植物生長參數(shù)的傳感器或者視頻設(shè)備分布根據(jù)具體需求布置。

農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水系統(tǒng)具有如下3個主要業(yè)務(wù)流程

1.設(shè)備管理，(如圖4所示)

1.1無線網(wǎng)關(guān)的注冊

無線網(wǎng)關(guān)通過注冊報文，向Web平臺發(fā)起請求，Web平臺根據(jù)注冊報文中的設(shè)備地址確認該設(shè)備是否允許注冊，并返回注冊應(yīng)答給無線網(wǎng)關(guān)。

1.2無線終端設(shè)備的注冊

Web平臺通過對長連接的無線網(wǎng)關(guān)發(fā)起無線終端設(shè)備注冊報文，命令無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備向通訊范圍內(nèi)的無線終端設(shè)備發(fā)起注冊請求，通訊范圍內(nèi)所有通訊正常的無線終端設(shè)備收到廣播后將向無線網(wǎng)關(guān)響應(yīng)注冊報文，無線網(wǎng)關(guān)將無線終端設(shè)備的注冊報文透傳給Web平臺，以便Web平臺獲知無線網(wǎng)關(guān)下關(guān)聯(lián)的所有無線終端設(shè)備。

1.3無線網(wǎng)關(guān)與Web平臺的連接保持

網(wǎng)關(guān)設(shè)備按照配置的心跳周期(狀態(tài)心跳300秒/次)向Web平臺發(fā)起普通心跳報文，以保持連接，同時將無線網(wǎng)關(guān)中配置的常用參數(shù)上報給平臺。

1.4無線網(wǎng)關(guān)的參數(shù)設(shè)置

Web平臺可以通過在普通心跳報文的應(yīng)答中返回不同的參數(shù)來修改無線網(wǎng)關(guān)的連接方式、心跳周期、采集周期、存儲周期和時間等。

2.數(shù)據(jù)采集和上報業(yè)務(wù)

無線網(wǎng)關(guān)按照設(shè)定的采集周期命令各無線終端設(shè)備采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給無線網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)按照配置的存儲周期將采集數(shù)據(jù)進行臨時存儲，在普通心跳報文得到Web平臺應(yīng)答后，將臨時存儲的采集數(shù)據(jù)以一條數(shù)據(jù)報文的形式上報給Web平臺。環(huán)境參數(shù)(如溫濕度、日照、降水、二氧化氮等)可以通過上述方法進行定時上報，也可以通過以下控制業(yè)務(wù)實現(xiàn)實時召測。數(shù)據(jù)采集和上報的數(shù)據(jù)流即是農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水系統(tǒng)的采集通道。

農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)召測控制流程如圖5所示，Web平臺發(fā)送數(shù)據(jù)召測指令給無線網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)該指令至相關(guān)的采集終端設(shè)備，采集終端設(shè)備通過召測響應(yīng)將指令中需要的召測數(shù)據(jù)上傳到無線網(wǎng)關(guān)并進行臨時存儲。在Web平臺和無線網(wǎng)關(guān)之間完成心跳連接之后，無線網(wǎng)關(guān)將上述臨時存儲的召測數(shù)據(jù)上報給Web平臺，當(dāng)無線網(wǎng)關(guān)接收到Web平臺返回的數(shù)據(jù)上報成功的消息時，無線網(wǎng)關(guān)刪除對應(yīng)的數(shù)據(jù)。以上流程實現(xiàn)了通過Web平臺發(fā)出控制指令進行數(shù)據(jù)采集。

本發(fā)明的采集終端設(shè)備并不局限于上述具體設(shè)備，還可以添加其他環(huán)境傳感器、環(huán)境參數(shù)采集設(shè)備等。

3.控制業(yè)務(wù)

如果有控制任務(wù)，則無線網(wǎng)關(guān)和Web平臺之間配置為長連接方式，此方式下除了普通心跳報文外，無線網(wǎng)關(guān)還需以90s一次的間隔向平臺發(fā)起鏈路心跳，以保持連接。在Web平臺獲取到控制指令后，Web平臺對無線網(wǎng)關(guān)下發(fā)控制指令，以便完成召測、設(shè)置、設(shè)備控制、升級等需求，再由無線網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)控制指令給相關(guān)無線終端設(shè)備，再由無線終端設(shè)備作出相應(yīng)的操作并返回結(jié)果?？刂浦噶畹南掳l(fā)和反饋，即是農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水系統(tǒng)的控制通道。

具體地，

農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水系統(tǒng)的閥門控制流程如圖6所示，Web平臺發(fā)送某一單(多)控閥門開/關(guān)的控制指令給無線網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)將上述控制指令轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)的單(多)控閥門，由單(多)控閥門執(zhí)行控制。

優(yōu)選的，還可以由Web平臺發(fā)送一組閥門開/關(guān)的控制指令給無線網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)將上述控制指令轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)的多個閥門，由對應(yīng)的多個閥門執(zhí)行控制指令。上述多個閥門可以采用單(多)控閥門。

上述各閥門上可以設(shè)置壓力傳感器，用于采集管道壓力；還可以設(shè)置物理開關(guān)狀態(tài)接口，用于獲知閥門的開/關(guān)狀態(tài)。閥門可以將管道壓力狀態(tài)、閥門開/關(guān)狀態(tài)、命令狀態(tài)和連線狀態(tài)實時上報給無線網(wǎng)關(guān)，且閥門還可以將指示管道壓力、閥門開/關(guān)、命令狀態(tài)、連線狀態(tài)的報警信息上報給無線網(wǎng)關(guān)，由無線網(wǎng)關(guān)進一步上報給Web平臺。

閥門控制流程還包括單查過程，所述單查是指Web平臺發(fā)送查詢請求給無線網(wǎng)關(guān)進行指定閥門的查詢，無線網(wǎng)關(guān)根據(jù)單(多)控閥門的實時上報，將單(多)控閥門的狀態(tài)反饋給Web平臺。

本發(fā)明的應(yīng)用環(huán)境也不局限于實施例的農(nóng)業(yè)灌溉，也可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉、溫室大棚、環(huán)境監(jiān)測、機井控制、城市管網(wǎng)、災(zāi)情預(yù)警等方面。

綜上所述，本發(fā)明實施例提供了一種農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水系統(tǒng)，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)灌溉自動化；有針對性、智能化地制定灌溉策略，具體能針對不同區(qū)域、不同作物，不同灌溉時間、不同需水量進行灌溉策略定制；還能實現(xiàn)灌溉設(shè)備的遠距離控制；同時能實時監(jiān)測區(qū)域環(huán)境，管理人員能夠?qū)崟r獲知土地和作物的狀況，為更好的進行節(jié)水灌溉提供了基礎(chǔ)，提高灌溉的節(jié)水能力和精準度。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。