一种现代化农业精准灌溉系统及其灌溉方法

摘要

本发明涉及一种现代化农业精准灌溉系统，包括传感器模块、数据智能分析模块、灌溉执行模块和监测模块，所述传感器模块将采集到的各项数据传送给数据智能分析模块，数据智能分析模块对接收到的各项数据进行分析处理，数据智能分析模块将指令传送给灌溉执行模块的控制器，控制器接收到指令后控制电子水阀自动开启或关闭，所述传感器模块包括作物类型识别传感器、种植类型识别传感器、气象数据传感器、冠层温湿度传感器、病虫害监测传感器、土壤特性传感器和植株生长传感器；本发明所述的现代化农业精准灌溉系统，设置多个传感器，便于获得丰富的灌溉信息，数据智能分析模块的设置使得灌溉量与实际需水量相匹配，提高了系统的智能化程度和控制精度。

说明书

技术领域

本发明涉及节水灌溉设备领域，具体涉及一种现代化农业精准灌溉系统及其灌溉方法。

背景技术

随着全球气候变暖以及水资源的日益匮乏，提高水分的利用率显得尤为重要。据统计，我国农业灌溉水有效利用系数约为0.5，该数据和水分生产率远低于发达国家水平，长此以往，水资源供需矛盾日益突出。因此，提高农业用水效率刻不容缓。

目前国内现有节水灌溉所涉及的方式主要包括灌溉控制技术、输水方式和灌溉方式，灌溉启动和终止多以人工操作水阀开关进行，还有一些比较自动化的灌溉系统可以通过手机APP启动和关闭，但灌溉过程也需要人员参与。农田分布范围广泛，不同的作物类型、种植类型、植株生长和病虫害情况的作物都根据土壤特性来判断是否需灌溉以及需要的灌溉量，从而使得灌溉量与作物实际需水量相差很大，造成水资源的严重浪费。其次，传感器采集到的数据不能实时显示和储存，不能让操作人员实时掌握农田作物的灌溉信息。最后，何时需要启动或终止灌溉量全凭操作人员的经验确定，存在灌溉不及时和超额灌溉等用水浪费现象，同时节水灌溉组件的自动化程度低，大区域推广时管理困难、劳动强度较大的问题严重阻碍了节水灌溉的进一步推广。

因此，在全球水资源日益短缺的今天，特别是农业灌溉用水严重不足的情况下，迫切需要一种更加精准、智能的节水灌溉系统。

发明内容

为克服现有技术中存在的缺陷和不足，本发明公开了一种现代化农业精准灌溉系统。

本发明通过以下技术方案实现：

一种现代化农业精准灌溉系统，包括传感器模块，所述传感器模块包括作物类型识别传感器、种植类型识别传感器、气象数据传感器、冠层温湿度传感器、病虫害监测传感器、土壤特性传感器和植株生长传感器，所述传感器模块将采集到的各项数据传送给数据智能分析模块，所述数据智能分析模块对接收到的各项数据进行分析处理，确定作物是否需要灌溉以及需要的灌溉量，使得灌溉量与实际需水量相匹配，所述数据智能分析模块将指令传送给灌溉执行模块的控制器，所述控制器接收到指令后控制电子水阀自动开启或关闭，所述智能分析模块和灌溉执行模块将各项数据实时传送给监测模块，所述监测模块能够对所述智能分析模块和灌溉执行模块进行实时监测控制。传感器模块设置多个传感器，便于获得丰富的灌溉信息，从而提高了所述现代化农业精准灌溉系统的稳定性，进而提高了现代化农业精准灌溉系统的智能化程度和控制精度；数据智能分析模块的设置根据作物维持正常生长发育实际需水量，确定作物是否需要灌溉以及需要的灌溉量，使得灌溉量与实际需水量相匹配，提高了现代化农业精准灌溉系统的智能化程度和控制精度，达到了节水增效的目的。

进一步的，所述数据智能分析模块包括微处理器和数据显示存储器，所述数据显示存储器包括显示屏和储存器。数据智能分析模块的设置根据作物维持正常生长发育实际需水量，确定作物是否需要灌溉以及需要的灌溉量，使得灌溉量与实际需水量相匹配，提高了现代化农业精准灌溉系统的智能化程度和控制精度，达到了节水增效的目的。显示屏和储存器设置便于操作人员实时掌握农田作物的灌溉信息。

进一步的，所述灌溉执行模块包括控制器和电子水阀，所述控制器和电子水阀相连接，所述控制器和电子水阀安装在水源和不同作物灌溉区域之间。控制器和电子水阀替代了原有的机械水表和人工控制水阀，提高了现代化农业精准灌溉系统的自动化程度。

进一步的，所述灌溉执行模块还包括水流传感器，所述灌溉执行模块能够将采集的灌溉量数据传送给所述数据智能分析模块。

进一步的，所述监测模块为客户端。监测模块的设置可以实现对灌溉过程的远程的实时监测和控制，提高灌溉效率和管理水平，减少人力成本。

进一步的，所述现代化农业精准灌溉系统还包括报警装置，所述报警装置包括预警模块、报警模块和语音提示系统，所述预警模块、报警模块分别与语音提示系统相连。报警装置的设置能够及时提醒操作人员进行处理，尽早使系统恢复正常工作，提高了灌溉装置的自动化和智能化水平。

进一步的，所述现代化农业精准灌溉系统的各个模块之间通过无线通讯模块传送数据或指令。无线通讯模块传送数据或指令比较方便快捷。

进一步的，所述现代化农业精准灌溉系统还包括电源模块，所述电源模块包括蓄电池和太阳能光板，所述蓄电池与太阳能光板连接。太阳能光板可以为蓄电池充电，节约系统运行成本。

一种现代化农业精准灌溉方法，所述方法使用任意一项上述的现代化农业精准灌溉系统，所述方法具体步骤为：

S1:采集：所述传感器模块采集作物类型、种植类型、气象数据、冠层温湿度、病虫害情况、土壤特性以及植株生长各项数据并将各项数据传送给所述数据智能分析模块；

S2:处理：所述数据智能分析模块对接收到的各项数据进行分析处理，确定作物是否需要灌溉以及需要的灌溉量，使得灌溉量与实际需水量相匹配，并将指令传送给所述灌溉执行模块；

S3:执行：所述灌溉执行模块接收到指令后自动开启或终止灌溉；

S4:监测：所述监测模块能够对所述智能分析模块和所述灌溉执行模块进行实时监测控制。

本发明与现有技术相比，其优点在于：

1)本发明所述的现代化农业精准灌溉系统及其灌溉方法，传感器模块设置多个传感器，便于获得丰富的灌溉信息，从而提高了所述现代化农业精准灌溉系统的稳定性，进而提高了现代化农业精准灌溉系统的智能化程度和控制精度；

2)本发明所述的现代化农业精准灌溉系统及其灌溉方法，数据智能分析模块的设置根据作物维持正常生长发育实际需水量，确定作物是否需要灌溉以及需要的灌溉量，使得灌溉量与实际需水量相匹配，提高了现代化农业精准灌溉系统的智能化程度和控制精度，达到了节水增效的目的；

3)本发明所述的现代化农业精准灌溉系统及其灌溉方法，控制器和电子水阀替代了原有的机械水表和人工控制水阀，提高了现代化农业精准灌溉系统的自动化程度；

4)本发明所述的现代化农业精准灌溉系统及其灌溉方法，监测模块可以实现对灌溉过程的远程的实时监测和控制，提高灌溉效率和管理水平，减少人力成本。

附图说明

图1为本发明实施例所述的现代化农业精准灌溉系统的示意图；

图2为本发明实施例所述的数据采集模块的结构示意图；

图3为本发明实施例所述的数据智能分析模块的示意图；

图4为本发明实施例所述的电源模块的示意图；

图5为本发明另一实施例所述的数据采集模块的结构示意图；

图6为本发明另一实施例所述的数据采集模块的结构示意图。

1-传感器模块，11-作物类型识别传感器，12-种植类型识别传感器，13-气象数据传感器，14-冠层温湿度传感器，15-病虫害监测传感器，16-土壤特性传感器，17-植株生长传感器，2-无线通信模块，3-数据智能分析模块，31-微处理器，32-数据显示存储器，4-灌溉执行模块，41-控制器，42-电子水阀，5-监测模块，6-报警装置，7-电源模块，71-蓄电池，72-太阳能光板，8-支架，81-第一固定装置，82-第二固定装置，83-滑动装置，831-第一滑动装置，832-第二滑动装置，84-第一支架，85-第二支架。

具体实施方式

实施例1

一种现代化农业精准灌溉系统，如图1所示，包括传感器模块1，所述传感器模块1用于采集各项数据，所述传感器模块1将采集到的各项数据传送给数据智能分析模块3，所述数据智能分析模块3对接收到的所有数据进行分析处理，确定作物是否需要灌溉以及需要的灌溉量，使得灌溉量与实际需水量相匹配，所述数据智能分析模块3将指令传送给灌溉执行模块4的控制器41，所述控制器41接收到指令后控制电子水阀42自动开启或关闭。数据智能分析模块的设置根据作物维持正常生长发育实际需水量，确定作物是否需要灌溉以及需要的灌溉量，使得灌溉量与实际需水量相匹配，提高了现代化农业精准灌溉系统的智能化程度和控制精度，达到了节水增效的目的。

具体的，所述传感器模块1包括7个传感器，分别是作物类型识别传感器11、种植类型识别传感器12、气象数据传感器13、冠层温湿度传感器14、病虫害监测传感器15、土壤特性传感器16和植株生长传感器17。通过设置作物类型识别传感器11、种植类型识别传感器12、气象数据传感器13、冠层温湿度传感器14、病虫害监测传感器15、土壤特性传感器16和植株生长传感器17等多种传感器可以获得丰富的灌溉信息，从而提高了所述现代化农业精准灌溉系统的稳定性，进而提高了现代化农业精准灌溉系统的智能化程度和控制精度。

更具体的，所述作物类型识别传感器11可以识别出作物的作物类型，所述种植类型识别传感器12可以识别出作物的种植类型。不同的作物类型以及不同的种植类型的作物在各个生长阶段的所需灌溉量是不同的，传感器识别出作物的作物类型和种植类型，便于和数据智能分析模块3中相应的作物进行匹配，判断出作物在不同生长阶段的实际需水量后，从而使数据智能分析模块3传送指令进行灌溉，进而使得灌溉量与作物实际需水量相配套，有利于提高所述现代化农业精准灌溉系统的灌溉精度。更具体的，所述作物类型识别传感器11和种植类型识别传感器12中分别设有摄像机，根据所述摄像机拍到的图片智能扫描识别作物的作物类型和种植类型。

更具体的，所述气象数据传感器13可以监测太阳辐射、降雨、风速及空气的温湿度状况。在大风和高温天气会增加水分的蒸发，可以选择风速低和/或温度低的条件下灌溉，可以减少水分蒸发，节约水资源。若短时间内无降雨，则选择灌溉，若短时间内有降雨过程，可选择不灌溉，可以充分利用雨水，从而更好地实现水资源的合理高效利用。

更具体的，所述冠层温湿度传感器14可以采集作物的蒸腾状况，例如冠层温度和冠层湿度等；所述土壤特性传感器16可以采集土壤指标，例如土壤类型、土壤含水量、电导率、导水率、容重和孔隙度等；所述病虫害监测传感器15和植株生长传感器17可以采集作物生长状况，例如株高、茎粗、根系深度和冠层覆盖度等。作物的蒸腾状况、土壤指标和作物生长状况能反映作物的缺水情况，可帮助系统有针对地进行相关农业操作，有利于提高所述现代化农业精准灌溉系统的灌溉精度。

具体的，所述现代化农业精准灌溉系统的各个模块之间通过有线或无线的方式传送数据或指令。更具体的，所述现代化农业精准灌溉系统的各个模块之间无线通讯模块2传送数据或指令。所述无线通讯模块2为GSM/GPRS或ZigBee无线技术。在本实施例中，选用选用ZigBee无线技术。ZigBee无线技术是一种低功耗的无线通信技术，比较适合作为灌溉系统的通信方式。

所述传感器模块1通过无线通讯模块2将采集到的各项数据传送给数据智能分析模块3，所述数据智能分析模块3也可以通过无线通讯模块2设置各个传感器的采集频率等。如各个传感器的采集频率可以设置为每20min一次，且能够在作物生育期持续工作。采集频率设置为每20min一次，便于获得丰富的灌溉信息，提高了现代化农业精准灌溉系统的智能化程度和控制精度。

具体的，如图3所示，所述数据智能分析模块3包括微处理器31和数据显示存储器32。所述数据显示存储器32包括显示屏和储存器，所述储存器中储存了各种作物在各个生长阶段的实际需水量。

所述微处理器31接收所述传感器模块1的各项数据后，由微处理器31的预设程序自动剔除各项数据其中的最大值和最小值，计算剩余各项数据的平均值，并可以将各项数据以图形或表格等形式进行实时显示在显示屏上并长期储存数据在储存器中；然后进行综合分析，与所述数据显示存储器32的储存器中对应作物维持正常生长发育实际需水量阈值进行比对，确定作物是否需要灌溉以及需要湿润土层的深度。如果需要灌溉，所述微处理器31会对灌溉执行模块4传送指令开启灌溉，在计划湿润土层的土壤含水量达到阈值时所述微处理器31会对灌溉执行模块4传送指令终止灌溉，实现了现代化农业精准灌溉系统的自动化及精准化的灌溉。

更具体的，如：采集到数据为某年某月某日，种植类型：膜下滴灌：种植作物：玉米，种植密度：9.0万株/ha，株行距：20cm，生长天数：86d；玉米株高：330cm、茎粗2.35cm、根系深度：80cm、冠层覆盖度：95％、冠层温度：25℃；当时空气湿度：27.8％，温度：38.7℃，太阳辐射1011wat/m

具体的，所述灌溉执行模块4包括控制器41和电子水阀42，所述控制器41和电子水阀42相连接，所述控制器41和电子水阀42安装在水源和不同作物灌溉区域之间，所述控制41控制所述电子水阀42启动或关闭。所述灌溉执行模块4接收到需要灌溉的指令后，所述指令包括需要进行灌溉的时间及灌溉量，然后所述控制器41传送指令给与其连接的所述电子水阀42，所述电子水阀42启动灌溉；所述灌溉执行模块4接收不需要灌溉的指令后，所述控制器41传送指令给与其连接的所述电子水阀42，所述电子水阀42终止灌溉，实现了现代化农业精准灌溉系统的自动化及精准化的灌溉。控制器41和电子水阀42替代了原有的机械水表和人工控制水阀，提高了现代化农业精准灌溉系统的自动化程度。

更具体的，所述控制器41和电子水阀42一一对应连接，当其中一个控制器41或电子水阀42出现问题时，不会对其他控制器41或电子水阀42产生影响，从而保证其他控制器41或电子水阀42正常工作。

更具体的，所述灌溉执行模块4还包括水流传感器(图中未显示)，所述水流传感器用来采集灌溉的水量。所述灌溉执行模块4可以将采集的灌溉量数据通过无线通讯模块2传送给所述数据智能分析模块3。

具体的，所述现代化农业精准灌溉系统还包括监测模块5，所述监测模块5设置为客户端，所述监测模块5可以是手机APP，也可以是电脑APP，所述数据智能分析模块3和灌溉执行模块4通过无线通讯模块2将各项数据传送给所述监测模块5。所述监测模块5能够通过无线通讯模块2对所述数据智能分析模块3和灌溉执行模块4进行实时监测和控制。所述监测模块5可以实现对灌溉过程的远程的实时监测和控制，提高灌溉效率和管理水平，减少人力成本。

具体的，所述现代化农业精准灌溉系统还包括报警装置6，所述报警装置6包括预警模块、报警模块和语音提示系统。所述预警模块连接在微处理器31的输入端，用于采集各项数据超出系统预设的临界值。所述报警模块连接在微处理器31的输出端并与控制线路连接，用于系统故障的检测。所述预警模块、报警模块分别与语音提示系统相连，当预警模块采集到的数据超出系统预设的临界值时，或者当报警模块检测到系统故障时，语音提示系统会发出语音，同时在所述微处理器31及所述监测模块5上出现报警提示。操作人员通过微处理器31及客户端的报警提示处理预警和报警信息。报警装置6的设置提高了灌溉装置的自动化和智能化水平。

具体的，如图4所示，所述电源模块7包括蓄电池71和太阳能光板72，所述蓄电池71与太阳能光板72连接。所述电源模块7为所述各个模块部件提供电力。更具体的，在太阳能光板72不能供电时，蓄电池71可以持续供电，同时太阳能光板72可以为蓄电池71充电，节约系统运行成本。

具体的，所述传感器模块1通过支架8均匀安装在农田间。如图2所示，所述支架8包括第一支架84和第二支架85，所述第一支架84与所述第二支架85垂直设置。

更具体的，在本实施例中，如图2所示，所述支架8呈十字型，所述第一支架84与地面垂直设置，所述第二支架85与地面平行设置。在所述第一支架84与所述第二支架85的连接处设置有第二固定装置82。所述第一支架84的下端通过第一固定装置81安装在土地中，所述土壤特性传感器16设置在所述第一固定装置81的下方，安装在地面以下。土壤特性传感器16安装在地面以下便于土壤特性传感器16采集土地同一地点不同深度的土壤水分状况，提高了作物灌溉控制的智能化程度和控制精度。

在所述第一固定装置81的上方设置有蓄电池71，在蓄电池71的上方设置有病虫害监测传感器15，所述第一支架84的上端上设置有无线通讯模块2。无线通讯模块2设置第一支架84的上端，便于传输数据。

所述冠层温湿度传感器14通过滑动装置83的第一滑动装置831安装在第一支架84上，所述植株生长传感器17通过滑动装置83的第二滑动装置832安装在第一支架84上。所述滑动装置83可以在第二固定装置82和病虫害监测传感器15之间滑动，以保证所述冠层温湿度传感器14和所述植株生长传感器17能够采集不同高度的冠层温湿度信息和植株生长信息，提高了作物灌溉控制的智能化程度和控制精度。

更具体的，所述第一滑动装置831和所述第二滑动装置832设置为圆环状，便于冠层温湿度传感器14和所述植株生长传感器17在第一支架84上滑动。

作物类型识别传感器11和种植类型识别传感器12设置在所述第二支架85的两端，使得作物类型识别传感器11和种植类型识别传感器12和作物的距离较近，进而得到更加准确的数据。太阳能光板72和气象数据传感器13设置在所述第二支架85上，所述第二支架85距离所述第一支架84的上端很短，便于太阳能光板72对太阳能的利用，同时也便于气象数据传感器13采集气象数据，提高了作物灌溉控制的智能化程度和控制精度。

所述第二固定装置82具有移动和固定的功能，可以根据作物的高低来调节第二支架85与第一支架84上端的距离，使得作物类型识别传感器11和种植类型识别传感器12和作物的距离较近，进而得到更加准确的数据。

该系统的工作原理为：

首先通过传感器模块1的各个传感器采集作物类型、种植类型、气象数据、冠层温湿度、病虫害情况、土壤特性以及植株生长状况，然后通过无线通讯模块2将数据传送至所述数据智能分析模块3。所述数据显示存储器32通过显示屏对各项数据以图形、表格等进行实时显示，并长期储存数据；所述微处理器31接收所述传感器模块1的各项数据后，由微处理器31的预设程序自动剔除各项数据其中的最大值和最小值，计算剩余各项数据的平均值，然后进行综合分析，将所得结果与所述数据显示存储器32的储存器中对应作物维持正常生长发育需要水分阈值进行校准和计算，确定作物是否需要灌溉以及需要湿润土层的深度。如果需要灌溉所述微处理器31会对灌溉执行模块4传送指令开启灌溉，在计划湿润土层的土壤含水量达到阈值时所述微处理器31会对灌溉执行模块4传送指令终止灌溉，实现现代化农业精准灌溉系统的自动化及精准化的灌溉。其中，所述报警装置6包括预警模块、报警模块和语音提示系统。所述报警装置6用于采集各项数据超出系统预设的临界值和用于系统故障的检测。所述电源模块7为所述各个模块部件提供电力。

本发明与现有技术相比，其优点在于：

1)本发明所述的现代化农业精准灌溉系统，传感器模块设置多个传感器，便于获得丰富的灌溉信息，从而提高了所述现代化农业精准灌溉系统的稳定性，进而提高了现代化农业精准灌溉系统的智能化程度和控制精度；

2)本发明所述的现代化农业精准灌溉系统，数据智能分析模块的设置根据作物维持正常生长发育实际需水量，确定作物是否需要灌溉以及需要的灌溉量，使得灌溉量与实际需水量相匹配，提高了现代化农业精准灌溉系统的智能化程度和控制精度，达到了节水增效的目的；

3)本发明所述的现代化农业精准灌溉系统，控制器和电子水阀替代了原有的机械水表和人工控制水阀，提高了现代化农业精准灌溉系统的自动化程度；

4)本发明所述的现代化农业精准灌溉系统，监测模块可以实现对灌溉过程的远程的实时监测和控制，提高灌溉效率和管理水平，减少人力成本。

实施例2

与实施例1不同的是，如图5所示，所述第一滑动装置831和所述第二滑动装置832设置半圆环状，所述第一滑动装置831和所述第二滑动装置832之间不会相互干扰，使得冠层温湿度传感器14和所述植株生长传感器17在第一支架84上滑动更加灵活便利。

实施例3

与实施例1不同的是，如图6所示，所述冠层温湿度传感器14设置在滑动装置83的一端，所述植株生长传感器17设置在滑动装置83的另一端，节约了装置成本。

实施例4

一种现代化农业精准灌溉方法，所述方法使用任意一项所述的现代化农业精准灌溉系统，所述方法具体步骤为：

S1:采集：所述传感器模块1采集作物类型、种植类型、气象数据、冠层温湿度、病虫害情况、土壤特性以及植株生长各项数据并将各项数据传送给所述数据智能分析模块3；

S2:处理：所述数据智能分析模块3对接收到的各项数据进行分析处理，确定作物是否需要灌溉以及需要的灌溉量，使得灌溉量与实际需水量相匹配，并将指令传送给所述灌溉执行模块4；

具体的，所述数据智能分析模块3的微处理器31接收所述传感器模块1的各项数据后，由微处理器31的预设程序自动剔除各项数据其中的最大值和最小值，计算剩余各项数据的平均值，并可以将各项数据以图形或表格等形式进行实时显示在显示屏上并长期储存数据在储存器中；然后进行综合分析，与所述数据显示存储器32的储存器中对应作物维持正常生长发育实际需水量阈值进行比对，确定作物是否需要灌溉以及需要湿润土层的深度。如果需要灌溉，所述微处理器31会对灌溉执行模块4传送指令开启灌溉，在计划湿润土层的土壤含水量达到阈值时所述微处理器31会对灌溉执行模块4传送指令终止灌溉，实现了现代化农业精准灌溉系统的自动化及精准化的灌溉。

S3:执行：所述灌溉执行模块4接收到指令后自动开启或终止灌溉；

具体的，所述灌溉执行模块4接收到需要灌溉的指令后，所述指令包括需要进行灌溉的时间及灌溉量，然后所述控制器41传送指令给与其连接的所述电子水阀42，所述电子水阀42启动灌溉；所述灌溉执行模块4接收到不需要灌溉的指令后，所述控制器41传送指令给与其连接的所述电子水阀42，所述电子水阀42终止灌溉，实现了现代化农业精准灌溉系统的自动化及精准化的灌溉。

S4:监测：所述监测模块5能够对所述智能分析模块3和所述灌溉执行模块4进行实时监测控制。

显然，上述实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下对这些实施例进行的各种变化、修改、替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。