一種基于無線定位技術(shù)的園圃微灌系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于無線定位技術(shù)的園圃微灌系統(tǒng)，包括處理器、植株、微灌噴頭和安裝在微灌噴頭上的無線傳感器裝置；處理器依據(jù)無線傳感器裝置收集到的傳感數(shù)據(jù)和植株定位信息計(jì)算噴水方案，并按照噴水方案控制微灌噴頭噴水。本實(shí)用新型有助于減少管理人員規(guī)模、提高生產(chǎn)效率、增強(qiáng)自動(dòng)化水平，具有理論與實(shí)際應(yīng)用上的意義。
【專利說明】
一種基于無線定位技術(shù)的園圃微灌系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及園圃灌溉，尤其是一種基于無線定位技術(shù)的園圃微灌系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國(guó)，發(fā)展農(nóng)業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)具有國(guó)計(jì)民生的現(xiàn)實(shí)意義。溫房培 育在農(nóng)業(yè)種植中一直占據(jù)重要地位，跨季蔬菜、水果花卉、水稻育種等一系列農(nóng)業(yè)活動(dòng)離不 開溫房的存在，而溫房的灌溉系統(tǒng)以及溫度控制都是影響作物生長(zhǎng)的重要指標(biāo)。
[0003] 目前，我國(guó)溫房培育自動(dòng)化水平不高，如申請(qǐng)?zhí)?01080045542.0公開的噴灑器，雖 然改進(jìn)了噴灑裝置的結(jié)構(gòu)，但依然不能夠?qū)崟r(shí)根據(jù)園圃內(nèi)的環(huán)境狀態(tài)隨時(shí)調(diào)整噴頭，此外， 現(xiàn)有的園圃中加熱、降溫、灌溉、施肥還需要專門的種植人員，能耗、澆灌控制精度不夠，仍 屬于粗放型生產(chǎn)階段。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 實(shí)用新型目的：針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本實(shí)用新型旨在提供一種基于 無線定位技術(shù)的園圃微灌裝置及其方法。
[0005] 技術(shù)方案:一種基于無線定位技術(shù)的園圃微灌系統(tǒng)，包括處理器、無線通信裝置、 現(xiàn)場(chǎng)裝置和植株，所述現(xiàn)場(chǎng)裝置包括微灌噴頭，所述微灌噴頭上安裝有無線傳感器裝置;無 線通信裝置接收到無線傳感器裝置收集到的傳感數(shù)據(jù)并傳輸至處理器，處理器依據(jù)傳感數(shù) 據(jù)和植株定位信息計(jì)算噴水方案，并按照噴水方案控制微灌噴頭噴水。
[0006] 進(jìn)一步的，所述無線傳感器裝置內(nèi)設(shè)有Zigbee模塊和/或WiFi模塊，無線傳感器裝 置包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器和二氧化碳傳感器其中的一種或多種。
[0007] 進(jìn)一步的，所述現(xiàn)場(chǎng)裝置還包括霧化加濕器、散熱風(fēng)扇和升降幕布，處理器依據(jù)傳 感數(shù)據(jù)控制現(xiàn)場(chǎng)裝置工作。
[0008] 進(jìn)一步的，所述植株上貼有無線信標(biāo)無線傳感器裝置通過獲取盲節(jié)點(diǎn)的位置信息 對(duì)植株進(jìn)行定位。
[0009] 進(jìn)一步的，所述處理器通過無線通信裝置將傳感數(shù)據(jù)和植株定位信息發(fā)送至監(jiān)控 終端，監(jiān)控終端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并通過無線通信裝置向處理器傳輸控制指令。
[0010]進(jìn)一步的，無線通信裝置包括WiFi模塊與4G模塊，處理器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況選擇使用 WiFi模塊或4G模塊。
[0011] 有益效果：
[0012] (1)本實(shí)用新型采用微灌碰頭、配合節(jié)水算法，計(jì)算植株生長(zhǎng)所需的最佳水量，避 免過度灌溉，并且配置用水回收裝置進(jìn)一步節(jié)省農(nóng)業(yè)用水；
[0013] (2)本實(shí)用新型采用無線通信技術(shù)，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)布線，節(jié)省成本，并且避免了有線 通信中通信線路腐蝕的問題；
[0014] (3)本實(shí)用新型采用配置價(jià)格低廉、電源要求低、可循環(huán)使用的基于ZigBee協(xié)議的 芯片，采用這些無線通信芯片可以實(shí)現(xiàn)無線通信、無線定位和無線驅(qū)動(dòng)；
[0015] (4)本實(shí)用新型基于"無線信道特征"技術(shù)的無線定位算法;無線信道特征是無線 通信的"指紋"，通過核對(duì)該處的無線信道特征可以進(jìn)一步減小ZigBee定位誤差；
[0016] (5)本實(shí)用新型采用基于"土壤滲透率"的微灌節(jié)水算法，只需測(cè)定種植區(qū)域的土 壤滲透率，結(jié)合測(cè)定最近的微灌噴頭與植物的距離，計(jì)算最少的用水量，該算法不僅可以用 以灌溉，也適用于所有液體農(nóng)藥、營(yíng)養(yǎng)液等可灌溉液體；
[0017] (6)本實(shí)用新型具備Wifi、4G兩種與外部Internet通信方式，這兩種通信方式可以 根據(jù)當(dāng)?shù)氐木W(wǎng)絡(luò)情況任意選擇使用，搭配靈活，性價(jià)比高；
[0018] (7)本實(shí)用新型有助于減少管理人員規(guī)模、提高生產(chǎn)效率、增強(qiáng)自動(dòng)化水平，具有 理論與實(shí)際應(yīng)用上的意義。
【附圖說明】
[0019] 圖1是智能恒溫園圃裝置結(jié)構(gòu)組成拓?fù)鋱D；
[0020] 圖2是本實(shí)用新型無線定位技術(shù)的工作原理圖；
[0021]圖3是無線定位技術(shù)軟件流程圖；
[0022]圖4是微灌噴頭的俯視圖；
[0023]圖5是微灌噴頭的主視圖；
[0024]圖6是微灌節(jié)水算法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明，如圖1所示，一種基于無線定位技術(shù) 的園圃微灌系統(tǒng)，引入物聯(lián)網(wǎng)4.0、集散控制系統(tǒng)的概念，包括處理器、無線通信裝置、現(xiàn)場(chǎng) 裝置和植株，所述現(xiàn)場(chǎng)裝置包括微灌噴頭，所述微灌噴頭上安裝有無線傳感器裝置;現(xiàn)場(chǎng)裝 置還包括霧化加濕器、散熱風(fēng)扇和升降幕布，無線通信裝置接收到無線傳感器裝置收集到 的傳感數(shù)據(jù)并傳輸至處理器，處理器依據(jù)傳感數(shù)據(jù)控制現(xiàn)場(chǎng)裝置工作;處理器依據(jù)傳感數(shù) 據(jù)和植株定位信息計(jì)算噴水方案，并按照噴水方案控制微灌噴頭噴水。
[0026] 其中處理器以ARM嵌入式處理器_ARM9S3C2440為核心，無線傳感器裝置內(nèi)設(shè)有 Zigbee模塊和/或WiFi模塊，無線傳感器裝置基于CC2531芯片，也可以選配基于Wifi_ CC3200的芯片，可實(shí)現(xiàn)構(gòu)建無線通訊網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器定位、驅(qū)動(dòng)無線裝置;無線傳感器裝 置包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器和二氧化碳傳感器，基于Zigbee_CC2531的芯 片可將數(shù)據(jù)小范圍傳輸，如果需要遠(yuǎn)距離傳輸需要通過處理層處理，再通過網(wǎng)絡(luò)層向外界 傳輸;可選用基于Wifi_CC3200所設(shè)計(jì)的無線傳感器裝置，能夠直接與外界Internet進(jìn)行通 訊，無需經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層過渡。
[0027]植株上貼有無線信標(biāo)作為盲節(jié)點(diǎn)，無線傳感器裝置通過獲取盲節(jié)點(diǎn)的位置信息對(duì) 植株進(jìn)行定位，植株的無線信標(biāo)基于CC2530芯片。
[0028]處理器還連接有無線通信裝置，本實(shí)施例中的處理器直接集成CC2531芯片、 CC3200芯片、4G模塊ME906C，可實(shí)現(xiàn)微灌算法處理、無線定位處理、歷史數(shù)據(jù)記錄、ZigBee/ WiFi協(xié)議轉(zhuǎn)換、Wifi/4G協(xié)議轉(zhuǎn)換等工作。
[0029]處理器通過無線通信裝置將傳感數(shù)據(jù)和植株定位信息發(fā)送至監(jiān)控終端，本實(shí)施例 中監(jiān)控終端即上位機(jī)包括電腦和手機(jī)，監(jiān)控終端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并通過無線通信裝置向處理 器傳輸控制指令;無線通信裝置包括WiFi模塊與4G模塊，處理器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況選擇使用 WiFi模塊或4G模塊。
[0030] 處理層控制相關(guān)無線通訊模塊與外界監(jiān)控設(shè)備交換數(shù)據(jù)，可以將現(xiàn)場(chǎng)情況通過 Internet網(wǎng)絡(luò)傳送給上位機(jī)（電腦/手機(jī)），可以讀取上位機(jī)發(fā)送的控制指令并安裝相關(guān)指 令控制現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備。
[0031] -種基于無線定位技術(shù)的園圃微灌方法，包括以下步驟：
[0032] (1)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備讀取無線傳感器裝置的傳感數(shù)據(jù)并發(fā)送至處理器;處理器將植株作 為盲節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位；
[0033]如圖2是基于"無線信道特征"技術(shù)的無線定位技術(shù)工作原理圖，無線信道是指無 線傳輸中電磁波所經(jīng)歷的路徑，信號(hào)從發(fā)射天線到接收端的傳輸過程中會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的傳輸 路徑，包括直射路徑、反射路徑、衍射路徑、散射路徑及其以上所述多種路徑的復(fù)合，這些傳 輸路徑的變化以及外界的影響表現(xiàn)在會(huì)使得無線信號(hào)的功率有所衰減，對(duì)于種植園圃，蔬 菜、瓜果、植物而言一旦相對(duì)位置固定之后是一個(gè)緩慢變化的量值，其變化程度相對(duì)于相同 位置的無線信號(hào)衰減程度而言可以忽略不計(jì)，因此種植園圃相同位置的無線信號(hào)特性值相 對(duì)固定，具有獨(dú)立性與唯一性，測(cè)量出種植園圃所有位置的無線信號(hào)特征值之后，可以編繪 出無線信號(hào)特征圖譜，這個(gè)圖譜類似于"精密地圖"。結(jié)合CC2531的ZigBee無線定位功能與 種植園圃的無線信道特征可以便捷的定位當(dāng)前的植株與微灌噴頭的位置。
[0034]圖2中所有的正五邊形，是已裝設(shè)ZigBee無線定位功能的微灌噴頭，即AP節(jié)點(diǎn)；正 三角形是需要定位的植株，待定位盲點(diǎn)。
[0035] 步驟(1)中所述的將植株作為盲節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位具體包括如下子步驟：
[0036] (1.1)將微灌噴頭作為AP節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位和編號(hào)，在定位的過程中采集園圃無線信 號(hào)的功率值，繪制無線信道特征圖譜；
[0037] (1.2)實(shí)地測(cè)量微灌噴頭的實(shí)際位置并對(duì)無線信道特征圖譜進(jìn)行修正，得到各個(gè) AP節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置(xi，yi)，其中下標(biāo)i表示AP節(jié)點(diǎn)的編號(hào)；
[0038] (1.3)所有AP節(jié)點(diǎn)依次向盲節(jié)點(diǎn)發(fā)射射頻信號(hào)，在盲節(jié)點(diǎn)測(cè)量功率計(jì)算距離，設(shè)置 功率閾值，并將低于閾值的AP節(jié)點(diǎn)舍去，即舍去距離盲節(jié)點(diǎn)過遠(yuǎn)的AP節(jié)點(diǎn)，選取10個(gè)高于閾 值ε 1的AP節(jié)點(diǎn)，如果節(jié)點(diǎn)不滿10個(gè)，降低閾值再次選取，如果節(jié)點(diǎn)多于10個(gè)，則提高閾值再 次選取，直至只有10個(gè)高于閾值的ΑΡ節(jié)點(diǎn)；
[0039] (1.4)對(duì)所選擇的ΑΡ節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序和分組，根據(jù)三角測(cè)量對(duì)盲節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，結(jié)合 ΑΡ節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，計(jì)算盲節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置(Xk，yk)，其中下標(biāo)k表示盲節(jié)點(diǎn)的定位的次數(shù)， 即第k次盲節(jié)點(diǎn)定位；
[0040] (1.5)繪制盲節(jié)點(diǎn)范圍圖，盲節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)范圍為盲節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置+誤差閾值ε2，順次 連接坐標(biāo)范圍邊界得到盲節(jié)點(diǎn)范圍圖，即盲節(jié)點(diǎn)實(shí)際位置必在此范圍圖之內(nèi)；
[0041] (1.6)對(duì)比盲節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置(Xk，yk)的無線信道特征與無線信道特征圖譜，選擇 誤差最小的3個(gè)盲節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置(x n，yn)，下標(biāo)η為與無線信道特征圖譜對(duì)比后誤差最小的 盲節(jié)點(diǎn)；
[0042] (1.7)對(duì)步驟（1.6)中選擇的3個(gè)盲節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)平均與坐標(biāo)定位，定位得到的坐 標(biāo)位置( Xm，ym)即為最終測(cè)定的植株的位置;下標(biāo)m為盲節(jié)點(diǎn)最終的定位。
[0043]如圖3是無線定位技術(shù)軟件流程圖，軟件開始時(shí)，首先實(shí)施①系統(tǒng)初始化，之后② 系統(tǒng)廣播，配置參考節(jié)點(diǎn)。參考節(jié)點(diǎn)是指圖2中的微灌噴頭，即正五邊形的AP節(jié)點(diǎn)，詢問③是 否配置完網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的參考節(jié)點(diǎn)？如果否，跳轉(zhuǎn)至②系統(tǒng)廣播，配置參考節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)為 系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分，在連接網(wǎng)絡(luò)前應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試;如果是，進(jìn)行下一步④返回參考節(jié) 點(diǎn)配置。依次以一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，繪制系統(tǒng)的RSSI指紋圖，平均所有參考節(jié)點(diǎn)RSSI的指 紋參數(shù)，可以得到較為精確的平均指紋圖。之后⑤系統(tǒng)廣播，配置盲節(jié)點(diǎn)。盲節(jié)點(diǎn)配置時(shí)，采 用任意3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的距離值進(jìn)行圈注，依次比較其距離值，選擇最小距離值的參考節(jié)點(diǎn)進(jìn) 行測(cè)量標(biāo)注。之后⑥返回盲節(jié)點(diǎn)的配置，確定盲節(jié)點(diǎn)的相關(guān)類型，確定用于測(cè)量的參考節(jié)點(diǎn) 的相關(guān)信息。之后⑦盲節(jié)點(diǎn)位置數(shù)據(jù)請(qǐng)求，向盲節(jié)點(diǎn)發(fā)送測(cè)量指令。之后⑧判斷盲節(jié)點(diǎn)的請(qǐng) 求次數(shù)<N1?N1為預(yù)設(shè)的用于等待盲節(jié)點(diǎn)響應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。如果盲節(jié)點(diǎn)未能在規(guī)定次數(shù)內(nèi)響 應(yīng)，即否狀態(tài)，則測(cè)距失敗，跳轉(zhuǎn)至?返回盲節(jié)點(diǎn)位置信息。如果盲節(jié)點(diǎn)在規(guī)定次數(shù)內(nèi)響應(yīng)， 即是狀態(tài)，則判斷下一步⑨是否連接上盲節(jié)點(diǎn)？如何未能連接上盲節(jié)點(diǎn)，即否狀態(tài)，則跳轉(zhuǎn) 至⑦盲節(jié)點(diǎn)位置數(shù)據(jù)請(qǐng)求，再次向盲節(jié)點(diǎn)發(fā)送測(cè)量指令，在跳轉(zhuǎn)過程中，需要判斷?次數(shù)〈 N2，N2是如果未能連接上盲節(jié)點(diǎn)，嘗試再次連接盲節(jié)點(diǎn)的次數(shù)。如何連接上盲節(jié)點(diǎn)，即是狀 態(tài)，則向盲節(jié)點(diǎn)發(fā)送位置測(cè)定請(qǐng)求，及⑩發(fā)送XY-RSSI請(qǐng)求，并接受盲節(jié)點(diǎn)回傳的位置信息， 及?接收XY-RSSI響應(yīng)。接著判斷?范圍內(nèi)是否所有的參考節(jié)點(diǎn)都響應(yīng)XY-RSSI請(qǐng)求。如果 不是所有的參考節(jié)點(diǎn)都響應(yīng)，則需跳轉(zhuǎn)至⑩發(fā)送XY-RSSI請(qǐng)求，請(qǐng)求所有的參考節(jié)點(diǎn)全部再 次進(jìn)行測(cè)量，在跳轉(zhuǎn)過程中，需要判斷?次數(shù)<N3，N3是如果不是所有的參考節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行了 測(cè)量，則需要再次測(cè)量的次數(shù)。如果所有的參考節(jié)點(diǎn)都響應(yīng)，即所有的參考節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行了測(cè) 量，則⑩返回盲節(jié)點(diǎn)位置信息。至此可以測(cè)量出盲節(jié)點(diǎn)的位置信息。
[0044] 如圖4、圖5所示，微灌噴頭在一個(gè)單元上集成了8個(gè)霧化噴出口，根據(jù)算法選擇合 適的噴頭及其合適的噴出口進(jìn)行灌溉，即進(jìn)行步驟(2)處理器依據(jù)傳感數(shù)據(jù)和植株定位信 息計(jì)算噴水方案，如圖6所示，步驟(2)具體包括如下子步驟：
[0045] (2.1)由無線定位程序定位待饒灌植株的具體位置，即植株的(xm，ym)坐標(biāo)；
[0046] (2.2)讀取土壤滲透率圖譜，選取最接近植株的3個(gè)微灌噴頭；
[0047] (2.3)結(jié)合土壤滲透率圖譜分別計(jì)算滿足灌溉需求時(shí)單獨(dú)選取1個(gè)微灌噴頭進(jìn)行 灌溉、選取任意2個(gè)微灌噴頭組合進(jìn)行灌溉或3個(gè)微灌噴頭共同灌溉的總用水量，選擇總用 水量最小的方案;用水量V= Σρ(ι·) · Si k · t;
[0048] 其中，P(r)為微灌噴頭與植株間的土壤滲透率，r為微灌噴頭與植株之間的距離， Sl k為第i只微灌噴頭第k個(gè)噴嘴的灌溉流速，t為灌溉時(shí)間；
[0049] 總用水量最小的方案為Vbest=minSp(r) · Si k · t;
[0050] (2.4)根據(jù)總用水量最小方案中微灌噴頭與植株的位置選擇噴頭，得到修正方案 一，與原方案進(jìn)行對(duì)比，若差異在閾值之內(nèi)則執(zhí)行修正方案一；否則依據(jù)最接近植株的3個(gè) 微灌噴頭，結(jié)合土壤滲透率圖譜、植株位置、微灌噴頭噴出口位置，再次修正方案，得到修正 方案二。
[0051]之后進(jìn)行步驟(3)處理器按照噴水方案控制微灌噴頭噴水。
[0052] (4)處理器通過無線通信裝置將傳感數(shù)據(jù)和植株定位信息發(fā)送至監(jiān)控終端，監(jiān)控 終端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并通過無線通信裝置向處理器傳輸控制指令。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于無線定位技術(shù)的園圃微灌系統(tǒng)，其特征在于，包括處理器、無線通信裝置、 現(xiàn)場(chǎng)裝置和植株，所述現(xiàn)場(chǎng)裝置包括微灌噴頭，所述微灌噴頭上安裝有無線傳感器裝置;無 線通信裝置接收到無線傳感器裝置收集到的傳感數(shù)據(jù)并傳輸至處理器，處理器依據(jù)傳感數(shù) 據(jù)和植株定位信息計(jì)算噴水方案，并按照噴水方案控制微灌噴頭噴水。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線定位技術(shù)的園圃微灌系統(tǒng)，其特征在于，所述無 線傳感器裝置內(nèi)設(shè)有Zigbee模塊和/或WiFi模塊，無線傳感器裝置包括溫度傳感器、濕度傳 感器、光照傳感器和二氧化碳傳感器其中的一種或多種。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線定位技術(shù)的園圃微灌系統(tǒng)，其特征在于，所述現(xiàn) 場(chǎng)裝置還包括霧化加濕器、散熱風(fēng)扇和升降幕布，處理器依據(jù)傳感數(shù)據(jù)控制現(xiàn)場(chǎng)裝置工作。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線定位技術(shù)的園圃微灌系統(tǒng)，其特征在于，所述植 株上貼有無線信標(biāo)無線傳感器裝置通過獲取盲節(jié)點(diǎn)的位置信息對(duì)植株進(jìn)行定位。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線定位技術(shù)的園圃微灌系統(tǒng)，其特征在于，所述處 理器通過無線通信裝置將傳感數(shù)據(jù)和植株定位信息發(fā)送至監(jiān)控終端，監(jiān)控終端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān) 控并通過無線通信裝置向處理器傳輸控制指令。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于無線定位技術(shù)的園圃微灌系統(tǒng)，其特征在于，所述無 線通信裝置包括WiFi模塊與4G模塊，處理器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況選擇使用WiFi模塊或4G模塊。
【文檔編號(hào)】A01G25/16GK205455084SQ201620223883
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年3月22日
【發(fā)明人】王偉然, 張旗, 劉新波, 魏海峰, 張懿
【申請(qǐng)人】江蘇科技大學(xué)