一种基于物联网的智慧农业控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及物联网领域，具体地，涉及一种基于物联网的智慧农业控制系统及控制方法。

背景技术

随着物联网进步的速度越来越快，现代农业发展利用物联网与自动控制技术的结合来帮助和提升工作效率，我国作为世界上的农业大国，在农业领域与现代科技的结合目前还处于初级阶段。现代农业已经从传统的种植模式转变为机械化、智能的种植方式。在发达国家，机械化、智能化的农业管理系统已经十分普及。在农场中，植物的种植、监测、收割和存储都通过无线传感网络和自动化的方式实现，能够有效的提高作物的产量和品质。在国内，这种智慧农业的生产模式还没有被大范围推广，但是随着国家的大力支持和技术水平的不断进步，已经建成了很多智慧农业示范园。

目前我国农业仍然普遍采用较为传统的人力耕作方式，不可避免的是入力传统的经验判断会受到主管因素影响，造成肥料、农药的浪费，比如观察田间作物长势、施肥和灌溉等操作，都需要人力去现场查看和劳作。此外，当发生病害和虫害时需要用什么药物，农作物长势不好时需要施用什么肥料，都是凭借以往的工作经验去判断，因此容易受到主观人为影响，很大程度上会造成物料的浪费。

发明内容

本发明为了解决上述问题，实现农业生产的精准化、自动化，利用传感器来采集农业环境和农作物多项数据，云平台根据收集到的信息对农业现场进行即时监控、数据分析决策处理，实现智慧农业，提出了一种基于物联网的智慧农业控制系统及控制方法。

一种基于物联网的智慧农业控制系统，其特征在于：所述控制系统包括客户应用端、自主信息采集系统、智能网关、云平台、终端控制器和智能农机设备；

所述客户应用端设计了物联网自动控制系统web界面，web界面可以通过智能手机、智能电视和PC机进行远程控制；

所述自主信息采集系统包括若干个传感器和若干个形态识别分析系统，形态识别分析系统用于采集和分析农作物和智能农机设备的图片和视频；

所述智能网关利用协同信息处理技术对感知数据进行处理，本地缓存后主动发送到云平台，同时设有优先级管理模块，用于提供消息的优先级上报；

所述云平台对智能网关传送的感知数据进行处理和存储，同时根据预设的触发条件，对数据做出决策，云平台使用MQTT协议通过加密数据传输方式对终端控制器发送指令，终端控制器在收到指令后进行验证并对智能农机设备进行控制；

所述终端控制器是基于ARM的高性能嵌入式处理器，终端控制器控制若干作业控制器完成对智能农机设备的控制，所述作业控制器包括定时控制器、流量控制器、电磁阀和变频泵，终端控制器根据采集的各项监测信息对喷洒流量进行相应调整，并将作业参数信息发送至云平台。

进一步地：所述控制系统包括数据资讯系统、农作物管理系统、靶向虫害控制系统和大数据分析与决策系统；数据资讯系统包括生长预测数据、气象监控和专家诊断系统；农作物管理系统包括生产资料管理、作物培育指导和农药使用溯源记录；靶向虫害控制系统包括声波发射器、光源、电网；大数据分析与决策系统，包括农作物价格预测、生产管理决策分析以及商业智能多维分析；

所述控制系统还包括农作物数据分析库，农作物数据分析库中记录包括农作物生长过程中各个节点药剂使用量、药剂浓度信息、环境数据、视频记录文件，通过农作物数据分析库可以对农作物生长过程记录进行信息读取。

进一步地：所述云平台用于接收自主信息采集系统和终端控制器发送的数据，并根据接收的数据建立精准水肥控制模型，实现农作物水肥控制精准作业。

进一步地：所述云平台采用太阳能电池板为整个系统供电，太阳能电池板将光能转化为电能，经过稳压模块将电能转换为稳定的12V电压为蓄电池充电，系统通过蓄电池获取电能，为控制板卡、采集板卡和传感器供电。

进一步地：所述传感器为大气温度传感器、大气湿度传感器、光照强度传感器、土壤水分传感器、土壤温度传感器、植物叶绿素含量传感器、氮含量光谱传感器以及叶面温度传感器中的一种或多种；所述大气温度传感器的检测范围为-80～150℃；所述大气湿度传感器的检测范围为0～100％；所述光照强度传感器的检测范围为0～65000LUX；所述土壤水分传感器的检测范围为0～100；所述土壤温度传感器的检测范围为-40～60℃；所述植物叶绿素含量传感器的检测范围为0～85SPAD；所述氮含量光谱传感器的检测范围为0～20mg；所述叶面温度传感器的检测范围为-30～60℃。

进一步地：所述智能农机设备包括测距定位系统，该测距定位系统包括高性能CMOS8位微控制器、收发分体式超声波发射和接收探头、红外发射管、一体化红外接收探头和温度修正补偿处理器。

进一步地：一种基于物联网的智慧农业控制系统的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1：获取土壤元素传感器数据、土壤含水量信息、农作物生长信息；

步骤2：根据数据资讯系统信息和云平台农作物管理系统的历史施肥数据得到预测施肥量范围；

步骤3：根据农作物采集数据及农作物数据分析库农作物生长期的适宜施肥量阈值，确定目标农作物的适宜施肥量；

步骤4：根据农作物的适宜施肥量，并结合土壤含水量信息，确定施肥需求；

步骤5：根据施肥需求，制定施肥方案；

步骤6：根据施肥方案控制终端控制器进行施肥作业。

进一步地：在步骤3中：在氮元素施肥量计算程序中，传感器采集土壤中氮元素数据，经过控制器反馈到云平台中进行算法处理，得出缺氮处理相对产量，计算公式为：

y

其中，y

计算得出缺氮处理相对产量数值为100％、90％、80％、70％、60％和50％，云平台将相对产量数值分为7个级别：1级<50％，2级50％～60％，3级60％～70％，4级70％～80％，5级80％～90％，6级90％～100％，7级≥100％；

对应适宜施氮量比例系数k

计算得出适宜施氮量，计算公式为：a

其中，a

b

由此计算得出数据可通过控制智能水肥一体机实现补充农作物的适宜施氮量。

进一步地：在步骤3中：在磷元素施肥量计算程序中，传感器采集土壤中磷元素数据，经过控制器反馈到云平台中进行算法处理，得出缺磷处理相对产量，计算公式为：

y

其中，y

计算得出缺磷处理相对产量数值为100％、95％、90％、80％、70％、60％和50％，云平台将相对产量数值分为7个级别：1级<50％，2级50％～60％，3级60％～70％，4级70％～80％，5级80％～90％，6级90％～100％，7级≥100％；

对应适宜施磷量比例系数k

计算得出适宜施氮量，计算公式为：a

其中，a

b

由此计算得出数据可通过控制智能水肥一体机实现补充农作物的适宜施磷量。

进一步地：在钾元素施肥量计算程序中，传感器采集土壤中钾元素数据，经过控制器反馈到云平台中进行算法处理，得出缺钾处理相对产量，计算公式为：

y

其中，y

计算得出缺钾处理相对产量数值为100％、95％、90％、80％、70％、60％和50％，云平台将相对产量数值分为6个级别：1级<60％，2级60％～70％，3级70％～80％，4级80％～90％，5级90％～100％，6级≥100％；

对应适宜施钾量比例系数k

计算得出适宜施钾量，计算公式为：a

其中，a

b

由此计算得出数据可通过控制智能水肥一体机实现补充农作物的适宜施钾量。

本发明有益效果：

(1)本发明通过互联网云平台实现了各个系统之间的信息交互，通过多项传感器和终端控制器的配合，能够即时调解作物所处环境参数：智能网关利用协同信息处理技术对感知数据进行处理，智能网关设有优先级管理模块，用于提供消息的优先级上报；本地缓存后主动发送到云平台，云平台对智能网关传送的感知数据进行处理和存储，同时根据预设的触发条件，对数据做出决策；云平台使用MQTT协议通过加密数据传输方式对终端控制器发送指令，终端控制器在收到指令后进行验证并对智能农机设备进行控制，自主信息采集系统包括若干个传感器和若干个形态识别分析系统，形态识别分析系统用于采集和分析农作物和智能农机设备的图片和视频，终端控制器是基于ARM的高性能嵌入式处理器，终端控制器控制若干作业控制器完成对智能农机设备的控制，终端控制器根据采集的各项监测信息对喷洒流量进行相应调整，并将作业参数信息发送至云平台。

(2)本发明的智能农机设备测距定位系统，测距定位系统能够保证智能农机设备实现避障功能。

(3)本发明的云平台能够接收自主信息采集系统和终端控制器发送的数据，并根据接收的数据建立精准水肥控制模型，实现农作物水肥控制精准作业；

云平台包括靶向虫害控制系统，能够精准控制虫害数量，保证农作物正常生长环境；

云平台还包括农作物数据分析库，农作物数据分析库中记录包括农作物生长过程中各个节点药剂使用量、药剂浓度信息、环境数据、视频记录文件，通过农作物数据分析库可以对农作物生长过程记录进行信息读取；采用太阳能电池板为整个系统供电，太阳能电池板将光能转化为电能，经过稳压模块将电能转换为稳定的12V电压为蓄电池充电，系统通过蓄电池获取电能，为控制板卡、采集板卡、和传感器供电，达到节能环保的要求，实现了智慧农业，加强了农业生产的精准化、自动化。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的土壤氮数据运算处理施肥流程图；

图3为本发明的土壤磷数据运算处理施肥流程图；

图4为本发明的土壤钾数据运算处理施肥流程图

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于物联网的智慧农业控制系统，其特征在于：所述控制系统包括客户应用端、自主信息采集系统、智能网关、云平台、终端控制器和智能农机设备；

所述客户应用端设计了物联网自动控制系统web界面，web界面可以通过智能手机、智能电视和PC机进行远程控制；

所述自主信息采集系统包括若干个传感器和若干个形态识别分析系统，形态识别分析系统用于采集和分析农作物和智能农机设备的图片和视频；

所述智能网关利用协同信息处理技术对感知数据进行处理，本地缓存后主动发送到云平台，同时设有优先级管理模块，用于提供消息的优先级上报；

所述云平台对智能网关传送的感知数据进行处理和存储，同时根据预设的触发条件，对数据做出决策，云平台使用MQTT协议通过加密数据传输方式对终端控制器发送指令，终端控制器在收到指令后进行验证并对智能农机设备进行控制；

所述终端控制器是基于ARM的高性能嵌入式处理器，终端控制器控制若干作业控制器完成对智能农机设备的控制，所述作业控制器包括定时控制器、流量控制器、电磁阀和变频泵，终端控制器根据采集的各项监测信息对喷洒流量进行相应调整，并将作业参数信息发送至云平台。

所述控制系统包括数据资讯系统、农作物管理系统、靶向虫害控制系统和大数据分析与决策系统；数据资讯系统包括生长预测数据、气象监控和专家诊断系统；农作物管理系统包括生产资料管理、作物培育指导和农药使用溯源记录；靶向虫害控制系统包括声波发射器、光源、电网；大数据分析与决策系统，包括农作物价格预测、生产管理决策分析以及商业智能多维分析；

所述控制系统还包括农作物数据分析库，农作物数据分析库中记录包括农作物生长过程中各个节点药剂使用量、药剂浓度信息、环境数据、视频记录文件，通过农作物数据分析库可以对农作物生长过程记录进行信息读取。

所述云平台用于接收自主信息采集系统和终端控制器发送的数据，并根据接收的数据建立精准水肥控制模型，实现农作物水肥控制精准作业。

所述云平台采用太阳能电池板为整个系统供电，太阳能电池板将光能转化为电能，经过稳压模块将电能转换为稳定的12V电压为蓄电池充电，系统通过蓄电池获取电能，为控制板卡、采集板卡和传感器供电。

所述传感器为大气温度传感器、大气湿度传感器、光照强度传感器、土壤水分传感器、土壤温度传感器、植物叶绿素含量传感器、氮含量光谱传感器以及叶面温度传感器中的一种或多种；所述大气温度传感器的检测范围为-80～150℃；所述大气湿度传感器的检测范围为0～100％；所述光照强度传感器的检测范围为0～65000LUX；所述土壤水分传感器的检测范围为0～100；所述土壤温度传感器的检测范围为-40～60℃；所述植物叶绿素含量传感器的检测范围为0～85SPAD；所述氮含量光谱传感器的检测范围为0～20mg；所述叶面温度传感器的检测范围为-30～60℃。

所述智能农机设备包括测距定位系统，该测距定位系统包括高性能CMOS8位微控制器、收发分体式超声波发射和接收探头、红外发射管、一体化红外接收探头和温度修正补偿处理器。

一种基于物联网的智慧农业控制系统的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1：获取土壤元素传感器数据、土壤含水量信息、农作物生长信息；

步骤2：根据数据资讯系统信息和云平台农作物管理系统的历史施肥数据得到预测施肥量范围；

步骤3：根据农作物采集数据及农作物数据分析库农作物生长期的适宜施肥量阈值，确定目标农作物的适宜施肥量；

步骤4：根据农作物的适宜施肥量，并结合土壤含水量信息，确定施肥需求；

步骤5：根据施肥需求，制定施肥方案；

步骤6：根据施肥方案控制终端控制器进行施肥作业。

在步骤3中：在氮元素施肥量计算程序中，传感器采集土壤中氮元素数据，经过控制器反馈到云平台中进行算法处理，得出缺氮处理相对产量，计算公式为：：

y

其中，y

计算得出缺氮处理相对产量数值为100％、90％、80％、70％、60％和50％，云平台将相对产量数值分为7个级别：1级<50％，2级50％～60％，3级60％～70％，4级70％～80％，5级80％～90％，6级90％～100％，7级≥100％；

对应适宜施氮量比例系数k

计算得出适宜施氮量，计算公式为：a

其中，a

b

0.4为氮肥当季40％利用率；

由此计算得出数据可通过控制智能水肥一体机实现补充农作物的适宜施氮量。

在步骤3中：在磷元素施肥量计算程序中，传感器采集土壤中磷元素数据，经过控制器反馈到云平台中进行算法处理，得出缺磷处理相对产量，计算公式为：

y

其中，y

计算得出缺磷处理相对产量数值为100％、95％、90％、80％、70％、60％和50％，云平台将相对产量数值分为7个级别：1级<50％，2级50％～60％，3级60％～70％，4级70％～80％，5级80％～90％，6级90％～100％，7级≥100％；

对应适宜施磷量比例系数k

计算得出适宜施氮量，计算公式为：a

其中，a

b

0.4为磷肥当季40％利用率；

由此计算得出数据可通过控制智能水肥一体机实现补充农作物的适宜施磷量。

在步骤3中：在钾元素施肥量计算程序中，传感器采集土壤中钾元素数据，经过控制器反馈到云平台中进行算法处理，得出缺钾处理相对产量，计算公式为：

y

其中，y

计算得出缺钾处理相对产量数值为100％、95％、90％、80％、70％、60％和50％，云平台将相对产量数值分为6个级别：1级<60％，2级60％～70％，3级70％～80％，4级80％～90％，5级90％～100％，6级≥100％；

对应适宜施钾量比例系数k3分为6个级别：1级2.8，2级2.24，3级1.68，4级1.12，5级0.56，6级0；

计算得出适宜施钾量，计算公式为：a

其中，a

b

0.4为钾肥当季40％利用率；

由此计算得出数据可通过控制智能水肥一体机实现补充农作物的适宜施钾量

以上对本发明所提出的一种基于物联网的智慧农业控制系统及控制方法，进行了详细介绍，对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。