基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)及構(gòu)建方法與流程

本發(fā)明涉及一種灌溉系統(tǒng)，具體涉及一種基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)及構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)用水量占全國(guó)用水量的68％，其中灌溉用水量占農(nóng)業(yè)用水量的90％以上。然而由于水資源的浪費(fèi)和污染現(xiàn)象日益嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)水資源嚴(yán)重短缺。加之大多數(shù)農(nóng)戶(hù)采用大水漫灌，農(nóng)業(yè)灌溉效率低下，造成水資源嚴(yán)重浪費(fèi)。因此，改革農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)，發(fā)展智能節(jié)水灌溉勢(shì)在必行。

目前我國(guó)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制技術(shù)尚不成熟，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，大多數(shù)技術(shù)系統(tǒng)依然處于理論研究、試用階段，設(shè)備成本高，應(yīng)用較少。

本智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)由基于北斗無(wú)人機(jī)一體化的土壤信號(hào)采集系統(tǒng)、基于zigbee與gprs技術(shù)融合的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)以及進(jìn)行控制和反演的云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)等多項(xiàng)技術(shù)，將現(xiàn)有的大型云計(jì)算技術(shù)與高速發(fā)展的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)相結(jié)合，大幅度提升灌溉農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化程度以及作業(yè)精度。通過(guò)控制無(wú)人機(jī)的飛行軌跡，獲取土壤反射信號(hào)，并進(jìn)行土壤濕度參數(shù)反演，精確獲取土壤水分狀況，控制噴灌裝置用水量，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的智能節(jié)水灌溉，有利于提高灌溉用水效率，緩解用水壓力，加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的實(shí)現(xiàn)，縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)及構(gòu)建方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，包括：

土壤信號(hào)采集系統(tǒng)，利用搭載北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)接收來(lái)自土壤的反射信號(hào)和定位；土壤信號(hào)采集系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)和其上搭載的雙天線(xiàn)系統(tǒng)、供電裝置和gnss主板組成；雙天線(xiàn)系統(tǒng)安裝有兩根同高度、不同朝向的天線(xiàn)，其中北斗直達(dá)信號(hào)接收機(jī)天線(xiàn)垂直朝上，內(nèi)置的北斗/gps芯片，用于接收北斗衛(wèi)星的高仰角衛(wèi)星信號(hào)，采用自主定位模式完成定位；北斗反射信號(hào)接收機(jī)天線(xiàn)斜朝下45°，用來(lái)接收北斗衛(wèi)星反射信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)北斗直達(dá)信號(hào)采集模塊、北斗反射信號(hào)采集模塊處理提取出仰角、方位角、信噪比和土壤反射信號(hào)，采集到的信號(hào)由gnss主板轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)皆朴?jì)算服務(wù)系統(tǒng)；

云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和控制無(wú)人機(jī)的航線(xiàn)并反演土壤反射信號(hào)得到土壤濕度，當(dāng)土壤濕度低于設(shè)定值即開(kāi)啟灌溉系統(tǒng)；云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)包括算法模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊以及網(wǎng)絡(luò)通信模塊；其中算法模塊根據(jù)農(nóng)田位置和數(shù)字高程等參數(shù)規(guī)劃無(wú)人機(jī)飛行航線(xiàn)，向無(wú)人機(jī)傳達(dá)指令，對(duì)土壤信號(hào)進(jìn)行采集；根據(jù)土壤信號(hào)采集系統(tǒng)和gps分別所提供的土壤信號(hào)和定位信息，計(jì)算出土壤的位置，借助土壤微波輻射亮溫正向模型對(duì)土壤濕度反演運(yùn)算，結(jié)合作物和季節(jié)特點(diǎn)制定灌溉方案，向灌溉設(shè)備發(fā)送指令；數(shù)據(jù)庫(kù)模塊用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)通信模塊用于發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)；

灌溉系統(tǒng)，用于接收云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)的灌溉指令，對(duì)土壤進(jìn)行定量精確灌溉；灌溉系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)模塊、水量控制模塊；其中，所述的網(wǎng)絡(luò)模塊用于灌溉系統(tǒng)與云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)之間的信息透?jìng)饕约跋蛩靠刂颇K發(fā)送指令；所述的水量控制模塊用于接收網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送的指令，控制噴頭出水量；

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸及監(jiān)控系統(tǒng)：用于土壤信號(hào)采集系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)與云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸和信息傳遞以及農(nóng)田的實(shí)時(shí)監(jiān)控；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸及監(jiān)控系統(tǒng)包括:zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊、gprs模塊；其中，所述的zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊用于土壤信號(hào)采集系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)與云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)之間的信息透?jìng)?；所述的gprs模塊用于農(nóng)田的實(shí)時(shí)監(jiān)控和系統(tǒng)之間輔助信息傳遞。

作為優(yōu)選，所述土壤信號(hào)采集系統(tǒng)的供電裝置采用太陽(yáng)能電池板和備用鋰電池供電。

上述基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的構(gòu)建方法，包括以下步驟：

步驟一、構(gòu)建土壤信號(hào)采集系統(tǒng)

選定監(jiān)測(cè)農(nóng)田，配置一無(wú)人機(jī)，安裝雙天線(xiàn)系統(tǒng)、供電裝置和gnss主板，調(diào)整雙天線(xiàn)系統(tǒng)的安裝角度和太陽(yáng)能電池的朝向角度，控制無(wú)人機(jī)進(jìn)行飛行試驗(yàn)和信號(hào)采集，查看數(shù)據(jù)信號(hào)，反復(fù)調(diào)整；

步驟二、建立云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)

構(gòu)建算法模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊以及網(wǎng)絡(luò)通信模塊；優(yōu)化算法計(jì)算速度和最優(yōu)設(shè)計(jì)，規(guī)劃無(wú)人機(jī)飛行航線(xiàn)、土壤濕度反演運(yùn)算以及制定合理的灌溉方案；設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和訪(fǎng)問(wèn)最優(yōu)方式，提高存儲(chǔ)和訪(fǎng)問(wèn)速度；

步驟三、建立灌溉系統(tǒng)

灌溉設(shè)備上安裝網(wǎng)絡(luò)模塊和水量控制模塊，通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)模塊和水量控制模塊的靈敏度；

步驟四、構(gòu)建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸及監(jiān)控系統(tǒng)

建立硬件平臺(tái),包括交換機(jī)、磁盤(pán)陣列、防火墻、服務(wù)器、協(xié)調(diào)器、路由和終端，為土壤信號(hào)采集系統(tǒng)、云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)和灌溉系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)通信。

本發(fā)明的有益效果：(1)采用全自動(dòng)化操作系統(tǒng)，由系統(tǒng)自動(dòng)定位并設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的運(yùn)行軌跡，采集土壤反射信號(hào)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)手持式人工監(jiān)測(cè)方式，有效的解決了對(duì)人力資源的大量需求。

(2)云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)可以自動(dòng)控制無(wú)人機(jī)的飛行軌跡和高度，從而可以有效解決中小尺度土地遙感影像低分辨率的問(wèn)題。

(3)無(wú)人機(jī)起飛受時(shí)間和空間限制較小，數(shù)據(jù)采集方便快捷，可以有效地縮短監(jiān)測(cè)周期，達(dá)到全天時(shí)全天候的高精度監(jiān)測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明北斗無(wú)人機(jī)的智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)布置示意圖；

圖2為本實(shí)施例中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示，一種基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，包括：

土壤信號(hào)采集系統(tǒng)，利用搭載北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)接收來(lái)自土壤的反射信號(hào)和定位；土壤信號(hào)采集系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)和其上搭載的雙天線(xiàn)系統(tǒng)、供電裝置和gnss主板組成；供電裝置采用太陽(yáng)能電池板和備用鋰電池供電，雙天線(xiàn)系統(tǒng)安裝有兩根同高度、不同朝向的天線(xiàn)，其中北斗直達(dá)信號(hào)接收機(jī)天線(xiàn)垂直朝上，內(nèi)置的北斗/gps芯片，用于接收北斗衛(wèi)星的高仰角衛(wèi)星信號(hào)，采用自主定位模式完成定位；北斗反射信號(hào)接收機(jī)天線(xiàn)斜朝下45°，用來(lái)接收北斗衛(wèi)星反射信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)北斗直達(dá)信號(hào)采集模塊、北斗反射信號(hào)采集模塊處理提取出仰角、方位角、信噪比和土壤反射信號(hào)，采集到的信號(hào)由gnss主板轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)皆朴?jì)算服務(wù)系統(tǒng)；

云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和控制無(wú)人機(jī)的航線(xiàn)并反演土壤反射信號(hào)得到土壤濕度，當(dāng)土壤濕度低于設(shè)定值即開(kāi)啟灌溉系統(tǒng)；云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)包括算法模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊以及網(wǎng)絡(luò)通信模塊；其中算法模塊根據(jù)農(nóng)田位置和數(shù)字高程等參數(shù)規(guī)劃無(wú)人機(jī)飛行航線(xiàn)，向無(wú)人機(jī)傳達(dá)指令，對(duì)土壤信號(hào)進(jìn)行采集；根據(jù)土壤信號(hào)采集系統(tǒng)和gps分別所提供的土壤信號(hào)和定位信息，計(jì)算出土壤的位置，借助土壤微波輻射亮溫正向模型對(duì)土壤濕度反演運(yùn)算，結(jié)合作物和季節(jié)特點(diǎn)制定灌溉方案，向灌溉設(shè)備發(fā)送指令；數(shù)據(jù)庫(kù)模塊用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)通信模塊用于發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)；

灌溉系統(tǒng)，用于接收云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)的灌溉指令，對(duì)土壤進(jìn)行定量精確灌溉；灌溉系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)模塊、水量控制模塊；其中，所述的網(wǎng)絡(luò)模塊用于灌溉系統(tǒng)與云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)之間的信息透?jìng)饕约跋蛩靠刂颇K發(fā)送指令；所述的水量控制模塊用于接收網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送的指令，控制噴頭出水量；

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸及監(jiān)控系統(tǒng)：用于土壤信號(hào)采集系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)與云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸和信息傳遞以及農(nóng)田的實(shí)時(shí)監(jiān)控；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸及監(jiān)控系統(tǒng)包括:zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊、gprs模塊；其中，所述的zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊用于土壤信號(hào)采集系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)與云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)之間的信息透?jìng)?；所述的gprs模塊用于農(nóng)田的實(shí)時(shí)監(jiān)控和系統(tǒng)之間輔助信息傳遞。

上述基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的構(gòu)建方法，包括以下步驟：

步驟一:構(gòu)建土壤信號(hào)采集系統(tǒng)

選定一監(jiān)測(cè)區(qū)，在監(jiān)測(cè)區(qū)為農(nóng)田，通過(guò)地面測(cè)量獲取dem數(shù)據(jù)。云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)根據(jù)數(shù)字高程等數(shù)據(jù)規(guī)劃無(wú)人機(jī)飛行航線(xiàn)，控制無(wú)人機(jī)進(jìn)行飛行試驗(yàn)和信號(hào)采集，查看數(shù)據(jù)采集情況，反復(fù)調(diào)整天線(xiàn)角度和航跡規(guī)劃算法，提高數(shù)據(jù)采集精度，使無(wú)人機(jī)掃描達(dá)到最佳狀態(tài)。

步驟二:建立云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)

在農(nóng)田設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，借助電阻式土壤濕度測(cè)定儀測(cè)定土壤濕度如圖2所示。云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)根據(jù)土壤信號(hào)采集系統(tǒng)所提供的土壤信號(hào)和定位信息，計(jì)算出土壤的位置，并借助土壤微波輻射亮溫正向模型對(duì)土壤濕度進(jìn)行反演運(yùn)算，與實(shí)際土壤濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行精度比較，修改算法，提高精度，制定合理的灌溉方案。

步驟三:建立灌溉系統(tǒng)

灌溉設(shè)備上安裝網(wǎng)絡(luò)模塊和水量控制模塊，接收云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)的指令，控制噴灌裝置用水量，實(shí)現(xiàn)智能節(jié)水灌溉，灌溉后，借助電阻式土壤濕度測(cè)定儀測(cè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤濕度，與作物實(shí)際需要的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)水量控制模塊的靈敏度和精度。

步驟四:構(gòu)建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸及監(jiān)控系統(tǒng)

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)是北斗無(wú)人機(jī)的智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)的核心樞紐,主要有無(wú)線(xiàn)、有線(xiàn)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)的形式。建立硬件平臺(tái)，包括交換機(jī)、磁盤(pán)陣列、防火墻、服務(wù)器、協(xié)調(diào)器、路由和終端，構(gòu)建土壤信號(hào)采集系統(tǒng)、云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)和灌溉系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)通信。

以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做出詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明不局限于所描述的實(shí)施方式。對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在本發(fā)明的原理和技術(shù)思想的范圍內(nèi)，對(duì)這些實(shí)施方式進(jìn)行多種變化、修改、替換和變形仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。