節能灌溉方法和裝置的製作方法
2023-12-02 20:12:46
專利名稱：節能灌溉方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及節能減排應用領域，特別地，涉及一種節能灌溉方法和裝置。
背景技術：
我國屬於缺水國家，每年因缺水而造成的經濟損失達100多億元，因水汙染而造成的經濟損失更多達400多億元。與此形成對比的是，我國每增加一萬美元⑶P就耗水高達5045立方米，是美國的近10倍、日本的24倍之多。可見，節約水資源成為我國長期發展必須妥善解決的問題之一。當前基於無線傳感器網絡的綠地灌溉裝置，僅根據無線傳感器實時監測的土壤溼度等信息對灌溉進行控制。此方法對傳感器網絡的能源消耗較大，影響無線傳感器網絡的使用壽命；同時由於沒有結合其它可利用的因素導致無法達到最有效地灌溉。
發明內容
本發明要解決的一個技術問題是提供一種節能灌溉方法和裝置，能夠在無線傳感器網絡能源消耗最小的情況下有效控制對綠地的灌溉。根據本發明的一方面，提出了一種節能灌溉方法，包括根據收集的歷史土壤環境數據對未來土壤環境數據進行預測；根據預測出的未來土壤環境數據選擇需要喚醒的無線傳感器和喚醒無線傳感器的時間；在到達喚醒無線傳感器的時間時，喚醒所選定的無線傳感器以實時監測並收集土壤環境數據，在土壤環境數據收集完畢後，使無線傳感器進入休眠狀態；根據實時收集的土壤環境數據生成灌溉策略；利用灌溉策略控制對土壤的灌溉。根據本發明的另一方面，還提出了一種節能灌溉裝置，包括數據預測模塊，用於根據收集的歷史土壤環境數據對未來土壤環境數據進行預測；傳感器狀態控制模塊，與數據預測模塊相連，用於根據預測出的未來土壤環境數據選擇需要喚醒的無線傳感器和喚醒無線傳感器的時間，在到達喚醒無線傳感器的時間時，喚醒所選定的無線傳感器以實時監測並收集土壤環境數據，在土壤環境數據收集完畢後，使無線傳感器進入休眠狀態；灌溉策略生成與執行模塊，與傳感器狀態控制模塊相連，用於根據實時收集的土壤環境數據生成灌溉策略，並利用灌溉策略控制對土壤的灌溉。本發明提供的節能灌溉方法和裝置，不僅有效地對灌溉進行了控制、避免了對水資源的浪費，而且在很大程度上減少了灌溉系統對無線傳感器網絡的能源消耗，提高了系統的壽命。
此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分。在附圖中圖I是本發明節能灌溉方法的一個實施例的流程示意圖。圖2是本發明節能灌溉方法的另一實施例的流程示意圖。
圖3是本發明節能灌溉系統的示意圖。圖4是本發明節能灌溉裝置的一個實施例的結構示意圖。圖5是本發明節能灌溉裝置的另一實施例的結構示意圖。圖6是本發明節能灌溉裝置的又一實施例的結構示意圖。圖7是本發明節能灌溉裝置的再一實施例的結構示意圖。
具體實施例方式下面參照附圖對本發明進行更全面的描述，其中說明本發明的示例性實施例。本發明的示例性實施例及其說明用於解釋本發明，但並不構成對本發明的不當限定。以下對至少一個示例性實施例的描述實際上僅僅是說明性的，決不作為對本發明及其應用或使用的任何限制。圖I是本發明節能灌溉方法的一個實施例的流程示意圖。如圖I所示，該實施例可以包括以下步驟S102，根據收集的歷史土壤環境數據對未來土壤環境數據進行預測，具體可以採用現有的滑動平均法、指數平滑法、回歸分析法等。S104，根據預測出的未來土壤環境數據選擇需要喚醒的無線傳感器和喚醒無線傳感器的時間，即，系統會根據歷史數據預測一個預計在某區域低於灌溉閾值的時間點，在該時間點就會喚醒該區域的傳感器；舉例說明，首先確定每個特定位置傳感器的溼度降低係數S(即，在I小時內溼度降低多少)，S值可以根據歷史數據進行更新，具體的更新方式可採用下述的滑動平均法可以用過去幾期的平均值作為下一期的預測值，數學模型是St =(Sh+Sh+. +St_N)/N，其中，St為t時期的預測值，St_i，, St_N分別為t-1時期，…，t-N時期的實際值，N是求平均值時所取實際值的個數。接下來，假設灌溉閾值是溼度為Y ( S卩，當溼度低於Y時，開始灌溉)，上次無線傳感器監測到的溼度為X，則下次喚醒無線傳感器的時間為(X-Y)/S。S106，在到達喚醒無線傳感器的時間時，喚醒所選定的無線傳感器以實時監測並收集土壤環境數據，在土壤環境數據收集完畢後，使無線傳感器進入休眠狀態，以儘量減少無線傳感器的能耗。S108，根據實時收集的土壤環境數據生成灌溉策略，利用灌溉策略控制對土壤的灌溉，其中，灌溉策略可以包括灌溉時長和灌溉流量。舉例說明，同樣採用歷史數據滑動平均法測試出灌溉水量和土壤溼度增加的關係(此時需在灌溉完畢後，喚醒傳感器以監測土壤溼度)，即，在特定水量下每增加一個溼度百分比，需要灌溉的時間S ;假設無線傳感器監測到的溼度為X(低於灌溉閾值)，灌溉完後期待的溼度為Y，則需要的灌溉時間為(Y-X) * S (假設水量是一致的)。其中，土壤環境數據至少包括土壤溼度，可選地，還可以包括土壤溫度，在生成灌溉策略時，可以主要考慮土壤溼度信息，如果同時結合土壤溫度信息將得到更準確的灌溉 策略。例如，如果預測的土壤溫度較高(即，預示土壤水分易揮發)，則可以再適當增加灌溉時長或灌溉流量，如果預測的土壤溫度較低(即，預示土壤水分不易揮發)，則可以適當縮短灌溉時長或降低灌溉流量。
當監測土壤環境數據時，尤其是監測土壤溼度信息時，需要無線傳感器發送特定的無線電波，再根據反射回波判斷土壤溼度，這個過程非常耗電。而本實施例正是通過採用非實時監測土壤環境數據來實現節電功能的。圖2是本發明節能灌溉方法的另一實施例的流程示意圖。如圖2所示，該實施例 可以包括以下步驟S202，根據收集的歷史土壤環境數據對未來土壤環境數據進行預測。S204，根據預測出的未來土壤環境數據選擇需要喚醒的無線傳感器和喚醒無線傳感器的時間，例如，根據預測的數據選擇在不同時段需要喚醒的傳感器，如果預測的某個傳感器的數據與灌溉閾值相差較遠(例如，土壤溼度相差10%以上)，則在相應時刻並不激活對應的傳感器。S206，在到達喚醒無線傳感器的時間時，喚醒所選定的無線傳感器以實時監測並收集土壤環境數據，在土壤環境數據收集完畢後，使無線傳感器進入休眠狀態。S208，根據實時收集的土壤環境數據生成灌溉策略，並利用第三方信息修正灌溉策略，再將修正後的灌溉策略對應的控制信息下發至無線傳感器、閥門等，具體地，針對閥門的控制信息可以包括開合時間、以及開合程度大小等。舉例說明，假設已經生成了灌溉策略(Y-X) * S，但是，天氣預報未來12小時內有雨，如果是大雨，則可以將灌溉時長修訂為(Y-X) * S * 20% ;如果是中雨，則可以將灌溉時長修訂為(Y-X) * S * 50%;如果是小雨，則可以將灌溉時長修訂為(Y-X) * S * 80%；或者也可以暫緩灌溉。S210，利用修正後的灌溉策略控制對土壤的灌溉。其中，第三方信息可以包括未來天氣信息，進一步包括氣溫、大氣溼度、風力、風向等信息。這些信息都可能影響上述灌溉策略。舉例說明，如果氣溫較高、空氣溼度較小、風力較大或西北風等都可能導致土壤水分揮發較快；如果氣溫較低、空氣溼度較大、風力較小或東南風等都可能導致土壤水分揮發較慢。該實施例使得修正後的灌溉策略更接近實際情況，不僅節省了水資源而且還使無線傳感器的能耗最小。圖3是本發明節能灌溉系統的示意圖。 如圖3所示，具體流程包括步驟一，策略管理平臺從無線傳感器收集土壤環境數據，應用常用的預測方法對未來的土壤環境數據進行預測；步驟二，假設設定的閾值為土壤溼度低於30%進行灌溉，根據預測數據，假設I天后位置A的土壤溼度預測數據為5%，位置B為50%，則根據算法，在I天后對位置A的無線傳感器進行激活，對於位置B的無線傳感器則不予激活；步驟三，按上述選擇在特定的時間喚醒位置A的無線傳感器，對土壤環境數據進行監測，並判斷是否達到灌溉閾值；步驟四，導入未來的天氣信息，分析對灌溉策略可能造成的影響，如預報近期有雨則可選擇暫緩灌溉，將灌溉策略與天氣信息相結合生成待執行的灌溉策略。圖4是本發明節能灌溉裝置的一個實施例的結構示意圖。如圖4所示，該實施例的裝置10可以包括
數據預測模塊11，用於根據收集的歷史土壤環境數據對未來土壤環境數據進行預測或擬合；傳感器狀態控制模塊12，與數據預測模塊11相連，用於根據預測出的未來土壤環境數據選擇需要喚醒的無線傳感器和喚醒無線傳感器的時間，在到達喚醒無線傳感器的時間時，喚醒所選定的無線傳感器以實時監測並收集土壤環境數據，在土壤環境數據收集完畢後，使無線傳感器進入休眠狀態；灌溉策略生成與執行模塊13，與傳感器狀態控制模塊12相連，用於根據實時收集的土壤環境數據生成灌溉策略，並利用灌溉策略控制對土壤的灌溉。其中，土壤環境數據至少包括土壤溼度，還可以包括土壤溫度；灌溉策略可以包括灌溉時長和灌溉流量。該實施例對無線傳感器監測到的數據進行分析處理、對未來的灌溉策略進行智能 預測的方式，使得無線傳感器無需永久實時地對土壤情況進行監測，極大地增加了無線傳感器網絡的壽命。圖5是本發明節能灌溉裝置的另一實施例的結構示意圖。如圖5所示，與圖4中的實施例相比，該實施例的裝置20還可以包括灌溉策略修正模塊21，與灌溉策略生成與執行模塊13相連，用於利用第三方信息修正灌溉策略，其中，第三方信息可以包括未來天氣信息。該實施例對部分無線傳感器定時喚醒以收集土壤環境數據，並結合天氣等第三方信息對當前採用的灌溉策略進行修正以達到精準灌溉的目的。圖6是本發明節能灌溉裝置的又一實施例的結構示意圖。如圖6所示，與圖4中的實施例相比，該實施例的裝置30還可以包括控制器31，與數據預測模塊11、傳感器狀態控制模塊12和灌溉策略生成與執行模塊13相連，用於傳遞監測到的土壤環境數據和用於執行灌溉策略的控制信息。圖7是本發明節能灌溉裝置的再一實施例的結構示意圖。如圖7所示，與圖6中的實施例相比，該實施例的裝置40還可以包括灌溉策略修正模塊21，與灌溉策略生成與執行模塊13相連，用於利用第三方信息修正灌溉策略，其中，第三方信息可以包括未來天氣信息。雖然已經通過示例對本發明的一些特定實施例進行了詳細說明，但是本領域的技術人員應該理解，以上示例僅是為了進行說明，而不是為了限制本發明的範圍。本領域的技術人員應該理解，可在不脫離本發明的範圍和精神的情況下，對以上實施例進行修改。本發明的範圍由所附權利要求來限定。
權利要求
1.一種節能灌溉方法，其特徵在於，包括 根據收集的歷史土壤環境數據對未來土壤環境數據進行預測； 根據預測出的未來土壤環境數據選擇需要喚醒的無線傳感器和喚醒無線傳感器的時間； 在到達喚醒無線傳感器的時間時，喚醒所選定的無線傳感器以實時監測並收集土壤環境數據，在土壤環境數據收集完畢後，使無線傳感器進入休眠狀態； 根據實時收集的土壤環境數據生成灌溉策略； 利用所述灌溉策略控制對土壤的灌溉。
2.根據權利要求I所述的節能灌溉方法，其特徵在於，所述土壤環境數據至少包括土壤溼度。
3.根據權利要求I所述的節能灌溉方法，其特徵在於，所述方法還包括 利用第三方信息修正所述灌溉策略。
4.根據權利要求3所述的節能灌溉方法，其特徵在於，所述第三方信息包括未來天氣信息。
5.一種節能灌溉裝置，其特徵在於，包括數據預測模塊，用於根據收集的歷史土壤環境數據對未來土壤環境數據進行預測；傳感器狀態控制模塊，與所述數據預測模塊相連，用於根據預測出的未來土壤環境數據選擇需要喚醒的無線傳感器和喚醒無線傳感器的時間，在到達喚醒無線傳感器的時間時，喚醒所選定的無線傳感器以實時監測並收集土壤環境數據，在土壤環境數據收集完畢後，使無線傳感器進入休眠狀態； 灌溉策略生成與執行模塊，與所述傳感器狀態控制模塊相連，用於根據實時收集的土壤環境數據生成灌溉策略，並利用所述灌溉策略控制對土壤的灌溉。
6.根據權利要求5所述的節能灌溉裝置，其特徵在於，所述土壤環境數據至少包括土壤溼度。
7.根據權利要求5所述的節能灌溉裝置，其特徵在於，所述裝置還包括 灌溉策略修正模塊，與所述灌溉策略生成與執行模塊相連，用於利用第三方信息修正所述灌溉策略。
8.根據權利要求7所述的節能灌溉裝置，其特徵在於，所述第三方信息包括未來天氣信息。
9.根據權利要求5所述的節能灌溉裝置，其特徵在於，所述灌溉策略包括灌溉時長和灌溉流量。
10.根據權利要求5所述的節能灌溉裝置，其特徵在於，所述裝置還包括 控制器，與所述數據預測模塊、傳感器狀態控制模塊和灌溉策略生成與執行模塊相連，用於傳遞監測到的土壤環境數據和用於執行所述灌溉策略的控制信息。
全文摘要
本發明公開了一種節能灌溉方法和裝置。其中，該方法包括根據收集的歷史土壤環境數據對未來土壤環境數據進行預測；根據預測出的未來土壤環境數據選擇需要喚醒的無線傳感器和喚醒無線傳感器的時間；在到達喚醒無線傳感器的時間時，喚醒所選定的無線傳感器以實時監測並收集土壤環境數據，在土壤環境數據收集完畢後，使無線傳感器進入休眠狀態；根據實時收集的土壤環境數據生成灌溉策略；利用灌溉策略控制對土壤的灌溉。本發明不僅有效地對灌溉進行了控制、避免了對水資源的浪費，而且在很大程度上減少了灌溉系統對無線傳感器網絡的能源消耗，提高了系統的壽命。
文檔編號A01G25/16GK102715061SQ20111007611
公開日2012年10月10日 申請日期2011年3月29日 優先權日2011年3月29日
發明者何琪, 馮明, 李偉, 李文杰, 王 琦, 譚國權 申請人:中國電信股份有限公司