基於無線傳感網絡的溫室環境監測和作物病害診斷視情施藥防治系統的製作方法
2024-04-05 07:54:05
基於無線傳感網絡的溫室環境監測和作物病害診斷視情施藥防治系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基於無線傳感器網絡的溫室環境監測和視情施藥防治灌溉系統，包括聲發射傳感器、聲發射採集板、上位機、無線傳感網絡、環境因子傳感器、繼電器及執行機構，在作物植株的主徑上安裝聲發射傳感器，該發射傳感器連接聲發射採集板，該聲發射採集板經PCI總線輸入上位機，上位機雙向連接無線傳感網絡，該無線傳感網絡接收環境因子傳感器的信號，同時將上位機處理後的信號控制繼電器及執行機構。本實用新型依據作物受病害脅迫發出的聲發射信號和環境參數變化信號實施智能的視情精確噴灌，通過計算機軟體設定和適當調整作物的供藥效率和供藥水時間，既達到了作物生長病害防治的目的，又有效保障作物能夠在最佳的土壤水分條件下生長。
【專利說明】基於無線傳感網絡的溫室環境監測和作物病害診斷視情施藥防治系統
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於農業生物【技術領域】，涉及溫室作物的監測及施藥灌溉，尤其是一種基於無線傳感器網絡的溫室環境監測和病害診斷施藥防治系統。
【背景技術】
[0002]農業是國民經濟的基礎，農業的信息化和智能化是利用現代信息技術提高農業勞動生產率的重要手段。農作物生長的各種環境，如溫度、光照及二氧化碳濃度等，對農產品的產量和品質有著很大的影響。為了更好地了解環境因素對作物生長的影響，可以對農作物進行相應的環境監測，以得到相對適合作物生長的環境參數，在條件允許的情況下採取措施以保證農作物在良好的環境下成長。
[0003]溫室栽培之所以受到人們的重視，主要原因是利用計算機對植物生長的溫度、溼度、光照、CO濃度等環境條件進行自動控制，使溫室內植物生長不受自然氣候的制約，以實現全年的管理與生產，使作物的種植時間延展，從而達到提高產品產量和質量的目的。在溫室的生產管理中，環境對作物的生長發育、栽培技術的實施、病蟲害的預防等產生極其重要的影響。
[0004]數據採集是環境監測的重要組成部分，但長期以來，溫室環境監測普遍採用人工方式，這種傳統的數據採集方法耗時耗力、時效性差，而且容易受到幹擾，無線傳感器網絡技術與虛擬儀器技術為數據的自動採集和實時監測提供了一種理想的解決方案。利用ZigBee技術搭建無線傳感網絡，用大量的傳感器節點構成監控網絡，通過各種環境傳感器採集信息，以幫助農民及時發現問題，並且準確地確定發生問題的位置，這樣農業將有可能逐漸地從以人力為中心、依賴於孤立機械的生產模式轉向以信息和軟體為中心的生產模式，從而大量使用各種自動化、智能化、遠程控制的生產設備。因此，無線傳感網絡應用於農業和環境監測領域可以帶來巨大的社會效益與經濟效益。
[0005]我國是一個農業大國，農作物的病害不僅種類繁多，分布廣泛，而且成災條件複雜。據記載，我國農業病、蟲、草、鼠害達2284種，其中病害就有742種。每年因病、蟲等生物災害損失糧食1600萬噸、蔬菜30萬噸、油料140萬噸以上。這直接影響到農業的持續穩定發展和農村經濟的增長。
[0006]目前我國的溫室種植和病害防治工作，主要存在以下問題:
[0007]1、品種抗性較差。目前我國溫室育種的主要目標是高產優質，對品種抗病性不夠重視，對種植業的發展具有很大的盲目性，造成生產上農作物品種的抗病性普遍較差。除少數病害可以通過使用抗病品種有效控制以外，多數病害必須通過其他途徑進行防治。
[0008]2、測報工作相對落後。許多種植者不注意病害的預防工作，單純依靠化學防治，重治輕防。
[0009]3、許多農民不了解農藥的性質，當農作物發生病蟲害時，不分是殺蟲劑還是殺菌齊U，也不管是病害還是蟲害，見藥就用，導致病蟲害的防治效率大大降低，嚴重影響農作物的產量和質量，給農民在經濟上造成很大的損失。
[0010]4、長期單一使用某一種農藥。有的農民發現某種農藥效果好，就長期使用，結果隨著用藥量的增加，病害的抗性也不斷增強。
[0011]5、盲目使用高毒、高殘留農藥，不注意農藥的安全間隔期。由於農戶在使用農藥時不按農藥安全標準，結果把高毒、高殘留農藥用在農產品上，嚴重危害人們的健康。
[0012]在影響蔬菜、水果等鮮食農產品質量的諸多因素中，最突出的是農藥殘留超標問題，全國多個地方爆發農藥殘留量過多導致農產品食物中毒事件。造成這種現象的原因是，農業生產一直存在著過度施肥和施藥的情況，農業單位面積使用的農藥量是世界平均水平的兩倍。隨著消費者對食品安全的要求越來越高，對作物進行精準的農藥噴灑，即哪裡存在病害在哪裡施藥，從而避免對無病害部位的過度施藥，已成為作物病蟲害防治越來越迫切的要求。
[0013]實踐表明，合理施用農藥是保證農業獲得豐收的一項重要措施，而合理施用農藥的前提是正確診斷病害的類型及發生程度，如果診斷不正確，農民就會盲目大量濫施農藥，這不僅不能獲得農業豐收，還會使大量的農藥流失到非靶標環境中，造成人畜中毒、嚴重的環境汙染，進而引發一系列更為嚴重的問題。
[0014]由此可見，及時準確的獲取病害信息，精準地進行施藥對於提高農藥的使用效率及增強其防治效果是至關重要的。只有對病害做出及時準確的診斷，才能正確的擬定綜合防治計劃，及時採取必要的防治措施，經濟有效的降低病害發生率，保證農業的高產穩產。
[0015]對作物水分狀況和病害狀況進行準確、快速、可靠的評價是有效進行視情精準灌溉和病害防治的理論基礎。近幾年植物水分生理研究的最新進展告訴我們，植物其實一直以自己的「語言」在時刻向我們傳達著缺水和病害脅迫的信號。植物的「語言」是指發生在植物水流通路上由於缺水而造成水流斷裂或病害侵襲時發出的爆裂聲，即作物的「聲發射」現象。
[0016]隨著科學技術尤其是生物技術的不斷發展，利用聲發射技術(AcousticEmission簡稱AE)可以檢測得到作物的受病害脅迫程度；換句話說，就是當作物受到病害脅迫時，作物受病害脅迫的程度可通過聲發射傳感器檢測得到。因此，利用聲發射技術、結合溫室作物環境監測進行作物病害脅迫及其視情診斷防治成為可能。
[0017]因此，我國應該進一步貫徹「預防為主、綜合防治」的植保方針。借鑑國外病蟲害綜合防治中的一些做法，加大綜合防治，強化作物病害監測預測，最大限度地減少化學農藥，尤其是高毒、高殘留農藥的使用，提倡科學使用農藥，優化施藥技術，提高農藥利用率，重視抗性治理，儘快實現「綠色植保」的要求和農業的可持續發展。
【發明內容】
[0018]本實用新型的目的在於克服現有技術的不足，提供一種基於無線傳感器網絡的溫室環境監測和病害診斷施藥防治系統，該系統結合作物聲發射機理，可智能化地對作物進行環境監測、病害診斷及視情灌溉。
[0019]本實用新型是通過以下技術方案實現的:
[0020]一種基於無線傳感器網絡的溫室環境監測和視情施藥防治灌溉系統，包括聲發射傳感器、聲發射採集板、上位機、無線傳感網絡、環境因子傳感器、繼電器及執行機構，其特徵在於:在作物植株的主徑上安裝聲發射傳感器，該發射傳感器連接聲發射採集板，該聲發射採集板經PCI總線輸入上位機，上位機雙向連接無線傳感網絡，該無線傳感網絡接收環境因子傳感器的信號，同時將上位機處理後的信號控制繼電器及執行機構。
[0021 ] 而且，所述聲發射傳感器採用PAC公司生產的R15型聲發射傳感器，選取兩路聲發射傳感器可以對病害脅迫聲源進行初步定位；所述上位機為基於IabWVIEW的計算機系統，電磁閥採用fcc-lls型，執行機構包括繼電器及閥門，該繼電器選用HK3FF-DC5V-SHJ型。
[0022]而且，所述無線傳感器網絡是基於單片機的星型網絡。
[0023]而且，所述環境因子傳感器包括溫溼度傳感器、光照及CO2濃度傳感器。
[0024]而且,在聲發射傳感器與作物植株之間置有娃膠。
[0025]本實用新型的優點和積極效果是:
[0026]1、本系統通過聲發射傳感器採集作物受病害脅迫發出的超聲信號，並轉換成微弱的電信號，通過信號調理電路進行濾噪和放大，輸入給聲發射採集板，經PCI總線輸入上位機進行分析處理，由此得出出聲發射信號的統計分布規律，大致得到聲發射信號與病害程度的關係。
[0027]2、本系統的環境因子檢測參數利用無線傳感器網絡上傳給上位機進行分析處理，得到環境因子之間的相互關係及對病害程度的影響，並將聲發射信號和環境因子相結合，利用模糊控制和神經網絡做出病害防治控制策略，最後，視病害程度給出施藥指令，利用無線傳感網絡終端節點控制執行機構進行藥物灌溉等處理，這種方式不會對植株造成傷害，測試精度較高。
[0028]3、本系統利用監測溫室內的各項環境因子參數以預測作物的蒸騰量，同時監測作物的聲發射信號來綜合決定缺水程度和病害程度，與聲發射傳感器共同保證植株病害脅迫的檢測精度，給出灌溉閥門和施藥閥門開啟時間。
[0029]4、本系統依據作物受病害脅迫發出的聲發射信號和溫溼度信號等實施智能的視情防治精確噴灌，並根據作物不同生長時期所需土壤水分的不同、病害程度不同，通過計算機軟體設定和適當調整作物的供藥水效率和供藥水時間，實現作物的蒸騰量和對作物的噴藥量或滴灌量的平衡，在保證作物生長的土壤水分適當的同時又實現了節水防治病害的目的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1為本實用新型的系統結構連接框圖；
[0031]圖2為本實用新型的系統控制策略的整體框圖。
【具體實施方式】
[0032]以下結合附圖對本實用新型的實施例做進一步詳述，但不限於本實施例所敘述的具體結構。
[0033]一種基於無線傳感器網絡的溫室環境監測和視情施藥防治灌溉系統，如圖1所示，在作物植株的主徑上安裝兩路聲發射傳感器，為了提高傳感器的靈敏度及檢測的精度，在聲發射傳感器與作物植株之間置有娃膠，聲發射傳感器米用PAC公司生產的R15型聲發射傳感器，可測量作物受病害脅迫發出的超聲信號，並將該信號轉換成微弱的電信號，該電信號通過信號放大器放大輸入給聲發射採集板，並經PCI總線輸入計算機(PC)上位機監控軟體進行分析處理；與此同時，溫室環境的溫、溼度採用乾濕球法測量以及光照和C02濃度等參數通過相應的環境因子傳感器採集後經無線傳感網絡採用RS232送入上位機，在上位機進行分析處理，並在上位機上通過軟體將聲發射信號和環境因子相結合，利用模糊控制和神經網絡做出病害防治最優控制策略，視病害程度給出施藥指令，利用無線傳感網絡終端節點控制執行機構進行藥物灌溉等處理。採用繼電器控制貯水器連接作物植株管路上的執行機構電磁閥及閥門，該電磁閥通過接收繼電器的信號實施作物植株的滴灌、噴灌等動作。無線傳感器網絡是基於單片機的星型網絡，電磁閥採用fcc-lls型，繼電器選用HK3FF-DC5V-SHJ型，溫室系統控制策略如圖2所示；
[0034]本實施例中採用的PC機為基於IabVIEW的計算機系統，為了對作物的灌溉和施藥進行精確和及時的判斷，監測溫室內的各項環境參數以預測作物的蒸騰量，同時監測作物的聲發射信號及其異常來綜合決定灌溉閥門開啟時間和施藥閥門開啟時間；在施藥灌溉的過程控制中，主要是控制閥門開啟時間來調節灌溉量和施藥量的大小，選擇灌溉和施藥閥門開啟時間作為溫室作物病害防治模糊控制模型的控制量，建立以作物聲發射頻次、蒸騰量為輸入，以灌溉和施藥閥門開啟時間為輸出的模糊控制模型，根據作物的病害程度進行施藥。系統控制策略的整體框圖如圖2所示。
[0035]上位機病害診斷軟體是基於神經網絡和專家系統相結合而設計的，屬於現有技術範疇。基於IabVIEW的溫室作物病害防治模糊控制系統也屬於現有技術範疇。
[0036]本實用新型的工作原理為:
[0037]溫室內的溫度、溼度、光照和CO2濃度等信息通過相應的採集傳感器採集，並轉換為電信號，經無線傳感網絡傳輸至監控中心，上位機對各信息進行分析處理，應用溫室內的各項環境參數預測作物的蒸騰量，同時監測作物的聲發射信號及其異常來綜合決定作物的缺水情況和病害情況，以此給出灌溉閥門開啟時間和施藥閥門開啟時間。選擇灌溉和施藥閥門開啟時間作為溫室作物病害防治模糊控制模型的控制量，建立以作物聲發射頻次、蒸騰量為輸入，以灌溉和施藥閥門開啟時間為輸出的模糊控制模型，根據作物的病害程度進行精準施藥。所產生的施藥控制信號通過無線傳感網絡控制繼電器，繼電器控制電磁閥對進水和進藥管路進行滴罐或噴灌作業。
【權利要求】
1.一種基於無線傳感網絡的溫室環境監測和作物病害診斷視情施藥防治系統，包括聲發射傳感器、聲發射採集板、上位機、無線傳感網絡、環境因子傳感器、繼電器及執行機構，其特徵在於:在作物植株的主徑上安裝聲發射傳感器，該發射傳感器連接聲發射採集板，該聲發射採集板經PCI總線輸入上位機，上位機雙向連接無線傳感網絡，該無線傳感網絡接收環境因子傳感器的信號，同時將上位機處理後的信號控制繼電器及執行機構。
2.根據權利要求1所述的基於無線傳感網絡的溫室環境監測和作物病害診斷視情施藥防治系統，其特徵在於:所述聲發射傳感器採用PAC公司生產的R15型聲發射傳感器，選取兩路聲發射傳感器可以對病害脅迫聲源進行初步定位；所述上位機為基於IabWVIEW的計算機系統，電磁閥採用fcc-lls型，執行機構包括繼電器及閥門，該繼電器選用HK3FF-DC5V-SHJ 型。
3.根據權利要求1所述的基於無線傳感網絡的溫室環境監測和作物病害診斷視情施藥防治系統，其特徵在於:所述無線傳感器網絡是基於單片機的星型網絡。
4.根據權利要求1所述的基於無線傳感網絡的溫室環境監測和作物病害診斷視情施藥防治系統，其特徵在於:所述環境因子傳感器包括溫溼度傳感器、光照及CO2濃度傳感器。
5.根據權利要求1所述的基於無線傳感網絡的溫室環境監測和作物病害診斷視情施藥防治系統，其特徵在於:在聲發射傳感器與作物植株之間置有矽膠。
【文檔編號】A01G9/14GK203537985SQ201320623371
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年10月9日 優先權日:2013年10月9日
【發明者】王秀清, 趙繼民, 楊世鳳, 李陽, 趙娜 申請人:天津科技大學