馬鈴薯種植物聯網監測、控制及信息服務雲平臺綜合系統的製作方法
2023-10-29 13:15:12
馬鈴薯種植物聯網監測、控制及信息服務雲平臺綜合系統的製作方法
【專利摘要】本發明屬於農業物聯網【技術領域】，尤其涉及一種馬鈴薯種植物聯網監測、控制及信息服務雲平臺綜合系統。該系統主要由環境監測終端、灌溉器控制器、生長圖片採集器、物聯網智能控制一體機、物聯網信息服務雲平臺、網際網路、用戶終端設備組成。本發明能實時接收種植監測信息、安全數據存儲、設備控制、海量數據云計算繪圖，對於海量的馬鈴薯生長環境監測數據，運用雲平臺的雲計算能力和優化算法，快速生成馬鈴薯生長數據統計表，為採購商採購的數量和質量提供決策依據；運用圖形識別技術對馬鈴薯從種植到收穫的採集圖片進行分析，標註蹲苗期、開花期；能通過手動或自動遠程控制現場灌溉和施肥系統，對種植環境進行及時的調節，減少損失、提高產量。
【專利說明】馬鈴薯種植物聯網監測、控制及信息服務雲平臺綜合系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於農業物聯網【技術領域】，尤其涉及一種馬鈴薯種植物聯網監測、控制及信息服務雲平臺綜合系統。
【背景技術】
[0002]我國是一個農業大國，據統計我國馬鈴薯種植面積已擴大到8000萬畝左右，總資產達8000多萬噸，約佔世界總產量的26%左右。由於對馬鈴薯生長過程，沒有實時監控、出現缺水、高低溫情況為未及時的進行補救措施，最後導致產量下降。灌溉方面現在基本都是手動控制為主，土壤的水分也要靠人們的目測，由於種植面積大，人工監測費時費力，精準度誤差大。
[0003]現在市場有對土地墒情採集軟硬體系統，只能將採集數據發送到伺服器，建立現場用戶和種植場地連接，沒有網際網路公共平臺，處理單一，現有技術基本是關於塑料大棚的溫度、溼度米集。
[0004]現在市場有灌溉系統，只能做到缺水灌溉，無法滿足馬鈴薯種植不同時期，根據土壤溼度、土壤溫度來控制灌溉的時間、灌溉量的指標。
[0005]本系統運用先進的土壤溫度、土壤溼度、空氣溫度、空氣溼度、光照、攝像頭等硬體設備，使採集的數據更加準確。採集信息由物聯網智能一體機通過網絡傳輸到馬鈴薯種植信息服務雲平臺，雲平臺根據接收的數據和馬鈴薯的生長特性，制訂各個時期(蹲苗期、開花期、收穫期)的灌溉參數。在雲平臺上對採集的數據進行數據挖掘，產生溫度、溼度等曲線圖，並挖掘出土壤溫度、土壤溼度的日平均值，根據日平均值計算土壤水分用量係數和土壤澆灌溫度，最終達到精確澆水量和合適時間的澆灌，提高馬鈴薯的產量和質量，同時節約水資源。運用圖像識別技術，判斷馬鈴薯是否開花，提醒用戶開花的時間，並確認進入開花期的灌溉模式。
【發明內容】
[0006]為了提供一整套馬鈴薯種植監控、信息服務解決方案，本發明提出了馬鈴薯種植物聯網監測、控制及信息服務雲平臺綜合系統，該系統主要由馬鈴薯環境監測終端、灌溉器控制器、生長圖片採集器、物聯網智能控制一體機、物聯網信息服務雲平臺、網際網路、用戶終端設備組成；其中，馬鈴薯環境監測終端、灌溉器控制器、生長圖片採集器通過無線通訊和物聯網智能控制一體機相連，物聯網信息服務雲平臺、用戶終端設備通過網際網路和物聯網智能控制一體機相連；用戶終端設備包括:手機、電腦、PDA。
[0007]所述馬鈴薯環境監測終端由太陽能板、智能太陽能控制器、蓄電池、土壤溫溼度傳感器、空氣溫溼度光照一體傳感器和無線通訊模塊組成；其中，太陽能板和智能太陽能控制器相連，蓄電池和智能太陽能控制器供電相連，土壤溫溼度傳感器和空氣溫溼度光照一體傳感器通過無線通訊模塊和智能太陽能控制器相連；智能太陽能控制器有三個接口，分別為太陽能接口連接太陽能板；蓄電池接口連接蓄電池；負載接口給無線通訊模塊、土壤溫溼度傳感器和空氣溫溼度光照一體傳感器供電。
[0008]所述灌溉控制器由無線模塊、供電模塊、MCU控制器、灌溉閥門、加壓泵組成；控制灌溉閥門和加壓泵的是節能電磁閥，能24小時通電不發熱，大大降低線圈的損耗率和用電量。
[0009]所述物聯網智能控制一體機包括:系統設置模塊、監測信息採集模塊、監測信息上傳模塊、灌溉控制模塊、遠程控制命令接收模塊、實時顯示模塊、視頻監視模塊、圖片採集模塊、報警模塊；
[0010]其中，監測信息採集模塊實時向監測終端設備發送請求數據命令，並監聽得到的土壤溼度、土壤溫度、空氣溼度、空氣溫度和光照強度信息，將超出變化範圍的值寫入臨時文件；監測信息上傳模塊將監測的信息，實時上傳到物聯網信息服務雲臺；灌溉控制模塊根據植物特性設置土壤水分範圍，到最小值時，系統會根據土壤水分用量係數和土壤溫度系統計算合理的灌溉值和灌溉時間，並啟動自動灌溉，當到達灌溉大值時，停止灌溉；遠程控制命令接收模塊根據實時的土壤水分數據，用戶能通過遠程用戶設備終端，包括手機、PDA、電腦，控制灌溉；實時顯示模塊通過物聯網智能控制一體機的顯示屏，實時顯示馬鈴薯的環境情況、灌溉情況、報警情況信息；視頻監視模塊通過網絡攝像頭，及時看到馬鈴薯的生長情況；圖片採集模塊:每天下午採集馬鈴薯生長的圖片，並傳輸到物聯網信息服務平臺，為用戶提供生長過程的圖片歷史記錄；報警模塊:當監測數據超過植物的設置值時，顯示各類報警信息。
[0011]所述物聯網信息服務雲平臺包括系統設置模塊、系統配置模塊、圖表日誌模塊；其中系統設置模塊包括用戶管理功能、田地設置功能、監測設備功能、閥門設置功能、攝像頭功能和植物設置功能；用戶功能:用戶通過設備的編號註冊用戶信息，方便登錄後查看馬鈴薯的監測數據；田地設置功能:根據實際田地情況，在系統中配置土地的行數、列數信息；監測設備功能:添力口、刪除和修改田地的監測設備信息，包括IP位址、埠地址、控制埠地址和說明信息；閥門設置功能:添加、刪除和修改灌溉控制器的電磁閥數量；攝像頭功能:添加、刪除和修改攝像頭參數，包括IP位址、設備ID號、動態域名信息；植物設置功能:添加、刪除和修改馬鈴薯的土壤溫度最大值、土壤溫度最小值、土壤水分最大值、土壤水分最小值、空氣溫度最大值、空氣溫度最小值、空氣溼度最大值、空氣溼度最小值；系統配置模塊包括田地配置功能、攝像頭配置功能、數據同步功能和灌溉配置功能；田地配置功能:是將田地、監測設備、灌溉控制器和植物對應起來；攝像頭配置功能:將攝像頭照的田地對應起來；數據同步功能:將物聯網智能一體機上的配置信息，同步到物聯網信息服務雲平臺上；灌溉配置功能:將土壤水分監測設備和相應的灌溉控制器聯繫起來；圖表日誌包括生長圖片、土壤圖表、氣候圖表、灌溉圖表、報警信息和灌溉信息；生長圖片:用戶能看到馬鈴薯的從發芽到收穫全過程的生長圖片；土壤圖表:能查看馬鈴薯生長全過程的土壤溫度和水分的變化曲線圖；氣候圖表:能查看馬鈴薯生長全過程的空氣溫度和溼度，以及光照的變化曲線圖；灌溉圖表:顯示當前灌溉情況，並能手動控制灌溉；報警信息:能查詢馬鈴薯生長過程的所有報警信息；灌溉信息:能查詢馬鈴薯生長過程中的灌溉記錄。
[0012]本發明提出了一種基於馬鈴薯種植物聯網監測、控制及信息服務雲平臺綜合系統的灌溉時間控制方法，包括:
[0013]步驟1、採集並計算土壤溼度日平均值；在資料庫內建立日平均值表，通過定時任務在每天零點，查詢設備表信息，對每個設備的採集的土壤溼度值運用公式f/(xHx- = /⑷卩-O),其中，f(x)為採集的土壤溫度的值，[a，b]為從開始時間a到結束
Ja
時間b，ξ為土壤溼度平均值；得到土壤溼度日平均值，然後將數據添加到日平均值表中；或根據定積分中值定律公式得出更精確的土壤溼度日平均值；
[0014]步驟2、計算土壤水分用量係數；根據土壤水分的日平均值，用昨天土壤日平均值減去當天日平均值為土壤水分用量係數，即Ml = ξ n_r ξ n，其中，Ml為新日均用量係數，I 為前一日土壤溼度日平均值，ξ n為當日土壤溼度日平均值；當M1>0，說明土壤水分在下降，植物正常吸收水分；當Ml < 0，說明出現灌溉和下雨現象；土壤水分用量係數M =(M0+MD/2, MO為當前係數，Ml為新係數，當MO為O時，M = Ml ;當Ml≤O時，M = MO ;
[0015]步驟3、計算灌溉最大土壤溼度；建立公式pFmax = pF+3M，其中，Ppfflax為灌溉最大土壤溼度，Pf為當前土壤溼度，M為土壤水分用量係數；3是灌溉3天的水分消耗量，防止灌溉到設定最大值後，出現下雨情況，導致馬鈴薯積水，出現爛薯現象，該值為灌溉的最終土壤溼度值；
[0016]步驟4、計算土壤溫度夜間均值；在資料庫內建立土壤溫度夜間均值表，通過定時任務在每天十二點 ，查詢設備表信息；查詢前一日十八點到二十一點光照最低點，記錄為日落時間SI ;查詢從SI到當前時間的溫度最低點時間，記錄為最低溫度時間S2 ;查詢SI到
S2時間段的η個土壤溫度值，並累加
【權利要求】
1.馬鈴薯種植物聯網監測、控制及信息服務雲平臺綜合系統，其特徵在於，該系統主要由馬鈴薯環境監測終端、灌溉器控制器、生長圖片採集器、物聯網智能控制一體機、物聯網信息服務雲平臺、網際網路、用戶終端設備組成；其中，馬鈴薯環境監測終端、灌溉器控制器、生長圖片採集器通過無線通訊和物聯網智能控制一體機相連，物聯網信息服務雲平臺、用戶終端設備通過網際網路和物聯網智能控制一體機相連；用戶終端設備包括:手機、電腦、PDA。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述馬鈴薯環境監測終端由太陽能板、智能太陽能控制器、蓄電池、土壤溫溼度傳感器、空氣溫溼度光照一體傳感器和無線通訊模塊組成；其中，太陽能板和智能太陽能控制器相連，蓄電池和智能太陽能控制器供電相連，土壤溫溼度傳感器和空氣溫溼度光照一體傳感器通過無線通訊模塊和智能太陽能控制器相連；智能太陽能控制器有三個接口，分別為太陽能接口連接太陽能板；蓄電池接口連接蓄電池；負載接口給無線通訊模塊、土壤溫溼度傳感器和空氣溫溼度光照一體傳感器供電。
3.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述灌溉控制器由無線模塊、供電模塊、MCU控制器、灌溉閥門、加壓泵組成；控制灌溉閥門和加壓泵的是節能電磁閥，能24小時通電不發熱，大大降低線圈的損耗率和用電量。
4.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述物聯網智能控制一體機包括:系統設置模塊、監測信息採集模塊、監測信息上傳模塊、灌溉控制模塊、遠程控制命令接收模塊、實時顯示模塊、視頻監視模塊、圖片採集模塊、報警模塊； 其中，監測信息採集模塊實時向監測終端設備發送請求數據命令，並監聽得到的土壤溼度、土壤溫度、 空氣溼度、空氣溫度和光照強度信息，將超出變化範圍的值寫入臨時文件；監測信息上傳模塊將監測的信息，實時上傳到物聯網信息服務雲臺；灌溉控制模塊根據植物特性設置土壤水分範圍，到最小值時，系統會根據土壤水分用量係數和土壤溫度系統計算合理的灌溉值和灌溉時間，並啟動自動灌溉，當到達灌溉大值時，停止灌溉；遠程控制命令接收模塊根據實時的土壤水分數據，用戶能通過遠程用戶設備終端，包括手機、PDA、電腦，控制灌溉；實時顯示模塊通過物聯網智能控制一體機的顯示屏，實時顯示馬鈴薯的環境情況、灌溉情況、報警情況信息；視頻監視模塊通過網絡攝像頭，及時看到馬鈴薯的生長情況；圖片採集模塊:每天下午採集馬鈴薯生長的圖片，並傳輸到物聯網信息服務平臺，為用戶提供生長過程的圖片歷史記錄；報警模塊:當監測數據超過植物的設置值時，顯示各類報警信息。
5.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述物聯網信息服務雲平臺包括系統設置模塊、系統配置模塊、圖表日誌模塊；其中系統設置模塊包括用戶管理功能、田地設置功能、監測設備功能、閥門設置功能、攝像頭功能和植物設置功能；用戶功能:用戶通過設備的編號註冊用戶信息，方便登錄後查看馬鈴薯的監測數據；田地設置功能:根據實際田地情況，在系統中配置土地的行數、列數信息；監測設備功能:添加、刪除和修改田地的監測設備信息，包括IP位址、埠地址、控制埠地址和說明信息；閥門設置功能:添加、刪除和修改灌溉控制器的電磁閥數量；攝像頭功能:添加、刪除和修改攝像頭參數，包括IP位址、設備ID號、動態域名信息；植物設置功能:添加、刪除和修改馬鈴薯的土壤溫度最大值、土壤溫度最小值、土壤水分最大值、土壤水分最小值、空氣溫度最大值、空氣溫度最小值、空氣溼度最大值、空氣溼度最小值；系統配置模塊包括田地配置功能、攝像頭配置功能、數據同步功能和灌溉配置功能；田地配置功能:是將田地、監測設備、灌溉控制器和植物對應起來；攝像頭配置功能:將攝像頭照的田地對應起來；數據同步功能:將物聯網智能一體機上的配置信息，同步到物聯網信息服務雲平臺上；灌溉配置功能:將土壤水分監測設備和相應的灌溉控制器聯繫起來；圖表日誌包括生長圖片、土壤圖表、氣候圖表、灌溉圖表、報警信息和灌溉信息；生長圖片:用戶能看到馬鈴薯的從發芽到收穫全過程的生長圖片；土壤圖表:能查看馬鈴薯生長全過程的土壤溫度和水分的變化曲線圖；氣候圖表:能查看馬鈴薯生長全過程的空氣溫度和溼度，以及光照的變化曲線圖；灌溉圖表:顯示當前灌溉情況，並能手動控制灌溉；報警信息:能查詢馬鈴薯生長過程的所有報警信息；灌溉信息:能查詢馬鈴薯生長過程中的灌溉記錄。
6.一種基於權利要求1所述系統的灌溉時間控制方法，其特徵在於，包括: 步驟1、採集並計算土壤溼度日平均值；在資料庫內建立日平均值表，通過定時任務在每天零點，查詢設備表信息，對每個設備的採集的土壤溼度值運用公式
，其中，f(x)為採集的土壤溫度的值，[a，b]為從開始時間a到結束時間b，ξ為土壤溼度平均值；得到土壤溼度日平均值，然後將數據添加到日平均值表中；或根據定積分中值定律公式得出更精確的土壤溼度日平均值； 步驟2、計算土壤水分用量係數；根據土壤水分的日平均值，用昨天土壤日平均值減去當天日平均值為土壤水分用量係數，即Ml = ξη_「ξη，其中，Ml為新日均用量係數，U前一日土壤溼度日平均值，ξ η為當日土壤溼度日平均值；當Μ1>0，說明土壤水分在下降，植物正常吸收水分；當Ml≤O，說明出現灌溉和下雨現象；土壤水分用量係數M= (M0+MD/2,MO為當前係數，Ml為新係數，當MO為O時，M = Ml ;當Ml≤O時，M = MO ; 步驟3、計算灌溉最大土壤溼度；建立公式pFmax = pF+3M，其中，pFfflax為灌溉最大土壤溼度，Pf為當前土壤溼度，M為土壤水分用量係數；3是灌溉3天的水分消耗量，防止灌溉到設定最大值後，出現下雨情況，導致馬鈴薯積水，出現爛薯現象，該值為灌溉的最終土壤溼度值； 步驟4、計算土壤溫度夜間均值；在資料庫內建立土壤溫度夜間均值表，通過定時任務在每天十二點，查詢設備表信息；查詢前一日十八點到二十一點光照最低點，記錄為日落時間SI ;查詢從SI到當前時間的溫度最低點時間，記錄為最低溫度時間S2 ;查詢SI到S2時間段的η個土壤溫度值，並累加
，對每個設備的採集的土壤溫度運用公式計算土壤溫
度夜間均值
,將土壤溫度夜間均值插入到表中Ai為查詢到的土壤溫度值； 步驟5、計算土壤溫度係數；根據土壤溫度夜間均值，用昨天土壤溫度夜間均值減去當天日土壤溫度夜間均值為土壤日均溫度係數T ；T1 = tn_rtn, Tl為新土壤日均溫度係數；當Tl為負數時，溫度開始降低；反之亦然；Τ= (Τ0+Τ1)/2，TO為當前土壤日均溫度係數，當TO為 O 時，T = Tl ;當 Tl = O 時，T = TO ;當 Τ0+Τ1 = O 時，T = Tl ; 步驟6、計算灌溉溫度；建立公式Tmax = Tmin±5T，其中，Tfflax為灌溉溫度，Tfflin為馬鈴薯塊莖生長最小溫度，T為土壤溫度係數；當土壤溫度係數為正值時，說溫度在上升；當土壤溫度係數為負值時，說溫度在下降，根據Tmax的值，在日落時間SI和最低點時間S2段查詢符合溫度的時間S，即為灌溉時間。
7.一種基於權利要求1所述系統的的馬鈴薯花期判斷的方法，包括: 步驟1、現場採集馬鈴薯花的生長圖片，傳輸到信息服務雲平臺，當物聯網智能一體機上傳的圖片記錄進入資料庫後，其標記位為未判斷，雲平臺伺服器的圖片判斷程序，會實時查詢資料庫中未判斷記錄，並裝載圖片，進行開花判斷處理，同時調用馬鈴薯花的幾個模板，以備匹配形狀； 步驟2、圖像灰度處理；將彩色圖像轉化成為灰度圖像處理，彩色圖像中的每個像素的顏色有R、G、B三個分量決定，而每個分量有255中值能取，這樣一個像素點有1600多萬的顏色的變化範圍；而灰度圖像是R、G、B三個分量相同的一種特殊的彩色圖像，其一個像素點的變化範圍為255種，所以在數字圖像處理種一般先將各種格式的圖像轉變成灰度圖像以使後續的圖像的計算量變得少一些，灰度圖像的描述與彩色圖像一樣仍然反映了整幅圖像的整體和局部的色度和亮度等級的分布和特徵； 使用加權平均值法:R = G = B = wr*R+wg*G+wb*B, wr、wg、wb分別為R、G、B的權值；當其權值取不同的值時，能夠形成不同灰度的灰度圖象，由於人眼對綠色的敏感度最高，紅色次之，藍色最低，因此當wg>wr>wb時，所產生的灰度圖像更符合人眼的視覺感受；通常wr=30%, wg = 59%, wb = 11%,圖像的灰度最合理；
步驟3、將圖像二值化，計算閾值
，統計圖片中所有R點的和
，餘以所有點m*n得到閾值t;然後將圖像中所有大於閾值的點設置為0，小於閾值的設置為255 ;之後能清楚看到花朵為白色，背景都是黑色；f(Xi，yj)分別為某橫坐標為i和縱坐標為y的像素點的像素值； 步驟4、圖像去噪，把二值化後的圖像進行濾波，對孤立的像素點和小象素塊，採用均值濾波方法去除孤立像素點:對待處理的當前像素，選擇一個模板，該模板為其鄰近的若干個像素組成，用模板的均值來替代原像素的值的方法； 步驟5、點數統計，統計圖片中花朵的點的總數
除以總點數m*n，得到花朵在整個圖片佔的百分比；當百分比超過1%時，表示馬鈴薯已經開花，將資料庫標記修改為已開花。
【文檔編號】G06Q50/02GK104077725SQ201410332335
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月14日 優先權日:2014年7月14日
【發明者】姜金濤, 嚴向華 申請人:內蒙古德辰信息網絡科技有限責任公司