專利名稱：基于gps、gis和傳感器網(wǎng)絡(luò)的茶園管理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，涉及ー種應(yīng)用GPS、GIS和無線傳輸技術(shù)的茶園環(huán)境與作業(yè)的精準(zhǔn)管理裝置。
背景技術(shù)：
隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，茶葉消費向高檔、名優(yōu)化趨勢發(fā)展，茶葉的品質(zhì)則成為最大的關(guān)注點。目前，在茶樹栽植與生長過程中，對茶園的施肥、施藥、采摘等作業(yè)主要依靠茶農(nóng)的經(jīng)驗進行，而且施肥和噴藥量使用也是采用均勻施肥作業(yè)和常量噴藥，缺乏切實可行的精準(zhǔn)管理與科學(xué)指導(dǎo)。由于茶園內(nèi)各處土壤養(yǎng)分、病蟲害受害程度存在差異性，造成了茶園部分區(qū)域內(nèi)化肥與農(nóng)藥等化學(xué)品的過度使用，出現(xiàn)茶葉品質(zhì)下降，在市場上失去競爭カ等問題。同時，名優(yōu)茶生產(chǎn)，力求早上市，賣好價，但名優(yōu)茶以“早”為貴的商品特點與山區(qū)茶園易受凍害的情況存在著矛盾。由于茶樹物候期提前，加上早生、特早生無性 (凍)害，不但損失產(chǎn)量，更重要的是降低茶葉的品質(zhì)，給茶農(nóng)造成很大的經(jīng)濟損失。為保證獲得茶葉的高品質(zhì)、高產(chǎn)量，需要有針對性的科學(xué)施肥、用藥，提高茶葉的品質(zhì)，降低生產(chǎn)投入成本的同時減少對環(huán)境的污染；通過實時監(jiān)測茶園溫度，掌握茶樹霜(凍)害發(fā)生的原因及發(fā)生規(guī)律，及時控制防霜(凍)風(fēng)扇或采取相應(yīng)的預(yù)防與補救措施，防止和減少霜(凍)害的發(fā)生，保障茶葉質(zhì)量和產(chǎn)量是茶園管理的ー項重要技術(shù)，也是提高種茶業(yè)種植效益的有效途徑。在茶園進行溫度監(jiān)測方面，江蘇大學(xué)戴青玲等人選擇PC機作為主控単元，通過RS-485總線通信對各節(jié)點進行監(jiān)控。分別對上位機操作界面、通信接口和終端節(jié)點的各個功能模塊進行設(shè)計。使用有線數(shù)據(jù)傳輸，成本高，日后維修較困難。茶園防霜風(fēng)扇是近年來從日本引進的技術(shù)，該技術(shù)是每個風(fēng)扇內(nèi)含有一個控制器，各個控制器控制各自的風(fēng)扇。該方式投入較高，而且沒有實現(xiàn)集中控制、集中管理的效果O
發(fā)明內(nèi)容為解決上述問題，本實用新型的目的是提供一種基于GPS、GIS和傳感器網(wǎng)絡(luò)的茶園管理裝置，該裝置是通過GPS (全球定位系統(tǒng))、GIS (地理信息系統(tǒng))和傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對茶園內(nèi)茶葉生長環(huán)境，包括茶園土壤養(yǎng)分、環(huán)境溫度、病蟲害信息、茶園作業(yè)機械、防霜(凍)風(fēng)扇以及作業(yè)生產(chǎn)狀況進行實時定位精準(zhǔn)管理，及時控制防霜(凍)風(fēng)扇，并采取相應(yīng)的預(yù)防與補救措施，防止和減少霜(凍)害的發(fā)生，保障茶葉質(zhì)量和產(chǎn)量。本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的一種基于GPS、GIS和傳感器網(wǎng)絡(luò)的茶園管理裝置，其特征在于該裝置包括田間控制模塊、田間作業(yè)模塊、田間管理模塊和中央控制模塊；在中央控制模塊內(nèi)設(shè)有地理信息系統(tǒng)；所述田間控制模塊包括田間GPS和田間作業(yè)控制器；田間作業(yè)模塊包括變量施肥機和變量噴藥機；變量施肥機和變量噴藥機與田間GPS和田間作業(yè)控制器連接；田間作業(yè)控制器通過Z-BEE數(shù)據(jù)采集與無線傳輸設(shè)備與中央控制模塊連接，并將中央控制模塊給出的施肥處方數(shù)據(jù)和田間GPS提供的位置信息傳送給變量施肥機，通過變量施肥機實現(xiàn)變量施肥作業(yè)；將中央控制模塊給出的噴藥處方數(shù)據(jù)和田間GPS提供的位置信息傳送給變量噴藥機實現(xiàn)變量噴藥作業(yè)；田間管理模塊包括溫度傳感器和防霜凍風(fēng)扇，溫度傳感器實時測量茶園內(nèi)溫度變化信息并將信息通過Z-BEE數(shù)據(jù)采集與無線傳輸設(shè)備傳送給中央控制模塊，中央控制模塊實時發(fā)出指令控制防霜凍風(fēng)扇工作。本實用新型的工作原理是使用全球定位系統(tǒng)(GPS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)采集茶園地塊輪廓屬性，采用地理信息系統(tǒng)(GIS)管理茶園內(nèi)的土壤養(yǎng)分、溫度與茶葉產(chǎn)量信息，通過編程實現(xiàn)茶園地圖繪制與管理、茶園土壤、茶葉采摘與茶葉產(chǎn)量信息管理；根據(jù)土壤養(yǎng)分信息和茶葉長勢需求進行變量施肥作業(yè)；根據(jù)茶園內(nèi)病蟲草害分布情況，進行變量噴藥作業(yè)；應(yīng)用由溫度傳感器、無線傳輸模塊組成的茶園溫度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測茶園內(nèi)環(huán)境溫度，當(dāng)逆溫條件產(chǎn)生吋，實時控制防霜(凍)風(fēng)扇工作，預(yù)防控制茶園凍害發(fā)生。從而 保障茶葉生產(chǎn)的品質(zhì)與產(chǎn)量。本實用新型可對茶園進行實時溫度監(jiān)測防霜凍作業(yè)與管理。位于4米和茶樹葉冠層高度的2個溫度傳感器被設(shè)置成省電工作模式，每隔10分鐘測得該處的溫度，并將數(shù)據(jù)通過Z-BEE數(shù)據(jù)采集與無線傳輸設(shè)備發(fā)送到田間作業(yè)控制器，使用的Z-BEE數(shù)據(jù)采集與無線傳輸設(shè)備傳輸距離是2000米，對于較遠(yuǎn)處的中央計算機，使用中間結(jié)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)采集與無線傳輸設(shè)備。由溫度傳感器、Z-BEE數(shù)據(jù)采集與無線傳輸設(shè)備、防霜風(fēng)扇和中央計算機組成的無線溫度監(jiān)測與防霜網(wǎng)絡(luò)，實時測量茶園內(nèi)溫度變化，當(dāng)逆溫形成后，中央計算機根據(jù)逆溫產(chǎn)生條件，實時發(fā)出指令控制防霜(凍)風(fēng)扇工作，防霜(凍)風(fēng)扇的啟動可由田間作業(yè)控制器控制，也可由位于風(fēng)扇附近的Z-BEE數(shù)據(jù)采集與無線傳輸設(shè)備接收啟動指令后，控制風(fēng)扇工作。本實用新型將空間信息技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)、傳感網(wǎng)技術(shù)與自動控制技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)對茶園環(huán)境溫度信息的自動采集、無線傳輸、實時監(jiān)測和精準(zhǔn)作業(yè)與管理。在不同季節(jié)，根據(jù)茶園內(nèi)茶葉生長環(huán)境溫度、土壤養(yǎng)分、病蟲害信息，應(yīng)用空間信息技術(shù)和傳感網(wǎng)技術(shù)對茶園溫度進行不間斷實時監(jiān)測，通過茶園管理專家系統(tǒng)得出合理的管理指令，通過GPS和變量施肥機或變量噴藥機實現(xiàn)按茶葉生長營養(yǎng)需求、或受害控制進行變量施肥和噴藥，達到減少投入、提高效益和保障茶葉品質(zhì)的目的。解決在茶園養(yǎng)分空間分布不均勻，或病蟲害程度不同的情況下，以均衡常量的作業(yè)方式施肥、噴藥所造成的化肥、農(nóng)藥使用過度的問題。通過實時精準(zhǔn)的空間管理，進行實時有針對性的精準(zhǔn)調(diào)控，節(jié)省人力、物力，降低生產(chǎn)成本，降低損失，提高茶品質(zhì)量和產(chǎn)量。

圖I為本實用新型的總體框圖。圖2為本實用新型的連接示意圖。
具體實施方式
本實用新型所述的基于GPS、GIS和傳感器網(wǎng)絡(luò)的茶園管理裝置，見圖I和圖2。該裝置包括田間控制模塊I、田間作業(yè)模塊2、田間管理模塊3和中央控制模塊4 ;中央控制模塊4是中央計算機。在中央計算機內(nèi)設(shè)有地理信息系統(tǒng)41 ;田間控制模塊I包括田間GPSll和田間作業(yè)控制器12 ;田間作業(yè)控制器12可以是田間計算機。田間作業(yè)模塊2包括變量施肥機21和變量噴藥機22 ;變量施肥機21和變量噴藥機22與田間GPSll和田間作業(yè)控制器12連接；田間作業(yè)控制器12通過Z-BEE數(shù)據(jù)采集與無線傳輸設(shè)備5與中央控制模塊4連接，并將中央控制模塊4給出的施肥處方數(shù)據(jù)和田間GPSll提供的位置信息傳送給變量施肥機21，通過變量施肥機21實現(xiàn)變量施肥作業(yè)；將中央控制模塊4給出的噴藥處方數(shù)據(jù)和田間GPSll提供的位置信息傳送給變量噴藥機22實現(xiàn)變量噴藥作業(yè)；田間管理模塊3包括溫度傳感器31和防霜凍風(fēng)扇32，溫度傳感器31實時測量茶園內(nèi)溫度變化信息并將信息通過Z-BEE數(shù)據(jù)采集與無線傳輸設(shè)備5傳送給中央控制模塊4，中央控制模塊4實時發(fā)出指令控制防霜(凍)風(fēng)扇32工作。本實用新型中央控制模塊4為中央計算機，中央計算機內(nèi)系統(tǒng)軟件包括四個部分第一部分是茶園施肥、施藥與防(霜)凍管理；第二部分是作業(yè)決策；第三部分是通信與交互控制；第四部分是實時狀態(tài)顯示與記錄。田間作業(yè)控制器內(nèi)軟件包括三部分第一部分是田間局部信息采集與傳輸；第二部分是茶園作業(yè)位置識別與變量作業(yè)控制；第三部分是與中央計算機通訊，獲取操作指令數(shù)據(jù)。在田間作業(yè)控制器內(nèi)嵌茶園作業(yè)位置識別與 控制程序。變量施肥機21有兩種工作方式自動方式和手動方式。自動工作方式下，根據(jù)裝配在施肥機上的GPS所提供的位置信息和工作速度信息，由田間作業(yè)控制器自動讀取由控制中心發(fā)出的施肥處方數(shù)據(jù)和GPS提供的施肥機作業(yè)位置、速度來控制肥料排出，實現(xiàn)變量施肥作業(yè)；手動工作方式時，施肥量由人工在變量施肥控制器觸摸屏上手動輸入所需的施肥量結(jié)合裝配在拖拉機上的速度傳感器提供的速度信息完成對茶園的變量施肥作業(yè)。變量施肥機在茶園內(nèi)的作業(yè)指令(即處方數(shù)據(jù))可以2種方式獲得①通過田間作業(yè)控制器與中央計算機通信獲得通過從中央計算機下載數(shù)據(jù)得到。變量噴藥機22也可以兩種方式工作自動方式和手動方式。自動工作方式下，由變量作業(yè)控制器自動讀取由控制中心給出的噴藥處數(shù)據(jù)，根據(jù)裝配在噴藥機上的GPS所提供的位置信息和工作速度信息，提取噴藥處方數(shù)據(jù)，控制藥量噴酒，實現(xiàn)變量噴藥作業(yè)；手動工作方式時，施藥量由人工在變量控制器的觸摸屏上輸入所需的藥量，結(jié)合裝配在拖拉機上的速度傳感器提供的速度信息完成對茶葉變量噴藥作業(yè)。圖I為本系統(tǒng)總體框圖。GIS軟件是使用Professional MapInfo 7. 5，安裝在中央計算機內(nèi)，以Professional MapInfo 7. 5結(jié)合GIS組件MapX5. O,應(yīng)用VC++語言開發(fā)茶園精準(zhǔn)管理系統(tǒng)。由拖拉機的發(fā)動機為GPS導(dǎo)航系統(tǒng)和田間作業(yè)控制器等用電設(shè)備提供12V直流電。在拖拉機的驅(qū)動輪上安裝速度傳感器，速度傳感器使用無源速度傳感器，實時測量拖拉機(即變量施肥機或變量噴藥機)的作業(yè)速度，速度信號經(jīng)屏蔽電線纜傳輸?shù)教镩g作業(yè)控制器。在變量施肥機、變量噴藥機上安裝GPS導(dǎo)航系統(tǒng)裝備，通過RS232接ロ與田間作業(yè)控制器連接；在茶園作業(yè)時由田間作業(yè)控制器(內(nèi)嵌茶園作業(yè)位置識別與控制程序)接收GPS信號。識別所在位置，依據(jù)處方數(shù)據(jù)發(fā)出控制脈沖控制變量執(zhí)行機構(gòu)動作。溫度傳感器安放在防霜(凍)風(fēng)扇處，在一個防霜(凍)風(fēng)扇位置處安裝兩個溫度傳感器，ー個安裝在茶樹冠層高度，一個安裝在4米高處；2個溫度傳感器傳感器與Z-BEE數(shù)據(jù)采集與無線傳輸設(shè)備連接，溫度信號由Z-BEE數(shù)據(jù)采集與無線傳輸設(shè)備發(fā)送到田間作業(yè)控制器和中央計算機。防霜(凍)風(fēng)扇與Z-BEE數(shù)據(jù)采集與無線傳輸設(shè)備連接，當(dāng)Z-BEE數(shù)據(jù)采集與無線傳輸設(shè)備接收到來自田間作業(yè)控制器和PC機(中央計算機)的控制指令后發(fā)出ー個直流脈沖信號啟動或停止防霜(凍)風(fēng)扇。本實用新型分中央計算機和田間作業(yè)控制器兩層管理和控制作業(yè)。中央計算機的作用是應(yīng)用GIS管理茶園，給出決策處方或指令；田間作業(yè)控制器負(fù)責(zé)接收指令、控制在茶園局部作業(yè)。在中央計算機端，使用GIS建立茶園土壤養(yǎng)分、病蟲害分布、防霜(凍)風(fēng)扇分布的空間數(shù)據(jù)庫，并以GIS為平臺開發(fā)施肥決策系統(tǒng)、施藥決策系統(tǒng)和茶園防凍決策系統(tǒng)，對無線通信模塊使用VC++語言編程實現(xiàn)與茶園環(huán)境與作業(yè)通信及其顯示系統(tǒng)。在中央計算機實時顯示茶園狀況包括茶園溫度，溫度分布情況，茶園土壤養(yǎng)分分布現(xiàn)狀，風(fēng)扇位置分布及工作狀態(tài)，逆溫產(chǎn)生的區(qū)域，施肥機作業(yè)位置，工作速度，所排肥量，噴藥機工作速度，噴出藥量，作業(yè)位置，茶葉采摘作業(yè)與產(chǎn)量記錄等。在田間，使用ARM920T-S3C2410微處理器為核心開發(fā)的田間作業(yè)控制器的主要作用是執(zhí)行控制作業(yè)，控制茶園局部防霜(凍)風(fēng)扇工作，或控制變量作業(yè)機進行變量作業(yè)。兩者之間即可通過無線網(wǎng)絡(luò)進行通訊，也可通過·有線連接交互信息或下載作業(yè)指令。對茶園精確管理是通過使用GPS結(jié)合GIS獲得茶園邊界地圖，使用網(wǎng)格劃分程序?qū)Σ鑸@進行網(wǎng)格劃分(一個網(wǎng)格稱作ー個操作単元)，在對每ー個網(wǎng)格內(nèi)進行土壤采樣、土壤養(yǎng)分測試后，輸入到GIS中，建立茶園土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)庫；應(yīng)用GPS獲得茶園內(nèi)防霜凍風(fēng)扇的位置，同時在姆一個防霜凍風(fēng)扇處安放2個溫度傳感器,一個位于地面高4米處,ー個放置于茶樹冠層高度。應(yīng)用GIS獲得茶園溫度與風(fēng)扇分布地圖，并建立溫度變化與防霜(凍)數(shù)據(jù)庫。使用時，打開本系統(tǒng)，有三個子系統(tǒng)供選擇施肥、施藥與防霜(凍)。選擇施肥子系統(tǒng)后，進入變量施肥管理。在此功能下分有文件、查詢、地圖管理、土壌(位置、養(yǎng)分分布)、施肥決策與處方輸出、網(wǎng)絡(luò)連接、施肥作業(yè)(作業(yè)歷史、施肥日期、施肥量、作業(yè)現(xiàn)場位置等)監(jiān)測與顯示功能；選擇施藥子系統(tǒng)后，進入變量施藥管理。下分有文件、查詢、地圖管理、害情分布、用藥決策與處方輸出、網(wǎng)絡(luò)連接、施藥作業(yè)管理(施藥日期、施藥量、作業(yè)歷史、作業(yè)現(xiàn)場位置)等項目；選擇防霜(凍)子系統(tǒng)后，進入實時溫度監(jiān)測與防霜(凍)作業(yè)管理。主要有對文件、地圖、傳感器(1，2，……，2N)、風(fēng)扇(1，2，……，N)、溫度分布、溫差分布、逆溫分布和風(fēng)扇作業(yè)管理等項目.使用本實用新型的精確管理系統(tǒng)，可以合理有效使用化肥和農(nóng)藥，及時預(yù)防和控制茶園霜(凍)害的發(fā)生。一方面，可以節(jié)省肥料、藥量的投入，降低生產(chǎn)成本的同時提高茶葉的品質(zhì)，減少對環(huán)境的污染。而且通過實時監(jiān)測茶園逆溫產(chǎn)生，及時控制風(fēng)扇，防止和減少霜(凍)害的發(fā)生，保障茶葉產(chǎn)量和質(zhì)量。另ー方面，應(yīng)用GPS對茶園監(jiān)測點進行實時定位，可以根據(jù)環(huán)境(溫濕度)異常點的具體位置，管理者通過GIS精準(zhǔn)的空間管理，進行有針對性的精準(zhǔn)調(diào)控?？梢栽诤艽蟪潭壬瞎?jié)省人力、物力，降低生產(chǎn)成本。第三，本精確管理系統(tǒng)中每個無線節(jié)點成本低廉、能方便的接入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點數(shù)目可擴展，能量消耗低，支持休眠，可以在電池供電的情況下長時間使用，穩(wěn)定性好，便于維護。且使用無線傳輸數(shù)據(jù)也可減少耗能與維護費用，提高監(jiān)測與管理系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，并實現(xiàn)集中管理，分散控制。
權(quán)利要求1.一種基于GPS、GIS和傳感器網(wǎng)絡(luò)的茶園管理裝置，其特征在于該系統(tǒng)包括田間控制模塊(I)、田間作業(yè)模塊(2 )、田間管理模塊(3 )和中央控制模塊(4 );在中央控制模塊(4 )內(nèi)設(shè)有地理信息系統(tǒng)(41);所述田間控制模塊(I)包括田間GPS (11)和田間作業(yè)控制器(12);田間作業(yè)模塊(2)包括變量施肥機(21)和變量噴藥機(22);變量施肥機(21)和變量噴藥機(22)與田間GPS (11)和田間作業(yè)控制器(12)連接；田間作業(yè)控制器(12)通過Z-BEE數(shù)據(jù)采集與無線傳輸設(shè)備(5 )與中央控制模塊(4 )連接，并將中央控制模塊(4 )給出的施肥處方數(shù)據(jù)和田間GPS (11)提供的位置信息傳送給變量施肥機(21)實現(xiàn)變量施肥作業(yè)；將中央控制模塊(4)給出的噴藥處方數(shù)據(jù)和田間GPS (11)提供的位置信息傳送給變量噴藥機(22)實現(xiàn)變量噴藥作業(yè)；田間管理模塊(3)包括溫度傳感器(31)和防霜凍風(fēng)扇(32)，溫度傳感器(31)實時測量茶園內(nèi)溫度變化信息并將信息通過Z-BEE數(shù)據(jù)采集與無線傳輸設(shè)備(5)傳送給中央控制模塊(4)，中央控制模塊(4)控制防霜凍風(fēng)扇(32)工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于GPS、GIS和傳感器網(wǎng)絡(luò)的茶園管理裝置，其特征在于變量施肥機(21)有自動方式和手動方式兩種工作方式。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于GPS、GIS和傳感器網(wǎng)絡(luò)的茶園管理裝置，其特征在于變量噴藥機(22)有自動方式和手動方式兩種工作方式。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于GPS、GIS和傳感器網(wǎng)絡(luò)的茶園管理裝置，其特征在于中央控制模塊(4)實時顯示茶園狀況，茶園狀況包括茶園溫度、溫度分布情況、茶園土壤養(yǎng)分分布現(xiàn)狀、風(fēng)扇位置分布及工作狀態(tài)、逆溫產(chǎn)生的區(qū)域、施肥機作業(yè)位置、工作速度、所排肥量、噴藥機工作速度，噴出藥量，作業(yè)位置、茶葉采摘作業(yè)與產(chǎn)量記錄。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于GPS、GIS和傳感器網(wǎng)絡(luò)的茶園管理裝置，其特征在于中央控制模塊(4)通過地理信息系統(tǒng)(41)對田間控制模塊(I)、田間作業(yè)模塊(2)進行控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于GPS、GIS和傳感器網(wǎng)絡(luò)的茶園管理裝置，其特征在于中央控制模塊(4)通過田間GPS (11)結(jié)合地理信息系統(tǒng)(41)獲得茶園邊界地圖，并輸入到地理信息系統(tǒng)(41)中。
專利摘要本實用新型公開了一種基于GPS、GIS和傳感網(wǎng)技術(shù)的茶園精確管理系統(tǒng)，通過GPS、GIS和傳感網(wǎng)技術(shù)對茶園內(nèi)茶葉生長環(huán)境信息、茶園作業(yè)機械、防霜(凍)風(fēng)扇以及作業(yè)生產(chǎn)狀況進行實時精準(zhǔn)定位管理。使用全球定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)采集茶園地塊輪廓屬性，采用地理信息系統(tǒng)管理茶園內(nèi)的土壤養(yǎng)分、溫度與茶葉產(chǎn)量信息，根據(jù)土壤養(yǎng)分信息和茶葉長勢需求進行變量施肥作業(yè)；根據(jù)茶園內(nèi)病蟲草害分布情況，進行變量噴藥作業(yè)；應(yīng)用由溫度傳感器、無線傳輸模塊組成的茶園溫度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測茶園內(nèi)環(huán)境溫度，根據(jù)逆溫條件產(chǎn)生，實時控制防霜(凍)風(fēng)扇工作，預(yù)防控制茶園凍害產(chǎn)生，保障茶葉質(zhì)量和產(chǎn)量。
文檔編號G05B19/418GK202617169SQ20122020859
公開日2012年12月19日 申請日期2012年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月10日
發(fā)明者陳宏 , 張書慧 申請人:南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院