基于北斗卫星系统的无人机智能节水灌溉系统及构建方法与流程

本发明涉及一种灌溉系统，具体涉及一种基于北斗卫星系统的无人机智能节水灌溉系统及构建方法。

背景技术：

我国是农业大国，农业用水量占全国用水量的68％，其中灌溉用水量占农业用水量的90％以上。然而由于水资源的浪费和污染现象日益严重，农业水资源严重短缺。加之大多数农户采用大水漫灌，农业灌溉效率低下，造成水资源严重浪费。因此，改革农业灌溉技术，发展智能节水灌溉势在必行。

目前我国的农业节水灌溉控制技术尚不成熟，农业基础设施薄弱，大多数技术系统依然处于理论研究、试用阶段，设备成本高，应用较少。

本智能节水灌溉系统由基于北斗无人机一体化的土壤信号采集系统、基于zigbee与gprs技术融合的无线网络传输系统以及进行控制和反演的云计算服务系统等多项技术，将现有的大型云计算技术与高速发展的北斗卫星导航系统和无线通讯技术相结合，大幅度提升灌溉农业的自动化程度以及作业精度。通过控制无人机的飞行轨迹，获取土壤反射信号，并进行土壤湿度参数反演，精确获取土壤水分状况，控制喷灌装置用水量，实现农作物的智能节水灌溉，有利于提高灌溉用水效率，缓解用水压力，加快农业现代化的实现，缩小与发达国家的差距。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于北斗卫星系统的无人机智能节水灌溉系统及构建方法。

本发明采用的技术方案为：一种基于北斗卫星系统的无人机智能节水灌溉系统，包括：

土壤信号采集系统，利用搭载北斗导航系统的无人机接收来自土壤的反射信号和定位；土壤信号采集系统由无人机和其上搭载的双天线系统、供电装置和gnss主板组成；双天线系统安装有两根同高度、不同朝向的天线，其中北斗直达信号接收机天线垂直朝上，内置的北斗/gps芯片，用于接收北斗卫星的高仰角卫星信号，采用自主定位模式完成定位；北斗反射信号接收机天线斜朝下45°，用来接收北斗卫星反射信号，信号经过北斗直达信号采集模块、北斗反射信号采集模块处理提取出仰角、方位角、信噪比和土壤反射信号，采集到的信号由gnss主板转换为二进制数据流，通过无线网络传输系统传输到云计算服务系统；

云计算服务系统，设计和控制无人机的航线并反演土壤反射信号得到土壤湿度，当土壤湿度低于设定值即开启灌溉系统；云计算服务系统包括算法模块、数据库模块以及网络通信模块；其中算法模块根据农田位置和数字高程等参数规划无人机飞行航线，向无人机传达指令，对土壤信号进行采集；根据土壤信号采集系统和gps分别所提供的土壤信号和定位信息，计算出土壤的位置，借助土壤微波辐射亮温正向模型对土壤湿度反演运算，结合作物和季节特点制定灌溉方案，向灌溉设备发送指令；数据库模块用于存储数据；网络通信模块用于发送指令和接收数据；

灌溉系统，用于接收云计算服务系统的灌溉指令，对土壤进行定量精确灌溉；灌溉系统包括网络模块、水量控制模块；其中，所述的网络模块用于灌溉系统与云计算服务系统之间的信息透传以及向水量控制模块发送指令；所述的水量控制模块用于接收网络模块发送的指令，控制喷头出水量；

无线网络传输及监控系统：用于土壤信号采集系统、灌溉系统与云计算服务系统之间的数据传输和信息传递以及农田的实时监控；无线网络传输及监控系统包括:zigbee网络模块、gprs模块；其中，所述的zigbee网络模块用于土壤信号采集系统、灌溉系统与云计算服务系统之间的信息透传；所述的gprs模块用于农田的实时监控和系统之间辅助信息传递。

作为优选，所述土壤信号采集系统的供电装置采用太阳能电池板和备用锂电池供电。

上述基于北斗卫星系统的无人机智能节水灌溉系统的构建方法，包括以下步骤：

步骤一、构建土壤信号采集系统

选定监测农田，配置一无人机，安装双天线系统、供电装置和gnss主板，调整双天线系统的安装角度和太阳能电池的朝向角度，控制无人机进行飞行试验和信号采集，查看数据信号，反复调整；

步骤二、建立云计算服务系统

构建算法模块、数据库模块以及网络通信模块；优化算法计算速度和最优设计，规划无人机飞行航线、土壤湿度反演运算以及制定合理的灌溉方案；设计数据库存储和访问最优方式，提高存储和访问速度；

步骤三、建立灌溉系统

灌溉设备上安装网络模块和水量控制模块，通过实验调节网络模块和水量控制模块的灵敏度；

步骤四、构建无线网络传输及监控系统

建立硬件平台,包括交换机、磁盘阵列、防火墙、服务器、协调器、路由和终端，为土壤信号采集系统、云计算服务系统和灌溉系统之间的网络通信。

本发明的有益效果：(1)采用全自动化操作系统，由系统自动定位并设计无人机的运行轨迹，采集土壤反射信号，代替传统手持式人工监测方式，有效的解决了对人力资源的大量需求。

(2)云计算服务系统可以自动控制无人机的飞行轨迹和高度，从而可以有效解决中小尺度土地遥感影像低分辨率的问题。

(3)无人机起飞受时间和空间限制较小，数据采集方便快捷，可以有效地缩短监测周期，达到全天时全天候的高精度监测。

附图说明

图1为本发明北斗无人机的智能灌溉节水系统布置示意图；

图2为本实施例中监测点的分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种基于北斗卫星系统的无人机智能节水灌溉系统，包括：

土壤信号采集系统，利用搭载北斗导航系统的无人机接收来自土壤的反射信号和定位；土壤信号采集系统由无人机和其上搭载的双天线系统、供电装置和gnss主板组成；供电装置采用太阳能电池板和备用锂电池供电，双天线系统安装有两根同高度、不同朝向的天线，其中北斗直达信号接收机天线垂直朝上，内置的北斗/gps芯片，用于接收北斗卫星的高仰角卫星信号，采用自主定位模式完成定位；北斗反射信号接收机天线斜朝下45°，用来接收北斗卫星反射信号，信号经过北斗直达信号采集模块、北斗反射信号采集模块处理提取出仰角、方位角、信噪比和土壤反射信号，采集到的信号由gnss主板转换为二进制数据流，通过无线网络传输系统传输到云计算服务系统；

云计算服务系统，设计和控制无人机的航线并反演土壤反射信号得到土壤湿度，当土壤湿度低于设定值即开启灌溉系统；云计算服务系统包括算法模块、数据库模块以及网络通信模块；其中算法模块根据农田位置和数字高程等参数规划无人机飞行航线，向无人机传达指令，对土壤信号进行采集；根据土壤信号采集系统和gps分别所提供的土壤信号和定位信息，计算出土壤的位置，借助土壤微波辐射亮温正向模型对土壤湿度反演运算，结合作物和季节特点制定灌溉方案，向灌溉设备发送指令；数据库模块用于存储数据；网络通信模块用于发送指令和接收数据；

灌溉系统，用于接收云计算服务系统的灌溉指令，对土壤进行定量精确灌溉；灌溉系统包括网络模块、水量控制模块；其中，所述的网络模块用于灌溉系统与云计算服务系统之间的信息透传以及向水量控制模块发送指令；所述的水量控制模块用于接收网络模块发送的指令，控制喷头出水量；

无线网络传输及监控系统：用于土壤信号采集系统、灌溉系统与云计算服务系统之间的数据传输和信息传递以及农田的实时监控；无线网络传输及监控系统包括:zigbee网络模块、gprs模块；其中，所述的zigbee网络模块用于土壤信号采集系统、灌溉系统与云计算服务系统之间的信息透传；所述的gprs模块用于农田的实时监控和系统之间辅助信息传递。

上述基于北斗卫星系统的无人机智能节水灌溉系统的构建方法，包括以下步骤：

步骤一:构建土壤信号采集系统

选定一监测区，在监测区为农田，通过地面测量获取dem数据。云计算服务系统根据数字高程等数据规划无人机飞行航线，控制无人机进行飞行试验和信号采集，查看数据采集情况，反复调整天线角度和航迹规划算法，提高数据采集精度，使无人机扫描达到最佳状态。

步骤二:建立云计算服务系统

在农田设置监测点，借助电阻式土壤湿度测定仪测定土壤湿度如图2所示。云计算服务系统根据土壤信号采集系统所提供的土壤信号和定位信息，计算出土壤的位置，并借助土壤微波辐射亮温正向模型对土壤湿度进行反演运算，与实际土壤湿度数据进行精度比较，修改算法，提高精度，制定合理的灌溉方案。

步骤三:建立灌溉系统

灌溉设备上安装网络模块和水量控制模块，接收云计算服务系统的指令，控制喷灌装置用水量，实现智能节水灌溉，灌溉后，借助电阻式土壤湿度测定仪测定监测点的土壤湿度，与作物实际需要的土壤水分数据进行比较，调节水量控制模块的灵敏度和精度。

步骤四:构建无线网络传输及监控系统

无线网络传输系统是北斗无人机的智能灌溉节水系统的核心枢纽,主要有无线、有线或专用网络的形式。建立硬件平台，包括交换机、磁盘阵列、防火墙、服务器、协调器、路由和终端，构建土壤信号采集系统、云计算服务系统和灌溉系统之间的网络通信。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。