基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準灌溉系統(tǒng)

(19)國家知識產(chǎn)權(quán)局

(12)發(fā)明專利申請

(10)申請公布號

CN 115104516 A

(43)申請公布日

2022.09.27

(21)申請?zhí)?/span> 2.1

(22)申請日 2022.04.15

(71)申請人 甘肅省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與信息

研究所

地址 730070 甘肅省蘭州市安寧區(qū)農(nóng)科院

新村1號

(72)發(fā)明人 劉強德 白玉龍 秦春林 王志偉

陳文杰 楊城 馬海霞

(74)專利代理機構(gòu) 蘭州錦知源專利代理事務所

(普通合伙) 62204

專利代理師 杜文化

(51)Int.Cl.

A01G25/16

(2006.01)

H04W4/02

(2018.01)

H04W4/38

(2018.01)

權(quán)利要求書1頁 說明書4頁 附圖2頁

(54)發(fā)明名稱

基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準灌溉系統(tǒng)

(57)摘要

本發(fā)明提供基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準灌

溉系統(tǒng)，涉及灌溉領(lǐng)域。該基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

的精準灌溉系統(tǒng)，包括應用層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和

感知層，所述感知層包括傳感通信模塊、微控制

器、GPS定位模塊和NB?IoT通信模塊，所述微控制

器與傳感通信模塊、GPS定位模塊和NB?IoT通信

模塊之間相連，所述感知層與灌溉管路內(nèi)的電磁

閥相連；所述微控制器是整個感知層的運算中心

用于信息處理以及與NB?IoT通信模塊數(shù)據(jù)交互。

通過綜合運用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動互聯(lián)技術(shù)、

云服務、GPS定位等信息化手段，本精準灌溉系統(tǒng)

實現(xiàn)農(nóng)田灌溉的自動化、智能化，通過手機端對

農(nóng)田灌溉數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，對農(nóng)田灌溉設(shè)施進

行遠程控制，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率。

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權(quán) 利 要 求 書

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1.基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準灌溉系統(tǒng)，包括應用層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和感知層，其特

征在于：

所述感知層包括傳感通信模塊、微控制器、GPS定位模塊和NB?IoT通信模塊，所述微控

制器與傳感通信模塊、GPS定位模塊和NB?IoT通信模塊之間相連，所述感知層與灌溉管路內(nèi)

的電磁閥相連；

所述微控制器是整個感知層的運算中心用于信息處理以及與NB?IoT通信模塊數(shù)據(jù)交

互，所述微控制器用于傳感通信模塊中傳感信息數(shù)據(jù)讀取、處理和功耗控制；

所述傳感通信模塊能夠根據(jù)不同的應用場景添加不同的土壤傳感器或者控制模塊用

于采集土壤的傳感信息，在所述基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準灌溉系統(tǒng)中所述傳感通信模塊

用于測量土壤水分監(jiān)測點的水分信息，所述水分信息為測量的土壤的電導率；

所述GPS定位模塊用于提供各土壤水分監(jiān)測點的精準經(jīng)緯度信息；

所述NB?IoT通信模塊為感知層的核心通信部分用于信息的調(diào)制解調(diào)及與網(wǎng)關(guān)間的上

下行信息傳輸。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準灌溉系統(tǒng)，其特征在于：所述感知

層還包括供電控制模塊和狀態(tài)檢測模塊，所述供電控制模塊和狀態(tài)檢測模塊均與微控制器

相連，所述供電控制模塊包括鋰電池和穩(wěn)壓模塊，所述鋰電池用于為感知層中各系統(tǒng)模塊

供電，所述穩(wěn)壓模塊用于將鋰電池電壓穩(wěn)定至其他模塊需求電壓，所述狀態(tài)檢測模塊用于

采集傳感通信模塊和微控制器的狀態(tài)信息。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準灌溉系統(tǒng)，其特征在于：所述傳輸

層為NB電信運營商建立的通信基站與網(wǎng)關(guān)，該所述的通信基站與網(wǎng)關(guān)滿足NB?IoT通信條

件，所述傳輸層用于感知層數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準灌溉系統(tǒng)，其特征在于：所述網(wǎng)絡(luò)

層包括騰訊云平臺數(shù)據(jù)庫，在所述基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準灌溉系統(tǒng)中所述騰訊云平臺

數(shù)據(jù)庫為騰訊云數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建的MySQL數(shù)據(jù)庫；

所述感知層接收到各土壤傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)報文并進行解析、重新組幀后，利用NB?

IoT通信模塊及傳輸層的通信基站與網(wǎng)關(guān)通過NB?IoT通信與騰訊云平臺數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)通信，

其中數(shù)據(jù)接口MQTT接口，NB電信運營商網(wǎng)關(guān)接收到感知層發(fā)送的MQTT數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)推

送到騰訊云平臺，云平臺接收解析后再將各測試變量值寫入數(shù)據(jù)庫中。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準灌溉系統(tǒng)，其特征在于：所述應用

層包括移動終端，所述移動終端與騰訊云平臺數(shù)據(jù)庫相連，所述移動終端包括但不限于手

機和平板電腦，用戶通過所述移動終端能夠從云端MySQL數(shù)據(jù)庫中讀取采集到的數(shù)據(jù)，該數(shù)

據(jù)包括檢測數(shù)據(jù)、灌溉數(shù)據(jù)、用水量等信息，以進行實時顯示和歷史數(shù)據(jù)分析。

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說 明 書

基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準灌溉系統(tǒng)

1/4頁

技術(shù)領(lǐng)域

[0001]

本發(fā)明涉及灌溉技術(shù)領(lǐng)域，具體為基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準灌溉系統(tǒng)。

背景技術(shù)

[0002]

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準灌溉技術(shù)，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要技術(shù)和發(fā)展方向，當前物聯(lián)

網(wǎng)行業(yè)應用較廣泛的通信技術(shù)主要有WIFI、Bluetooth、RFID、ZigBee、GPRS、4G、LoRa、NB?

IoT等，但是這些通信技術(shù)都有自身的限制，如WIFI、RFID這類短距通訊技術(shù)功耗很低，但是

通信距離短；GPRS技術(shù)存在數(shù)據(jù)丟包、信號不穩(wěn)定、基站容量小和電池續(xù)航不足等問題；4G

面對廣通訊距離較遠、單基站覆蓋范圍可達幾公里，但通訊模組功耗較高且通訊成本較高，

闊的農(nóng)田，使用傳統(tǒng)通信方式的精準灌溉無法滿足需求。

[0003]

故而為解決上述問題，本申請中選用的是基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（NB?IoT），

該技術(shù)相對于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有廣覆蓋、大連接、低功耗、穩(wěn)定可靠、低成本、高安全性

等優(yōu)勢，從而實現(xiàn)對灌溉系統(tǒng)的智能控制，實現(xiàn)對農(nóng)作物及時、適量灌溉，從而提高作物的

產(chǎn)量和水資源的利用效率，同時又能減少勞動力投入，使農(nóng)田灌溉更加智能、高效。

發(fā)明內(nèi)容

[0004]

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準灌溉系統(tǒng)，解決

了以往物聯(lián)網(wǎng)灌溉系統(tǒng)中功耗高、連接不穩(wěn)定導致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率低的問題。

[0005]

為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精

準灌溉系統(tǒng)，包括應用層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和感知層，

所述感知層包括傳感通信模塊、微控制器、GPS定位模塊和NB?IoT通信模塊，所述

微控制器與傳感通信模塊、GPS定位模塊和NB?IoT通信模塊之間相連，所述感知層與灌溉管

路內(nèi)的電磁閥相連；

所述微控制器是整個感知層的運算中心用于信息處理以及與NB?IoT通信模塊數(shù)

據(jù)交互，所述微控制器用于傳感通信模塊中傳感信息數(shù)據(jù)讀取、處理和功耗控制；

所述傳感通信模塊能夠根據(jù)不同的應用場景添加不同的土壤傳感器或者控制模

塊用于采集土壤的傳感信息，在所述基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準灌溉系統(tǒng)中所述傳感通信

模塊用于測量土壤水分監(jiān)測點的水分信息，所述水分信息為測量的土壤的電導率；

所述GPS定位模塊用于提供各土壤水分監(jiān)測點的精準經(jīng)緯度信息；

所述NB?IoT通信模塊為感知層的核心通信部分用于信息的調(diào)制解調(diào)及與網(wǎng)關(guān)間

的上下行信息傳輸。

[0006]

優(yōu)選的，所述感知層還包括供電控制模塊和狀態(tài)檢測模塊，所述供電控制模塊和

狀態(tài)檢測模塊均與微控制器相連，所述供電控制模塊包括鋰電池和穩(wěn)壓模塊，所述鋰電池

用于為感知層中各系統(tǒng)模塊供電，所述穩(wěn)壓模塊用于將鋰電池電壓穩(wěn)定至其他模塊需求電

壓，所述狀態(tài)檢測模塊用于采集傳感通信模塊和微控制器的狀態(tài)信息。

[0007]

優(yōu)選的，所述傳輸層為NB電信運營商建立的通信基站與網(wǎng)關(guān)，該所述的通信基站

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說 明 書

2/4頁

與網(wǎng)關(guān)滿足NB?IoT通信條件，所述傳輸層用于感知層數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

[0008]

優(yōu)選的，所述網(wǎng)絡(luò)層包括騰訊云平臺數(shù)據(jù)庫，在所述基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準

灌溉系統(tǒng)中所述騰訊云平臺數(shù)據(jù)庫為騰訊云數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建的MySQL數(shù)據(jù)庫；

所述感知層接收到各土壤傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)報文并進行解析、重新組幀后，利用

NB?IoT通信模塊及傳輸層的通信基站與網(wǎng)關(guān)通過NB?IoT通信與騰訊云平臺數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)通

信，其中數(shù)據(jù)接口MQTT接口，NB電信運營商網(wǎng)關(guān)接收到感知層發(fā)送的MQTT數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)

推送到騰訊云平臺，云平臺接收解析后再將各測試變量值寫入數(shù)據(jù)庫中。

[0009]

優(yōu)選的，所述應用層包括移動終端，所述移動終端與騰訊云平臺數(shù)據(jù)庫相連，所述

移動終端包括但不限于手機和平板電腦，用戶通過所述移動終端能夠從云端MySQL數(shù)據(jù)庫

中讀取采集到的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)包括檢測數(shù)據(jù)、灌溉數(shù)據(jù)、用水量等信息，以進行實時顯示和

歷史數(shù)據(jù)分析。

[0010]

本發(fā)明提供了基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準灌溉系統(tǒng)。具備以下有益效果：

云服務、GPS定位等信息1、本發(fā)明通過綜合運用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動互聯(lián)技術(shù)、

化手段，實現(xiàn)農(nóng)田灌溉的自動化、智能化，通過手機端對農(nóng)田灌溉數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，對農(nóng)

田灌溉設(shè)施進行遠程控制，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率。

[0011]

2、本發(fā)明通過基于NB?IoT物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，建立了農(nóng)田精準灌溉系統(tǒng)，對集成NB?

IoT通信模塊的感知層進行了軟硬件設(shè)計，通過MQTT協(xié)議實現(xiàn)了感知層與騰訊云平臺之間

的數(shù)據(jù)通信，創(chuàng)建SQL數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)測存儲管理。

[0012]

3、本發(fā)明通過將項目緊扣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際需求，基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立精準灌溉

系統(tǒng)的總體設(shè)計，按照物聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)體系對本系統(tǒng)分層設(shè)計和模塊化開發(fā)，應用靈活、適

應性強。

附圖說明

[0013]

圖1為本發(fā)明的物聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。

具體實施方式

[0014]

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完

整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于

本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他

實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

[0015]

實施例：

如圖1?2所示，本發(fā)明實施例提供基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準灌溉系統(tǒng)，包括應用

層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和感知層，

感知層包括傳感通信模塊、微控制器、GPS定位模塊和NB?IoT通信模塊，微控制器

與傳感通信模塊、GPS定位模塊和NB?IoT通信模塊之間相連，感知層與灌溉管路內(nèi)的電磁閥

相連；

微控制器是整個感知層的運算中心用于信息處理以及與NB?IoT通信模塊數(shù)據(jù)交

互，微控制器用于傳感通信模塊中傳感信息數(shù)據(jù)讀取、處理和功耗控制；

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說 明 書

3/4頁

傳感通信模塊能夠根據(jù)不同的應用場景添加不同的土壤傳感器或者控制模塊用

于采集土壤的傳感信息，在基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準灌溉系統(tǒng)中傳感通信模塊用于測量

土壤水分監(jiān)測點的水分信息，水分信息為測量的土壤的電導率；

GPS定位模塊用于提供各土壤水分監(jiān)測點的精準經(jīng)緯度信息；

NB?IoT通信模塊為感知層的核心通信部分用于信息的調(diào)制解調(diào)及與網(wǎng)關(guān)間的上

下行信息傳輸。

[0016]

本實施例中，通信設(shè)備所消耗的電量一般只和傳輸速度大小、傳輸數(shù)據(jù)包的大小

有關(guān)，也就是在單位時間發(fā)出和接受數(shù)據(jù)包的多少決定了用電量的多少，NB?IoT技術(shù)主要

就是應用在速率慢、數(shù)據(jù)量小的系統(tǒng)中，所以窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗是很小的，兩節(jié)5號電

池即可保障設(shè)備8?10年續(xù)航，滿足農(nóng)田在偏遠地區(qū)無人看守或不能及時更換電池的場景。

[0017]

感知層還包括供電控制模塊和狀態(tài)檢測模塊，供電控制模塊和狀態(tài)檢測模塊均與

微控制器相連，供電控制模塊包括鋰電池和穩(wěn)壓模塊，鋰電池用于為感知層中各系統(tǒng)模塊

供電，穩(wěn)壓模塊用于將鋰電池電壓穩(wěn)定至其他模塊需求電壓，狀態(tài)檢測模塊用于采集傳感

通信模塊和微控制器的狀態(tài)信息。

[0018]

傳輸層為NB電信運營商建立的通信基站與網(wǎng)關(guān)，該的通信基站與網(wǎng)關(guān)滿足NB?IoT

通信條件，傳輸層用于感知層數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

[0019]

本實施例中，NB?IoT節(jié)點網(wǎng)關(guān)的供電可根據(jù)農(nóng)田實際環(huán)境采用市電、蓄電池或光

伏板供電。

[0020]

網(wǎng)絡(luò)層包括騰訊云平臺數(shù)據(jù)庫，在基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準灌溉系統(tǒng)中騰訊云

平臺數(shù)據(jù)庫為騰訊云數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建的MySQL數(shù)據(jù)庫；

感知層接收到各土壤傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)報文并進行解析、重新組幀后，利用NB?

IoT通信模塊及傳輸層的通信基站與網(wǎng)關(guān)通過NB?IoT通信與騰訊云平臺數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)通信，

其中數(shù)據(jù)接口MQTT接口，NB電信運營商網(wǎng)關(guān)接收到感知層發(fā)送的MQTT數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)推

送到騰訊云平臺，云平臺接收解析后再將各測試變量值寫入數(shù)據(jù)庫中。

[0021]

本實施例中，在騰訊云平臺上建立與感知層通信參數(shù)一致的設(shè)備模型，設(shè)備模型

的建立完成后，可以建立該模型下的多個具體物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，騰訊云物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通信三要

素是產(chǎn)品名稱、ProductKey和DeviceSecret，騰訊云數(shù)據(jù)庫版包含MySQL，SQLServer，

PostgreSQL，PPAS和MariaDBTX，用戶可以根據(jù)需要創(chuàng)建出適合自己應用場景的數(shù)據(jù)庫實

例，在此所建立的系統(tǒng)即為在騰訊云數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建的MySQL實例。

[0022]

應用層包括移動終端，移動終端與騰訊云平臺數(shù)據(jù)庫相連，移動終端包括但不限

于手機和平板電腦，用戶通過移動終端能夠從云端MySQL數(shù)據(jù)庫中讀取采集到的數(shù)據(jù)，該數(shù)

據(jù)包括檢測數(shù)據(jù)、灌溉數(shù)據(jù)、用水量等信息，以進行實時顯示和歷史數(shù)據(jù)分析。

[0023]

本實施例中，手機端在界面設(shè)計上，有登錄界面，主界面、電磁閥控制界面，環(huán)境信

息監(jiān)控界面，設(shè)置界面等，當程序啟動時，先初始化設(shè)備信息，然后與遠程服務器端進行通

信，將服務器發(fā)來的數(shù)據(jù)包進行解析并獲得相關(guān)的環(huán)境信息與電磁閥狀態(tài)，并更新到界面

的相關(guān)位置上，若監(jiān)聽到界面有相關(guān)的響應事件如打開或關(guān)閉電磁閥，則手機端程序即可

發(fā)送相應的控制命令，實現(xiàn)遠程控制。

[0024]

本實施例中，本系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場需求每隔一段適當?shù)木嚯x布置相應的電磁閥和傳

感器，然后再通過感知層中NB?IoT終端節(jié)點對分布在現(xiàn)場的各個傳感器的參數(shù)及開關(guān)量模

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說 明 書

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塊的狀態(tài)信息進行采集與處理，然后通過NB?IoT通信模塊將信息通過以太網(wǎng)傳給服務器，

服務器對這些信息進行處理與儲存并選擇相應的灌溉方案，用戶也可以通過手機端對服務

器上的信息進行實時監(jiān)測，也可手動對現(xiàn)場的控制量進行相關(guān)的操作。

[0025]

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以

理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換

和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。

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說 明 書 附 圖

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圖1

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說 明 書 附 圖

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圖2

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