可视可对讲多模式灌溉控制系统及方法

1.种可视可对讲多模式灌溉控制系统，由操控客户端(101)、灌溉服务器(103)、视频服务器(106)、摄像机(107)、音频服务器(116)、对讲机(118)、节点控制器(110)、开关(121)、水泵(122)、电磁阀(123)及传感器(115)组成，其特征在于：系统由灌溉服务器(103)为中心构成，灌溉服务器(103)连接操控客户端(101)、视频服务器(106)、音频服务器(116)和节点控制器(110)；其中
视频服务器(106)连接摄像机，将摄像机传入的图像信号进行压缩编码，接收灌溉服务器(103)的调度指令，并将编码图像信息用流媒体传输协议经IP网络传输至操控客户端(101)；
音频服务器(116)连接对讲机，将对讲机音频输入信号进行压缩编码，对收到的音频输入信号进行解码输出，将编解码音频信息用流媒体传输协议经IP网络与操控客户端(101)交互，并管理对讲机(118)和操控客户端(101)的音频对讲过程；节点控制器(110)连接地温传感器、土壤湿度传感器、风速传感器、太阳辐射强度传感器、降雨量传感器，将获得的传感器数据传输给灌溉服务器(103)；操控客户端(101)，可显示可视化的灌溉操作控制界面，以及可供用户选择的控制模式，进行控制操作，可将客户的操作转化为操作控制命令，通过网络传输到灌溉服务器(103)，并能接收灌溉服务器(103)的返回信息，并在相应可视界面上显示灌溉系统的状态、显示计算机存储信息以及辅助决策信息、显示视频服务器(106)传来的地块图像信息，并通过其配备的对讲设备通过音频服务器(116)与对讲机进行对讲，其中可供用户选择的控制模式包括：
自动控制模式：系统可选择程序控制和人工智能两种方式，程序控制方式由人工输入灌溉的程序，系统根据程序对灌溉进行自动控制；人工智能方式下，系统根据实时采集到的环境信息、土地信息和植物生长信息，结合系统存储的经验数据，由决策支持软件进行基于计算机的智能决策，并自动控制灌溉系统进行灌溉；在此模式下，系统不接受来自外界的控制指令；人工干预模式：系统接受合法用户通过操控终端发出的控制指令，用户指令权限优于计算机系统的决策；
人工控制模式：在此模式下，灌溉系统的行为完全受人工控制，上述计算机的智能决策可显示在操控终端，供操控用户参考；
进一步的，灌溉服务器(103)所使用的灌溉服务器软件(205)采用开放式多层架构，包括表现层(206)、业务逻辑层(210)和媒体交换层(219)；其核心层为业务逻辑层(210)，用以处理各种灌溉相关过程和信息，其包括指令分析及模式控制(411)、中心处理(418)、用户管理(412)、前端设备管理(413)、田间静态信息管理(414)，以及视频音频处理(415)、实时信息处理(417)、灌溉控制(418)和决策支持(425)；其表现层(206)实现与操控客户端的接口，提供系统服务结果的展示；其媒体交换层(219)实现与视频服务器(222)、音频服务器(223)及节点控制器的接口，并负责各类信息的存储、传输、调度、协调。

可视可对讲多模式灌溉控制系统及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种灌溉控制系统和方法，特别是一种基于网络传输的可视、可对讲，可以自动控制、人工干预自动控制和人工控制多种模式控制的灌溉控制系统和方法。\n背景技术\n[0002] 灌溉系统广泛应用于农田、庭院、高尔夫球场等植物种植中，将现代技术应用于灌溉形成灌溉自动控制系统，可显著提高劳动生产率、降低劳动强度，实现节水灌溉。一般地，灌溉系统由水源、抽水设备及输水管(沟)网组成。现代灌溉系统中，广泛使用了水泵作为抽水设备，以封闭的输水管道代替了沟渠，以喷灌、微灌等设备代替了漫灌技术。这样，以水源、抽水设备、输水管道及最终浇水设备一起形成一套完整的灌溉系统。应用现代技术，以水泵、电磁阀、电机、流量传感器、旋转喷头等电气电子设备和基于计算机技术的控制设备组成了一个可远程控制的灌溉系统。\n[0003] 申请号为200910078125的中国发明专利“无线自动监测灌溉系统”公开了一种基于蜂窝式无线通讯网络的无线自动监测灌溉系统。专利号为US7403840的美国专利”IRRIGATIONCONTROL SYSTEM”公开了一种基于气象数据的灌溉控制系统和方法。所公开的远程操控相对于在现场操控有看不到现场情况的缺点，而发出指令后，灌溉系统的执行情况也不能立即很确切地反馈回来。申请号为200610028734的中国发明专利“基于计算机视觉的灌溉水车系统”公开了一种将计算机视觉应用于自动灌溉水车上的系统。该系统无论从原理还是实现都没有说明如何实现视频与控制是怎样有机融合的，并且该系统技术架构是基于单板机的系统，无法实现本发明所具有的开放性和扩展性。\n[0004] 国家农业信息化工程技术研究中心应用多种技术集成形成了“温室娃娃智能生产管理系统”，实现了在监测控制室对温室进行视频监控、音频对讲和基于无线传感器网的温室灌溉控制。但该系统是多个独立系统构成的，如：其视频及对讲功能是用现有视频监控系统，而灌溉控制系统是另外的系统，这样在系统功能的灵活性和可控性上无法实现有机结合。另外，其对讲功能也只能在固定终端上或只能单向广播，不能由现场人员在移动中进行对讲。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的是提供一种集视频监控、音频对讲和灌溉信息采集、灌溉控制为一体，能实时看到灌溉现场情况，进行可视化操作，可与现场操作人员实时对讲通话，可以自动控制、人工干预自动控制和人工控制多种模式工作的灌溉控制系统和方法。\n[0006] 本发明的技术方案如下：\n[0007] 本发明所述集视频监控、音频对讲和灌溉信息采集、灌溉控制为一体，能实时看到灌溉现场情况，进行可视化操作，可与现场操作人员实时对讲通话，并可以全自动控制、人工干预自动控制、人工控制多种模式工作的灌溉控制系统由操控客户端101、灌溉服务器103、视频服务器106、摄像机107、音频服务器116、对讲机118、节点控制器110、继电器\n121、水泵122、电磁阀123及传感器115组成。操控客户端101连接到灌溉服务器103；视频服务器106、音频服务器116、节点控制器110与灌溉服务器103相连；视频服务器106连接摄像机107；音频服务器116连接对讲机118；节点控制器110连继电器121、水泵122和电磁阀123和各类传感器115。\n[0008] 其中操控客户端101实现一个可视化的灌溉操作控制界面，可供用户选择控制模式，进行控制操作，可将客户的操作转化为操作控制命令，通过网络传输到灌溉服务器103，并能接收灌溉服务器的返回信息，并在相应可视界面上显示灌溉系统的状态、显示计算机存储信息以及辅助决策信息、显示视频服务器传来的地块图像信息，并可通过其配备的对讲设备(如耳麦)通过音频服务器与对讲机进行对讲。\n[0009] 其中灌溉服务器103为系统的核心部分，它连接视频服务器106、音频服务器116、节点控制器110及112，并通过这些设备实现对整个系统设备和信息的控制和调度使用，实现集视频音频一体、多种模式的灌溉控制。其硬件可以是但不限于标准的服务器或PC机以及有足够处理能力的类似设备。\n[0010] 其中视频服务器106将摄像机传入的图像信号进行压缩编码，接收灌溉服务器的调度指令，并将编码图像信息用流媒体传输协议经IP网络传输至操控客户端。\n[0011] 其中音频服务器116将对讲机音频输入信号进行压缩编码，对收到的音频输入信号进行解码输出，将编解码音频信息用流媒体传输协议经IP网络与操控客户端交互，并管理对讲机和操控客户端的音频对讲过程。\n[0012] 其中节点控制器110根据灌溉服务器的指令，对灌溉系统的继电器、水泵、电磁阀进行控制；节点控制器110还接收传感器传来的各类信息，如地温、土壤湿度、风速、太阳辐射强度、降雨量等数据，以及灌溉设备运转情况等，并在适当时候传输给灌溉服务器。\n[0013] 其中三种控制模式的功能定义为：\n[0014] 自动控制模式：系统可选择程序控制和人工智能两种方式。程序控制方式由人工输入灌溉的程序，系统根据程序对灌溉进行自动控制；人工智能方式下，系统根据实时数据采集到的环境信息、土地信息和植物生长信息，结合系统存储的经验数据，由决策支持软件\n425进行基于计算机的智能决策，并自动控制灌溉系统进行灌溉。在此模式下，系统不接受来自外界的控制指令。\n[0015] 人工干预模式：基本功能基于自动控制模式，区别只在于，在此模式下，系统可接受合法用户通过操控终端发出的控制指令，用户指令权限优于计算机系统的决策。\n[0016] 人工控制模式：在此模式下，灌溉系统的行为完全受人工控制，上述计算机智能的决策信息可显示在操控终端，共操控用户参考。\n[0017] 系统的软件架构图如附图2。\n[0018] 操控客户端203、204有客户端软件201和浏览器202两种形式。\n[0019] 灌溉服务器软件205采用开放式多层架构，包括表现层206、业务逻辑层210和媒体交换层219。表现层206实现与操控客户端的接口，提供系统服务结果的展示；业务逻辑层210处理各种灌溉相关过程和信息，为该系统软件的核心部分，它负责对整个系统设备和信息的控制和调度使用，实现集视频音频一体、多种模式的灌溉控制，如附图14所示，其构成为：指令分析及模式控制411、中心处理418、用户管理412、前端设备管理413、田间静态信息管理414，以及视频音频处理415、实时信息处理417、灌溉控制418和决策支持425等模块；媒体交换层219实现与视频服务器222、音频服务器223及节点控制器224、225的接口，并负责各类信息的存储、传输、调度、协调。\n[0020] 视频服务器222、音频服务器223、节点控制器224、225分别通过其软件接口与灌溉服务器接入适配层221接口。\n[0021] 视频服务器222、音频服务器223及节点控制器224、225的软件由驱动接口层、嵌入式操作系统层和嵌入式中间件层和应用软件层构成。\n[0022] 本发明的灌溉控制图形用户界面1301包括：模式选择1302、灌溉控制1303、视频监控1304、对讲1305、信息显示1306、报警显示1307及系统状态1308等七个显示区，可将灌溉控制所需的操作和信息完整地呈现在一个操作界面上。\n[0023] 本发明还包括基于上述集视频监控、音频对讲和灌溉信息采集、灌溉控制为一体，能实时看到灌溉现场情况，进行可视化操作，可与现场操作人员实时对讲通话，并可以全自动、人工干预、全人工控制多种模式工作的灌溉控制方法。\n[0024] 系统使用步骤：\n[0025] 一、对系统进行初始化配置。步骤如下：\n[0026] (一)将土地划分为不同的灌溉单元，分别命名，如：“灌溉单元1”、“灌溉单元2”、“灌溉单元2”……“灌溉单元n”。\n[0027] (二)在系统中添加(1)地块及地块信息；(2)灌溉设备，包括电源、水泵、电磁阀、返回状态等；(3)实时采样设备，包括：地温传感器、土壤湿度传感器、雨量传感器、露点传感器、辐射强度传感器、氮磷钾含量传感器等；(4)视频音频设备，包括：摄像头、对讲机等；\n(5)报警信息，包括：设备过热、过雨量、湿度过低、温度过低、风力过大、设备故障等；(6)初始种植信息表，包括：所种作物品种以及与所种作物有关的知识信息、种子情况等。\n[0028] (三)完成表1“灌溉设备配置表”、表2“实时采样设备配置表”、表3“视频音频设备配置表”、表4“报警设备及信息配置表”以及表5“种植信息配置表”。\n[0029] 二、日常操作控制。步骤如下：\n[0030] (一)启动操控终端，执行“灌溉控制系统”软件，注册用户；\n[0031] (二)在操作控制界面选定操控模式，从如下几种中选择：自动、人工干预和全人工。\n[0032] (三)选择要控制灌溉的地块。\n[0033] (四)根据需要进行视频监控、对讲以及灌溉、故障处理等设备控制操作。\n[0034] 本发明相对其他灌溉控制系统，将灌溉目标现场的各类信息包括图像和音频信息有机地结合起来，成为一个完整的灌溉信息系统。使用本系统时，现场图像、对讲控制、灌溉目标数据信息、控制操作界面和控制结果都可显示在同一个界面，提供了前所未有的系统功能和用户体验，使得系统的易用性和可用性都得到较大提高。针对不同的地块及现场情况，可自由选择全自动、人工干预、全人工控制多种模式工作。另一方面，系统采用多层开放式架构，使得系统在扩展性和稳定性方面独具优势，为更进一步将系统提升为大型服务平台奠定了基础。\n附图说明\n[0035] 附图1是可视灌溉控制系统的示意图。\n[0036] 附图2是系统软件架构。\n[0037] 附图3是一种实施例的系统结构图\n[0038] 附图4是实施例灌溉服务器软件架构\n[0039] 附图5是实施例节点控制器电路框图\n[0040] 附图6是实施例节点控制器软件构成\n[0041] 附图7是实施例视频服务器电路框图\n[0042] 附图8是实施例视频服务器软件构成\n[0043] 附图9是实施例音频服务器电路框图\n[0044] 附图10是实施例音频服务器软件构成\n[0045] 附图11是实施例无线对讲机电路框图\n[0046] 附图12是实施例无线对讲机软件构成\n[0047] 附图13是图形用户界面构成示意图\n[0048] 附图14是业务逻辑层软件构成\n[0049] 附图15是初始配置表\n[0050] 附图16是实施例图形用户界面示意图\n具体实施方式\n[0051] 下面是本发明的实施例，实施例仅用于理解本发明的一个实现实例，本发明的保护范围不仅限于此实施例，任何按照本发明原理实现的或稍加改进实现的实施都在本发明的保护范围。\n[0052] 如附图3所示为实施例的系统结构图。本实施例灌溉服务器303与客户端301通过路由器302与互联网304连接；灌溉服务器303通过IP局域网与视频服务器305、音频服务器306、节点服务器307和308连接。\n[0053] 示例中系统操控客户端301使用PC机，客户端软件使用普通PC版浏览器。\n[0054] 示例中灌溉服务器303硬件使用标准的服务器或PC机，其软件构成如附图4，其中：其表现层206为JavaEE服务器Web层，由浏览器接口407和表现层控件409组成，浏览器接口407为JSP页面、表现层控件409为Web控件；业务逻辑层210为JavaEE服务器企业Bean，由指令分析及模式控制411、中心处理模块418、决策支持425、用户管理412、前端设备管理413、田间静态信息管理414，以及视频音频处理415、灌溉控制416、实时信息处理\n417等模块组成；媒体交换层219由资源调度模块420、Google MAP API接口423、数据库\n422、SIP协议424和接入适配层421组成。\n[0055] 示例中节点控制器307、308与电磁阀311、水泵312、继电器313、传感器314、315、\n316、317通过ZIGBEE无线网也可通过RS485串口连接。节点控制器307、308硬件采用32位嵌入式系统，其硬件构成如图5。其核心MCU503为32位RISC芯片，如ARM、MIPS等芯片，MCU503通过地址逻辑电路506扩展存储器RAM504和FlashROM505；MCU503通过RS232串口连接RS485模块511和RJ11接口512扩展出RS485通讯功能；通过EthnetPHY508和RJ45接口509扩展以太网接口；通过RS232串口连接ZIGBEE模块502和ZIGBEE天线501实现ZIGBEE通讯。\n[0056] 示例中节点控制器307、308的软件系统构成如图6。由接口及驱动层601、嵌入式操作系统602、嵌入式中间件603及应用软件604组成。其中接口及驱动层由存储驱动611、串口驱动610、Ethnet驱动609及ZIGBEE接口612组成，实现底层硬件与嵌入式操作系统的连接；嵌入式操作系统选用嵌入式Linux；嵌入式中间件选用J2ME；应用软件由与灌溉服务器接口模块605、节点控制模块606、灌溉控制模块607和传感信息接收处理模块608组成。\n[0057] 示例中视频服务器305通过以太或无线IP网(如Wi-Fi)连接到灌溉服务器，同时通过视频接口接摄像机。其硬件系统构成如附图7。其核心MCU703为32位RISC芯片，如ARM、MIPS等芯片，MCU503通过地址逻辑电路706扩展存储器RAM704和FlashROM705；\nMCU503通过RS232串口连接RS485模块711和RJ11接口712扩展出RS485通讯功能，用以对云台和镜头进行控制；通过EthnetPHY708和RJ45接口709是实现以太网接口；通过Wi-Fi模块715和Wi-Fi天线716实现无线IP网接口；视频编码芯片连接MCU702和视频接口701，通过视频接口701连接外接的摄像机。\n[0058] 示例中的视频服务器305的软件系统构成如图8。由接口及驱动层801、嵌入式操作系统802、嵌入式中间件803及应用软件804组成。其中接口及驱动层由存储驱动807、串口驱动806、Ethnet驱动805及视频编码驱动812、Wi-Fi驱动813组成，实现底层硬件与嵌入式操作系统的连接；嵌入式操作802系统选用嵌入式Linux；嵌入式中间件803选用J2ME；应用软件804由与灌溉服务器接口模块808、视频服务模块809、云台/镜头控制模块\n810和呼叫/传输模块811组成。\n[0059] 示例中音频服务器306通过IP网连接到灌溉服务器303，同时通过ZIGBEE网连接无线对讲机310。其硬件系统构成如附图9。其核心MCU903为32位RISC芯片，如ARM、MIPS等芯片，MCU903通过地址逻辑电路906扩展存储器RAM904和FlashROM905；通过EthnetPHY907和RJ45接口908扩展以太网接口；ZIGBEE模块902连接ZIGBEE天线901，并通过RS232串口连接MCU903。\n[0060] 示例中的音频服务器306的软件系统构成如图10。由接口及驱动层1001、嵌入式操作系统1002、嵌入式中间件1003及应用软件1004组成。其中接口及驱动层1001由存储驱动1007、串口驱动1006、Ethnet驱动1005及ZIGBEE接口1012组成，实现底层硬件与嵌入式操作系统1002的连接；嵌入式操作系统1002选用嵌入式Linux；嵌入式中间件1003选用J2ME；应用软件1004由与灌溉服务器接口模块1008、音频服务模块1009和呼叫/传输模块1011组成。\n[0061] 示例中无线对讲机311通过ZIGBEE网与音频服务器连接306。其硬件系统构成如附图11。其核心MCU1103为32位RISC芯片，如ARM、MIPS等芯片，MCU1103通过地址逻辑电路1106扩展存储器RAM1104和FlashROM1105；音频编解码芯片1107连接MCU1103，同时连接麦克MIC1109、喇叭SPK1108；ZIGBEE模块1102连接ZIGBEE天线1101，并通过RS232串口连接MCU1103；键盘1114通过键盘扩展电路1113连接MCU11；LCD显示器1112通过LCD驱动芯片连接MCU1103。\n[0062] 示例中无线对讲机311的软件系统构成如图12。由接口及驱动层1201、嵌入式操作系统1202、嵌入式中间件1203及应用软件1204组成。其中接口及驱动层1201由存储驱动1205、串口驱动1206、键盘驱动1207、显示驱动1208及音频编解码驱动1209、ZIGBEE接口1010组成，实现底层硬件与嵌入式操作系统1202的连接；嵌入式操作系统1202选用嵌入式Linux；嵌入式中间件1203选用J2ME；应用软件1204由用户接口1212和呼叫/传输模块1011组成。\n[0063] 附图16为实施例的灌溉控制功能图形用户界面示意图。灌溉控制界面1601包括：\n模式选择1603、灌溉控制1604、视频监控1602、对讲1610、信息显示1614、报警显示1615及系统状态1616等七个显示区。其中灌溉控制区1604包括控制对象选择1605、状态显示\n1607、灌溉单元地图1606；视频监控1602包括图像显示区1617、控制操作区1608和设备状态显示1609；对讲1610包括对象选择1611、操作1612和状态区1613。从本例图可见，本发明将灌溉控制所需的操作和信息完整地呈现在一个操作界面上。