基于窄带物联网技术的精准灌溉系统

(19)国家知识产权局

(12)发明专利申请

(10)申请公布号

CN 115104516 A

(43)申请公布日

2022.09.27

(21)申请号 2.1

(22)申请日 2022.04.15

(71)申请人 甘肃省农业科学院农业经济与信息

研究所

地址 730070 甘肃省兰州市安宁区农科院

新村1号

(72)发明人 刘强德 白玉龙 秦春林 王志伟

陈文杰 杨城 马海霞

(74)专利代理机构 兰州锦知源专利代理事务所

(普通合伙) 62204

专利代理师 杜文化

(51)Int.Cl.

A01G25/16

(2006.01)

H04W4/02

(2018.01)

H04W4/38

(2018.01)

权利要求书1页 说明书4页 附图2页

(54)发明名称

基于窄带物联网技术的精准灌溉系统

(57)摘要

本发明提供基于窄带物联网技术的精准灌

溉系统，涉及灌溉领域。该基于窄带物联网技术

的精准灌溉系统，包括应用层、网络层、传输层和

感知层，所述感知层包括传感通信模块、微控制

器、GPS定位模块和NB‑IoT通信模块，所述微控制

器与传感通信模块、GPS定位模块和NB‑IoT通信

模块之间相连，所述感知层与灌溉管路内的电磁

阀相连；所述微控制器是整个感知层的运算中心

用于信息处理以及与NB‑IoT通信模块数据交互。

通过综合运用窄带物联网技术、移动互联技术、

云服务、GPS定位等信息化手段，本精准灌溉系统

实现农田灌溉的自动化、智能化，通过手机端对

农田灌溉数据进行实时监测，对农田灌溉设施进

行远程控制，提高了农业生产的效率。

C

N

1

1

5

1

0

4

5

1

6

A

CN 115104516 A

权 利 要 求 书

1/1页

1.基于窄带物联网技术的精准灌溉系统，包括应用层、网络层、传输层和感知层，其特

征在于：

所述感知层包括传感通信模块、微控制器、GPS定位模块和NB‑IoT通信模块，所述微控

制器与传感通信模块、GPS定位模块和NB‑IoT通信模块之间相连，所述感知层与灌溉管路内

的电磁阀相连；

所述微控制器是整个感知层的运算中心用于信息处理以及与NB‑IoT通信模块数据交

互，所述微控制器用于传感通信模块中传感信息数据读取、处理和功耗控制；

所述传感通信模块能够根据不同的应用场景添加不同的土壤传感器或者控制模块用

于采集土壤的传感信息，在所述基于窄带物联网技术的精准灌溉系统中所述传感通信模块

用于测量土壤水分监测点的水分信息，所述水分信息为测量的土壤的电导率；

所述GPS定位模块用于提供各土壤水分监测点的精准经纬度信息；

所述NB‑IoT通信模块为感知层的核心通信部分用于信息的调制解调及与网关间的上

下行信息传输。

2.根据权利要求1所述的基于窄带物联网技术的精准灌溉系统，其特征在于：所述感知

层还包括供电控制模块和状态检测模块，所述供电控制模块和状态检测模块均与微控制器

相连，所述供电控制模块包括锂电池和稳压模块，所述锂电池用于为感知层中各系统模块

供电，所述稳压模块用于将锂电池电压稳定至其他模块需求电压，所述状态检测模块用于

采集传感通信模块和微控制器的状态信息。

3.根据权利要求1所述的基于窄带物联网技术的精准灌溉系统，其特征在于：所述传输

层为NB电信运营商建立的通信基站与网关，该所述的通信基站与网关满足NB‑IoT通信条

件，所述传输层用于感知层数据的转发。

4.根据权利要求1所述的基于窄带物联网技术的精准灌溉系统，其特征在于：所述网络

层包括腾讯云平台数据库，在所述基于窄带物联网技术的精准灌溉系统中所述腾讯云平台

数据库为腾讯云数据库创建的MySQL数据库；

所述感知层接收到各土壤传感器发送的数据报文并进行解析、重新组帧后，利用NB‑

IoT通信模块及传输层的通信基站与网关通过NB‑IoT通信与腾讯云平台数据库实现通信，

其中数据接口MQTT接口，NB电信运营商网关接收到感知层发送的MQTT数据包后，将数据推

送到腾讯云平台，云平台接收解析后再将各测试变量值写入数据库中。

5.根据权利要求1所述的基于窄带物联网技术的精准灌溉系统，其特征在于：所述应用

层包括移动终端，所述移动终端与腾讯云平台数据库相连，所述移动终端包括但不限于手

机和平板电脑，用户通过所述移动终端能够从云端MySQL数据库中读取采集到的数据，该数

据包括检测数据、灌溉数据、用水量等信息，以进行实时显示和历史数据分析。

2

CN 115104516 A

说 明 书

基于窄带物联网技术的精准灌溉系统

1/4页

技术领域

[0001]

本发明涉及灌溉技术领域，具体为基于窄带物联网技术的精准灌溉系统。

背景技术

[0002]

基于物联网技术的精准灌溉技术，是现代农业的重要技术和发展方向，当前物联

网行业应用较广泛的通信技术主要有WIFI、Bluetooth、RFID、ZigBee、GPRS、4G、LoRa、NB‑

IoT等，但是这些通信技术都有自身的限制，如WIFI、RFID这类短距通讯技术功耗很低，但是

通信距离短；GPRS技术存在数据丢包、信号不稳定、基站容量小和电池续航不足等问题；4G

面对广通讯距离较远、单基站覆盖范围可达几公里，但通讯模组功耗较高且通讯成本较高，

阔的农田，使用传统通信方式的精准灌溉无法满足需求。

[0003]

故而为解决上述问题，本申请中选用的是基于蜂窝的窄带物联网技术（NB‑IoT），

该技术相对于传统物联网技术，具有广覆盖、大连接、低功耗、稳定可靠、低成本、高安全性

等优势，从而实现对灌溉系统的智能控制，实现对农作物及时、适量灌溉，从而提高作物的

产量和水资源的利用效率，同时又能减少劳动力投入，使农田灌溉更加智能、高效。

发明内容

[0004]

针对现有技术的不足，本发明提供了基于窄带物联网技术的精准灌溉系统，解决

了以往物联网灌溉系统中功耗高、连接不稳定导致农业生产效率低的问题。

[0005]

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于窄带物联网技术的精

准灌溉系统，包括应用层、网络层、传输层和感知层，

所述感知层包括传感通信模块、微控制器、GPS定位模块和NB‑IoT通信模块，所述

微控制器与传感通信模块、GPS定位模块和NB‑IoT通信模块之间相连，所述感知层与灌溉管

路内的电磁阀相连；

所述微控制器是整个感知层的运算中心用于信息处理以及与NB‑IoT通信模块数

据交互，所述微控制器用于传感通信模块中传感信息数据读取、处理和功耗控制；

所述传感通信模块能够根据不同的应用场景添加不同的土壤传感器或者控制模

块用于采集土壤的传感信息，在所述基于窄带物联网技术的精准灌溉系统中所述传感通信

模块用于测量土壤水分监测点的水分信息，所述水分信息为测量的土壤的电导率；

所述GPS定位模块用于提供各土壤水分监测点的精准经纬度信息；

所述NB‑IoT通信模块为感知层的核心通信部分用于信息的调制解调及与网关间

的上下行信息传输。

[0006]

优选的，所述感知层还包括供电控制模块和状态检测模块，所述供电控制模块和

状态检测模块均与微控制器相连，所述供电控制模块包括锂电池和稳压模块，所述锂电池

用于为感知层中各系统模块供电，所述稳压模块用于将锂电池电压稳定至其他模块需求电

压，所述状态检测模块用于采集传感通信模块和微控制器的状态信息。

[0007]

优选的，所述传输层为NB电信运营商建立的通信基站与网关，该所述的通信基站

3

CN 115104516 A

说 明 书

2/4页

与网关满足NB‑IoT通信条件，所述传输层用于感知层数据的转发。

[0008]

优选的，所述网络层包括腾讯云平台数据库，在所述基于窄带物联网技术的精准

灌溉系统中所述腾讯云平台数据库为腾讯云数据库创建的MySQL数据库；

所述感知层接收到各土壤传感器发送的数据报文并进行解析、重新组帧后，利用

NB‑IoT通信模块及传输层的通信基站与网关通过NB‑IoT通信与腾讯云平台数据库实现通

信，其中数据接口MQTT接口，NB电信运营商网关接收到感知层发送的MQTT数据包后，将数据

推送到腾讯云平台，云平台接收解析后再将各测试变量值写入数据库中。

[0009]

优选的，所述应用层包括移动终端，所述移动终端与腾讯云平台数据库相连，所述

移动终端包括但不限于手机和平板电脑，用户通过所述移动终端能够从云端MySQL数据库

中读取采集到的数据，该数据包括检测数据、灌溉数据、用水量等信息，以进行实时显示和

历史数据分析。

[0010]

本发明提供了基于窄带物联网技术的精准灌溉系统。具备以下有益效果：

云服务、GPS定位等信息1、本发明通过综合运用窄带物联网技术、移动互联技术、

化手段，实现农田灌溉的自动化、智能化，通过手机端对农田灌溉数据进行实时监测，对农

田灌溉设施进行远程控制，提高了农业生产的效率。

[0011]

2、本发明通过基于NB‑IoT物联网的技术，建立了农田精准灌溉系统，对集成NB‑

IoT通信模块的感知层进行了软硬件设计，通过MQTT协议实现了感知层与腾讯云平台之间

的数据通信，创建SQL数据库，实现了数据测存储管理。

[0012]

3、本发明通过将项目紧扣农业生产实际需求，基于窄带物联网技术建立精准灌溉

系统的总体设计，按照物联网分层架构体系对本系统分层设计和模块化开发，应用灵活、适

应性强。

附图说明

[0013]

图1为本发明的物联网分层架构图；

图2为本发明的系统框图。

具体实施方式

[0014]

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完

整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于

本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他

实施例，都属于本发明保护的范围。

[0015]

实施例：

如图1‑2所示，本发明实施例提供基于窄带物联网技术的精准灌溉系统，包括应用

层、网络层、传输层和感知层，

感知层包括传感通信模块、微控制器、GPS定位模块和NB‑IoT通信模块，微控制器

与传感通信模块、GPS定位模块和NB‑IoT通信模块之间相连，感知层与灌溉管路内的电磁阀

相连；

微控制器是整个感知层的运算中心用于信息处理以及与NB‑IoT通信模块数据交

互，微控制器用于传感通信模块中传感信息数据读取、处理和功耗控制；

4

CN 115104516 A

说 明 书

3/4页

传感通信模块能够根据不同的应用场景添加不同的土壤传感器或者控制模块用

于采集土壤的传感信息，在基于窄带物联网技术的精准灌溉系统中传感通信模块用于测量

土壤水分监测点的水分信息，水分信息为测量的土壤的电导率；

GPS定位模块用于提供各土壤水分监测点的精准经纬度信息；

NB‑IoT通信模块为感知层的核心通信部分用于信息的调制解调及与网关间的上

下行信息传输。

[0016]

本实施例中，通信设备所消耗的电量一般只和传输速度大小、传输数据包的大小

有关，也就是在单位时间发出和接受数据包的多少决定了用电量的多少，NB‑IoT技术主要

就是应用在速率慢、数据量小的系统中，所以窄带物联网设备的功耗是很小的，两节5号电

池即可保障设备8‑10年续航，满足农田在偏远地区无人看守或不能及时更换电池的场景。

[0017]

感知层还包括供电控制模块和状态检测模块，供电控制模块和状态检测模块均与

微控制器相连，供电控制模块包括锂电池和稳压模块，锂电池用于为感知层中各系统模块

供电，稳压模块用于将锂电池电压稳定至其他模块需求电压，状态检测模块用于采集传感

通信模块和微控制器的状态信息。

[0018]

传输层为NB电信运营商建立的通信基站与网关，该的通信基站与网关满足NB‑IoT

通信条件，传输层用于感知层数据的转发。

[0019]

本实施例中，NB‑IoT节点网关的供电可根据农田实际环境采用市电、蓄电池或光

伏板供电。

[0020]

网络层包括腾讯云平台数据库，在基于窄带物联网技术的精准灌溉系统中腾讯云

平台数据库为腾讯云数据库创建的MySQL数据库；

感知层接收到各土壤传感器发送的数据报文并进行解析、重新组帧后，利用NB‑

IoT通信模块及传输层的通信基站与网关通过NB‑IoT通信与腾讯云平台数据库实现通信，

其中数据接口MQTT接口，NB电信运营商网关接收到感知层发送的MQTT数据包后，将数据推

送到腾讯云平台，云平台接收解析后再将各测试变量值写入数据库中。

[0021]

本实施例中，在腾讯云平台上建立与感知层通信参数一致的设备模型，设备模型

的建立完成后，可以建立该模型下的多个具体物联网设备，腾讯云物联网设备的通信三要

素是产品名称、ProductKey和DeviceSecret，腾讯云数据库版包含MySQL，SQLServer，

PostgreSQL，PPAS和MariaDBTX，用户可以根据需要创建出适合自己应用场景的数据库实

例，在此所建立的系统即为在腾讯云数据库创建的MySQL实例。

[0022]

应用层包括移动终端，移动终端与腾讯云平台数据库相连，移动终端包括但不限

于手机和平板电脑，用户通过移动终端能够从云端MySQL数据库中读取采集到的数据，该数

据包括检测数据、灌溉数据、用水量等信息，以进行实时显示和历史数据分析。

[0023]

本实施例中，手机端在界面设计上，有登录界面，主界面、电磁阀控制界面，环境信

息监控界面，设置界面等，当程序启动时，先初始化设备信息，然后与远程服务器端进行通

信，将服务器发来的数据包进行解析并获得相关的环境信息与电磁阀状态，并更新到界面

的相关位置上，若监听到界面有相关的响应事件如打开或关闭电磁阀，则手机端程序即可

发送相应的控制命令，实现远程控制。

[0024]

本实施例中，本系统可根据现场需求每隔一段适当的距离布置相应的电磁阀和传

感器，然后再通过感知层中NB‑IoT终端节点对分布在现场的各个传感器的参数及开关量模

5

CN 115104516 A

说 明 书

4/4页

块的状态信息进行采集与处理，然后通过NB‑IoT通信模块将信息通过以太网传给服务器，

服务器对这些信息进行处理与储存并选择相应的灌溉方案，用户也可以通过手机端对服务

器上的信息进行实时监测，也可手动对现场的控制量进行相关的操作。

[0025]

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以

理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换

和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

6

CN 115104516 A

说 明 书 附 图

1/2页

图1

7

CN 115104516 A

说 明 书 附 图

2/2页

图2

8