专利名称：基于gps、gis和传感网技术的茶园精确管理系统的制作方法 随着人们物质生活水平的不断提高，茶叶消费向高档、名优化趋势发展，茶叶的品质则成为最大的关注点。目前，在茶树栽植与生长过程中，对茶园的施肥、施药、采摘等作业主要依靠茶农的经验进行，而且施肥和喷药量使用也是采用均匀施肥作业和常量喷药，缺乏切实可行的精准管理与科学指导。由于茶园内各处土壤养分、病虫害受害程度存在差异性，造成了茶园部分区域内化肥与农药等化学品的过度使用，出现茶叶品质下降，在市场上失去竞争力等问题。同时，名优茶生产，力求早上市，卖好价，但名优茶以“早”为贵的商品特点与山区茶园易受冻害的情况存在着矛盾。由于茶树物候期提前，加上早生、特早生无性系茶树良种的推广以及先进科学技术的应用，春茶开园早，常常发生倒春寒，使茶树发生霜(冻)害，不但损失产量，更重要的是降低茶叶的品质，给茶农造成很大的经济损失。为保证获得茶叶的高品质、高产量，需要有针对性的科学施肥、用药，提高茶叶的品质，降低生产投入成本的同时减少对环境的污染；通过实时监测茶园温度，掌握茶树霜(冻)害发生的原因及发生规律，及时控制防霜(冻)风扇或采取相应的预防与补救措施，防止和减少霜(冻)害的发生，保障茶叶质量和产量是茶园管理的一项重要技术，也是提高种茶业种植效益的有效途径。在茶园进行温度监测方面，江苏大学戴青玲等人选择PC机作为主控单元，通过RS-485总线通信对各节点进行监控。分别对上位机操作界面、通信接口和终端节点的各个功能模块进行设计。使用有线数据传输，成本高，日后维修较困难。茶园防霜风扇是近年来从日本引进的技术，该技术是每个风扇内含有一个控制器，各个控制器控制各自的风扇。该方式投入较高，而且没有实现集中控制、集中管理的效果O茶园是一个比较复杂的环境，布线比较困难，将无线传感网络技术应用在茶园防霜(冻)系统中，国内外还较少见。就农作物的生长环境而言，温度是其最基本的生长要素。传统环境温度监测手段人工依赖性大，监测范围小，在应用中受到限制。国内外对作物生长环境温度监测技术，大多应用在温室控制中，其监测对象主要是蔬菜、瓜果等农作物。应用于茶叶生长管理的环境温度实时监测系统，还未见报道。根据环境温度、养分和受害状况与地理位置的准确信息，通过茶园管理专家系统得出合理的作业指令，在茶园内应用GIS、GPS、变量施肥机和变量喷药机实施变量施肥和变量喷药还未见报道
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于GPS、GIS和传感网技术的茶园精确管理系统，该系统是通过GPS (全球定位系统)、GIS (地理信息系统)和传感网技术对茶园内茶叶生长环境，包括茶园土壤养分、环境温度、病虫害信息、茶园作业机械、防霜(冻)风扇以及作业生产状况进行实时定位精准管理，及时控制防霜(冻)风扇，并采取相应的预防与补救措施，防止和减少霜(冻)害的发生，保障茶叶质量和产量。 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的 一种基于GPS、GIS和传感网技术的茶园精确管理系统，其特征在于该系统包括田间控制模块、田间作业模块、田间管理模块和中央控制模块；在中央控制模块内设有地理信息系统；所述田间控制模块包括田间GPS和田间作业控制器；田间作业模块包括变量施肥机和变量喷药机；变量施肥机和变量喷药机与田间GPS和田间作业控制器连接；田间作业控制器通过Z-BEE数据采集与无线传输设备与中央控制模块连接，并将中央控制模块给出的施肥处方数据和田间GPS提供的位置信息传送给变量施肥机，通过变量施肥机实现变量施肥作业；将中央控制模块给出的喷药处方数据和田间GPS提供的位置信息传送给变量喷药机实现变量喷药作业；田间管理模块包括温度传感器和防霜(冻)风扇，温度传感器实时测量茶园内温度变化信息并将信息通过Z-BEE数据采集与无线传输设备传送给中央控制模块，中央控制模块实时发出指令控制防霜冻风扇工作。本发明的工作原理是使用全球定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)采集茶园地块轮廓属性，采用地理信息系统(GIS)管理茶园内的土壤养分、温度与茶叶产量信息，通过编程实现茶园地图绘制与管理、茶园土壤、茶叶采摘与茶叶产量信息管理；根据土壤养分信息和茶叶长势需求进行变量施肥作业；根据茶园内病虫草害分布情况，进行变量喷药作业；应用由温度传感器、无线传输模块组成的茶园温度监测网络实时监测茶园内环境温度，当逆温条件产生时，实时控制防霜(冻)风扇工作，预防控制茶园冻害发生。从而保障茶叶生产的品质与产量。本发明可对茶园进行实时温度监测防霜冻作业与管理。位于4米和茶树叶冠层高度的2个温度传感器被设置成省电工作模式，每隔10分钟测得该处的温度，并将数据通过Z-BEE数据采集与无线传输设备发送到田间作业控制器，使用的Z-BEE数据采集与无线传输设备传输距离是2000米，对于较远处的中央计算机，使用中间结转数据采集与无线传输设备。由温度传感器、Z-BEE数据采集与无线传输设备、防霜风扇和中央计算机组成的无线温度监测与防霜网络，实时测量茶园内温度变化，当逆温形成后，中央计算机根据逆温产生条件，实时发出指令控制防霜(冻)风扇工作，防霜(冻)风扇的启动可由田间作业控制器控制，也可由位于风扇附近的Z-BEE数据采集与无线传输设备接收启动指令后，控制风扇工作。本发明将空间信息技术、传感器检测技术、传感网技术与自动控制技术相结合，实现对茶园环境温度信息的自动采集、无线传输、实时监测和精准作业与管理。在不同季节，根据茶园内茶叶生长环境温度、土壤养分、病虫害信息，应用空间信息技术和传感网技术对茶园温度进行不间断实时监测，通过茶园管理专家系统得出合理的管理指令，通过GPS和变量施肥机或变量喷药机实现按茶叶生长营养需求、或受害控制进行变量施肥和喷药，达到减少投入、提高效益和保障茶叶品质的目的。解决在茶园养分空间分布不均匀，或病虫害程度不同的情况下，以均衡常量的作业方式施肥、喷药所造成的化肥、农药使用过度的问题。通过实时精准的空间管理，进行实时有针对性的精准调控，节省人力、物力，降低生产成本，降低损失，提高茶品质量和产量。图I为本发明的总体框图。
图2为本发明的的连接示意图。

本发明分中央计算机和田间作业控制器两层管理和控制作业。中央计算机的作用是应用GIS管理茶园，给出决策处方或指令；田间作业控制器负责接收指令、控制在茶园局部作业。在中央计算机端，使用GIS建立茶园土壤养分、病虫害分布、防霜(冻)风扇分布的空间数据库，并以GIS为平台开发施肥决策系统、施药决策系统和茶园防冻决策系统，对无线通信模块使用VC++语言编程实现与茶园环境与作业通信及其显示系统。在中央计算机实时显示茶园状况包括茶园温度，温度分布情况，茶园土壤养分分布现状，风扇位置分布及工作状态，逆温产生的区域，施肥机作业位置，工作速度，所排肥量，喷药机工作速度，喷出药量，作业位置，茶叶采摘作业与产量记录等。在田间，使用ARM920T-S3C2410微处理器为核心开发的田间作业控制器的主要作用是执行控制作业，控制茶园局部防霜(冻)风扇工作，或控制变量作业机进行变量作业。两者之间即可通过无线网络进行通讯，也可通过有线连接交互信息或下载作业指令。对茶园精确管理是通过使用GPS结合GIS获得茶园边界地图，使用网格划分程序对茶园进行网格划分(一个网格称作一个操作单元)，在对每一个网格内进行土壤采样、土壤养分测试后，输入到GIS中，建立茶园土壤养分数据库；应用GPS获得茶园内防霜冻风扇的位置，同时在每一个防霜冻风扇处安放2个温度传感器,一个位于地面高4米处,一个放置于茶树冠层高度。应用GIS获得茶园温度与风扇分布地图，并建立温度变化与防霜(冻)数据库。使用时，打开本系统，有三个子系统供选择施肥、施药与防霜(冻)。选择施肥子系统后，进入变量施肥管理。在此功能下分有文件、查询、地图管理、土壤(位置、养分分布)、施肥决策与处方输出、网络连接、施肥作业(作业历史、施肥日期、施肥量、作业现场位置等)监测与显示功能；选择施药子系统后，进入变量施药管理。下分有文件、查询、地图管理、害情分布、用药决策与处方输出、网络连接、施药作业管理(施药日期、施药量、作业历史、作业现场位置)等项目；选择防霜(冻)子系统后，进入实时温度监测与防霜(冻)作业管理。主要有对文件、地图、传感器(1，2，……，2N)、风扇(1，2，……，N)、温度分布、温差分布、逆温分布和风扇作业管理等项目.
使用本发明的精确管理系统，可以合理有效使用化肥和农药，及时预防和控制茶园霜(冻)害的发生。一方面，可以节省肥料、药量的投入，降低生产成本的同时提高茶叶的品质，减少对环境的污染。而且通过实时监测茶园逆温产生，及时控制风扇，防止和减少霜(冻)害的发生，保障茶叶产量和质量。另一方面，应用GPS对茶园监测点进行实时定位，可以根据环境(温湿度)异常点的具体位置，管理者通过GIS精准的空间管理，进行有针对性的精准调控。可以在很大程度上节省人力、物力，降低生产成本。第三，本精确管理系统中每个无线节点成本低廉、能方便的接入系统网络，节点数目可扩展，能量消耗低，支持休眠，可以在电池供电的情况下长时间使用，稳定性好，便于维护。且使用无线传输数据也可减少耗能与维护费用，提高监测与管理系统工作的稳定性，并实现集中管理，分散控制


本发明公开了一种基于GPS、GIS和传感网技术的茶园精确管理系统，通过GPS、GIS和传感网技术对茶园内茶叶生长环境信息、茶园作业机械、防霜(冻)风扇以及作业生产状况进行实时精准定位管理。使用全球定位系统和地理信息系统采集茶园地块轮廓属性，采用地理信息系统管理茶园内的土壤养分、温度与茶叶产量信息，根据土壤养分信息和茶叶长势需求进行变量施肥作业；根据茶园内病虫草害分布情况，进行变量喷药作业；应用由温度传感器、无线传输模块组成的茶园温度监测网络实时监测茶园内环境温度，根据逆温条件产生,实时控制防霜(冻)风扇工作,预防控制茶园冻害产生，保障茶叶质量和产量。