CN106707767A - 基于多源信息融合的大田水肥一体化智能管控***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多源信息融合的农田水肥一体化智能管控***及方法，包括天气预报查询接收子***、气象实时数据采集控制子***、云计算平台、中央控制单元、灌溉施肥控制子***和灌溉施肥状态监测及在线故障检测***；本发明是一种能够提供天气预报查询、作物云计算平台查询、农田气象实时采集、固态肥料快速溶解、母液实时监测调控、灌溉施肥状态监测、在线故障检测、灌溉施肥以及远程智能控制功能于一体的自动化控制***；本发明可以综合考虑天气预报、云计算平台、气象的实时采集以及作物生长过程中的长势情况等因素，作出相对应的灌溉施肥决策，准确的做到精量灌溉和精量施肥；能实时描述作物长势，及时根据作物长势进行灌溉施肥。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于多源信息融合的大田水肥一体化智能管控***及方法,属于水肥一体化技术领域。
背景技术
水肥一体化微喷灌技术是将微喷灌与施肥融为一体的农业新技术。它是能将灌溉与施肥两者充分结合在一起并从根本上节约灌溉用水、最大程度提高肥料利用率的实用方式。目前为了节省人工和节约灌溉水，提高肥料利用率，逐渐在大田开始应用农田水肥一体化***，并且逐渐成为今后农业大田生产的一种重要趋势。但是在实际操作中多数应用主要依靠使用者的栽培经验，即使有些农田水肥一体化***实现了一定程度的自动化，但仍然存在灌溉量、施肥量、灌溉和施肥的时机都不容易实现最优化控制的问题。其中最主要的是，在实际应用中由于无法结合未来天气、农田与环境数据和种植农艺的情况，进行综合、有效、节水节电的进行大田水肥一体化的施用决策。
经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利“智能节水灌溉施肥***及控制方法”(201110034371.8)公开了实现浇灌***的节能节水、远程控制、无人值守、自动报警、浇灌施肥指导等功能。中国发明专利“一种测墒灌溉水肥一体化智能控制***及控制方法”(CN201510673554.2)，公开了由土壤墒情采集站、存储有土壤墒情信息的中央控制单元和灌溉单元组成的装置***，并在控制***中增设了光照强度检测电路、空气温湿度检测电路以及施肥单元。以上专利分别涉及水肥一体化管理的灌溉施肥环节、土壤温湿度和农田气象数据的采集环节以及智能控制方法。但是上述专利均未涉及到结合天气预报信息、专家决策***和现场环境测试数据，因而不能做出准确的灌溉施肥决策。并且以上专利均适用于液态肥料，对于大田施肥常用的颗粒肥而言增加了施肥的成本。
随着精准农业的提出，对水肥一体化智能预测灌溉的要求也逐渐提高，迫切需要一种基于多源信息融合的农田水肥一体化智能管控***及方法，以实现集天气预报查询、作物云计算平台、农田气象实时采集、固态颗粒肥料快速溶解、母液实时监测调控、灌溉施肥状态监测及在线故障检测和灌溉施肥于一体的农田水肥一体化的智能预测灌溉与施肥技术，这对提高水肥一体化效率和增加粮食产量有着重要现实的意义。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于多源信息融合的农田水肥一体化智能管控***及方法，能够提供天气预报查询、作物云计算平台查询、农田气象实时采集、固 态肥料快速溶解、母液实时监测调控、灌溉施肥状态监测、在线故障检测、灌溉施肥以及远程智能控制功能于一体的自动化控制***。
一种基于多源信息融合的农田水肥一体化智能管控***，包括天气预报查询接收子***、气象实时数据采集控制子***、云计算平台、中央控制单元、灌溉施肥控制子***和灌溉施肥状态监测及在线故障检测***。
所述的天气预报查询接收子***可查询未来几天的天气情况，是利用GPRS通讯模块，通过国家气象局提供的天气预报数据接口，从中国气象网访问中央气象数据库、查询实时天气预报，接收数据传送到天气预报查询接收子***，再通过***总线将数据传送到中央控制单元，为中央控制单元做出灌溉施肥决策提供实时气象预报数据。
所述的气象实时数据采集控制子***包括气象实时数据采集控制器、土壤水分传感器、风速传感器、气温传感器、光照传感器和雨量传感器。所述的实时数据采集控制器用于采集各个农田实时气象数据并将数据通过***总线传送给中央控制单元，通过气象监测支架安装在大田地表之上；所述的土壤水分传感器是现有的现插现测型，可对表层和深层土壤进行墒情的定点监测和在线测量；所述的风速传感器、气温传感器、光照传感器和雨量传感器均安装在支撑架上通过传感器数据采集总线与实时数据采集控制器相连接，用于采集大田风速、气温、光照和雨量的数据，并通过传感器数据采集总线将数据传送到实时数据采集控制器。
所述的云计算平台是计算和数据存储处理兼顾的综合云计算平台，用于计算和存储气象实时数据采集控制子***和天气预报查询接收子***的数据以及大田作物周年生长需水需肥量、灌溉施肥时间的历史数据，通过GPRS通讯模块将数据传送到中央控制单元的灌溉施肥智能决策专家***软件模块，为灌溉施肥智能决策专家***软件模块做出灌溉施肥决策提供作物周年生长需水需肥量数据。
所述的中央控制单元用于运行智能预测灌溉施肥控制***软件，可执行数据通讯处理、灌溉施肥智能决策、建立灌溉施肥数学模型及灌溉施肥状态的故障诊断、错误处理；智能预测灌溉施肥控制***软件包括数据通讯及处理软件模块、灌溉施肥智能决策专家***软件模块、灌溉施肥模型及精量灌溉施肥算法软件模块和自动化***错误处理软件模块(智能预测灌溉施肥控制***软件可根据现有技术编程)。所述的数据通讯及处理软件模块可通过***总线接收云计算平台的数据并进行简单的数据运算及处理分析，为灌溉施肥智能决策专家***软件模块做出决策提供数据依据；所述的灌溉施肥智能决策专家***软件模块可根据云计算平台传送来的数据做出灌溉施肥的决策，具体决策包括：根据实时天气和大田中土壤水分、风速、气温、光照，结合天气预报预测,依据云计算平台中存储各种大田作物周年生长需水需肥量、灌溉施肥时间，专家、种粮户对作物周年生长施肥时间和灌溉施肥量做出决策，进而 控制灌溉施肥时间和灌溉施肥量；所述的灌溉施肥模型及精量灌溉施肥算法软件模块可根据灌溉施肥智能决策专家***软件模块做出的决策建立灌溉施肥以及肥料母液动态调控数学模型，从而确定最优化算法实现精量灌溉施肥；所述的自动化***错误处理软件模块根据灌溉施肥状态监测及在线故障检测***反馈的信号检测压力传感器、流量传感器的真实示数，确定出现故障位置并进行检修，以保证管道中压力和流量的正常。
所述的灌溉施肥控制子***可根据灌溉施肥智能决策专家***软件模块的决策来执行灌溉施肥操作，包括灌溉施肥执行单元和灌溉施肥控制器。
所述的灌溉施肥执行单元包括精量配肥装置和首部枢纽装置。所述的精量施肥装置包括精量排肥机构和搅拌器，用于精量排肥和配置浓度可控的母液；所述的精量排肥机构选用现有螺旋绞龙组装成的排肥机构；所述的搅拌器用于搅碎、溶解和过滤颗粒肥。所述的首部枢纽装置可采用现有设备(如申请号为201610539657.4的一种移动式微喷灌水肥一体化综合管理***及其管控方法)；首部枢纽装置包括主管道、水泵、逆止阀、压力表、过滤器、电磁阀、母液罐、注肥泵、母液罐进水管和母液罐出液管；首部枢纽装置用于水源取水加压，并为配置浓度可控母液提供清水，经过滤处理，担负着整个灌溉施肥***的加压、供水、过滤、量测任务；
所述的灌溉施肥控制器可根据传感器模块测得的数据来控制精量排肥机构、注肥泵、搅拌器和电磁阀动作实现精量排肥和浓度可调控母液的配置；灌溉施肥控制器包括精量排肥机构控制器、搅拌器控制器、注肥泵控制器、传感器模块以及***人机交互模块；所述的灌溉施肥控制器选用STM32型单片机；所述的传感器模块包括EC传感器、PH传感器、压力传感器和流量传感器，并通过传感器数据采集总线与灌溉施肥控制器连接相互通讯；所述的EC传感器和PH传感器安装在母液罐底部侧面，用于检测母液罐内母液的EC值和PH值；所述的压力传感器安装在主管道末端，用于检测主管道的压力；所述的流量传感器分别安装在母液罐进水管、母液罐出液管和主管道上，用于检测进出母液罐和主管道的流量；所述的精量排肥机构控制器一端连接灌溉施肥控制器，另一端连接精量排肥机构，灌溉施肥控制器输出信号控制精量排肥机构动作；所述的搅拌器控制器一端连接灌溉施肥控制器，另一端连接搅拌器电机，灌溉施肥控制器输出信号控制搅拌电机动作；所述的注肥泵控制器一端连接灌溉施肥控制器，另一端连接注肥泵，灌溉施肥控制器输出信号调节注肥泵的输出流量。所述的***人机交互模块可实现人机交互，便于专家和种粮户将作物长势随时输入到中央控制单元以使灌溉施肥智能决策专家***软件模块作出决策，***人机交互模块包括电脑主机、液晶屏、键盘和鼠标，所述的电脑主机用于安装中央控制单元的各个软件；所述的液晶屏、键盘和鼠标均通过数据线与电脑主机连接。
所述的灌溉施肥状态监测及在线故障检测***用于实时检测整个***在灌溉施肥的过程中的状态和故障并通过***总线反馈到中央控制单元，中央控制单元的自动化***错误处理软件模块再通过灌溉施肥控制子***作出相应的操作以及报警。
本发明一种基于多源信息融合的农田水肥一体化智能管控***的控制方法，步骤如下：
1)天气预报查询接收工作：天气预报查询接收时，操作人员利用GPRS通讯模块，通过国家气象局提供的天气预报数据接口，从中国气象网访问中央气象数据库、查询实时天气预报，接收数据传送到天气预报查询接收子***，再通过***总线将数据传送到中央控制单元，为中央控制单元做出灌溉施肥决策提供实时气象预报数据。
2)气象实时数据采集工作：气象实时数据采集的过程中，土壤水分传感器、风速传感器、气温传感器、光照传感器和雨量传感器通过传感器数据采集总线将采集的数据输送到实时数据采集控制器中，实时数据采集控制器将数据通过***总线传送给中央控制单元，中央控制单元的灌溉施肥智能决策专家***软件模块做出灌溉施肥决策。
3)灌溉施肥决策工作：灌溉施肥决策根据实时天气和大田中土壤水分、风速、气温、光照，结合天气预报预测,依据云计算平台中历史存储各种大田作物周年生长需水需肥量、灌溉施肥时间以及对作物长势的现场描述，灌溉施肥智能决策专家***软件模块将四种数据协同处理，优化产生最佳的灌溉施肥决策，四种数据协同是采用ECA规则处理机制。
定义一个ECA规则是一个三元组，定义为R＝(E,C,A)。其中，E为激活该规则的事件；C为条件集，用以反映环境中的不同情况；A为操作集(或动作集合)。C在这里通称为对象变量。对象变量是数据流中涉及的影响工作流路径选择的特性或参数，简称变量。变量以xi来表示，变量集合记为X＝{x1,x2,…,xk}。变量xi的取值范围为域，用符号Di来表示。
定义X＝{x1,x2,x3,x4}；x1为当地实时气象数据，x2为农作物生长的历史数据，x3为天气预报数据，x4为作物长势的现场描述数据。
D1＝{传感器检测大田温度、湿度、光照强度、风速等数据}；
D2＝{往年作物周年生长需水需肥量、灌溉施肥时间的数据}；
D3＝{天气预报温度、雨量、湿度、光照、风速等数据}；
D4＝{对农作物的苗情、长势、病虫害等现场描述数据}；
A＝{精量排肥电机增速、精量排肥电机减速、注肥泵开、注肥泵关、电磁阀开、电磁阀关、搅拌电机开、搅拌电机关}
E＝{策略1，策略2，策略3}
策略1：灌溉：天气正常，土壤湿度达到预设定下限值，开始灌溉；当湿度达到作物生长适合的适度后，停止灌溉。
策略2：灌溉施肥：依据云计算平台中历史存储各种大田作物周年生长需水需肥量、灌溉施肥时间以及对作物长势的现场描述，进行施肥量的控制，已到需要施肥时节，需要施肥，作物长势不好，需要施肥，施肥是在灌溉的情况下进行。
策略3：未来三天天气预报的天气情况，有雨且降水量满足作物生长的需水量，不进行灌溉，无雨或有雨但降水量不满足作物生长的需水量，进行灌溉。
近三年内同一时间内数据平均值温度T0、湿度H0、光照强度L0、风速V0；天气预报数据温度T2、风速V2、湿度H2、光照强度L2、气压P2；测得的实时参数温度T1、湿度H1、光照强度L1、风速V1、气压P1。按照如下公式
对测得的数据进行处理，其中K1为近三年内同一天有雨雪等情况加权值(取值范围1-10)，K2为天气预报有雨雪等情况加权值(取值范围1-10)，K3为历史数据加权值(1-10)，K4为天气预报数据加权值(取值范围1-10)。
设定判断天气突变的临界值S0。
当S<S0时，表示天气正常，可进行灌溉或者灌溉施肥。
当S≥S0时，表示天气突变，有雨雪的机率大，不进行灌溉或者灌溉施肥。
4)灌溉施肥执行工作：灌溉施肥执行工作的过程中，先通过中央控制单元中的灌溉施肥智能决策专家***软件模块做出灌溉施肥决策，灌溉施肥模型及精量灌溉施肥算法软件模块再根据灌溉施肥智能决策专家***软件模块做出的决策建立灌溉施肥以及肥料母液动态调控数学模型，从而确定最优化算法实现精量灌溉施肥；中央控制单元将灌溉施肥以及肥料母液动态调控数学模型通过***总线传送给灌溉施肥控制子***，灌溉施肥控制子***的灌溉施肥控制器控制精量排肥装置和首部枢纽装置完成具体的灌溉施肥操作。
本发明的有益效果：
1)本发明可以综合考虑天气预报、云计算平台、气象的实时采集以及作物生长过程中的长势情况等因素，作出相对应的灌溉施肥决策，准确的做到精量灌溉和精量施肥。
2)本发明结构简单，自动化程度较高，工作效率高，移动方便，不受地域限制。
3)本发明可以实现溶解性能好的颗粒肥的水肥一体化比如尿素、氯化钾、硝酸钾等，大大降低了成本，拓展了水肥一体化技术的应用范围。
4)本发明可以自动配肥实现母液随排随配，提高了装置工作的连续性，省时省力。
5)本发明有良好的人机交互界面，可以做到实时描述作物长势，及时根据作物长势进行灌溉施肥。
6)本发明可以实时检测灌溉施肥状态，在线诊断故障，并及时的作出响应。
附图说明
图1为基于多源信息融合的农田水肥一体化智能管控***结构示意图
图2为基于多源信息融合的农田水肥一体化智能管控***功能流程图
图3为基于多源信息融合的农田水肥一体化智能管控***的原理框图
具体实施方式：
下面结合附图对本发明专利进行进一步的说明。本发明一种基于多源信息融合的农田水肥一体化智能管控***，如图1、2、3所示。智能预测灌溉施肥***包括天气预报查询接收子***、气象实时数据采集控制子***、云计算平台、中央控制单元、灌溉施肥控制子***和灌溉施肥状态监测及在线故障检测***。
本发明一种基于多源信息融合的农田水肥一体化智能管控***包括天气预报查询接收子***、气象实时数据采集控制子***、云计算平台、中央控制单元、灌溉施肥控制子***和灌溉施肥状态监测及在线故障检测***。
所述的天气预报查询接收子***可查询未来几天的天气情况，是利用GPRS通讯模块，通过国家气象局提供的天气预报数据接口，从中国气象网访问中央气象数据库、查询实时天气预报，接收数据传送到天气预报查询接收子***，再通过***总线将数据传送到中央控制单元，为中央控制单元做出灌溉施肥决策提供实时气象预报数据。
所述的气象实时数据采集控制子***包括气象实时数据采集控制器、土壤水分传感器、风速传感器、气温传感器、光照传感器和雨量传感器。所述的实时数据采集控制器用于采集各个农田实时气象数据并将数据通过***总线传送给中央控制单元，通过气象监测支架安装在大田地表之上；所述的土壤水分传感器对表层和深层土壤进行墒情的定点监测和在线测量，安装在地表下相应的位置；所述的风速传感器、气温传感器、光照传感器和雨量传感器均安装在支撑架上通过传感器数据采集总线与实时数据采集控制器相连接，用于采集大田风速、气温、光照和雨量的数据，并通过传感器数据采集总线将数据传送到实时数据采集控制器。
所述的云计算平台是计算和数据存储处理兼顾的综合云计算平台，用于计算和存储气象实时数据采集控制子***和天气预报查询接收子***的数据以及大田作物周年生长需水需肥量、灌溉施肥时间的历史数据，通过GPRS通讯模块将数据传送到中央控制单元的灌溉施肥智能决策专家***软件模块，为灌溉施肥智能决策专家***软件模块做出灌溉施肥决策提供作物周年生长需水需肥量数据。
所述的中央控制单元用于运行智能预测灌溉施肥控制***软件，可执行数据通讯处理、灌溉施肥智能决策、建立灌溉施肥数学模型及灌溉施肥状态的故障诊断、错误处理，***软 件包括数据通讯及处理软件模块、灌溉施肥智能决策专家***软件模块、灌溉施肥模型及精量灌溉施肥算法软件模块和自动化***错误处理软件模块。所述的数据通讯及处理软件模块可通过***总线接收云计算平台的数据并进行简单的数据运算及处理分析，为灌溉施肥智能决策专家***软件模块做出决策提供数据依据；所述的灌溉施肥智能决策专家***软件模块可根据云计算平台传送来的数据做出灌溉施肥的决策，具体决策包括：根据实时天气和大田中土壤水分、风速、气温、光照，结合天气预报预测,依据云计算平台中存储各种大田作物周年生长需水需肥量、灌溉施肥时间，专家、种粮户对作物周年生长施肥时间和灌溉施肥量做出决策，进而控制灌溉施肥时间和灌溉施肥量；所述的灌溉施肥模型及精量灌溉施肥算法软件模块可根据灌溉施肥智能决策专家***软件模块做出的决策建立灌溉施肥以及肥料母液动态调控数学模型，从而确定最优化算法实现精量灌溉施肥；所述的自动化***错误处理软件模块可根据灌溉施肥状态监测及在线故障检测***反馈的信号做出相应的操作，主要是通过压力传感器、流量传感器来检测管道中压力和流量是否正常工作。
所述的灌溉施肥控制子***可根据灌溉施肥智能决策专家***软件模块的决策来执行灌溉施肥操作，包括灌溉施肥执行单元和灌溉施肥控制器。
所述的灌溉施肥执行单元包括精量配肥装置和首部枢纽装置。所述的精量施肥装置包括精量排肥机构和搅拌器，用于精量排肥和配置浓度可控的母液；所述的精量排肥机构是选用现有螺旋绞龙组装成的排肥机构；所述的搅拌器用于搅碎、溶解和过滤颗粒肥。所述的首部枢纽装置用于水源取水加压，并为配置浓度可控母液提供清水，经过滤处理，担负着整个灌溉施肥***的加压、供水、过滤、量测任务包括主管道、水泵、逆止阀、压力表、过滤器、电磁阀、母液罐、注肥泵、母液罐进水管和母液罐出液管。
所述的灌溉施肥控制器可根据传感器模块测得的数据来控制精量排肥机构、注肥泵、搅拌器和电磁阀动作实现精量排肥和浓度可调控母液的配置，包括灌溉施肥控制器、精量排肥机构控制器、搅拌器控制器、注肥泵控制器、传感器模块以及***人机交互模块。所述的灌溉施肥控制器选用STM32型单片机；所述的传感器模块通过传感器数据采集总线与灌溉施肥控制器连接相互通讯，包括EC传感器、PH传感器、压力传感器和流量传感器，所述的EC传感器和PH传感器安装在母液罐底部侧面，用于检测母液罐内母液的EC值和PH值；所述的压力传感器安装在主管道末端，用于检测主管道的压力；所述的流量传感器分别安装在母液罐进水管、母液罐出液管和主管道上，用于检测进出母液罐和主管道的流量；所述的精量排肥机构控制器一端连接灌溉施肥控制器另一端连接精量排肥机构，灌溉施肥控制器输出信号控制精量排肥机构动作；所述的搅拌器控制器一端连接灌溉施肥控制器另一端连接搅拌器电机，灌溉施肥控制器输出信号控制搅拌电机动作；所述的注肥泵控制器一端连接灌溉施肥控制器 另一端连接注肥泵，灌溉施肥控制器输出信号调节注肥泵的输出流量。所述的***人机交互模块可实现人机交互，便于专家和种粮户将作物长势随时输入到中央控制单元以使灌溉施肥智能决策专家***软件模块作出决策，包括电脑主机、液晶屏、键盘和鼠标，所述的电脑主机用于安装中央控制单元的各个软件；所述的液晶屏、键盘和鼠标均通过数据线与电脑主机连接。
所述的灌溉施肥状态监测及在线故障检测***用于实时检测整个***在灌溉施肥的过程中的状态和故障并通过***总线反馈到中央控制单元，中央控制单元的自动化***错误处理软件模块再通过灌溉施肥控制子***作出相应的操作以及报警。
本发明一种基于多源信息融合的农田水肥一体化智能管控***的控制方法，步骤如下：
1)天气预报查询接收工作：天气预报查询接收时，操作人员利用GPRS通讯模块，通过国家气象局提供的天气预报数据接口，从中国气象网访问中央气象数据库、查询实时天气预报，接收数据传送到天气预报查询接收子***，再通过***总线将数据传送到中央控制单元，为中央控制单元做出灌溉施肥决策提供实时气象预报数据。
2)气象实时数据采集工作：气象实时数据采集的过程中，土壤水分传感器、风速传感器、气温传感器、光照传感器和雨量传感器通过传感器数据采集总线将采集的数据输送到实时数据采集控制器中，实时数据采集控制器将数据通过***总线传送给中央控制单元，中央控制单元的灌溉施肥智能决策专家***软件模块做出灌溉施肥决策。
3)灌溉施肥决策工作：灌溉施肥决策根据实时天气和大田中土壤水分、风速、气温、光照，结合天气预报预测,依据云计算平台中历史存储各种大田作物周年生长需水需肥量、灌溉施肥时间以及对作物长势的现场描述，灌溉施肥智能决策专家***软件模块将四种数据协同处理，优化产生最佳的灌溉施肥决策，四种数据协同是采用ECA规则处理机制。
定义：一个ECA规则是一个三元组，定义为R＝(E,C,A)。其中，E为激活该规则的事件；C为条件集，用以反映环境中的不同情况；A为操作集(或动作集合)。C在这里通称为对象变量。对象变量是数据流中涉及的影响工作流路径选择的特性或参数，简称变量。变量以xi来表示，变量集合记为X＝{x1,x2,…,xk}。变量xi的取值范围为域，用符号Di来表示。
定义X＝{x1,x2,x3,x4}；x1为当地实时气象数据，x2为农作物生长的历史数据，x3为天气预报数据，x4为作物长势的现场描述数据。
D1＝{传感器检测大田温度、湿度、光照强度、风速等数据}；
D2＝{往年作物周年生长需水需肥量、灌溉施肥时间的数据}；
D3＝{天气预报温度、雨量、湿度、光照、风速等数据}；
D4＝{对农作物的苗情、长势、病虫害等现场描述数据}；
A＝{精量排肥电机增速、精量排肥电机减速、注肥泵开、注肥泵关、电磁阀开、电磁阀关、搅拌电机开、搅拌电机关}
E＝{策略1，策略2，策略3}
策略1：灌溉：天气正常，土壤湿度达到预设定下限值，开始灌溉；当湿度达到作物生长适合的适度后，停止灌溉。
策略2：灌溉施肥：依据云计算平台中历史存储各种大田作物周年生长需水需肥量、灌溉施肥时间以及对作物长势的现场描述，进行施肥量的控制，已到需要施肥时节，需要施肥，作物长势不好，需要施肥，施肥是在灌溉的情况下进行。
策略3：未来三天天气预报的天气情况，有雨且降水量满足作物生长的需水量，不进行灌溉，无雨或有雨但降水量不满足作物生长的需水量，进行灌溉。
近三年内同一时间内数据平均值温度T0、湿度H0、光照强度L0、风速V0；天气预报数据温度T2、风速V2、湿度H2、光照强度L2、气压P2；测得的实时参数温度T1、湿度H1、光照强度L1、风速V1、气压P1。按照如下公式
对测得的数据进行处理，其中K1为近三年内同一天有雨雪等情况加权值(取值范围1-10)，K2为天气预报有雨雪等情况加权值(取值范围1-10)，K3为历史数据加权值(1-10)，K4为天气预报数据加权值(取值范围1-10)。
设定判断天气突变的临界值S0。
当S<S0时，表示天气正常，可进行灌溉或者灌溉施肥。
当S≥S0时，表示天气突变，有雨雪的机率大，不进行灌溉或者灌溉施肥。
4)灌溉施肥执行工作：灌溉施肥执行工作的过程中，先通过中央控制单元中的灌溉施肥智能决策专家***软件模块做出灌溉施肥决策，灌溉施肥模型及精量灌溉施肥算法软件模块再根据灌溉施肥智能决策专家***软件模块做出的决策建立灌溉施肥以及肥料母液动态调控数学模型，从而确定最优化算法实现精量灌溉施肥；中央控制单元将灌溉施肥以及肥料母液动态调控数学模型通过***总线传送给灌溉施肥控制子***，灌溉施肥控制子***的灌溉施肥控制器控制精量排肥装置和首部枢纽装置完成具体的灌溉施肥操作。
Claims (5)
1.一种基于多源信息融合的农田水肥一体化智能管控***，其特征在于包括天气预报查询接收子***、气象实时数据采集控制子***、云计算平台、中央控制单元、灌溉施肥控制子***和灌溉施肥状态监测及在线故障检测***；
所述的天气预报查询接收子***用于查询天气情况，是利用GPRS通讯模块，通过国家气象局提供的天气预报数据接口，从中国气象网访问中央气象数据库、查询实时天气预报，接收数据传送到天气预报查询接收子***，再通过***总线将数据传送到中央控制单元，为中央控制单元做出灌溉施肥决策提供实时气象预报数据；
所述的气象实时数据采集控制子***包括气象实时数据采集控制器、土壤水分传感器、风速传感器、气温传感器、光照传感器和雨量传感器；所述的实时数据采集控制器用于采集各个农田实时气象数据并将数据通过***总线传送给中央控制单元，通过气象监测支架安装在大田地表之上；所述的土壤水分传感器对表层和深层土壤进行墒情的定点监测和在线测量；所述的风速传感器、气温传感器、光照传感器和雨量传感器均安装在支撑架上通过传感器数据采集总线与实时数据采集控制器相连接，用于采集大田风速、气温、光照和雨量的数据，并通过传感器数据采集总线将数据传送到实时数据采集控制器；
所述的云计算平台是计算和数据存储处理兼顾的综合云计算平台，用于计算和存储气象实时数据采集控制子***和天气预报查询接收子***的数据以及大田作物周年生长需水需肥量、灌溉施肥时间的历史数据，通过GPRS通讯模块将数据传送到中央控制单元的灌溉施肥智能决策专家***软件模块，为灌溉施肥智能决策专家***软件模块做出灌溉施肥决策提供作物周年生长需水需肥量数据；
所述的中央控制单元用于运行智能预测灌溉施肥控制***软件，执行数据通讯处理、灌溉施肥智能决策、建立灌溉施肥数学模型及灌溉施肥状态的故障诊断、错误处理；智能预测灌溉施肥控制***软件包括数据通讯及处理软件模块、灌溉施肥智能决策专家***软件模块、灌溉施肥模型及精量灌溉施肥算法软件模块和自动化***错误处理软件模块；所述的数据通讯及处理软件模块通过***总线接收云计算平台的数据并进行简单的数据运算及处理分析，为灌溉施肥智能决策专家***软件模块做出决策提供数据依据；所述的灌溉施肥智能决策专家***软件模块根据云计算平台传送来的数据做出灌溉施肥的决策，具体决策包括：根据实时天气和大田中土壤水分、风速、气温、光照，结合天气预报预测,依据云计算平台中存储各种大田作物周年生长需水需肥量、灌溉施肥时间，专家、种粮户对作物周年生长施肥时间和灌溉施肥量做出决策，进而控制灌溉施肥时间和灌溉施肥量；所述的灌溉施肥模型及精量灌溉施肥算法软件模块根据灌溉施肥智能决策专家***软件模块做出的决策建立灌溉施肥以及肥料母液动态调控数学模型，从而确定最优化算法实现精量灌溉施肥；所述的自动化***错误处理软件模块根据灌溉施肥状态监测及在线故障检测***反馈的信号检测压力传感器、流量传感器的真实示数，确定出现故障位置并进行检修，以保证管道中压力和流量的正常；
所述的灌溉施肥控制子***根据灌溉施肥智能决策专家***软件模块的决策来执行灌溉施肥操作，包括灌溉施肥执行单元和灌溉施肥控制器；
所述的灌溉施肥执行单元包括精量配肥装置和首部枢纽装置；所述的精量施肥装置包括精量排肥机构和搅拌器，用于精量排肥和配置浓度可控的母液；所述的搅拌器用于搅碎、溶解和过滤颗粒肥；所述的首部枢纽装置用于水源取水加压，并为配置浓度可控母液提供清水，经过滤处理，用于整个灌溉施肥***的加压、供水、过滤、量测任务；
所述的灌溉施肥控制器根据传感器模块测得的数据控制精量排肥机构、注肥泵、搅拌器和电磁阀动作实现精量排肥和浓度调控母液的配置；灌溉施肥控制器包括精量排肥机构控制器、搅拌器控制器、注肥泵控制器、传感器模块以及***人机交互模块；所述的传感器模块包括EC传感器、PH传感器、压力传感器和流量传感器，并通过传感器数据采集总线与灌溉施肥控制器连接相互通讯；所述的EC传感器和PH传感器安装在母液罐底部侧面，用于检测母液罐内母液的EC值和PH值；所述的压力传感器安装在主管道末端，用于检测主管道的压力；所述的流量传感器分别安装在母液罐进水管、母液罐出液管和主管道上，用于检测进出母液罐和主管道的流量；所述的精量排肥机构控制器一端连接灌溉施肥控制器，另一端连接精量排肥机构，灌溉施肥控制器输出信号控制精量排肥机构动作；所述的搅拌器控制器一端连接灌溉施肥控制器，另一端连接搅拌器电机，灌溉施肥控制器输出信号控制搅拌电机动作；所述的注肥泵控制器一端连接灌溉施肥控制器，另一端连接注肥泵，灌溉施肥控制器输出信号调节注肥泵的输出流量；所述的***人机交互模块能实现人机交互，便于专家和种粮户将作物长势随时输入到中央控制单元以使灌溉施肥智能决策专家***软件模块作出决策，***人机交互模块包括电脑主机、液晶屏、键盘和鼠标，所述的电脑主机用于安装中央控制单元的各个软件；所述的液晶屏、键盘和鼠标均通过数据线与电脑主机连接；
所述的灌溉施肥状态监测及在线故障检测***用于实时检测整个***在灌溉施肥的过程中的状态和故障并通过***总线反馈到中央控制单元，中央控制单元的自动化***错误处理软件模块再通过灌溉施肥控制子***作出相应的操作以及报警。
2.如权利要求1所述的一种基于多源信息融合的农田水肥一体化智能管控***，其特征在于所述的土壤水分传感器采用现插现测型土壤水分传感器。
3.如权利要求1所述的一种基于多源信息融合的农田水肥一体化智能管控***，其特征在于所述的精量排肥机构选用现有螺旋绞龙组装成的排肥机构。
4.如权利要求1所述的一种基于多源信息融合的农田水肥一体化智能管控***，其特征在于所述的灌溉施肥控制器选用STM32型单片机。
5.一种基于多源信息融合的农田水肥一体化智能管控***的控制方法，其特征在于步骤如下：
1)天气预报查询接收工作：天气预报查询接收时，操作人员利用GPRS通讯模块，通过国家气象局提供的天气预报数据接口，从中国气象网访问中央气象数据库、查询实时天气预报，接收数据传送到天气预报查询接收子***，再通过***总线将数据传送到中央控制单元，为中央控制单元做出灌溉施肥决策提供实时气象预报数据；
2)气象实时数据采集工作：气象实时数据采集的过程中，土壤水分传感器、风速传感器、气温传感器、光照传感器和雨量传感器通过传感器数据采集总线将采集的数据输送到实时数据采集控制器中，实时数据采集控制器将数据通过***总线传送给中央控制单元，中央控制单元的灌溉施肥智能决策专家***软件模块做出灌溉施肥决策；
3)灌溉施肥决策工作：灌溉施肥决策根据实时天气和大田中土壤水分、风速、气温、光照，结合天气预报预测,依据云计算平台中历史存储各种大田作物周年生长需水需肥量、灌溉施肥时间以及对作物长势的现场描述，灌溉施肥智能决策专家***软件模块将四种数据协同处理，优化产生最佳的灌溉施肥决策，四种数据协同是采用ECA规则处理机制；
定义一个ECA规则是一个三元组，定义为R＝(E,C,A)；其中，E为激活该规则的事件；C为条件集，用以反映环境中的不同情况；A为操作集(或动作集合)；C在这里通称为对象变量；对象变量是数据流中涉及的影响工作流路径选择的特性或参数，简称变量；变量以xi来表示，变量集合记为X＝{x1,x2,…,xk}；变量xi的取值范围为域，用符号Di来表示；
定义X＝{x1,x2,x3,x4}；x1为当地实时气象数据，x2为农作物生长的历史数据，x3为天气预报数据，x4为作物长势的现场描述数据；
D1＝{传感器检测大田温度、湿度、光照强度、风速等数据}；
D2＝{往年作物周年生长需水需肥量、灌溉施肥时间的数据}；
D3＝{天气预报温度、雨量、湿度、光照、风速等数据}；
D4＝{对农作物的苗情、长势、病虫害等现场描述数据}；
A＝{精量排肥电机增速、精量排肥电机减速、注肥泵开、注肥泵关、电磁阀开、电磁阀关、搅拌电机开、搅拌电机关}
E＝{策略1，策略2，策略3}
策略1：灌溉：天气正常，土壤湿度达到预设定下限值，开始灌溉；当湿度达到作物生长适合的适度后，停止灌溉；
策略2：灌溉施肥：依据云计算平台中历史存储各种大田作物周年生长需水需肥量、灌溉施肥时间以及对作物长势的现场描述，进行施肥量的控制，已到需要施肥时节，需要施肥，作物长势不好，需要施肥，施肥是在灌溉的情况下进行；
策略3：未来三天天气预报的天气情况，有雨且降水量满足作物生长的需水量，不进行灌溉，无雨或有雨但降水量不满足作物生长的需水量，进行灌溉；
近三年内同一时间内数据平均值温度T0、湿度H0、光照强度L0、风速V0；天气预报数据温度T2、风速V2、湿度H2、光照强度L2、气压P2；测得的实时参数温度T1、湿度H1、光照强度L1、风速V1、气压P1；按照如下公式
对测得的数据进行处理，其中K1为近三年内同一天有雨雪等情况加权值，取值范围1-10，K2为天气预报有雨雪等情况加权值，取值范围1-10，K3为历史数据加权值1-10，K4为天气预报数据加权值，取值范围1-10；
设定判断天气突变的临界值S0；
当S<S0时，表示天气正常，能进行灌溉或者灌溉施肥；
当S≥S0时，表示天气突变，有雨雪的机率大，不进行灌溉或者灌溉施肥；
4)灌溉施肥执行工作：灌溉施肥执行工作的过程中，先通过中央控制单元中的灌溉施肥智能决策专家***软件模块做出灌溉施肥决策，灌溉施肥模型及精量灌溉施肥算法软件模块再根据灌溉施肥智能决策专家***软件模块做出的决策建立灌溉施肥以及肥料母液动态调控数学模型，实现精量灌溉施肥；中央控制单元将灌溉施肥以及肥料母液动态调控数学模型通过***总线传送给灌溉施肥控制子***，灌溉施肥控制子***的灌溉施肥控制器控制精量排肥装置和首部枢纽装置完成具体的灌溉施肥操作。
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