CN113841595A - 基于土壤湿度和深度结合的节能型智能精准灌溉*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于土壤湿度和深度结合的节能型智能精准灌溉***，包括信息采集及传输模块、灌溉决策与预警模块、灌溉执行模块和远程监控模块；本发明设置信息采集及传输模块，该模块通过传感器对植物生长环境进行动态监测，并将监测数据通过WiFi发送到云平台；本发明设置灌溉决策与预警模块，该模块对云平台接收到的原始数据利用灌溉算法进行计算，结合植物信息数据库，得到灌溉时间和灌溉量，并将相应数据发送至用户APP，实现精准灌溉；本发明设置灌溉执行模块，该模块通过阿里云对控制终端下发控制指令来自动控制电磁阀和水泵的开关，实现智能灌溉；本发明设置远程监控模块，该模块利用Android手机APP接收监测数据及预警信息，用户可以远程实时监测和手动控制。

Description

基于土壤湿度和深度结合的节能型智能精准灌溉***

技术领域

本发明涉及一种智能灌溉***，尤其是基于土壤湿度和深度结合的节能型智能精准灌溉***。

背景技术

我国耕地面积在南北的分布约64％和36％，与此同时北方的水资源分布仅占22％，北方用水紧缺。通过考察90％以上的耕地采用传统漫灌，水资源浪费巨大，夏季用水调度困难，植物容易受旱，并且复杂的灌溉流程对于农村这一老龄化的人口结构极其不友好，这也对应了我国目前极大的农业用水占比，传统农业灌溉方式亟需转变仍是棘手的问题。

干旱地区多数植物是直根系深作物，由入土较深的主根、分布较广的侧根和根毛组成，传统的智能精准灌溉算法所参考的因素为浅层土壤含水率，空气湿度以及天气预报等，干旱地区扎根较深的植物深处的土壤含水率和地表的土壤含水率存在差异，这使得仅参考浅层土壤湿度不能得到精确的灌溉时间和灌溉量，造成灌溉不足或灌溉过量；植物种植需要大量人力，我国已经在采摘、驱虫、施肥等多方面实现自动化，但灌溉方面自动化程度仍然较低，实时性低。

发明内容

为了解决现有技术中智能灌溉***中水资源利用率不高，智能化低，实时性低等问题，本发明提供了一种基于土壤湿度和深度结合的节能型智能精准灌溉***。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种基于土壤湿度和深度结合的节能型智能精准灌溉***，包括电力储存与供应模块、灌溉执行模块、信息采集及传输模块、灌溉决策与预警模块、远程监控模块；

电力储存与供应模块，利用太阳能电池板将太阳能转化为电能，实现电能的采集、储存，并对整个灌溉***供电。

灌溉执行模块，利用云服务器依据计算得到的预警建议，通过无线WiFi网络向控制终端下发控制指令，用于自动控制电磁阀和水泵的开关；

信息采集及传输模块，用于动态监测植物生长环境信息并将信息通过无线WiFi网络传输至云服务器，植物生长环境信息包括蒸腾量，土壤蒸发量，根茎深度，水气压-温度曲线斜率，湿度计常数，风速，水气压值；

灌溉决策与预警模块，用于对云平台接收到的原始数据利用优化后的智能精准灌溉算法进行计算，结合植物信息数据库的阈值，最终得到灌溉时间和灌溉量，并将相应的监测数据和预警建议发送至用户APP；

远程监控模块，用于用户远程实时监测植物生长环境和对***开关的远程手动控制，通过4G网接收来自云服务器的监测数据及预警信息；

作为一种可实施方式，所述信息采集及传输模块包括控制终端和传感模块，所述控制终端和传感模块连通，所述控制终端由单片机构成，所述控制终端分别连通灌溉决策与预警模块和灌溉执行模块；

在本发明中，所述传感模块包括温度传感器，湿度传感器，气压传感器，风速传感器和深度标记，通过这些传感器获取到土壤相关信息，这些土壤相关信息进一步采用有线网络传输给控制终端，通过无线WiFi信号发送至灌溉决策与预警模块，再通过数据处理和基于土壤深度和湿度结合的节能型智能精准灌溉算法精准计算，结合植物数据库阈值，得到结果为单次灌溉量和灌溉间隔时间，进而得到灌溉控制信号，将控制指令发送回控制终端，通过控制终端对灌溉执行模块进行控制，进而实现灌溉的智能化管理。

作为一种可实施方式，所述电力储存与供应模块包括太阳能电池板、太阳能发电支架、电力储存与供应装置，所述控制终端对所述电力储存与供应模块进行总控。

作为一种可实施方式，所述灌溉执行模块根据所述控制终端传来的灌溉控制信号控制电磁阀及水泵的开关，所述的电磁阀及水泵和蓄水池及过滤器连接；

作为一种可实施方式，所述灌溉决策与预警模块通过无线WiFi与所述控制终端连通，通过4G网络与远程监控模块连通，所述远程监控模块为Android手机APP。

所述基于土壤深度和湿度结合的节能型智能精准灌溉算法，包括以下步骤：

根据当地环境确定水气压-温度曲线斜率k、风速v、水气压饱和值e、种植田实际水气压值e′、土壤蒸发量M、土壤单位时间失水量β；

选择植物种类及品种。从知识库中获取土壤最适含水量下限μ₁、土壤最适含水量上限μ₂、单位时间植物需水量A、根长L；

计算植物蒸发蒸腾量。由于Penman-Monteith公式能够综合考虑气象因素对参考作物蒸发蒸腾量的影响，因此利用Penman-Monteith公式对植物蒸发蒸腾量进行计算。过程如下：

其中，W表示植物蒸发蒸腾量，k表示为水气压-温度曲线斜率，C表示为湿度计常数，T表示当时的环境温度，v表示风速，e表示水气压饱和值，e′表示种植田实际水气压值；

利用Lagrange插值将所测量的不同深度的湿度连续化，即可得到一个湿度关于深度的Lagrange插值函数u(x)。过程如下：

其中，n表示总共测量的深度个数，x_i和x_j表示测量的第i个和第j个深度，y_i表示测量的第i个深度对应的湿度值；

将实际问题转化为数学问题，将问题按灌溉间隔分为若干个简单的子问题，将每个子问题转化成如下规划问题求解：

其中：

表示一天的灌溉次数，β_i表示第i个灌溉间隔土壤单位时间失水量，

根深长度的单位体积的含水量，z_p和z_q表示第p个和第q个灌溉间隔时间段根深长度的单位体积的含水量；

采用内点罚函数法求解步骤5的规划问题的最优解，其中调用BFGS算法对子问题求解；

步骤6所求最优解所对应的N即为单次灌溉量，Δt即为灌溉间隔时间。将其输出到控制器。

本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：

本发明在现有的灌溉控制***中加入了远程监控模块和灌溉决策与预警模块，利用云技术进行数据处理、计算和指令控制，***可自动稳定运作，并且用户也可以实时监测农田信息并结合预警建议手动远程控制，能更高速精确的监测农田信息，并且解放劳动力；

另外，还将根茎所测湿度和其对应湿度结合，优化智能精准灌溉算法，可以精准计算灌溉时间间隔和单次灌溉量，使植物全天候全周期处于最有利于生长的土壤湿度环境下。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明进行进一步说明。

图1是本发明一种基于土壤湿度和深度结合的节能型智能精准灌溉***的***结构示意图。

图2是本发明一种基于土壤湿度和深度结合的节能型智能精准灌溉***设实施例中电力储存与供应模块、灌溉执行模块、信息采集及传输模块、灌溉决策与预警模块、远程监控模块示意图。

图中：1.蓄水池 2.过滤器 3.取水管道 4.水泵 5.电磁阀 6.电力储存与供应装置 7.控制终端 8.太阳能发电机支架 9.太阳能电池板 10.灌溉喷头 11.输水管 12.土壤传感器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参图1所示，本发明公开了一种基于土壤湿度和深度结合的节能型智能精准灌溉***，属于农业现代化和能源物联网技术领域，包括电力储存与供应模块、灌溉执行模块、信息采集及传输模块、灌溉决策与预警模块、远程监控模块。电力供应***包括电力存储供应设备4、太阳能电池板5、太阳能发电机支架6，太阳能电池板5安装在太阳能发电机支架6上，通过电池板发电并输送给电力存储供应设备4，电力储存与供应设装置4对输入的电能进行存储以备后续***控调配。灌溉执行模块包括蓄水池1、过滤器2、取水管道3、水泵4、电磁阀5、灌溉喷头10、输水管道11，利用水泵4通过取水管道3和过滤器2从蓄水池中抽水，再通过输水管道11向灌溉喷头10供水，实现喷洒灌溉。信息采集及传输模块包括土壤传感器12、控制终端7，土壤传感器12用于采集检测土壤中的水份、营养成分等信息。

其中，电力储存与供应模块、灌溉执行模块、灌溉决策与预警模块、土壤传感器12均与控制终端7相连接并受控制终端7集成和调控，通过控制终端7控制电力储存与供应模块进行电力采集并对电力储存与供应装置6进行总控以调配电力存输，并根据土壤传感器12采集的水份和营养含量等信息掌控土壤实时状况，并通过灌溉决策与预警模块的云平台进行智能分析，以实时动态调控灌溉执行模块，通过调控加水4和电磁阀5控制灌溉水量，实现智能精准调控，以满足植物生长需求，***各模块的工作能源均来自电力储存与供应模块的电力储存与供应装置6的供能。

具体的，电力储存与供应装置6设有输入端口和输出端口，电力储存与供应装置6输入端口与太阳能发电机支架8相连，太阳能发电机支架8上设有太阳能自动***可控制太阳能电池板9的转动角度和方向便于最大程度获得太阳能。电力储存与供应装置6输出端口与水泵4、灌溉喷头10和土壤传感器12相连，向灌溉执行模块和土壤传感器12提供电能以满足灌溉和土壤检测的能耗需求。

具体的，取水管道末端安装过滤器2，防止泥沙的杂质进入输水管道，便于取水，取水管道3另一端与水泵4相连，水泵4远离取水管道3的一端与电磁阀5相连，电磁阀5另一端与输水管道11连接，通过水泵4驱动力从蓄水池中抽水，开启电磁阀5向输水管道11进行送水。输水管道11末端与灌溉喷头9相连通，转动喷头10设在离地面一定高度处，扩大喷洒灌溉范围且提高灌溉效率。

具体的，将多个土壤传感器12埋在土壤表层以下不同深度，用于采集土壤中水份、营业成分等信息，并将采集数据传输给控制终端7，控制终端7再将所测数据上传至云平台进行数据分析，云平台将分析结果传至控制终端从而操控调配其他***。。

具体的，灌溉决策与预警模块与控制终端7通过无线WiFi连通，灌溉决策与预警模块通过4G网络与远程监控模块连通，所述远程监控模块为Android手机APP，可通过Android手机APP进行信息交互和指令传输。

参图2所示，本发明公开了一种基于土壤湿度和深度结合的节能型智能精准灌溉***，通过土壤传感器12采集土壤的水份和营养成份等实时参数，上传至灌溉决策与预警模块进行数据分析，控制终端12根据土壤数据分析结果调控电力储存与供应装置4驱动灌溉执行模块，通过调控灌溉执行模块的水泵4和电磁阀5控制灌溉量，以满足植物的生长需求。

根据本发明实施例，在灌溉时，控制终端7控制电力储存与供应装置6开启水泵4，从蓄水池1中抽水，同时启动电磁阀5，通过灌溉喷头10进行灌溉，灌溉结束时，总控停止水泵4和电磁阀5即完成灌溉。

根据本发明实施例，对于电力存储和供应，控制终端7根据实时光照情况，实时总控太阳能电池板9朝向以获得发电的最大功效，为电力储存与供应装置6充电以备***使用。

根据本发明实施例，控制终端7控制土壤传感器12采集土壤中的水份、营养成分等信息并将信息传输回控制终端7，控制终端7将所测数据上传至云平台进行数据分析，根据分析结果智能精准调控灌溉执行模块进行科学合理灌溉。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明是一种基于土壤湿度和深度结合的节能型智能精准灌溉***，通过控制终端对太阳能电池板采集的电能进行总控，后将电能存储并按指令供能给灌溉执行模块进行加压抽水、引水灌溉，并根据采集的土壤数据来实时调控灌溉量，本发明在现有的灌溉控制***中加入了远程监控模块和灌溉决策与预警模块，优化了智能精准灌溉算法，可以精准计算灌溉时间间隔和单次灌溉量，利用云技术和先进算法进行数据处理、计算和指令控制，***可自动稳定运作，并且用户也可以实时监测农田信息并结合预警建议手动远程控制，能更高速精确的监测农田信息，实现智能灌溉、节能灌溉、精准灌溉。

在本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种基于土壤湿度和深度结合的节能型智能精准灌溉***，其特征在于，包括信息采集及传输模块、灌溉决策与预警模块、灌溉执行模块和远程监控模块；

信息采集及传输模块，用于动态监测植物生长环境信息并将信息通过无线WiFi网络传输至云服务器，植物生长环境信息包括蒸腾量，土壤蒸发量，根茎深度，水气压-温度曲线斜率，湿度计常数，风速，水气压值；

灌溉决策与预警模块，用于对云平台接收到的原始数据利用优化后的智能精准灌溉算法进行计算，结合植物信息数据库的阈值，最终灌溉时间和灌溉量，并将相应的监测数据和预警建议发送至用户APP；

灌溉执行模块，利用云服务器依据计算得到的预警建议，通过无线WiFi网络向控制终端下发控制指令，用于自动控制电磁阀和水泵的开关；

远程监控模块，用于用户远程实时监测植物生长环境和对***开关的远程手动控制，通过4G网接收来自云服务器的监测数据及预警信息。

2.根据权利要求1所述的基于土壤湿度和深度结合的节能型智能精准灌溉***，其特征在于，所述信息采集及传输模块包括控制终端和传感模块，所述控制终端和传感模块连通，所述控制终端由单片机构成，所述传感模块包括温度传感器，湿度传感器，气压传感器，风速传感器和深度标记，所述控制终端分别连通灌溉决策与预警模块和灌溉执行模块；

所述灌溉执行模块根据所述控制终端传来的灌溉控制信号控制电磁阀及水泵的开关，所述的电磁阀及水泵和蓄水池及底阀连接；

所述灌溉决策与预警模块通过无线WiFi与所述控制终端连通，通过4G网络与远程监控模块连通，所述远程监控模块为Android手机APP。

3.根据权利要求1所述的基于土壤湿度和深度结合的节能型智能精准灌溉***，其特征在于，所述的灌溉决策与预警模块为云平台，所述云平台包括智能精准灌溉算法并将所接收数据通过4G网转发至上述远程监控模块。

4.根据权利要求1所述的基于土壤湿度和深度结合的节能型智能精准灌溉***，其特征在于，所述信息采集及传输模块，利用带有不同深度标记的湿度传感器，获得土壤不同深度下的湿度信息。

5.根据权利要求4所述的基于土壤湿度和深度结合的节能型智能精准灌溉***，其特征在于，所述的智能精准灌溉算法，包括以下步骤：

根据当地环境确定水气压-温度曲线斜率k、风速v、水气压饱和值e、种植田实际水气压值e′、土壤蒸发量M、土壤单位时间失水量β；

选择植物种类及品种。从知识库中获取土壤最适含水量下限μ₁、土壤最适含水量上限μ₂、单位时间植物需水量A、根长L；

计算植物蒸发蒸腾量。由于Penman-Monteith公式能够综合考虑气象因素对参考作物蒸发蒸腾量的影响，因此利用Penman-Monteith公式对植物蒸发蒸腾量进行计算。过程如下：

其中，W表示植物蒸发蒸腾量，k表示为水气压-温度曲线斜率，C表示为湿度计常数，T表示当时的环境温度，v表示风速，e表示水气压饱和值，e′表示种植田实际水气压值；

利用Lagrange插值将所测量的不同深度的湿度连续化，即可得到一个湿度关于深度的Lagrange插值函数u(x)。过程如下：

其中，n表示总共测量的深度个数，x_i和x_j表示测量的第i个和第j个深度，y_i表示测量的第i个深度对应的湿度值；

将实际问题转化为数学问题，将问题按灌溉间隔分为若干个简单的子问题，将每个子问题转化成如下规划问题求解：

其中：

表示一天的灌溉次数，β_i表示第i个灌溉间隔土壤单位时间失水量，

根深长度的单位体积的含水量，z_p和z_q表示第p个和第q个灌溉间隔时间段根深长度的单位体积的含水量；

采用内点罚函数法求解步骤5的规划问题的最优解，其中调用BFGS算法对子问题求解；

步骤6所求最优解所对应的N即为单次灌溉量，Δt即为灌溉间隔时间，将其输出到控制器。

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