CN109566362B - 一种智能灌溉系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能灌溉系统及其控制方法，包括控制器、气象数据获取模块、环境信息传感器和水灌溉模块，气象数据获取模块、环境信息传感器与控制器数据相连，控制器根据当前实时检测的环境信息，以及当前的气象数据，设置水胁迫时长，根据水胁迫时长控制水灌溉模块的开或关，实现智能灌溉。该控制器采用Raspberry Pi嵌入式计算机，根据实时检测的土壤温湿度，并结合降雨率和水胁迫时长作为输入信息。并将上述信息输入自适应专家决策模块，控制电磁阀的开关状态，实现智能灌溉。使用者还可以利用远程终端通过云平台检测土壤实时温湿度和控制灌溉模块，具有极高的可靠性和实时性，有效提高灌溉的方便性和精确性，降低生产成本。

Description

一种智能灌溉系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及灌溉领域，特别涉及一种智能灌溉系统及其控制方法。

背景技术

农作物灌溉技术是国民粮食的重要支持，我国农业灌溉用水量约占用水总量的60％，农业灌溉效率总体上比较低，浪费现象还普遍存在。

目前的灌溉系统以人工控制、定时灌溉为主，或者仅通过检测土壤湿度来进行灌溉。人工灌溉比较麻烦，而且需要一定的人力成本，而定时灌溉或者在土壤湿度不足时灌溉有一定的局限性，仍然存在浪费水资源、灌溉量过多或者不足，而且不能适应环境的其他因素(如土壤湿度、降雨量)的变化。

发明内容

针对现有技术中灌溉系统成本高、灵活性不足、可靠性差的问题，本发明提供一种智能灌溉系统及其控制方法，其将自动化技术、智能云技术、信息化技术与灌溉技术科学有效结合起来，能够有效提高可靠性和灵活性，以及降低人力和生产成本。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种智能灌溉系统，包括控制器、气象数据获取模块、环境信息传感器和水灌溉模块，气象数据获取模块、环境信息传感器与控制器数据相连，控制器根据当前实时检测的环境信息，以及当前的气象数据，设置水胁迫安全时长，根据水胁迫安全时长控制水灌溉模块的开或关，实现智能灌溉。本发明除了依靠环境信息外，还依靠气象数据综合判断，提高了灌溉的准确性。

优选的，所述智能灌溉系统包括太阳能供电模块，系统中各个部件由该太阳能供电模块进行供电。

更进一步的，所述太阳能供电模块包括太阳能充电板、过流保护电路(I＞I_N)、欠压保护电路(U＜U_N)以及储能装置，所述太阳能充电板与储能装置连接以进行充放电，过流保护电路、欠压保护电路用于监测和控制上述充放电过程，所述太阳能供电模块通过无线通信模块将当前电量信息和电压信息发送至控制器。

优选的，所述环境信息传感器包括太阳光照强度传感器、土壤温湿度传感器。

优选的，所述智能灌溉系统中的控制器还通过无线通信模块与远程终端相连。从而方便用户利用自己的个人计算机或者智能手机等通过云平台检测土壤实时温湿度和控制灌溉模块，具有极高的可靠性和实时性，有效提高灌溉的方便性，降低生产成本。

优选的，所述水灌溉模块包括强弱电耦合模块、电磁阀和灌溉终端设备，控制器通过强弱电耦合模块与电磁阀相连，电磁阀设置在灌溉终端设备中的管路上。从而可通过控制器准确控制各个管路的开启和关闭。

优选的，所述智能灌溉系统包括用于对外报警的报警模块。

优选的，所述智能灌溉系统包括自动/手动切换开关。提高适用性。

优选的，所述控制器采用Raspberry Pi嵌入式计算机。

一种基于上述智能灌溉系统的控制方法，包括步骤：

获取当前的气象数据，所述气象数据包括空气温度、空气相对湿度、降雨率；

获取当前待灌溉区域的环境信息，所述环境信息包括土壤温度、土壤湿度和太阳光照强度；

获取当前待灌溉区域中农作物种类；

根据农作物种类确定农作物的耐旱能力，根据耐旱能力、空气温度、空气相对湿度、降雨率和土壤湿度设置水胁迫安全时长，根据水胁迫安全时长自动调整当前的灌溉计划。

优选的，所述降雨率通过XML/JSON数据交换格式从气象台获取。

优选的，气象数据和环境信息上传到云平台上，移动终端通过云平台获取上述信息，并远程发送命令到控制器进行控制。具有极高的可靠性和实时性，有效提高灌溉的方便性，降低生产成本。

优选的，所述控制器中设有一自适应专家决策模块，该模块用于根据农作物的耐旱能力、空气温度、空气相对湿度、降雨率和土壤湿度自适应设置水胁迫安全时长。这里所述的水胁迫安全时长是指当作物较短水胁迫时间内受水分胁迫后能够安全复水，叶片生长速率(LER)迅速增加，有部分补偿前期胁迫减少的生长量能力，此时水胁迫的时长是安全的，而不至于破坏作物在6小时范围内LER恢复到正常的水平，这段水胁迫的时长称之为水胁迫的安全时长。

更进一步的，根据自适应专家决策模块中给定的专家知识库，预设一土壤湿度阈值，若当前检测到的土壤湿度小于该土壤湿度阈值，则生成灌溉控制信号，开启电磁阀进行水灌溉。灌溉控制信号包括电磁阀的开启时长和开关状态，所述电磁阀的开启时长即为灌溉时长。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明通过土壤温湿度传感器实时检测土壤温湿度，可根据土壤温湿度自动进行灌溉，另外还可通过远程终端控制灌溉，提高水灌溉的灵活性。

2、本发明可实时监控太阳能充放电情况，发现异常可以及时切断相关电路，保护储能装置，提高储能装置的使用寿命，通过监测储能装置的电压，当储能装置发生损坏时用户可及时发现，水灌溉和肥料灌溉均可通过远程终端进行控制，有效提高水肥灌溉的方便性，降低生产成本。

3、本发明通过气象台获取实时天气预报，根据降雨概率和作物水胁迫安全时长进行灵活柔性灌溉，能实现环境自适应，有效实现节水灌溉的目的。

4、本发明基于Raspberry Pi控制器，由于Raspberry Pi是一款嵌入式计算机，具有计算机的基本功能，并且自带输入输出端口。同时兼有单片机和个人计算机上位机的功能，并且能够搭建服务器，其成本远低于单片机和个人计算机的组合，大幅度降低生产成本。

5、本发明通过远程终端与灌溉系统的可靠通信连接，使得用户可以远程控制水灌溉，还可以实现远程查看采集到的环境参数：土壤温湿度和太阳光照强度，并且将采集到的数据自动保存到xlsx或csv文件，并保存到数据库，又便于下一步分析和研究。

附图说明

图1是本发明智能灌溉系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实施例一种智能灌溉系统，包括控制器、气象数据获取模块、环境信息传感器和水灌溉模块，控制器采用Raspberry Pi嵌入式计算机，气象数据获取模块用于获取气象数据，例如空气温度、空气相对湿度、降雨率，通过XML/JSON数据交换格式从气象台获取。系统中各个部件由太阳能供电模块进行供电。环境信息传感器包括太阳光照强度传感器、土壤温湿度传感器等。本实施例所述灌溉系统可为农田提供生长用水灌溉，既可用于农田灌溉，也可用于温室灌溉。

本实施例中，所述Raspberry Pi嵌入式计算机与T型扩展板相连接，且与无线模块、环境信息传感器连接。水灌溉模块包括强弱电耦合模块、电磁阀和灌溉终端设备，T型扩展板通过强弱电耦合模块与所述电磁阀相连，所述电磁阀设置在灌溉终端设备中的管路上。控制器用于通过所述无线通信模块接收远程终端发送的灌溉控制信号，并根据所述灌溉控制信号控制开启电磁阀进行水灌溉。

所述Raspberry Pi嵌入式计算机连接互联网，能够通过网络远程终端实时监控该灌溉系统，并且将土壤温湿度保存为xlsx或csv文件，并记录到系统数据库，用于随时查看任意时间的土壤温湿度。所述远程终端包括手机、平板电脑、个人计算机以及智能手表等，远程终端也可通过无线通信模块与Raspberry Pi嵌入式计算机建立通信连接。

本实施例中，太阳能供电模块为智能灌溉系统中各个部件以及Raspberry Pi嵌入式计算机供电。包括太阳能充电板、过流保护电路(I＞I_N)、欠压保护电路(U＜U_N)以及储能装置，所述太阳能充电板与储能装置连接以进行充放电，过流保护电路、欠压保护电路用于监测和控制上述充放电过程，所述太阳能供电模块通过无线通信模块将当前电量信息和电压信息发送至控制器。

本实施例中，在系统故障时，还可通过报警模块对外报警，同时通过自动/手动切换开关切换智能灌溉系统的工作模式。

本实施例还提供一种基于上述智能灌溉系统的控制方法，包括步骤：

S1、获取当前的气象数据，所述气象数据包括空气温度、空气相对湿度、降雨率；

S2、获取当前待灌溉区域的环境信息，所述环境信息包括土壤温度、土壤湿度和太阳光照强度；

S3、获取当前待灌溉区域中农作物种类；

S4、根据农作物种类确定农作物的耐旱能力，根据耐旱能力、空气温度、空气相对湿度、降雨率和土壤湿度设置水胁迫安全时长，根据水胁迫安全时长自动调整当前的灌溉计划。

控制器中设有一自适应专家决策模块，该模块用于根据农作物的耐旱能力、降雨率和土壤湿度自适应设置水胁迫安全时长。举例来说，可仅根据所述降雨率以及所述作物的耐旱能力设置所述水胁迫安全时长，比如90％及以上降雨率设述水胁迫安全时长为4小时到6小时。70％-90％降雨率设置水胁迫安全时长为2小时到4小时。50％-70％降雨率设置水胁迫安全时长为1小时到2小时。50％以及以下降雨率，设置水胁迫安全时长为零，灌溉器将正常作业。以上信息均由自适应专家决策模块进行决策，从而自适应调整灌溉计划。

在实际应用中，所述土壤湿度值由太阳光照强度、土壤温度以及农作物总类共同决定。可将土壤温度信息输入到所述自适应专家决策模块，根据给定的专家知识库，用于预设一土壤湿度阈值。Raspberry Pi嵌入式计算机将当前土壤湿度与预设的土壤湿度阈值进行比较，若当前检测到的土壤湿度小于该土壤湿度阈值，则生成灌溉控制信号，所述灌溉控制信号用于开启电磁阀进行水灌溉。

可通过各种手段实施本发明描述的技术。举例来说，这些技术可实施在硬件、固件、软件或其组合中。对于硬件实施方案，处理模块可实施在一个或一个以上专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑装置(PLD)、现场可编辑逻辑门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、电子装置、其他经设计以执行本发明所描述的功能的电子单元或其组合内。

对于固件和/或软件实施方案，可用执行本文描述的功能的模块(例如，过程、步骤、流程等)来实施所述技术。固件和/或软件代码可存储在存储器中并由处理器执行。存储器可实施在处理器内或处理器外部。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种智能灌溉系统，其特征在于，包括控制器、气象数据获取模块、环境信息传感器和水灌溉模块，气象数据获取模块、环境信息传感器与控制器数据相连，控制器根据当前实时检测的环境信息，以及当前的气象数据，设置水胁迫安全时长，根据水胁迫安全时长控制水灌溉模块的开或关，实现智能灌溉；

所述控制器中设有一自适应专家决策模块，该模块用于根据农作物的耐旱能力、降雨率和土壤湿度自适应设置水胁迫安全时长；

所述控制器中，根据自适应专家决策模块中给定的专家知识库，预设一土壤湿度阈值，若当前检测到的土壤湿度小于该土壤湿度阈值，则生成灌溉控制信号，灌溉控制信号包括电磁阀的开启时长和开关状态，开启电磁阀进行水灌溉，所述电磁阀的开启时长即为灌溉时长；

所述控制器中，根据所述降雨率以及所述作物的耐旱能力设置所述水胁迫安全时长，90％及以上降雨率设置水胁迫安全时长为4小时到6小时；70％-90％降雨率设置水胁迫安全时长为2小时到4小时；50％-70％降雨率设置水胁迫安全时长为1小时到2小时；50％以及以下降雨率，设置水胁迫安全时长为零，灌溉器将正常作业。

2.根据权利要求1所述的智能灌溉系统，其特征在于，所述智能灌溉系统包括太阳能供电模块，系统中各个部件由该太阳能供电模块进行供电。

3.根据权利要求2所述的智能灌溉系统，其特征在于，所述太阳能供电模块包括太阳能充电板、过流保护电路、欠压保护电路以及储能装置，所述太阳能充电板与储能装置连接以进行充放电，过流保护电路、欠压保护电路用于监测和控制上述充放电过程，所述太阳能供电模块通过无线通信模块将当前电量信息和电压信息发送至控制器。

4.根据权利要求1所述的智能灌溉系统，其特征在于，所述环境信息传感器包括太阳光照强度传感器、土壤温湿度传感器；

所述水灌溉模块包括强弱电耦合模块、电磁阀和灌溉终端设备，控制器通过强弱电耦合模块与电磁阀相连，电磁阀设置在灌溉终端设备中的管路上。

5.根据权利要求1所述的智能灌溉系统，其特征在于，

所述智能灌溉系统包括用于对外报警的报警模块；

所述智能灌溉系统包括自动/手动切换开关。

6.根据权利要求1所述的智能灌溉系统，其特征在于，

所述智能灌溉系统中的控制器还通过无线通信模块与远程终端相连；

所述控制器采用Raspberry Pi嵌入式计算机。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述智能灌溉系统的控制方法，其特征在于，包括步骤：

获取当前的气象数据，所述气象数据包括空气温度、空气相对湿度、降雨率；

获取当前待灌溉区域的环境信息，所述环境信息包括土壤温度、土壤湿度和太阳光照强度；

获取当前待灌溉区域中农作物种类；

根据农作物种类确定农作物的耐旱能力，根据耐旱能力、空气温度、空气相对湿度、降雨率和土壤湿度设置水胁迫安全时长，根据水胁迫安全时长自动调整当前的灌溉计划；

所述控制器中设有一自适应专家决策模块，该模块用于根据农作物的耐旱能力、降雨率和土壤湿度自适应设置水胁迫安全时长；

根据自适应专家决策模块中给定的专家知识库，预设一土壤湿度阈值，若当前检测到的土壤湿度小于该土壤湿度阈值，则生成灌溉控制信号，灌溉控制信号包括电磁阀的开启时长和开关状态，开启电磁阀进行水灌溉，所述电磁阀的开启时长即为灌溉时长；

根据所述降雨率以及所述作物的耐旱能力设置所述水胁迫安全时长，90％及以上降雨率设置水胁迫安全时长为4小时到6小时；70％-90％降雨率设置水胁迫安全时长为2小时到4小时；50％-70％降雨率设置水胁迫安全时长为1小时到2小时；50％以及以下降雨率，设置水胁迫安全时长为零，灌溉器将正常作业。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，

所述降雨率通过XML/JSON数据交换格式从气象台获取；

气象数据和环境信息上传到云平台上，移动终端通过云平台获取上述信息，并远程发送命令到控制器进行控制。

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