CN110663518B - 基于大数据的湿热环境下喷灌控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于喷灌控制技术领域，具体提供一种基于大数据的湿热环境下喷灌控制系统及方法，该系统包括：采集端，用于采集植物种植区域的环境数据；服务器，用于对环境数据进行分析处理，还用于发送喷灌管理信号；灌溉端，用于按照接收到的喷灌管理信号进行喷灌；其中，采集端还用于采集喷灌结束后的土壤湿度值，并发送给服务器；服务器还用于接收喷灌结束后的土壤湿度值，并根据喷灌结束后的土壤湿度值进行自我修正。本申请在每次喷灌结束后，服务器都会根据喷灌结束后的土壤湿度值进行自我修正，对喷灌的效果进行改进。

Description

基于大数据的湿热环境下喷灌控制系统及方法

技术领域

本发明属于喷灌控制技术领域，尤其涉及基于大数据的湿热环境下喷灌控制系统及方法。

背景技术

喷灌系统广泛用于湿热地区隔离带植物的养护。

目前，主流的灌溉系统是基于无线传感器网络的灌溉系统，仅根据无线传感器实时监测 的土壤湿度等信息对灌溉进行控制。但这样的方法对传感器网络的能源消耗较大，影响无线 传感器网络的使用寿命；同时由于没有结合其它可利用的因素导致无法达到最有效地灌溉。

为解决上述问题，公开号为CN102715061B的专利提供了一种节能灌溉方法和装置，该 方法包括根据收集的历史土壤环境数据对未来土壤环境数据进行预测；根据预测出的未来土 壤环境数据选择需要唤醒的无线传感器和唤醒无线传感器的时间；在到达唤醒无线传感器的 时间时，唤醒所选定的无线传感器以实时监测并收集土壤环境数据，在土壤环境数据收集完 毕后，使无线传感器进入休眠状态；根据实时收集的土壤环境数据生成灌溉策略；利用灌溉 策略控制对土壤的灌溉。

使用该专利，不仅有效地对灌溉进行了控制、避免了对水资源的浪费，而且在很大程度 上减少了灌溉系统对无线传感器网络的能源消耗，提高了系统的寿命。

但是，植物的灌溉具有大惯性、大迟延、时变、多干扰的特点，而该专利在实际使用时， 缺少对喷灌效果的验证，也无法在使用过程中实现自学习和自我修正。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种基于大数据的湿热环境下喷灌控制系统及方法。

本发明提供的基础方案为：

基于大数据的湿热环境下喷灌控制系统，包括：

采集端，用于采集植物种植区域的环境数据，环境数据包括土壤湿度值；

服务器，用于对环境数据进行分析处理，还用于发送喷灌管理信号；

灌溉端，用于按照接收到的喷灌管理信号进行喷灌；

其中，采集端还用于采集喷灌结束后的土壤湿度值，并发送给服务器；服务器还用于接 收喷灌结束后的土壤湿度值，并根据喷灌结束后的土壤湿度值进行自我修正。

基础方案工作原理及有益效果：

本申请针对湿热地区的植物灌溉具有大惯性、大迟延、时变、多干扰的特点，在喷灌结 束后，采集端采集喷灌结束后的土壤湿度值并发送给服务器，服务器根据喷灌结束后的土壤 湿度值进行自我修正。

这样，每次完成喷灌后，服务器都会进行自我修正，对喷灌的效果进行改进。现有技术 中，往往是在出现问题，即，植物已经出现了一定程度的生长不理想时，才会去对系统进行 校正。这样的处理方式滞后性太严重，植物的生长已经受到影响。

而本申请则会在每次喷灌完成后，进行自我修正，使自身的参数更加符合对应的环境。 即使一开始参数设置得不太理想，随着喷灌的次数增加，服务器也会自我调整到理想的参数 值。这样，可避免对植物的生长造成影响。

进一步，服务器包括存储单元、处理单元、发送单元和修正单元；

存储单元用于存储环境数据；

处理单元用于对环境数据进行分析处理；

发送单元用于根据分析处理结果，向灌溉端发送喷灌管理信号；

修正单元用于根据环境数据生成土壤的理想湿度值，并将喷灌结束后的土壤湿度值与其 对应的理想湿度值进行分析比对后，对处理单元进行修正。

名词说明：理想湿度值，即，喷灌结束后土壤的理想湿度值。

在喷灌结束后，修正单元将喷灌结束后实际的土壤湿度值与其对应的理想湿度值进行分 析对比，可以对喷灌的效果进行评估；之后，修正单元对处理单元进行修正和优化，这样， 每完成一次喷灌，服务器就会进行一次自学习和自我修正。

进一步，环境数据包括空气温度值、空气湿度值和土壤湿度值。

空气湿度及空气温度会影响土壤中水分的蒸发速度及土壤的保湿能力，这样，对植物种 植区域的环境数据进行全方面的采集并分析后，能够发送更为准确的喷灌管理信号。

进一步，存储单元内存储有由大到小的N个修正值，修正单元对处理单元进行修正时， 按照喷灌结束后的土壤湿度值与其对应的理想湿度值之间的偏差，选择对应的修正值对处理 单元进行修正。

当喷灌结束后的土壤湿度值与其对应的理想湿度值之间的偏差很大时，需要的不是精细 化的微调，而是大幅度调整，此时，修正单元按照偏差，选择对应的较大的修正值对处理单 元进行修正，这样，能使下次的喷灌效果大幅度改善；当喷灌的效果与理想湿度值之间的偏 差很小时，此时不需要大幅度的改善，而是需要精细化的改进，因此，修正单元按照偏差， 选择对应的较小的修正值对处理单元进行修正。N的数值，本领域技术人员可依据系统的具 体情况具体设置。

进一步，修正单元包括理想值子单元、对比子单元和调整子单元；理想值子单元用于根 据当前环境数据生成理想湿度值；对比子单元用于计算喷灌结束后的土壤湿度值与其对应的 理想湿度值之间的偏差；调整子单元用于根据偏差选择对应的修正值对处理单元进行修正。

这样，修正单元可根据环境数据及喷灌后的土壤湿度值，对处理单元进行修正。

进一步，理想值子单元由遗传算法、基于支持向量机的植物生长过程土壤水分模型、生 长标准、生长阶段和数据库组成，采用遗传算法优化当前环境数据下的理想湿度值。

将理想值子单元生成的理性湿度值作为目标值，可以提高植物生长的可靠性与科学性。

进一步，对比单元计算喷灌后实际的环境数据值B及理想湿度值A的差值比，得到偏差

这样，可以得知实际土壤湿度值与理想湿度值之间的差值比，和数值差相比，更能体现 两者之间的相对偏差。

进一步，灌溉端包括串级控制单元，串级控制单元由模糊支持向量机控制器作为主调节 器与PID神经网络副调节器构成，并用遗传算法对模糊支持向量机控制器的参数进行在线优 化。

这样，可以使灌溉端控制性能更优，使灌溉端的控制收敛速度快、动态响应好、鲁棒性 强且控制精度高。

基于上述系统，本申请还提供一种基于大数据的湿热环境下喷灌控制方法，包括：

采集步骤，采集植物种植区域的环境数据，环境数据包括土壤湿度值；

分析处理步骤，对环境数据进行分析处理；

信号发送步骤，向灌溉端发送喷灌管理信号；

喷灌步骤，按照接收到的喷灌管理信号进行喷灌；

二次采集步骤，采集植物种植区域喷灌结束后的土壤湿度值；

修正步骤，根据植物喷灌结束后的土壤湿度值进行自我修正。

采集植物种植区域的环境数据后，对环境数据进行分析处理，并给灌溉端发送喷灌管理 信号，灌溉端接收到喷灌管理信号后进行喷灌。喷灌结束后，采集喷灌结束后的土壤湿度值， 并根据喷灌结束后的土壤湿度值进行自我修正。这样，每次完成喷灌后，都会进行自我修正， 对喷灌的效果进行改进。

进一步，采集步骤中，环境数据包括空气温度值、空气湿度值和土壤湿度值。

空气湿度及空气温度会影响到土壤中水分的蒸发速度及土壤的保湿能力，这样，对植物 种植区域的环境数据进行全方面的采集并分析后，能够发送更为准确的喷灌管理信号。

附图说明

图1为本发明基于大数据的湿热环境下喷灌控制系统实施例一的逻辑框图；

图2为图1中修正单元的逻辑框图；

图3为本发明基于大数据的湿热环境下喷灌控制方法实施例一的流程图；

图4为本发明基于大数据的湿热环境下喷灌控制系统实施例的逻辑框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例一

如图1所示，基于大数据的湿热环境下喷灌控制系统，包括采集端、灌溉端和服务器。

采集端

采集端用于采集植物种植区域的环境数据，环境数据包括空气温度值、空气湿度值和土 壤湿度值。

采集端空气温湿度采集单元和土壤湿度采集单元。

空气温湿度采集单元用于采集空气湿度及空气湿度；土壤湿度采集单元用于采集土壤湿 度。

空气温湿度采集单元和土壤湿度采集单元均安装在植物种植的监控区域内，采集端以自 组织的形式构成网络，采用多跳中继方式将监测数据以无线的方式上传到网关，最终通过网 关和服务器进行信息交互。

网关拥有相对较强的处理器和较大的存储器空间，能够对采集端传输过来的传感器数据 进行初步处理后发送给服务器，提升系统的整体效率。

本实施例中，网关主要由携带ZigBee协议的CC2420、RJ45以太网接口和GPRS/GSM通 信接口实现采集端、服务器及灌溉端的信息交互。网关软件主要由无线信息接收/发送任务、 多串口通信任务和以太网通信任务等组成，各个任务的协调运行由μC/OS-Ⅱ实时多任务操 作系统调度和管理。

本实施例中，空气温湿度采集单元为HRH的WB627型的温湿度传感器，该型号的温湿度 传感器的测量范围广，并且测量精度高，测量的误差小，且防护等级达到了IP65，环境适应 能力强。

土壤湿度采集单元为深圳市远东志成科技有限公司生产的土壤湿度检测探头该型号的 土壤湿度传感器拥有自主研发的耐腐蚀土壤探头，使用寿命长，并且载板进口德州仪器处理 器，精度高、反应速度快。

服务器

本实施例中，服务器为腾讯云服务器，在其他实施例中，也可以选用华为云服务器。

服务器包括存储单元、处理单元、发送单元和修正单元。

存储单元用于存储环境数据，存储单元内还存储有由大到小的N个修正值。本实施例中， N的数值为5。

处理单元用于对环境数据进行分析处理。发送单元用于根据分析处理结果，向灌溉端发 送喷灌管理信号，灌溉信号包括喷水的时长。

如图2所示，修正单元包括理想值子单元、对比子单元和调整子单元。

理想值子单元由遗传算法、基于支持向量机的植物生长过程土壤水分模型、生长标准、 生长阶段和数据库组成，采用遗传算法优化当前环境数据下的理想湿度值。将理想值子单元 生成的理性湿度值作为目标值，可以提高植物生长的可靠性与科学性。

具体的，首先，确定被控对象的加权函数K1、K2、K3，其传递函数表达式如下：

之后，通过遗传算法优化M1和Wc。

其中，K1为土壤湿度值的加权函数，K2为空气湿度值的加权函数，K3为空气温度值的 加权函数；M1为被控对象期望的低频增益，Wc为被控对象期望的剪切频率，S为拉普拉斯算 子，Um为空气湿度值的上限值。

这样，在控制方法中引入遗传算法，优化被控对象加权函数的参数，提高了加权函数的 参数优化精确度，可使被控对象的性能在约束范围内达到最优。

对比单元计算喷灌后实际的环境数据值B及理想湿度值A的差值比，得到偏差

调整子单元用于根据偏差选择对应的修正值对处理单元进行修正。

具体的，5个修正值由大到小分别为N1、N2、N3、N4和N5，理想湿度值为A，喷灌后实际的环境数据值为B，B与A之间的差值比

C的值即为B与A之间的偏差，偏差按 数值大小可分为5个区间，5个区间分别与5个修正值对应，如下表所示(其中，a1＞a2＞ a3＞a4)：

修正值	N1	N2	N3	N4	N5
						差值比率	C≥a1	a1＞C≥a2	a2＞C≥a3	a3＞C≥a4	C＜a4

当喷灌结束后的土壤湿度值与其对应的理想湿度值之间的偏差很大时，需要的不是精细 化的微调，因此，修正单元按照偏差，选择对应的较大的修正值对处理单元进行修正，这样， 能使下次的喷灌效果大幅度改善；当喷灌的效果与理想湿度值之间的偏差很小时，此时不需 要大幅度的改善，而是需要精细化的改进，因此，修正单元按照偏差，选择对应的较小的修 正值对处理单元进行修正。

灌溉端

灌溉端使用现有的用于灌溉的PLC控制器即可。本实施例中，灌溉端选用西门子S7-200SMART型号的PLC控制器。

灌溉端用于根据接收到的喷灌管理信号进行喷水，喷灌管理信号包括喷水时长。

灌溉端包括串级控制单元，串级控制单元由模糊支持向量机控制器作为主调节器与PID 神经网络副调节器构成，并用遗传算法对模糊支持向量机控制器的参数进行在线优化。这样， 可以使灌溉端控制性能更优，使灌溉端的控制收敛速度快、动态响应好、鲁棒性强、超调小、 控制精度高和稳定性好。

使用本系统，在每次喷灌完成后，系统都会进行自我修正，使自身的参数更加符合对应 的环境。即使一开始参数设置得不太理想，随着喷灌的次数增加，服务器也会自我调整到理 想的参数值。这样，可避免对植物的生长造成影响。

基于上述系统，如图3所示，本申请还提供一种基于大数据的湿热环境下喷灌控制方法， 包括：

采集步骤，采集植物种植区域的环境数据；环境数据包括空气温度值、空气湿度值和土 壤湿度值；

分析处理步骤，对环境数据进行分析处理；

信号发送步骤，向灌溉端发送喷灌管理信号；

喷灌步骤，按照接收到的喷灌管理信号进行喷灌；

二次采集步骤，采集植物种植区域喷灌结束后的土壤湿度值；

修正步骤，根据植物喷灌结束后的土壤湿度值进行自我修正。

采集植物种植区域的环境数据后，对环境数据进行分析处理，并给灌溉端发送喷灌管理 信号，灌溉端接收到喷灌管理信号后进行喷灌。喷灌结束后，采集喷灌结束后的土壤湿度值， 并根据喷灌结束后的土壤湿度值进行自我修正。这样，每次完成喷灌后，都会进行自我修正， 对喷灌的效果进行改进。

实施例二

与实施例一的区别在于，本实施例还包括增压设备、过滤机构和清洁机构。

增压设备(如增压泵)用于进行对灌溉端的水源进行增压。过滤机构设置于水源与加压 设备(即增压泵)之间。

过滤机构包括外壳和过滤芯，过滤芯包括第一过滤层、第二过滤层、第三过滤层，第一 过滤层、第二过滤层、第三过滤层交替设置，紧密排列在外壳内，第一过滤层为活性炭(在 本实施例中，活性碳选用2mm的不规则颗粒)，第二过滤层为麦饭石颗粒(在本实施例中， 麦饭石颗粒选用直径为2-3mm的不规则颗粒)，第三过滤层为PP棉(在本实施例中，PP棉选用厚度为2mm的PP棉)。外壳的上端螺纹连接有出水管，出水管上安装有分水阀，分水 阀与加压设备的进水端法兰连接。

还包括控制板，控制板与分水阀、进水阀、充气阀、排水阀和充气泵电连接，控制板上 设有控制电路，控制电路包括控制模块、驱动模块。

分水阀与外壳之间的出水管上连通有充气管，充气管上安装有充气阀，充气管与充气泵 的出气管法兰连接。外壳的下端螺纹连接有进水管，进水管上安装有进水阀，进水阀与水源 连接，本实施例中与自来水管法兰连接。

进水阀与外壳之间的进水管上连通有排水管，排水管上安装有排水阀。初始状态，分水 阀、进水阀、充气阀、排水阀均处于关闭状态。

浇灌时，控制模块控制加压设备启动前，控制模块向驱动模块发送第一驱动信号，驱动 模块根据第一驱动信号控制进水阀与分水阀打开，自来水经过进水管进入过滤机构，经过过 滤机构过滤，从出水管流出。控制模块控制灌溉模块停止浇灌时，控制模块向驱动模块发送 第一结束信号，驱动模块根据第一结束信号控制进水阀与分水阀关闭。

控制模块向驱动模块发送第一结束信号后，控制模块向驱动模块和充气泵发送第二驱动 信号，驱动模块根据第二驱动信号控制充气阀、排水阀先后打开，充气泵接收第二驱动信号 后启动。充气阀、排水阀打开位于过滤机构内的余水倒流，从排水管流出，充气泵充入的气 体经充气管、过滤机构、排水管冲出，即实现在每次灌溉后对过滤机构进行清洁。

本实施例的过滤机构在灌溉前进行过滤，避免自来水中的杂质或离子附着在喷头本体上， 堵塞喷头本体出水的孔。

实施例三

每次灌溉后均对过滤机构进行清洁，而每次清洁都需要用水，由此导致水资源的浪费， 通过设置水质传感器对过滤后的水进行检测，当水质未达到要求时，再对过滤机构进行清洁， 从而减少水资源的浪费。

外壳的上端还安装有水质传感器，水质传感器的感应部位于外壳内，水质传感器与控制 板电连接，控制电路还包括数据采集模块、数据分析模块、计数模块和提醒模块。

水质传感器用于检测经过过滤机构的水中的水质，并将检测数据发送给控制板。数据采 集模块用于每次灌溉后获取检测数据，并将检测数据发送给数据分析模块。数据分析模块预 设有水质标准，数据分析模块用于对检测数据进行分析生成分析结果，并将分析结果与水质 标准进行对比，当分析结果超过水质标准时(即过滤机构内的杂质过多，需要清洁)，数据 分析模块生成清洁信号发送给控制模块，当分析结果达到水质标准时，数据分析模块生成正 常信号发送给控制模块。

控制模块接收清洁信号，向驱动模块发送第一结束信号后，控制模块向驱动模块和充气 泵发送第二驱动信号，驱动模块根据第二驱动信号控制充气阀、排水阀先后打开，充气泵接 收第二驱动信号后启动。充气阀、排水阀打开位于过滤机构内的余水倒流，从排水管流出， 充气泵充入的气体经充气管、过滤机构、排水管冲出，即实现对过滤机构进行清洁。

控制模块向驱动模块发送第一结束信号的同时，向计数模块发送计数信号，计数模块接 收计数信号时，计数加1(初始状态，计数模块的计数为0)。控制模块接收正常信号时，向 计数模块发送清零信号，计数模块接收清零信号时，计数恢复为0。计数模块预设有计数阈 值，在本实施例中，计数阈值为2，当计数模块的计数与计数阈值相等时，计数模块反馈给 提醒模块更换信号，提醒模块用于根据更换信号提醒用户更换过滤机构。可在外壳上设置显 示模块，显示更换信息提醒用户，例如更换信息为：过滤机构已无法实现过滤功能，请更换 过滤机构，也可将更换信息发送至用户的手机，更好的提醒用户。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描 述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术 知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力， 所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些 典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指 出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改 进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。 本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以 用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.基于大数据的湿热环境下喷灌控制系统，其特征在于，包括：

采集端，用于采集植物种植区域的环境数据，环境数据包括土壤湿度值；

服务器，用于对环境数据进行分析处理，还用于发送喷灌管理信号；

灌溉端，用于按照接收到的喷灌管理信号进行喷灌；

其中，采集端还用于采集喷灌结束后的土壤湿度值，并发送给服务器；服务器还用于接收喷灌结束后的土壤湿度值，并根据喷灌结束后的土壤湿度值进行自我修正；

还包括增压设备、过滤机构和清洁机构；增压设备用于进行对灌溉端的水源进行增压；过滤机构设置于水源与加压设备之间；

过滤机构包括外壳和过滤芯，过滤芯包括第一过滤层、第二过滤层、第三过滤层，第一过滤层、第二过滤层、第三过滤层交替设置，紧密排列在外壳内，第一过滤层为活性炭，第二过滤层为麦饭石颗粒，第三过滤层为PP棉；外壳的上端螺纹连接有出水管，出水管上安装有分水阀，分水阀与加压设备的进水端法兰连接；

还包括控制板，控制板与分水阀、进水阀、充气阀、排水阀和充气泵电连接，控制板上设有控制电路，控制电路包括控制模块、驱动模块；

分水阀与外壳之间的出水管上连通有充气管，充气管上安装有充气阀，充气管与充气泵的出气管法兰连接；外壳的下端螺纹连接有进水管，进水管上安装有进水阀，进水阀与水源连接；

进水阀与外壳之间的进水管上连通有排水管，排水管上安装有排水阀；初始状态，分水阀、进水阀、充气阀、排水阀均处于关闭状态；

浇灌时，控制模块控制加压设备启动前，控制模块向驱动模块发送第一驱动信号，驱动模块根据第一驱动信号控制进水阀与分水阀打开；控制模块控制灌溉模块停止浇灌时，控制模块向驱动模块发送第一结束信号，驱动模块根据第一结束信号控制进水阀与分水阀关闭；控制模块向驱动模块发送第一结束信号后，控制模块向驱动模块和充气泵发送第二驱动信号，驱动模块根据第二驱动信号控制充气阀、排水阀先后打开，充气泵接收第二驱动信号后启动。

2.根据权利要求1所述的基于大数据的湿热环境下喷灌控制系统，其特征在于：服务器包括存储单元、处理单元、发送单元和修正单元；

存储单元用于存储环境数据；

处理单元用于对环境数据进行分析处理；

发送单元用于根据分析处理结果，向灌溉端发送喷灌管理信号；

修正单元用于根据环境数据生成土壤的理想湿度值，并将喷灌结束后的土壤湿度值与其对应的理想湿度值进行分析比对后，对处理单元进行修正。

3.根据权利要求1所述的基于大数据的湿热环境下喷灌控制系统，其特征在于：环境数据包括空气温度值、空气湿度值和土壤湿度值。

4.根据权利要求2所述的基于大数据的湿热环境下喷灌控制系统，其特征在于：存储单元内存储有由大到小的N个修正值，修正单元对处理单元进行修正时，按照喷灌结束后的土壤湿度值与其对应的理想湿度值之间的偏差，选择对应的修正值对处理单元进行修正。

5.根据权利要求4所述的基于大数据的湿热环境下喷灌控制系统，其特征在于：修正单元包括理想值子单元、对比子单元和调整子单元；理想值子单元用于根据当前环境数据生成理想湿度值；对比子单元用于计算喷灌结束后的土壤湿度值与其对应的理想湿度值之间的偏差；调整子单元用于根据偏差选择对应的修正值对处理单元进行修正。

6.根据权利要求5所述的基于大数据的湿热环境下喷灌控制系统，其特征在于：理想值子单元由遗传算法、基于支持向量机的植物生长过程土壤水分模型、生长标准、生长阶段和数据库组成，采用遗传算法优化当前环境数据下的理想湿度值。

7.根据权利要求5所述的基于大数据的湿热环境下喷灌控制系统，其特征在于：对比单元计算喷灌后实际的环境数据值B及理想湿度值A的差值比，得到偏差

8.根据权利要求1所述的基于大数据的湿热环境下喷灌控制系统，其特征在于：灌溉端包括串级控制单元，串级控制单元由模糊支持向量机控制器作为主调节器与PID神经网络副调节器构成，并用遗传算法对模糊支持向量机控制器的参数进行在线优化。

Images