CN111480554A - 农田灌区水肥气热药一体化智能灌溉系统 - Google Patents

Abstract

一种农田灌区水肥气热药一体化智能灌溉系统包括田间采集控制子系统、灌区控制子系统、服务云平台和应用终端，若干田间采集控制子系统通过无线节点与若干灌区控制子系统通信连接，若干灌区控制子系统通过无线节点与服务云平台连接，服务云平台通过无线节点与应用终端通信连接。本发明为一种基于互联网、物联网、遥感技术、传感及无线传输技术的田间智能化滴灌和喷灌控制灌溉系统，本发明依托智能控制灌溉单元海量数据进行大数据分析，构建了智能化灌溉信息服务云平台，实现农田灌区精准灌溉，解决了单点土壤墒情、作物缺水指数、大气蒸发能力指标空间变异问题和灌溉判别标准问题，实现了灌溉自动化、精准化、制度化、平台化和标准化。

Description

农田灌区水肥气热药一体化智能灌溉系统

技术领域：

本发明涉及农田智能灌溉技术领域，特别涉及一种农田灌区水肥气热一体化智能灌溉系统。

背景技术：

现有农业技术中的规模化种植，效率比较高，规模化种植与普通农户种植相比，规模化种植较多使用机械，较少使用人工、人员效率高，人工成本低，物质及服务费用比较高。规模化种植过程中需要对农田进行精准化灌溉，现有技术中，无法实现对土壤墒情进行实时监控，并设定合理精准的灌溉方案。

发明内容：

有鉴于此，有必要提供一种农田灌区水肥气热一体化智能灌溉系统。

一种农田灌区水肥气热一体化智能灌溉系统，包括若干田间采集控制子系统、若干灌区控制子系统、服务云平台和应用终端，若干田间采集控制子系统通过无线节点与若干灌区控制子系统通信连接，若干灌区控制子系统通过无线节点与服务云平台连接，服务云平台通过无线节点与应用终端通信连接。

优选的，田间采集控制子系统包括土壤墒情传感器、土壤含氧量测定仪、降雨量测量仪、田间采集器、光伏板供电装置、空气温湿度传感器、风速传感器、风向传感器和光照传感器，光伏板供电装置与田间采集器电连接，土壤墒情传感器、土壤含氧量测定仪、降雨量测量仪、空气温湿度传感器、风速传感器、风向传感器和光照传感器与田间采集器通信连接，田间采集器通过无线节点与灌区控制子系统通信连接。

优选的，灌区控制子系统包括灌溉单元主控制器、首部控制阀、供水控制阀、供肥控制阀、供气控制阀、供热控制阀和供药控制阀，首部控制阀、供水控制阀、供肥控制阀、供气控制阀、供热控制阀和供药控制阀分别与灌溉单元主控制器通信连接，首部控制阀与总管道配装，供水控制阀配装在供水管道上，供肥控制阀配装在供肥管道上，供气控制阀配装在供氧气管道上，供热控制阀配装在加热装置上，供药控制阀配装在药液管道上，加热装置的进水口与水源连接，出水口与供水管道连接，供水管道与农田灌区滴灌管道连接，供肥管道、供氧气管道和药液管道分别与供水管道连接。

优选的，加热装置包括太阳能集热器和热交换器，热交换器的冷源入口与水源连接，热源出口与总管道连接，太阳能集热器的出口与热交换器的热源入口连接，热交换器的冷源出口与太阳能集热器的入口连接，供水管道的一端与水源连接，另一端连接三通管道的入口，三通管道的一出口与供热控制阀配装，供热控制阀与热交换器冷源入口连接，三通管道的另一出口与总管道和热交换器的热源出口连接。

优选的，田间采集控制子系统还包括无人机拍摄采集装置，无人机拍摄采集装置通过无线节点与田间采集器通信连接。

优选的，服务云平台包括Web服务器、中心服务器和中心数据库，Web服务器和中心中心数据库与中心服务器通信连接，中心服务器通过无线发射塔与每个田间灌区的灌溉单元主控制器的无线节点通信连接，应用终端包括计算机和手机，计算机与Web服务器通信连接，中心服务器通过无线发射塔与手机通信连接；中心服务器包括硬件设备和软件系统。

优选的，软件系统包括用户管理模块、灌区管理模块、田块管理模块、种植管理模块、设备管理模块、灌水决策模块、施肥决策模块、加气决策模块、加热策略模块和知识库；

用户管理模块：对应用水肥气热一体化智能灌溉系统的用户进行注册、登录、退出和注销管理；

灌区管理模块：注册用户对其种植的农业灌区进行增加、删除、gps定位操作；

田块管理模块：对于任一农田灌区进行种植田块划分，并与每个灌区的田间采集控制子系统的土壤墒情传感器、土壤含氧量测定仪、降雨量测量仪、田间采集器、光伏板供电装置、空气温湿度传感器、风速传感器、风向传感器、光照传感器和灌区控制子系统的括灌溉单元主控制器进行绑定；

种植管理模块：授权用户完成作物生长过程中的信息监测、对机器人和无人机的远程操作和利用虚拟现实对作物的实时生长情况的观察；

设备管理模块：对水肥气热一体化智能灌溉系统中所用到的每个灌区的田间采集控制子系统的土壤墒情传感器、土壤含氧量测定仪、降雨量测量仪、田间采集器、光伏板供电装置、空气温湿度传感器、风速传感器、风向传感器、光照传感器和灌区控制子系统的括灌溉单元主控制器进行增加、删除、绑定田块操作；

灌水决策模块：水肥气热一体化智能灌溉系统根据田块的作物类别和作物适宜的土壤含水量，以及作物的生长阶段，田间持水量和萎蔫含水量，根据计划灌水层厚度，制定灌水的时间和灌水量，使当前的土壤含水量满足适宜的作物需求量；

施肥决策模块：水肥气热一体化智能灌溉系统根据土壤中氮、磷、钾的含量判断土壤的肥沃程度，根据作物类别和生长阶段，以及肥料的利用率和养分含量，制定作物所需的肥料种类和肥料使用量，使土壤的养分满足作物的生长需要；

加气策略模块：大田加气方式采用深耕或浅耕的方式，调节田间气量，对于温室作物，采用加气装置，田间设置气体传感器，根据设定的土壤气量阈值，进行实时控制；

加热策略模块：大田加热方式采用覆膜与不覆膜的方式，调节田间温度，对于温室作物，采用加热装置根据设定的水的目标温度进行实时控制；

知识库模块：对不同作物，设置相应的作物生长及种植知识库，同时对每年作物生长过程数据进行分析，并逐年完善知识库，最终起到指导生产的目的。

优选的，软件系统的部署方法为：采用松耦合、分布式架构，服务端与用户界面采用前后端分离模式，PC端与安装有安卓系统的手机共用API；数据分析与业务逻辑解耦，采用job方式异步模式管理；MQTT作为服务云平台与灌溉单元主控制器的基础通信协议。

优选的，软件系统包括前端UI、接口层、业务层、数据层、基础服务层和运行环境，运行环境为云平台，基础服务层包括Mysql系统、Stroge系统和Memcache系统，数据层包括事务控制系统、数据映射系统和缓存系统，业务层包括PHP处理器和python设置模块，PHP处理器包括SPAC监测结果展示模块、实时数据接收模块、水肥药气控制模块、现场检测数据上传模块、种植管理模块和园区管理模块，python设置模块包括知识库和算法模块；接口层包括laravel业务服务器、MQTT通信协议和REDIS服务器，前端UI包括管理后台、控制器、微信和安卓系统。

优选的，应用终端的手机安装微信程序，微信程序包括首页模块、系统管理模块、智能控制模块和数据分析模块；

首页模块包括系统介绍子模块、灌区概况子模块、农业新闻子模块、农业商业信息子模块和天气预报子模块，系统介绍子模块：用于展示基于移动终端的农田作物水肥气热药一体化智能灌溉服务的内容，介绍本系统的版本信息；灌区概况子模块：显示当前系统所在的园区的基础建设情况以及园区分布介绍；农业新闻子模块：实时推送农业相关的新闻消息，支持浏览与转发；农业商业信息子模块：对农业商业信息进行发布以及农业生产资料网上订购服务；天气预报子模块：显示当前时刻的天气情况；

系统管理模块包括灌区管理子模块、种植管理子模块、设备管理子模块和水电费购买子模块；灌区管理子模块：创建和管理灌区，添加或删除灌区、添加或删除田块、灌区定位功能，可以手动添加灌区或田块信息，也可以删除已有灌区或田块，对该灌区进行GPS区域定位；种植管理子模块：对农作物的种植进行管理，选择对应的灌区与田块并选在此田块种植的作物类型，可以选择库中已有的作物种类，如库中没有该作物也可选择手动添加作物类型的模式，对作物的生长周期进行设置；设备管理子模块：对灌区控制子系统的灌溉单元主控制器、首部控制阀、供水控制阀、供肥控制阀、供气控制阀、供热控制阀和供药控制阀进行添加、删除、绑定灌区或田块，添加的方法有扫码添加和手动输入序列号添加，将设备直接添加到中心数据库，添加后显示在页面上；水电费购买子模块：进行水电费的购置；

智能控制模块包括灌溉策略设定子模块、施肥策略设定子模块、加气策略设定子模块、加热策略设定子模块和施药策略设定子模块；灌溉策略设定子模块：进行灌溉策略的设置，选择已有策略，包括手动灌溉模式、定时控制模式和自动灌溉模式，手动灌溉模式：手动点击开关按钮，开启或关闭电磁阀，定时控制模式：通过设定灌溉时间来控制电磁阀的开启与关闭；自动灌溉模式：设置阀值，根据土壤墒情信息判断是否开启或关闭灌区控制子系统的灌溉单元主控制器、首部控制阀、供水控制阀、供肥控制阀、供气控制阀、供热控制阀和供药控制阀；施肥策略设定子模块：手动施肥，通过人工干预进行施肥；设置施肥阀值，根据土壤肥力、作物生长状况自动施肥；加气策略设定子模块:包括手动控制模式和制动控制模式，手动控制模式：通过人工干预进行加气；制动控制模式：设置温室土壤加气设置的阀值，判断土壤含氧量是否高于阀值，高于阀值则自动加气；加热策略设定子模块：包括加热手动控制模式和加热自动控制模式，加热手动控制模式：通过人工干预进行加热；加热自动控制模式：设置温室内温度设置的阀值，判断温室内温度是否低于阀值，低于阀值则自动加热；施药策略设定子模块：包括施药手动控制模式和施药自动控制模式，施药手动控制模式：根据作物病虫害状况通过人工干预进行施药；施药自动控制模式：设置施药阀值，自动施药；

数据分析模块包括实时数据子模块、实时曲线子模块、历史数据子模块和作物产量子模块；实时数据子模块：接收来自于服务云平台推送来的灌溉配置信息和田间采集器采集的信息；实时曲线子模块：对接收的田间采集器采集的信息绘制其变化曲线，直观显示当前灌区的作物状况；历史数据子模块:对接收到历史数据查看其最新数据或前一帧数据；作物产量子模块:对作物产量分析预报。

本发明提供的农田灌区水肥气热一体化智能灌溉系统为一种基于互联网、物联网、遥感技术、传感及无线传输技术的田间智能化滴灌和喷灌控制灌溉系统，本发明建立智能化灌溉信息管理系统，依托智能控制灌溉单元海量数据进行大数据分析，构建了智能化灌溉信息服务云平台，实现农田灌区精准灌溉，解决了单点土壤墒情、作物缺水指数、大气蒸发能力指标空间变异问题和灌溉判别标准问题，实现了灌溉自动化、精准化、制度化、平台化和标准化。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为农田灌区水肥气热一体化智能灌溉系统的结构示意图。

图2为农田灌区水肥气热一体化智能灌溉系统的田间采集控制子系统结构示意图。

图3为灌区控制子系统的结构示意图。

图4为灌区控制子系统的加热装置与水源的转配结构示意图。

图5为采用无人机进行土壤墒情信息采集的流程示意图。

图中：田间采集控制子系统1、土壤墒情传感器10、土壤含氧量测定仪11、降雨量测量仪12、田间采集器13、光伏板供电装置14、空气温湿度传感器15、风速传感器16、风向传感器17、光照传感器18、灌区控制子系统2、灌溉单元主控制器20、首部控制阀21、供水控制阀22、供肥控制阀23、供气控制阀24、供热控制阀25、供药控制阀26、总管道a、供水管道b、供肥管道c、供氧气管道d、药液管道e、服务云平台3、Web服务器30、中心服务器31、中心数据库32、应用终端4、加热装置5、太阳能集热器50、热交换器51。

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

本发明提供了以下具体的实施例。

请同时参阅图1、图2、图3、图4，农田灌区水肥气热一体化智能灌溉系统，包括若干田间采集控制子系统1、若干灌区控制子系统2、服务云平台3和应用终端4，若干田间采集控制子系统1通过无线节点与若干灌区控制子系2统通信连接，若干灌区控制子系统2通过无线节点与服务云平台3连接，服务云平台3通过无线节点与应用终端4通信连接。

田间采集控制子系统1包括土壤墒情传感器10、土壤含氧量测定仪11、降雨量测量仪12、田间采集器13、光伏板供电装置14、空气温湿度传感器15、风速传感器16、风向传感器17和光照传感器18，光伏板供电装置14与田间采集器13电连接，土壤墒情传感器10、土壤含氧量测定仪11、降雨量测量仪12、空气温湿度传感器15、风速传感器16、风向传感器17和光照传感器18与田间采集器13通信连接，田间采集器13通过无线节点与灌区控制子系统2通信连接。

灌区控制子系统2包括灌溉单元主控制器20、首部控制阀21、供水控制阀22、供肥控制阀23、供气控制阀24、供热控制阀25和供药控制阀26，首部控制阀21、供水控制阀22、供肥控制阀23、供气控制阀24、供热控制阀25和供药控制阀26分别与灌溉单元主控制器20通信连接，首部控制阀21与总管道a配装，供水控制阀22配装在供水管道b上，供肥控制阀23配装在供肥管道c上，供气控制阀24配装在供氧气管道d上，供热控制阀25配装在加热装置5上，供药控制阀26配装在药液管道e上，加热装置5的进水口与水源连接，出水口与供水管道b连接，供水管道b与农田灌区滴灌管道连接，供肥管道c、供氧气管道d和药液管道e分别与供水管道b连接。

加热装置5包括太阳能集热器50和热交换器51，热交换器51的冷源入口与水源连接，热源出口与总管道a连接，太阳能集热器50的出口与热交换器51的热源入口连接，热交换器51的冷源出口与太阳能集热器50的入口连接，供水管道b的一端与水源连接，另一端连接三通管道的入口，三通管道的一出口与供热控制阀25配装，供热控制阀25与热交换器51冷源入口连接，三通管道的另一出口与总管道a和热交换器51的热源出口连接。本发明的灌区控制子系统2的每个灌溉单元主控制器20通过NBIOT/4G无线网络与服务云平台3的中心服务器进行数据交互，同时灌溉单元主控制器20负责对本灌溉单元的首部、水、肥、气、热、药进行现场控制。

田间采集控制子系统1还包括无人机拍摄采集装置，无人机拍摄采集装置通过无线节点与田间采集器13通信连接。无人机对农田灌区进行实时拍照采样，并将采样信息照片发送至数据采集器，数据采集器将照片发送至服务云平台3，服务云平台3对照片信息进行对比分析后，制定出滴灌或者喷灌的管理策略。本发明采用基于无人机农田灌区水肥气热一体化智能灌溉系统，解决了单点土壤墒情、作物缺水指数、大气蒸发能力指标空间变异问题和灌溉判别标准问题，解决灌溉自动化、精准化、制度化、平台化和标准化问题。

如图5所示，本发明的无人机为低空无人机搭载多光谱相机、低空无人机搭载红外热成像相机，采用地面微气象站、地面只能传感器传感网络，用于采集NDVI\SAVI\EVI\SR\GNDVI和VARI等的植被指数，采集高时间和空间分辨率的热红外图像，面状冠层温度，地面微气象站和地面智能传感器传感器网络对灌区空气温度、湿度、风速、太阳净辐射、热通量和降雨量进行实时采集，从而实现作物长势、作物估产、土壤蒸散、土壤水分及时空分布、植被覆盖度、作物水分胁迫和干旱的监测，并通过服务云平台3制定灌溉决策，服务云平台3通过灌溉决策，向灌区控制子系统2发送灌溉控制指令，灌区控制子系统2的执行单元接收指令，并进行动作的执行，服务云平台3根据自适应学习系统和中短气象预报制定灌溉决策。

本发明以水在大气、植物、地表、土壤和地下水层中的传递为核心，充分考虑植物与大气、土壤与大气、土壤与根系、土壤水与地下水等之间的多个界面过程，提出系统的测量方式，结合无人机携带的可见光和近红外线波段，开展农田土壤墒情、作物缺水指数、微气象监测及其相互关系研究，构建SPAC土壤墒情-作物缺水-微气象一体化水分同步监测分析系统，通过系统研究地下水-土壤-植物-大气连续体中的水分运动，长期监测气象指标、植物生理指标、土壤水分指标和地下水指标，测量结果可用于指导灌溉。

本发明进行系统研究所采用的技术指标为：进行野外现场的实时监测，包括大气、植物、土壤、地下水等指标。包括总辐射、光合有效辐射、净辐射、紫外辐射、CO2、风速、风向、温度、湿度、气压、降雨、蒸发、叶片温度、叶片湿度、茎流、茎杆变化、果实变化、土壤水分、土壤水势、土壤温度、土壤盐分、土壤热通量、土壤蒸散、水位、水温、pH、电导率、溶解氧、浊度等。

无人机多光谱遥感对裸土土壤含水率的大范围快速测定和最佳监测深度的确定：以实施地土壤为试验材料，在0-30cm均匀采样后用塑料袋密封带回实验室供试。测得土壤容重、初始质量含水率、pH值、有机质含量、含盐量等指标。为使试验样品水分含量精确配置，将采样土壤晒干、碾压、混合后过2mm筛网制成试验土样。充分混匀后装入直径约16cm，高度约11cm的花盆中，配成质量含水率为3％-30％、梯度约为3％、高度分别为5cm和10cm的样品共90个，其中，60个用于建模，30个用于验证。分别配制成5cm和10cm、含水率为3％-30％的土壤样本。用无人机搭载多光谱相机对土样连续监测3-4d。分别采集5个波段，5个波段具体为蓝475、绿560、红668、近红840、红边717nm，处的土壤光谱反射率。每次拍摄完成后，立即通过称量法来计算每一个花盆土样的整体质量含水率。称量后取每个花盆土样的表层土，土层深度约1cm，30g左右用烘干法测得表层土质量含水率。通过不同建模方法下对土壤含水率的预测值与实测值进行比较，得出不同波段反射率因素的回归模型。

利用无人机热红外技术采集冠层温度信息，并且结合多种植被指数共同诊断水分胁迫状况，评估作物水分空间状况的差异性。试验设计4个水分梯度第一个梯度为50％田间持水量、第二个梯度为65％田间持水量、第三个梯度为80％田间持水量、第四个梯度为对照组95％～100％田间持水量，每个水分处理设置3个重复试验，共12个小区，小区面积4m×5m。小区配有水表，采用滴灌的方式进行灌溉，作物每行放置一条滴灌带，滴头湿润半径20cm，并且小区之间设有宽垄，以尽量避免各个小区土壤水分侧向入渗的影响。

基于无人机遥感平台与地面智能传感器网络组成地空传感网，通过农业大数据平台汇集、处理和分析传感数据以实现实时可视化浏览掌握生态环境信息及农情动态，监测内容包括空气温湿度、降雨量、太阳辐射、风速风向、大气压、土壤蒸散、土壤水分及其时空分布、NDVI、植被覆盖度、作物长势、作物估产、作物水分胁迫、干旱监测等。

服务云平台3包括Web服务器30、中心服务器31和中心数据库32，Web服务器30和中心中心数据库32与中心服务器31通信连接，中心服务器31通过无线发射塔与每个田间灌区的灌溉单元主控制器20的无线节点通信连接，应用终端4包括计算机和手机，计算机与Web服务器30通信连接，中心服务器31通过无线发射塔与手机通信连接；中心服务器31包括硬件设备和软件系统。

服务云平台3的建设包括农田灌区水肥气热一体化智能灌溉系统的需求调研与分析、系统设计和开发、系统测试与示范和软件系统功能模块的建立；

系统的需求调研与分析：系统服务于引黄灌区，旨在建设智能化灌溉信息服务云平台，打造标准智能灌溉，针对这一目的，需对引黄灌区、引黄灌区的种植作物、种植模式，农户使用需求进行充分调研；同时，针对农田灌区水肥气热一体化智能灌溉系统的土壤墒情监测的同步监测分析的研究提供平台支撑，需与科研人员充分沟通，在平台中充分预留算法的测试、完善、扩充空间，提供多种算法的替换、比较功能；针对大田粮食作物、经果林、温室等不同水肥气热药灌溉控制常见，提供灵活、安全、用户友好的控制管理方式。

系统设计和开发：系统设计与开发采用松耦合、分布式架构，服务端与用户界面采用前后端分离模式，PC端与手机安卓共用API；数据分析与业务逻辑解耦，采用job方式异步模式管理；MQTT作为云平台与园区灌溉控制器的基础通信协议。

系统测试与示范：系统采用迭代式快速开发模式，每个迭代完成一个最小的可用功能集，用于测试和验证。通过内部集成测试后，部署到云平台上，在引黄灌溉和扬黄灌溉示范区进行现场测试和示范。示范区作物类型包括：大田作物(玉米、水稻、小麦、供港蔬菜)、温室作物(黄瓜、番茄)、经果林(葡萄)；栽培方式包括直播，移栽；覆盖方式包括覆膜，露地；灌水技术：滴灌、喷灌；实现灌区的气象、土壤，质地、含水率、温度、含盐量、土水势、肥力、作物长势，如，株高、叶片数、叶面积指数、干物质积累量、光合、荧光、品质、产量的实时监测和预测，并在此基础上，结合SPAC智能灌溉研究团队的灌溉制度成果，实施自动化智能化水肥气热药管理。

软件系统包括用户管理模块、灌区管理模块、田块管理模块、种植管理模块、设备管理模块、灌水决策模块、施肥决策模块、加气决策模块、加热策略模块和知识库；

用户管理模块：对应用水肥气热一体化智能灌溉系统的用户进行注册、登录、退出和注销管理；

灌区管理模块：注册用户对其种植的农业灌区进行增加、删除、gps定位操作；

田块管理模块：对于任一农田灌区进行种植田块划分，并与每个灌区的田间采集控制子系统的土壤墒情传感器、土壤含氧量测定仪、降雨量测量仪、田间采集器、光伏板供电装置、空气温湿度传感器、风速传感器、风向传感器、光照传感器和灌区控制子系统的括灌溉单元主控制器进行绑定；

种植管理模块：授权用户完成作物生长过程中的信息监测、对机器人和无人机的远程操作和利用虚拟现实对作物的实时生长情况的观察；

设备管理模块：对水肥气热一体化智能灌溉系统中所用到的每个灌区的田间采集控制子系统的土壤墒情传感器、土壤含氧量测定仪、降雨量测量仪、田间采集器、光伏板供电装置、空气温湿度传感器、风速传感器、风向传感器、光照传感器和灌区控制子系统的括灌溉单元主控制器进行增加、删除、绑定田块操作；

灌水决策模块：水肥气热一体化智能灌溉系统根据田块的作物类别和作物适宜的土壤含水量，以及作物的生长阶段，田间持水量和萎蔫含水量，根据计划灌水层厚度，制定灌水的时间和灌水量，使当前的土壤含水量满足适宜的作物需求量；

施肥决策模块：水肥气热一体化智能灌溉系统根据土壤中氮、磷、钾的含量判断土壤的肥沃程度，根据作物类别和生长阶段，以及肥料的利用率和养分含量，制定作物所需的肥料种类和肥料使用量，使土壤的养分满足作物的生长需要；

加气策略模块：大田加气方式采用深耕或浅耕的方式，调节田间气量，对于温室作物，采用加气装置，田间设置气体传感器，根据设定的土壤气量阈值，进行实时控制；

加热策略模块：大田加热方式采用覆膜与不覆膜的方式，调节田间温度，对于温室作物，采用加热装置根据设定的水的目标温度进行实时控制；

知识库模块：对不同作物，设置相应的作物生长及种植知识库，同时对每年作物生长过程数据进行分析，并逐年完善知识库，最终起到指导生产的目的。

软件系统的部署方法为：采用松耦合、分布式架构，服务端与用户界面采用前后端分离模式，PC端与安装有安卓系统的手机共用API；数据分析与业务逻辑解耦，采用job方式异步模式管理；MQTT作为服务云平台与灌溉单元主控制器的基础通信协议。

软件系统采用迭代式快速开发模式，每个迭代完成一个最小的可用功能集，用于测试和验证。通过内部集成测试后，部署到服务云平台3上，在本发明的实施例中的示范区进行现场测试和示范，示范区作物类型包括：大田作物，如玉米、水稻、小麦、供港蔬菜、温室作物，如，黄瓜、番茄，经果林；栽培方式包括直播，移栽；覆盖方式包括覆膜，露地；灌水技术：滴灌、喷灌；实现灌区的气象、土壤的质地、含水率、温度、含盐量、土水势、肥力、作物长势，如株高、叶片数、叶面积指数、干物质积累量、光合、荧光、品质、产量的实时监测和预测，并在此基础上，结合SPAC智能灌溉研究团队的灌溉制度成果，实施自动化智能化水肥气热药管理。

软件系统包括前端UI、接口层、业务层、数据层、基础服务层和运行环境，运行环境为云平台，基础服务层包括Mysql系统、Stroge系统和Memcache系统，数据层包括事务控制系统、数据映射系统和缓存系统，业务层包括PHP处理器和python设置模块，PHP处理器包括SPAC监测结果展示模块、实时数据接收模块、水肥药气控制模块、现场检测数据上传模块、种植管理模块和园区管理模块，python设置模块包括知识库和算法模块；接口层包括laravel业务服务器、MQTT通信协议和REDIS服务器，前端UI包括管理后台、控制器、微信和安卓系统。

应用终端的手机安装微信程序，微信程序包括首页模块、系统管理模块、智能控制模块和数据分析模块；

首页模块包括系统介绍子模块、灌区概况子模块、农业新闻子模块、农业商业信息子模块和天气预报子模块，系统介绍子模块：用于展示基于移动终端的农田作物水肥气热药一体化智能灌溉服务的内容，介绍本系统的版本信息；灌区概况子模块：显示当前系统所在的园区的基础建设情况以及园区分布介绍；农业新闻子模块：实时推送农业相关的新闻消息，支持浏览与转发；农业商业信息子模块：对农业商业信息进行发布以及农业生产资料网上订购服务；天气预报子模块：显示当前时刻的天气情况；

系统管理模块包括灌区管理子模块、种植管理子模块、设备管理子模块和水电费购买子模块；灌区管理子模块：创建和管理灌区，添加或删除灌区、添加或删除田块、灌区定位功能，可以手动添加灌区或田块信息，也可以删除已有灌区或田块，对该灌区进行GPS区域定位；种植管理子模块：对农作物的种植进行管理，选择对应的灌区与田块并选在此田块种植的作物类型，可以选择库中已有的作物种类，如库中没有该作物也可选择手动添加作物类型的模式，对作物的生长周期进行设置；设备管理子模块：对灌区控制子系统的灌溉单元主控制器、首部控制阀、供水控制阀、供肥控制阀、供气控制阀、供热控制阀和供药控制阀进行添加、删除、绑定灌区或田块，添加的方法有扫码添加和手动输入序列号添加，将设备直接添加到中心数据库，添加后显示在页面上；水电费购买子模块：进行水电费的购置；

智能控制模块包括灌溉策略设定子模块、施肥策略设定子模块、加气策略设定子模块、加热策略设定子模块和施药策略设定子模块；灌溉策略设定子模块：进行灌溉策略的设置，选择已有策略，包括手动灌溉模式、定时控制模式和自动灌溉模式，手动灌溉模式：手动点击开关按钮，开启或关闭电磁阀，定时控制模式：通过设定灌溉时间来控制电磁阀的开启与关闭；自动灌溉模式：设置阀值，根据土壤墒情信息判断是否开启或关闭灌区控制子系统的灌溉单元主控制器、首部控制阀、供水控制阀、供肥控制阀、供气控制阀、供热控制阀和供药控制阀；施肥策略设定子模块：手动施肥，通过人工干预进行施肥；设置施肥阀值，根据土壤肥力、作物生长状况自动施肥；加气策略设定子模块:包括手动控制模式和制动控制模式，手动控制模式：通过人工干预进行加气；制动控制模式：设置温室土壤加气设置的阀值，判断土壤含氧量是否高于阀值，高于阀值则自动加气；加热策略设定子模块：包括加热手动控制模式和加热自动控制模式，加热手动控制模式：通过人工干预进行加热；加热自动控制模式：设置温室内温度设置的阀值，判断温室内温度是否低于阀值，低于阀值则自动加热；施药策略设定子模块：包括施药手动控制模式和施药自动控制模式，施药手动控制模式：根据作物病虫害状况通过人工干预进行施药；施药自动控制模式：设置施药阀值，自动施药；

数据分析模块包括实时数据子模块、实时曲线子模块、历史数据子模块和作物产量子模块；实时数据子模块：接收来自于服务云平台推送来的灌溉配置信息和田间采集器采集的信息；实时曲线子模块：对接收的田间采集器采集的信息绘制其变化曲线，直观显示当前灌区的作物状况；历史数据子模块:对接收到历史数据查看其最新数据或前一帧数据；作物产量子模块:对作物产量分析预报。

应用终端的手机的微信小程序的主要开发语言采用JavaScript，可面对两大操作系统iOS和Android的微信客户端，小程序中的JavaScript是由ECMAScript以及小程序框架和小程序API来实现的。应用终端的手机采用MQTT协议，MQTT通信系统有一个发布服务器以及多个客户端。其通信过程主要依赖于客户端对主题的订阅与发布。首先在发布服务器上配置实现约定好的主题，然后如果MQTT客户端想要接收到这个主题中的消息，就可以向服务器订阅主题。订阅成功后当有其它客户端向MQTT发布服务器中的主题发布相应的消息时，发布服务器就会向向他订阅该主题的客户端推送消息。同时为了保证通信效率和客户需要，MQTT协议还设置了QoS、信息缓存、持久连接和遗嘱等功能。MQTT协议的这些特殊机制使得它可以用于各种恶劣的环境下。

本发明提供的农田灌区水肥气热一体化智能灌溉系统为一种基于互联网、物联网、遥感技术、传感及无线传输技术的田间智能化滴灌和喷灌控制灌溉系统，本发明建立智能化灌溉信息管理系统，依托智能控制灌溉单元海量数据进行大数据分析，构建了智能化灌溉信息服务云平台，实现农田灌区精准灌溉，解决了单点土壤墒情、作物缺水指数、大气蒸发能力指标空间变异问题和灌溉判别标准问题，实现了灌溉自动化、精准化、制度化、平台化和标准化。

Claims (10)

1.一种农田灌区水肥气热一体化智能灌溉系统，其特征在于：农田灌区水肥气热一体化智能灌溉系统包括若干田间采集控制子系统、若干灌区控制子系统、服务云平台和应用终端，若干田间采集控制子系统通过无线节点与若干灌区控制子系统通信连接，若干灌区控制子系统通过无线节点与服务云平台连接，服务云平台通过无线节点与应用终端通信连接。

2.如权利要求1所述的农田灌区水肥气热一体化智能灌溉系统，其特征在于：田间采集控制子系统包括土壤墒情传感器、土壤含氧量测定仪、降雨量测量仪、田间采集器、光伏板供电装置、空气温湿度传感器、风速传感器、风向传感器和光照传感器，光伏板供电装置与田间采集器电连接，土壤墒情传感器、土壤含氧量测定仪、降雨量测量仪、空气温湿度传感器、风速传感器、风向传感器和光照传感器与田间采集器通信连接，田间采集器通过无线节点与灌区控制子系统通信连接。

3.如权利要求2所述的农田灌区水肥气热一体化智能灌溉系统，其特征在于：灌区控制子系统包括灌溉单元主控制器、首部控制阀、供水控制阀、供肥控制阀、供气控制阀、供热控制阀和供药控制阀，首部控制阀、供水控制阀、供肥控制阀、供气控制阀、供热控制阀和供药控制阀分别与灌溉单元主控制器通信连接，首部控制阀与总管道配装，供水控制阀配装在供水管道上，供肥控制阀配装在供肥管道上，供气控制阀配装在供氧气管道上，供热控制阀配装在加热装置上，供药控制阀配装在药液管道上，加热装置的进水口与水源连接，出水口与供水管道连接，供水管道与农田灌区滴灌管道连接，供肥管道、供氧气管道和药液管道分别与供水管道连接。

4.如权利要求3所述的农田灌区水肥气热一体化智能灌溉系统，其特征在于：加热装置包括太阳能集热器和热交换器，热交换器的冷源入口与水源连接，热源出口与总管道连接，太阳能集热器的出口与热交换器的热源入口连接，热交换器的冷源出口与太阳能集热器的入口连接，供水管道的一端与水源连接，另一端连接三通管道的入口，三通管道的一出口与供热控制阀配装，供热控制阀与热交换器冷源入口连接，三通管道的另一出口与总管道和热交换器的热源出口连接。

5.如权利要求4所述的农田灌区水肥气热一体化智能灌溉系统，其特征在于：田间采集控制子系统还包括无人机拍摄采集装置，无人机拍摄采集装置通过无线节点与田间采集器通信连接。

6.如权利要求5所述的农田灌区水肥气热一体化智能灌溉系统，其特征在于：服务云平台包括Web服务器、中心服务器和中心数据库，Web服务器和中心中心数据库与中心服务器通信连接，中心服务器通过无线发射塔与每个田间灌区的灌溉单元主控制器的无线节点通信连接，应用终端包括计算机和手机，计算机与Web服务器通信连接，中心服务器通过无线发射塔与手机通信连接；中心服务器包括硬件设备和软件系统。

7.如权利要求6所述的农田灌区水肥气热一体化智能灌溉系统，其特征在于：软件系统包括用户管理模块、灌区管理模块、田块管理模块、种植管理模块、设备管理模块、灌水决策模块、施肥决策模块、加气决策模块、加热策略模块和知识库；

用户管理模块：对应用水肥气热一体化智能灌溉系统的用户进行注册、登录、退出和注销管理；

灌区管理模块：注册用户对其种植的农业灌区进行增加、删除、gps定位操作；

田块管理模块：对于任一农田灌区进行种植田块划分，并与每个灌区的田间采集控制子系统的土壤墒情传感器、土壤含氧量测定仪、降雨量测量仪、田间采集器、光伏板供电装置、空气温湿度传感器、风速传感器、风向传感器、光照传感器和灌区控制子系统的括灌溉单元主控制器进行绑定；

种植管理模块：授权用户完成作物生长过程中的信息监测、对机器人和无人机的远程操作和利用虚拟现实对作物的实时生长情况的观察；

设备管理模块：对水肥气热一体化智能灌溉系统中所用到的每个灌区的田间采集控制子系统的土壤墒情传感器、土壤含氧量测定仪、降雨量测量仪、田间采集器、光伏板供电装置、空气温湿度传感器、风速传感器、风向传感器、光照传感器和灌区控制子系统的括灌溉单元主控制器进行增加、删除、绑定田块操作；

灌水决策模块：水肥气热一体化智能灌溉系统根据田块的作物类别和作物适宜的土壤含水量，以及作物的生长阶段，田间持水量和萎蔫含水量，根据计划灌水层厚度，制定灌水的时间和灌水量，使当前的土壤含水量满足适宜的作物需求量；

施肥决策模块：水肥气热一体化智能灌溉系统根据土壤中氮、磷、钾的含量判断土壤的肥沃程度，根据作物类别和生长阶段，以及肥料的利用率和养分含量，制定作物所需的肥料种类和肥料使用量，使土壤的养分满足作物的生长需要；

加气策略模块：大田加气方式采用深耕或浅耕的方式，调节田间气量，对于温室作物，采用加气装置，田间设置气体传感器，根据设定的土壤气量阈值，进行实时控制；

加热策略模块：大田加热方式采用覆膜与不覆膜的方式，调节田间温度，对于温室作物，采用加热装置根据设定的水的目标温度进行实时控制；

知识库模块：对不同作物，设置相应的作物生长及种植知识库，同时对每年作物生长过程数据进行分析，并逐年完善知识库，最终起到指导生产的目的。

8.如权利要求7所述的农田灌区水肥气热一体化智能灌溉系统，其特征在于：软件系统的部署方法为：采用松耦合、分布式架构，服务端与用户界面采用前后端分离模式，PC端与安装有安卓系统的手机共用API；数据分析与业务逻辑解耦，采用job方式异步模式管理；MQTT作为服务云平台与灌溉单元主控制器的基础通信协议。

9.如权利要求8所述的农田灌区水肥气热一体化智能灌溉系统，其特征在于：软件系统包括前端UI、接口层、业务层、数据层、基础服务层和运行环境，运行环境为云平台，基础服务层包括Mysql系统、Stroge系统和Memcache系统，数据层包括事务控制系统、数据映射系统和缓存系统，业务层包括PHP处理器和python设置模块，PHP处理器包括SPAC监测结果展示模块、实时数据接收模块、水肥药气控制模块、现场检测数据上传模块、种植管理模块和园区管理模块，python设置模块包括知识库和算法模块；接口层包括laravel业务服务器、MQTT通信协议和REDIS服务器，前端UI包括管理后台、控制器、微信和安卓系统。

10.如权利要求9所述的农田灌区水肥气热一体化智能灌溉系统，其特征在于：应用终端的手机安装微信程序，微信程序包括首页模块、系统管理模块、智能控制模块和数据分析模块；

首页模块包括系统介绍子模块、灌区概况子模块、农业新闻子模块、农业商业信息子模块和天气预报子模块，系统介绍子模块：用于展示基于移动终端的农田作物水肥气热药一体化智能灌溉服务的内容，介绍本系统的版本信息；灌区概况子模块：显示当前系统所在的园区的基础建设情况以及园区分布介绍；农业新闻子模块：实时推送农业相关的新闻消息，支持浏览与转发；农业商业信息子模块：对农业商业信息进行发布以及农业生产资料网上订购服务；天气预报子模块：显示当前时刻的天气情况；

系统管理模块包括灌区管理子模块、种植管理子模块、设备管理子模块和水电费购买子模块；灌区管理子模块：创建和管理灌区，添加或删除灌区、添加或删除田块、灌区定位功能，可以手动添加灌区或田块信息，也可以删除已有灌区或田块，对该灌区进行GPS区域定位；种植管理子模块：对农作物的种植进行管理，选择对应的灌区与田块并选在此田块种植的作物类型，可以选择库中已有的作物种类，如库中没有该作物也可选择手动添加作物类型的模式，对作物的生长周期进行设置；设备管理子模块：对灌区控制子系统的灌溉单元主控制器、首部控制阀、供水控制阀、供肥控制阀、供气控制阀、供热控制阀和供药控制阀进行添加、删除、绑定灌区或田块，添加的方法有扫码添加和手动输入序列号添加，将设备直接添加到中心数据库，添加后显示在页面上；水电费购买子模块：进行水电费的购置；

智能控制模块包括灌溉策略设定子模块、施肥策略设定子模块、加气策略设定子模块、加热策略设定子模块和施药策略设定子模块；灌溉策略设定子模块：进行灌溉策略的设置，选择已有策略，包括手动灌溉模式、定时控制模式和自动灌溉模式，手动灌溉模式：手动点击开关按钮，开启或关闭电磁阀，定时控制模式：通过设定灌溉时间来控制电磁阀的开启与关闭；自动灌溉模式：设置阀值，根据土壤墒情信息判断是否开启或关闭灌区控制子系统的灌溉单元主控制器、首部控制阀、供水控制阀、供肥控制阀、供气控制阀、供热控制阀和供药控制阀；施肥策略设定子模块：手动施肥，通过人工干预进行施肥；设置施肥阀值，根据土壤肥力、作物生长状况自动施肥；加气策略设定子模块:包括手动控制模式和制动控制模式，手动控制模式：通过人工干预进行加气；制动控制模式：设置温室土壤加气设置的阀值，判断土壤含氧量是否高于阀值，高于阀值则自动加气；加热策略设定子模块：包括加热手动控制模式和加热自动控制模式，加热手动控制模式：通过人工干预进行加热；加热自动控制模式：设置温室内温度设置的阀值，判断温室内温度是否低于阀值，低于阀值则自动加热；施药策略设定子模块：包括施药手动控制模式和施药自动控制模式，施药手动控制模式：根据作物病虫害状况通过人工干预进行施药；施药自动控制模式：设置施药阀值，自动施药；

数据分析模块包括实时数据子模块、实时曲线子模块、历史数据子模块和作物产量子模块；实时数据子模块：接收来自于服务云平台推送来的灌溉配置信息和田间采集器采集的信息；实时曲线子模块：对接收的田间采集器采集的信息绘制其变化曲线，直观显示当前灌区的作物状况；历史数据子模块:对接收到历史数据查看其最新数据或前一帧数据；作物产量子模块:对作物产量分析预报。

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