CN112352658A - 一种同步作业的智能灌溉控制系统 - Google Patents

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梁忠伟
陶兴
雷成豪
刘晓初
朱锐
冯文康
吴俊�
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Abstract

本发明公开了一种同步作业的智能灌溉控制系统，包括控制装置、检测装置、人机交互装置和报警装置；通过检测装置对空气温度、空气湿度，土壤湿度和光照强度进行检测，并将检测所得到的检测数据发送至控制装置中；通过人机交互装置改变所要监测的要素的上、下限报警值；所要监测的要素包括空气温湿度、土壤温湿度和光照强度；当所要监测的要素的实时值低于其下限报警值后，该报警模块发出警报，提醒操作人员进行调控；所述控制装置根据土壤含水量的实时值和土壤含水量的期望值的差异来调节水泵的功率大小，当差异过大，水泵工作在一个功率较大的工作状态，以此来缩短灌溉时间；当差异过小，工作在一个功率较小的工作状态，以此来节省电能。

Description

一种同步作业的智能灌溉控制系统
技术领域
本发明涉及灌溉领域，具体涉及一种同步作业的智能灌溉控制系统。
背景技术
目前全球都面临着缺水危机，我国属缺水农业大国，是世界公认的贫水国家之一，目前我国人均量为2100立方米，不到世界人均量的1/4，而农业灌溉用水利用率低，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。传统的人工灌溉对于大面积种植来说，不仅仅是浪费人力，而且人工灌溉不能准确地把握土壤水分的多少，这也就导致了不同程度上的灌溉不均匀和水资源的浪费。这样的灌溉对作物来说是要尽量避免的，它会造成某些区域的干旱或者水涝，也就会影响作物的生长状况、产量以及产品质量人工灌溉比较麻烦，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
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种同步作业的智能灌溉控制系统，所述智能灌溉控制系统可以根据土壤含水量的实时值和土壤含水量的期望值的差异来调节水泵的功率大小，能够有效提高可靠性和灵活性，以及降低人力和生产成本。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
一种同步作业的智能灌溉控制系统，包括控制装置、检测装置、人机交互装置以及报警装置，其中，
所述检测装置用于但不限于对空气温度、空气湿度，土壤湿度以及光照强度进行检测，并将检测所得到的检测数据发送至控制装置中；
所述人机交互装置可供操作人员改变所要监测的要素的上、下限报警值；其中，所要监测的要素的上、下限报警值包括但不限于空气温度上下限报警值、空气湿度上下限报警值、光照强度上下限报警值、土壤含水量上下限报警值；
所述报警模块用于当所要监测的要素的实时值低于其下限报警值后，该报警模块发出警报，提醒操作人员进行调控；
所述控制装置根据检测模块检测所得到的检测数据，并结合PID算法，实现对灌溉系统中的水泵的功率进行控制；其控制过程为：根据土壤含水量的实时值和土壤含水量的期望值的差异来调节水泵的功率大小，当差异过大，水泵工作在一个功率较大的工作状态，以此来缩短灌溉时间；当差异过小，工作在一个功率较小的工作状态，以此来节省电能。
优选的，所述检测装置包括但不限于空气温湿度检测传感器、光敏电阻传感器以及土壤湿度传感器。
优选的，所述控制装置接收到检测装置传来的检测数据后，将其显示在人机交互装置的人机交互界面上，供操作人员实时监控。
优选的，所述报警模块包括报警指示灯以及蜂鸣器。
优选的，所述控制装置为单片机。
本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：
1、本发明通过土壤温湿度传感器实时检测土壤温湿度，可根据土壤温湿度进行灌溉，并在土壤湿度的控制中引入PID算法，通过引入PID算法，当土壤湿度的实际值与设定值之间的差异较大时，水泵可以以较大功率进行工作，从而缩短了灌溉时间。当土壤湿度的实际值与设定值之间的差异较小时，水泵可以以较小功率进行工作，以此来节约电能。土壤湿度的采集会比较不稳定，PID的存在可以让本发明的智能控制系统带有一定的预判能力，有助于改善水泵功率一直在变的问题。
2、本发明的人机交互装置的人机交互界面能很直观地用图像反应出空气温湿度、光照强度、土壤含水量、水泵功率，同时也有数值框直接显示；还可以修改空气温度上下限、空气湿度上下限、光照下限以及土壤湿度下限，一旦实时值不在设定范围，报警信息栏便会出现报警信息，以此来提醒监测员；人机交互界面还可以修改设备端口，方便此系统移植到其他地方；人机交互界面还可以将目标土壤湿度、光照下限值发送到单片机。
附图说明
图1是本发明的同步作业的智能灌溉控制系统的结构图。
图2是本发明中的单片机整体功能图
图3是本发明中的单片机接收部分流程图
图4是单片机对于电磁阀和PWM模块的控制流程图
图5是PID结构框图
图6是PID流程图
图7是PID库的程序
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。
参见图1-图7，本发明的同步作业的智能灌溉控制系统主要实现基于单片机的同步作业智能灌溉控制系统的智能化和网络化，通过串口将单片机电路系统、计算机上的LabVIEW和同步作业智能灌溉控制系统的硬件设施相连成一个互相能通讯的系统。该智能灌溉控制系统采用了LabVIEW语言和C语言来编写软件程序，实现了对空气温度、空气湿度、土壤湿度等这些对植物生长有着重要影响的参数的采集，也实现了水泵能够自主调节功率，从而达到了智能灌溉的目标。
其中，本发明的同步作业的智能灌溉控制系统包括控制装置、检测装置、人机交互装置以及报警装置，其中，
所述检测装置用于但不限于对空气温度、空气湿度，土壤湿度以及光照强度进行检测，并将检测所得到的检测数据发送至控制装置中，包括但不限于空气温湿度检测传感器、光敏电阻传感器以及土壤温湿度传感器。
所述人机交互装置可供操作人员改变所要监测的要素的上、下限报警值；其中，所要监测的要素的上、下限报警值包括但不限于空气温度上下限报警值、空气湿度上下限报警值、光照强度上下限报警值、土壤含水量上下限报警值；当所述控制装置接收到检测装置传来的检测数据后，将其显示在人机交互装置的人机交互界面上，供操作人员实时监控。
所述报警模块用于当所要监测的要素的实时值低于其下限报警值后，该报警模块发出警报，提醒操作人员进行调控；该报警模块包括报警指示灯以及蜂鸣器；例如当空气湿度低于设定的下限报警值时，在LabVIEW界面除了会出现报警警示灯外，插在面包板中的蜂鸣器也会发出声响，以此来进一步地提醒检操作人员，防止操作人员出现疲劳而未看到显示屏的情况发生。操作人员得知情况后，便可人为开启喷洒装置为空气加湿。
所述控制装置根据检测模块检测所得到的检测数据，并结合PID算法，实现对灌溉系统中的水泵的功率进行控制；其控制过程为：根据土壤含水量的实时值和土壤含水量的期望值的差异来调节水泵的功率大小，当差异过大，水泵工作在一个功率较大的工作状态，以此来缩短灌溉时间；当差异过小，工作在一个功率较小的工作状态，以此来节省电能。
在本实施例中，对土壤湿度控制加入了PID算法对水泵的功率实现PID的调节，在本设计中，采用了直接调用官方的PID库的办法，然后不断实验来改变Kp、Ki、Kd的值，从而达到一个比较理想的效果经多组实验后，通过控制变量法可以得出最适合本设计的Kp＝0.5,Ki＝0,Kd＝0.2，从而达到一个比较理想的效果。
参见图1-图7，本发明的同步作业的智能灌溉控制系统的工作原理是：
首先，获取当前的空气温湿度、光照强度、土壤含水量等数据；
接着，获取当前待灌溉区域的环境信息，所述环境信息包括空气温湿度、土壤湿度和太阳光照强度；通过对应的传感器将现场的温度、光照、土壤的湿度等物理量转换为电压或者电流信号,并将信号传入中间控制层,电磁阀由中间控制层发送来的驱动信号启动。所述的控制系统是以LabVIEW作为显示、监控平台，把Arduino Mega 2560为控制核心，接收来自传感器的参数，并通过程序算法经过计算后，通过单片机PWM口的输出完成对水泵的功率调控。水泵的PWM的值是经PID计算后发送。
本发明将在土壤湿度的控制中引入PID算法，通过引入PID算法，当土壤湿度的实际值与设定值之间的差异较大时，水泵可以以较大功率进行工作，从而缩短了灌溉时间。当土壤湿度的实际值与设定值之间的差异较小时，水泵可以以较小功率进行工作，以此来节约电能。土壤湿度的采集会比较不稳定，PID的存在可以让系统带有一定的预判能力，有助于改善水泵功率一直在变的问题。
上述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内容的限制，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 (5)

1.一种同步作业的智能灌溉控制系统，包括控制装置、检测装置、人机交互装置以及报警装置，其特征在于，
所述检测装置用于但不限于对空气温度、空气湿度，土壤湿度以及光照强度进行检测，并将检测所得到的检测数据发送至控制装置中；
所述人机交互装置可供操作人员改变所要监测的要素的上、下限报警值；其中，所要监测的要素的上、下限报警值包括但不限于空气温度上下限报警值、空气湿度上下限报警值、光照强度上下限报警值、土壤含水量上下限报警值；
所述报警模块用于当所要监测的要素的实时值低于其下限报警值后，该报警模块发出警报，提醒操作人员进行调控；
所述控制装置根据检测模块检测所得到的检测数据，并结合PID算法，实现对灌溉系统中的水泵的功率进行控制；其控制过程为：根据土壤含水量的实时值和土壤含水量的期望值的差异来调节水泵的功率大小，当差异过大，水泵高功率运行，以此来缩短灌溉时间；当差异过小，水泵低功率运行。
2.根据权利要求1所述的同步作业的智能灌溉控制系统，其特征在于，所述检测装置包括但不限于空气温湿度检测传感器、光敏电阻传感器以及土壤湿度传感器。
3.根据权利要求1所述的同步作业的智能灌溉控制系统，其特征在于，所述控制装置接收到检测装置传来的检测数据后，将其显示在人机交互装置的人机交互界面上，供操作人员实时监控。
4.根据权利要求1所述的同步作业的智能灌溉控制系统，其特征在于，所述报警模块包括报警指示灯以及蜂鸣器。
5.根据权利要求1所述的同步作业的智能灌溉控制系统，其特征在于，所述控制装置为单片机。
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