CN112425484A - 一种基于物联网的绿化带协同滴灌系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的绿化带协同滴灌系统，包括：监测平台，包括天气获取模块、数据采集模块、管网模块，监测平台用于接收数据的处理与分析，并对滴灌区域进行集中控制管理；天气获取模块用于获取区域内天气信息及天气变化信息；数据采集模块用于采集土壤参数信息；管网模块用于监测管网参数信息；施肥模块，用于接收检测平台的信息数据，并根据植物生长规律进行定量调控施肥，将水肥输送到植物根系；控制模块，控制模块用于接收监测平台实时采集的信息数据，并根据当前作物所需水分控制滴灌模块按照预定方式滴灌；根据监测平台实时采集的信息数据，对不同生长区域内的滴灌量及施肥量进行协同控制。

Description

一种基于物联网的绿化带协同滴灌系统及方法

技术领域

本发明涉及绿化领域、市政领域或灌溉领域，特别是一种基于物联网的绿化带协同滴灌系统及方法。

背景技术

滴灌是将水一滴一滴地、均匀而又缓慢地滴入植物根系附近土壤中的灌溉形式，滴水流量小，水滴缓慢入土，可以最大限度地减少蒸发损失，如果再加上地膜覆盖，可以进一步减少蒸发，滴灌条件下除紧靠滴头下面的土壤水分处于饱和状态外，其它部位的土壤水分均处于非饱和状态，土壤水分主要借助毛管张力作用入渗和扩散,但如果滴灌时间太长，根系下面可能发生浸透现象，因此滴灌一般都是由高技术的计算机操纵完成，也有由人工操作的。滴灌水压低，节水，可以用于对生长不同植物的地区，对每棵植物分别灌溉，但对坡地需要有压力补偿，用计算机可以依靠调节不同地段的阀门来控制。

协同滴灌以高效节水技术和信息化建设为支撑，实现了信息化控制系统。实现远程控制、流量监测为一体；实现了水源点施肥自动控制与高速公路绿化带间高效节水自动化灌溉一体化管理。信息化建设提供实时数据传输、实时监控从而节约人力物力，在此基础上逐步完善水利工程“建、管、养、用”一体化管理体系和“以水养水”的管理模式，积极推进具有特色的水利信息化建设。

但是在进行控制过程中，如何实现精准控制的同时，实现多区域滴灌协同控制都是亟不可待要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于物联网的绿化带协同滴灌系统及方法，实现精准控制，实现多区域滴灌协同控制。

本发明的技术方案：一种基于物联网的绿化带协同滴灌系统，包括：

监测平台，用于数据的接收处理与分析，并对滴灌区域进行集中控制管理，监测平台包括以下模块：

天气获取模块，用于获取滴灌区域内天气信息及天气变化信息；

数据采集模块，用于采集土壤参数信息；

管网模块，用于监测管网参数信息；

施肥模块，用于接收所述检测平台的信息数据，并根据植物生长规律进行定量调控施肥，将水肥输送到植物根系；

控制模块，用于接收监测平台实时采集的信息数据，并根据当前作物所需水分控制滴灌模块按照预定方式滴灌；

调度模块，根据监测平台实时采集的信息数据，对不同生长区域内的滴灌量及施肥量进行协同控制，所述调度模块根据植物种类、生育阶段或生长区域建立专家数据库，并控制泵站按照预定组合方式执行灌溉规律。

前述的基于物联网的绿化带协同滴灌系统，所述管网参数信息包括蓄水池水位监测、临界水位报警、水泵转速、管网压力或管网流量中的一种或两种以上的组合。

前述的基于物联网的绿化带协同滴灌系统，所述土壤参数信息包括土壤墒情、土壤水分含量、空气温度、空气湿度中的一种或两种以上的组合。

前述的基于物联网的绿化带协同滴灌系统， 所述监测平台包括若干个子系统，若干个子系统之间通过APN专网与服务器连接，所有子系统的数据全部汇集到监测平台进行处理、展示。

前述的基于物联网的绿化带协同滴灌系统，监测平台能够自动解析接收的数据，并以测站站码、时间、监测量、设备状态信息完整存储于数据库中，其中数据接收方式能够进行设置，包括接收周期、接收站点设置、编码格式分析、剔除异常数据、标记可疑数据。

前述的基于物联网的绿化带协同滴灌系统，还包括灌溉计量模块，所述灌溉计量模块连接管道水位传感器、流量传感器，实时监测水位动态信息及灌溉用水信息，当水位值低于预定阈值时，报警器进行报警。

前述的基于物联网的绿化带协同滴灌系统，所述控制模块的控制算法采用PID控制与模糊控制算法结合。

一种基于物联网的绿化带协同滴灌方法，包括以下步骤：

S1，进入系统，检查网络平台通讯正常，设置系统运行参数，选择系统控制方式；

S2，通过监测平台进行数据采集，结合当前天气信息及土壤参数信息制定滴灌方案；

S3，建立数据中心，根据植物种类、生育阶段及生长区域作物灌溉规律建立专家数据库；

S4，根据管网泵站特性及区域内环境信息，制定调度信息，根据调度信息，设定泵站最佳运行组合方式，实现不同泵站协同滴灌。

前述的基于物联网的绿化带协同滴灌方法，所述系统运行参数包括无线自组网网络、GPRS网络、Internet网络，根据不同的状况进行参数配置，并设置临界水位报警值。

前述的基于物联网的绿化带协同滴灌方法，所述系统控制方式包括手机控制、移动平台控制或Web远程控制。

本发明的有益效果：

（1）监测平台能够根据采集的雨量、墒情、埋土水深、风向、风速、温度、湿度、太阳辐射、蒸发、气压等实时数据，根据不同农作物不同生长周期的需水量的不同，预报所需的灌溉用水量，进行有计划的灌溉，达到节水增产的目的。

（2）系统可以实现手机控制、移动平台控制或Web远程控制的灵活选择，界面清晰美观，操作方便简单，可快速上手，通过使用移动终端业务办公，可打破时间和空间限制，实现远程用户认证登陆，运行用水信息在线监测、灌区移动业务查询、水利工程在线管理、移动OA等功能。通过随时随地办公，可提高，工作效率执行相关工作、随时对重点工程动态监测，预警水利工程安全。

（3）系统能够进行远程控制，能设置报警和控制参数。各个采集模块上传的数据将存入数据库，数据库具有查询，修改，增删等功能。能（点控现、群控）现场级的电磁阀和调节阀，能按预设的要求定时、定量地进行灌溉。并能显示现场的实时数据和查看历史数据和趋势，设置报警和控制的上下限值和趋势图；并能完成管网中蓄水池水位自动检测、临界水位报警、水泵启停、水泵转速（调节进、出水量），实现水泵根据水池水位变化自动启停、根据需水量的要求自动调节进出水量，进而达到水泵房的无人化及自动化的管理。

（4）监测平台的数据采集主要包括信息采集系统、信息传输系统、数据存储与管理系统。信息采集系统利用先进的设备和技术实现对引水、用水、水环境土壤墒情等信息的自动化采集以及对关键闸站的远程自动化控制，为灌区管理和决策提供各种必要的基础信息和控制手段。

（5）通过施肥模块实现水肥一体化，灌溉施肥的肥效快，养分利用率提高。可以避免肥料施在较干的表土层易引起的挥发损失、溶解慢，最终肥效发挥慢的问题；尤其避免了铵态和尿素态氮肥施在地表挥发损失的问题，既节约氮肥又有利于环境保护。

（6）调度模块中专家数据库，能够根据植物的不同提供专家级的灌溉施肥控制方案，将植物所需的肥料直接、准确地注入灌溉水管中，连同灌溉水一起适时适量地施给作物。使施肥和灌溉的一体化成为可能，大大提高了水肥耦合效应和水肥利用效率。

（7）根据管网内泵站运行的不同要求,其优化调度的目标也不同,如泵站所在地的自然条件不同,如气候、降雨和地形等。因此泵站的优化调度目标有弃水量最小、能耗最小和国民经济效益最大，系统将在分析给排水泵站能耗特点的基础上，对泵站各组成部分进行了数学描述，建立了调度任务和约束的数学描述模型，并采用遗传算法结合泵站能耗分析和效率计算对调度问题进行优化，从而通过调度的优化达到泵站运行节能的目的。

附图说明

图1为本发明系统流程图；

图2为绿化带协同滴灌方法流程图；

图3为网络通信示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

如图1所示，本发明第一方面提供了一种基于物联网的绿化带协同滴灌系统，包括：

S102，监测平台，用于数据的接收处理与分析，并对滴灌区域进行集中控制管理，监测平台包括以下模块；

S104，天气获取模块，用于获取区域内天气信息及天气变化信息；

S106，数据采集模块，用于采集土壤参数信息；

S108，管网模块，用于监测管网参数信息；

S110，施肥模块，用于接收所述检测平台的信息数据，并根据植物生长规律进行定量调控施肥，将水肥输送到植物根系；

S112，控制模块，用于接收监测平台实时采集的信息数据，并根据当前作物所需水分控制滴灌模块按照预定方式滴灌；

S114，调度模块，根据监测平台实时采集的信息数据，对不同生长区域内的滴灌量及施肥量进行协同控制，所述调度模块根据植物种类、生育阶段或生长区域建立专家数据库，并控制泵站按照预定组合方式执行灌溉规律。

需要说明的是，系统能够进行远程控制，能设置报警和控制参数。各个采集模块上传的数据将存入数据库，数据库具有查询，修改，增删等功能。能（点控现、群控）现场级的电磁阀和调节阀，能按预设的要求定时、定量地进行灌溉。并能显示现场的实时数据和查看历史数据和趋势，设置报警和控制的上下限值和趋势图；并能完成水位自动检测、临界水位报警、水泵启停、水泵转速（调节进、出水量），实现水泵根据水池水位变化自动启停、根据需水量的要求自动调节进出水量，进而达到水泵房的无人化及自动化的管理，通过现代通讯网络进行集中控制，实现远程的启闭、电量采集的分中心控制管理；当水池的水位低于设定值时，提水泵自动开启，通过管道向水池自动补水，当补水满足需求后自动停止。

根据本发明实施例，所述管网参数信息包括蓄水池水位监测、临界水位报警、水泵转速、管网压力或管网流量中的一种或两种以上的组合。

需要说明的是，蓄水池的水位监测是通过液位传感器来实现的，与水泵共同组成闭环控制系统。压力传感器、流量传感器通过监测管网的压力和流量来确保灌溉系统的安全运行和灌区用水量准确计量。

根据本发明实施例，所述土壤参数信息包括土壤墒情、土壤水分含量、空气温度、空气湿度中的一种或两种以上的组合。

如图3所示，本发明公开了网络通信示意图，可采用现有网络技术组成本系统平台；

根据本发明实施例，所述监测平台包括若干个子系统，若干个子系统之间通过APN专网与服务器连接，所有子系统的数据全部汇集到监测平台进行处理、展示。

根据本发明实施例，监测平台能够自动解析接收的数据，并以测站站码、时间、监测量、设备状态信息完整存储于数据库中，其中数据接收方式能够进行设置，包括接收周期、接收站点设置、编码格式分析、剔除异常数据、标记可疑数据。

根据本发明实施例，还包括灌溉计量模块，所述灌溉计量模块连接管道水位传感器、流量传感器，实时监测水位动态信息及灌溉用水信息，当水位值低于预定阈值时，报警器进行报警。

根据本发明实施例，所述控制模块的控制算法采用PID控制与模糊控制算法结合。

需要说明的是，在核心区代表性的地块建设自动控制站，主要实时监测各地块的地埋水深、控制电磁阀开启，以数据采集终端为核心，控制电磁阀开启实时信息的自动采集和远程传输，水位传感器、电磁阀、通信终端、流量计、太阳能浮充蓄电池电源系统、避雷设备。

优选地，监测平台根据采集的天气信息及土壤参数信息生成灌溉预报模型。

本发明的灌溉系统采用四层体系结构，包括表示层、应用层、数据层与数据采集层；表示层表示呈现给用户的最终表现形式；本系统采用WEB浏览器的方式表现在用户面前；用户通过浏览器对不同的中心站按权限进行访问，表示层的开发采用了JAVA技术，提供了更强的安全性和更好的显示效果，并保证了系统的跨平台可移植性，表示层只负责对数据层中的数据进行分析之后呈现给用户，用户可以根据自己的实际需求，按照规定的接口格式，自己开发符合自己需要的界面表现形式。

应用层包括应用服务平台和应用系统，其中应用服务平台是系统的中间逻辑层，为整个系统提供各种方法，主要包括信息共享服务中间件、空间信息服务中间件以及业务处理服务中间件等，应用系统是基于土地信息系统的灌溉管理及决策支持系统，直接面向用户，结合所需信息和管理职能，有针对性的进行设计。

数据层的主要作用是将所有的原始数据和经过分析加工后的数据进行数据库保存，它综合存储业务管理涉及的实时数据、基础数据、业务数据、决策支持数据，是整个系统的数据中心。

数据采集层主要包括信息采集系统、信息传输系统、数据存储与管理系统。信息采集系统利用先进的设备和技术实现对引水、用水、水环境土壤墒情等信息的自动化采集以及对关键闸站的远程自动化控制，为灌区管理和决策提供各种必要的基础信息和控制手段。

如图2所示，本发明公开了绿化带协同滴灌方法流程图；

包括以下步骤：

S1，进入系统，检查网络平台通讯正常，设置系统运行参数，选择系统控制方式；

S2，通过监测平台进行数据采集，结合当前天气信息及土壤参数信息制定滴灌方案；

S3，建立数据中心，根据植物种类、生育阶段及生长区域作物灌溉规律建立专家数据库；

S4，根据管网泵站特性及区域内环境信息，制定调度信息，根据调度信息，设定泵站最佳运行组合方式，实现不同泵站协同滴灌。

需要说明的是，根据泵站运行的不同要求,其优化调度的目标也不同,如泵站所在地的自然条件不同,如气候、降雨和地形等。因此泵站的优化调度目标有弃水量最小、能耗最小和国民经济效益最大，系统将在分析给排水泵站能耗特点的基础上，对泵站各组成部分进行了数学描述，建立了调度任务和约束的数学描述模型，并采用遗传算法结合泵站能耗分析和效率计算对调度问题进行优化，从而通过调度的优化达到泵站运行节能的目的，为了确定泵站的最优运行方式，需要研究水泵、电机和变压器等设备的工作特性，从而根据工作条件，按各设备的性能找出各种设备运行方式的最优组合，根据泵站运行的不同要求,其优化调度的目标也不同,如泵站所在地的自然条件不同,如气候、降雨和地形等。因此泵站的优化调度目标有弃水量最小、能耗最小和国民经济效益最大等，将以泵站机组总的功率消耗最小为目标，在满足各时段要求流量和扬程的前提条件下，要求泵的能耗最少通过对水池水位自动监测、临界水位报警、提水泵启闭等操作，实现提水泵根据水池水位变化自动启停，泵根据需水量的要求自动调节进出水量，进而实现提水泵的遥测遥控及输配水自动化。系统建成后可对整个输水线路进行实时控制，完成对设备参数和运行工况的实时监测，有效地提高系统设备的可靠性和自动化水平与管理

根据本发明实施例，参数设置包括无线自组网网络、GPRS网络、Internet网络，根据不同的状况进行参数配置，并设置临界水位报警值。

根据本发明实施例，系统控制方式包括手机控制或移动平台控制或Web远程控制。

根据本发明实施例，不同时间内的灌溉信息生成报表，报表内包含灌溉用水、泵站运行信息以及天气信息、施肥信息，报表能够作为下次灌溉参考数据。

灌溉预报模型能够根据采集的雨量、墒情、埋土水深、风向、风速、温度、湿度、太阳辐射、蒸发、气压等实时数据，根据不同农作物不同生长周期的需水量的不同，预报所需的灌溉用水量，进行有计划的灌溉，达到节水增产的目的。

系统界面清晰美观，操作方便简单，可快速上手，通过使用移动终端业务办公，可打破时间和空间限制，实现远程用户认证登陆，运行用水信息在线监测、灌区移动业务查询、水利工程在线管理、移动OA等功能。通过随时随地办公，可提高，工作效率执行相关工作、随时对重点工程动态监测，预警水利工程安全。

系统能够进行远程控制，能设置报警和控制参数。各个采集模块上传的数据将存入数据库，数据库具有查询，修改，增删等功能。能（点控现、群控）现场级的电磁阀和调节阀，能按预设的要求定时、定量地进行灌溉。并能显示现场的实时数据和查看历史数据和趋势，设置报警和控制的上下限值和趋势图；并能完成水位自动检测、临界水位报警、水泵启停、水泵转速（调节进、出水量），实现水泵根据水池水位变化自动启停、根据需水量的要求自动调节进出水量，进而达到水泵房的无人化及自动化的管理。

数据采集主要包括信息采集系统、信息传输系统、数据存储与管理系统。信息采集系统利用先进的设备和技术实现对引水、用水、水环境土壤墒情等信息的自动化采集以及对关键闸站的远程自动化控制，为灌区管理和决策提供各种必要的基础信息和控制手段。

通过施肥模块实现水肥一体化，灌溉施肥的肥效快，养分利用率提高。可以避免肥料施在较干的表土层易引起的挥发损失、溶解慢，最终肥效发挥慢的问题；尤其避免了铵态和尿素态氮肥施在地表挥发损失的问题，既节约氮肥又有利于环境保护。

水肥一体化系统的优点是灌溉施肥的肥效快，养分利用率提高。可以避免肥料施在较干的表土层易引起的挥发损失、溶解慢，最终肥效发挥慢的问题；尤其避免了铵态和尿素态氮肥施在地表挥发损失的问题，既节约氮肥又有利于环境保护。所以水肥一体化技术使肥料的利用率大幅度提高。据有关研究，灌溉施肥体系比常规施肥节省肥料50%~70%，节水可达30%；同时，大大降低了田间因过量施肥而造成的水体污染问题。由于水肥一体化技术通过人为定量调控，满足作物在关健生育期“吃饱喝足”的需要，杜绝了任何缺素症状，因而在生产上可达到作物的产量和品质均良好的目标，专家数据库可以聘请种植专家或按现有植物生长需求进行数据的完善，能够针对不同植物特性，通过系统直接、准确地把肥料养分注入灌溉水管中，连同灌溉水一起适时适量地施给作物。使施肥和灌溉的一体化成为可能，大大提高了水肥耦合效应和水肥利用效率。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

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于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：移动存储设备、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

或者，本发明上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等）执行本发明各个实施例方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

Claims (10)

1.一种基于物联网的绿化带协同滴灌系统，其特征在于，包括：

监测平台，用于数据的接收处理与分析，并对滴灌区域进行集中控制管理，监测平台包括以下模块：

天气获取模块，用于获取滴灌区域内天气信息及天气变化信息；

数据采集模块，用于采集土壤参数信息；

管网模块，用于监测管网参数信息；

施肥模块，用于接收所述检测平台的信息数据，并根据植物生长规律进行定量调控施肥，将水肥输送到植物根系；

控制模块，用于接收监测平台实时采集的信息数据，并根据当前作物所需水分控制滴灌模块按照预定方式滴灌；

调度模块，根据监测平台实时采集的信息数据，对不同生长区域内的滴灌量及施肥量进行协同控制，所述调度模块根据植物种类、生育阶段或生长区域建立专家数据库，并控制泵站按照预定组合方式执行灌溉规律。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的绿化带协同滴灌方法，其特征在于：所述管网参数信息包括蓄水池水位监测、临界水位报警、水泵转速、管网压力或管网流量中的一种或两种以上的组合。

3.根据权利要求1所述的基于物联网的绿化带协同滴灌系统，其特征在于：所述土壤参数信息包括土壤墒情、土壤水分含量、空气温度、空气湿度中的一种或两种以上的组合。

4.根据权利要求1所述的基于物联网的绿化带协同滴灌系统，其特征在于： 所述监测平台包括若干个子系统，若干个子系统之间通过APN专网与服务器连接，所有子系统的数据全部汇集到监测平台进行处理、展示。

5.根据权利要求1所述的基于物联网的绿化带协同滴灌系统，其特征在于：监测平台能够自动解析接收的数据，并以测站站码、时间、监测量、设备状态信息完整存储于数据库中，其中数据接收方式能够进行设置，包括接收周期、接收站点设置、编码格式分析、剔除异常数据、标记可疑数据。

6.根据权利要求1所述的基于物联网的绿化带协同滴灌系统，其特征在于：还包括灌溉计量模块，所述灌溉计量模块连接管道水位传感器、流量传感器，实时监测水位动态信息及灌溉用水信息，当水位值低于预定阈值时，报警器进行报警。

7.根据权利要求1所述的基于物联网的绿化带协同滴灌系统，其特征在于：所述控制模块的控制算法采用PID控制与模糊控制算法结合。

8.一种如权利要求1-7中任一权利要求所述的基于物联网的绿化带协同滴灌方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，进入系统，检查网络平台通讯正常，设置系统运行参数，选择系统控制方式；

S2，通过监测平台进行数据采集，结合当前天气信息及土壤参数信息制定滴灌方案；

S3，建立数据中心，根据植物种类、生育阶段及生长区域作物灌溉规律建立专家数据库；

S4，根据管网的泵站特性及区域内环境信息，制定调度信息，根据调度信息，设定泵站最佳运行组合方式，实现不同泵站协同滴灌。

9.根据权利要求8所述的基于物联网的绿化带协同滴灌方法，其特征在于：所述系统运行参数包括无线自组网网络、GPRS网络、Internet网络，根据不同的状况进行参数配置，并设置临界水位报警值。

10.根据权利要求8所述的基于物联网的绿化带协同滴灌方法，其特征在于：所述系统控制方式包括手机控制、移动平台控制或Web远程控制。

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