CN114223520A - 基于加权马尔可夫链干旱预测的智慧农田灌溉调控系统 - Google Patents

基于加权马尔可夫链干旱预测的智慧农田灌溉调控系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开基于加权马尔可夫链干旱预测的智慧农田灌溉调控系统，包括中央控制终端、数据存储模块、数据采集模块、干旱预测模块、水肥供料模块、综合灌溉模块、安全监控模块和系统供电模块；本发明通过加权马尔可夫链预测方法对区域农田干旱指数进行准确预测，相比传统人工判断更为准确，并通过用水调控模块依据预测结果预先对农田进行水资源的规划和调配，同时对水肥供料模块的灌溉供料量进行调控，另外结合数据存储模块内不同农作物的枯萎系数指标以及水分检测单元检测的农田土壤水分，并自动调配选择滴灌单元或喷灌单元对农田农作物进行灌溉，从而实现灌溉量、水肥配比和灌溉方式的合理控制。

Description

基于加权马尔可夫链干旱预测的智慧农田灌溉调控系统
技术领域
本发明涉及农业灌溉技术领域，尤其涉及基于加权马尔可夫链干旱预测的智慧农田灌溉调控系统。
背景技术
我国作为一个农业大国，向来是以农为本，农业种植过程中为了保证农作物的正常生长，需要进行灌溉，农业灌溉主要是指针对农田进行的灌溉作业，农业灌溉方式一般可分为为传统的地面灌溉、普通喷灌以及微灌，传统地面灌溉包括畦灌、沟灌、淹灌和漫灌，现代农业微灌溉技术包括微喷灌、滴灌、渗灌等，随着农业技术的发展，现代农业灌溉作业需要根据农田干旱情况，定时和定量的为农田中的农作物补给水分，而现有的农田灌溉调控方式大多是通过人工控制的，主要由工作人员在灌溉时实时或定时检查农业干旱情况，并通过以往经验判断农业所需灌溉量。
现有的这些农业灌溉技术普遍存在需要大量人工且人工判断不准确的问题，加上降雨分布不均，导致农田灌溉用水无法得到保障，从而无法合理掌握农作物的灌溉方式和灌溉量，在一定程度上提高了农田灌溉成本，且灌溉效率也较低，还容易出现灌溉过量或灌溉不足的问题，在浪费水资源的同时甚至制约农作物的生长，对农作物的产量也造成不好的影响，不能实现农田的智能化灌溉调控，另外，现有的一些农业灌溉技术还不能根据农田中农作物的生长状态对农业灌溉的肥水配比进行调控，进一步影响了农作物的正常生长，不利于农业生产经济效益的提升，因此，本发明提出基于加权马尔可夫链干旱预测的智慧农田灌溉调控系统以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出基于加权马尔可夫链干旱预测的智慧农田灌溉调控系统，该系统通过加权马尔可夫链预测方法对区域农田干旱指数进行准确预测，并通过用水调控模块依据预测结果对水肥供料模块的灌溉供料量进行调控，同时通过中央处理器分析农作物生长状况，并在此基础上调节水肥供料模块的水肥供料配比，并自动调配选择滴灌单元或喷灌单元对农田农作物进行灌溉，从而实现灌溉量、水肥配比和灌溉方式的合理控制。
为了实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：基于加权马尔可夫链干旱预测的智慧农田灌溉调控系统，包括中央控制终端、数据存储模块、数据采集模块、干旱预测模块、水肥供料模块、综合灌溉模块和安全监控模块，所述数据存储模块、数据采集模块、干旱预测模块、水肥供料模块和综合灌溉模块均与中央控制终端无线网络连接，所述数据存储模块内预存有不同农作物的干旱评价指标、不同农作物的枯萎系数指标、不同农作物的生长期长序列月降水数据，所述数据采集模块包括用于检测农田土壤水分的水分检测单元和用于采集农作物图像的图像采集单元，所述水肥供料模块通过管路与综合灌溉模块连接并为综合灌溉模块提供灌溉用料，所述干旱预测模块针对不同作物选取相应干旱评价指标，并依据区域历史降雨量通过加权马尔可夫链预测方法对农田干旱指数进行季节性预测并进行农田用水调控，所述中央控制终端包括中央处理器和显示单元，所述中央处理器内设有应急响应模块和用水调控模块，所述综合灌溉模块包括用于农田滴灌的滴灌单元和用于农田喷灌的喷灌单元。
进一步改进在于：所述干旱预测模块对农田干旱指数进行季节性预测并进行农田用水调控时，通过农田不同作物生长期长序列月降水数据，根据样本均值和标准差，建立指标的分级标准，划分为枯、偏枯、平、偏丰和丰五个状态，确定马尔科夫链的状态空间，根据所建立的分级标准确定资料序列中各时段指标值所对应的状态，确定其状态转移概率，计算序列的各阶自相关系数并得到马尔可夫链权重，根据初始状态及各阶转移矩阵预测农田未来不同作物生长期的状态概率，即得到不同作物生长期干旱状况，再依据干旱情况预先对农田水资源进行规划及调配。
进一步改进在于：所述应急响应模块根据干旱预测模块预测的干旱指数进行不同等级的应急响应，所述用水调控模块根据应急响应等级调控水肥供料模块对综合灌溉模块的供料量。
进一步改进在于：所述水肥供料模块包括用于供给灌溉用水的灌溉供水单元和用于供给肥液的灌溉供肥单元，所述灌溉供水单元和灌溉供肥单元通过混合搅拌装置与综合灌溉模块连接，所述混合搅拌装置将灌溉用水和肥液进行混合后输送至综合灌溉模块，所述中央处理器根据图像采集单元采集的农作物图像分析农作物生长状况，并在此基础上调节灌溉供水单元和灌溉供肥单元的水肥供料配比。
进一步改进在于：所述综合灌溉模块结合数据存储模块内不同农作物的枯萎系数指标以及水分检测单元检测的农田土壤水分，并自动调配选择滴灌单元或喷灌单元对农田农作物进行灌溉，所述滴灌单元为压力补偿滴头，所述喷灌单元为埋地旋转喷头。
进一步改进在于：自动调配选择时，若农田土壤水分高于预设阀值则选用滴灌单元对农田的农作物进行滴灌，若农田土壤水分低于预设阀值则选用喷灌单元对农田的农作物进行喷灌。
进一步改进在于：还包括系统供电模块，所述系统供电模块包括蓄电池和太阳能光伏板，所述蓄电池上设有市电接口和太阳能光伏板接口，所述太阳能光伏板通过吸收太阳能为蓄电池充电。
进一步改进在于：所述安全监控模块包括实时监控农田的高清摄像头、实时监测系统电路电压的电压传感器和计量组件，所述高清摄像头安装于农田不同位置，所述显示单元包括液晶触控屏和与高清摄像头无线连接的监控显示屏，所述计量组件包括用水计量单元和用电计量单元，所述用水计量单元为单脉冲信号输出的涡轮流量计并与水肥供料模块连接，所述用电计量单元为RS485输出智能电表并与系统供电模块连接，标准电力645规约。
本发明的有益效果为：本发明通过加权马尔可夫链预测方法对区域农田干旱指数进行准确预测，相比传统人工判断更为准确，并通过用水调控模块依据预测结果预先对农田进行水资源的规划和调配，同时对水肥供料模块的灌溉供料量进行调控，同时通过中央处理器分析农作物生长状况，并在此基础上调节水肥供料模块的水肥供料配比，另外结合数据存储模块内不同农作物的枯萎系数指标以及水分检测单元检测的农田土壤水分，并自动调配选择滴灌单元或喷灌单元对农田农作物进行灌溉，从而实现灌溉量、水肥配比和灌溉方式的合理控制，提高了灌溉效率的同时还降低了灌溉成本，有利于农作物健康生长，实现了农田的智能化灌溉调控，对农业生产经济效益的提升起到推进作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的实施例一系统结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
参见图1，本实施例提供了基于加权马尔可夫链干旱预测的智慧农田灌溉调控系统，包括中央控制终端、数据存储模块、数据采集模块、干旱预测模块、水肥供料模块、综合灌溉模块和安全监控模块，数据存储模块、数据采集模块、干旱预测模块、水肥供料模块和综合灌溉模块均与中央控制终端无线网络连接，数据存储模块内预存有不同农作物的干旱评价指标、不同农作物的枯萎系数指标、不同农作物的生长期长序列月降水数据，数据采集模块包括用于检测农田土壤水分的水分检测单元和用于采集农作物图像的图像采集单元，水肥供料模块通过管路与综合灌溉模块连接并为综合灌溉模块提供灌溉用料，干旱预测模块针对不同作物选取相应干旱评价指标，并依据区域历史降雨量通过加权马尔可夫链预测方法对农田干旱指数进行季节性预测并进行农田用水调控，中央控制终端包括中央处理器和显示单元，中央处理器内设有应急响应模块和用水调控模块，综合灌溉模块包括用于农田滴灌的滴灌单元和用于农田喷灌的喷灌单元，通过滴灌单元和喷灌单元的设置使该系统具备两种不同的灌溉方式，从而可以适用于不同的农田灌溉场景，适用性较高。
干旱预测模块对农田干旱指数进行季节性预测并进行农田用水调控时，通过农田不同作物生长期长序列月降水数据，根据样本均值和标准差，建立指标的分级标准，划分为枯、偏枯、平、偏丰和丰五个状态，确定马尔科夫链的状态空间，根据所建立的分级标准确定资料序列中各时段指标值所对应的状态，确定其状态转移概率，计算序列的各阶自相关系数并得到马尔可夫链权重，根据初始状态及各阶转移矩阵预测农田未来不同作物生长期的状态概率，即得到不同作物生长期干旱状况，再依据干旱情况预先对农田水资源进行规划及调配，如开发雨水收集池、调整灌溉水源、购买非本地水源等方式预先解决农业用水满足生长期作物基本用水，根据预测结果提前做好蓄水或者水量调配，从而使得灌溉季有水可用，水量的年分布不均弱化。
应急响应模块根据干旱预测模块预测的干旱指数进行不同等级的应急响应，用水调控模块根据应急响应等级调控水肥供料模块对综合灌溉模块的供料量，根据不同的干旱指数产生不同等级的应急响应，从而便于调控不同的供料量，进而便于为农田提供最佳的灌溉。
水肥供料模块包括用于供给灌溉用水的灌溉供水单元和用于供给肥液的灌溉供肥单元，灌溉供水单元和灌溉供肥单元通过混合搅拌装置与综合灌溉模块连接，混合搅拌装置将灌溉用水和肥液进行混合后输送至综合灌溉模块，中央处理器根据图像采集单元采集的农作物图像分析农作物生长状况，并在此基础上调节灌溉供水单元和灌溉供肥单元的水肥供料配比，通过对不同生长状况的农作物提供不同配比的水肥灌溉，从而使农作物生长的更为健康均匀。
综合灌溉模块结合数据存储模块内不同农作物的枯萎系数指标以及水分检测单元检测的农田土壤水分，并自动调配选择滴灌单元或喷灌单元对农田农作物进行灌溉，滴灌单元为压力补偿滴头，喷灌单元为埋地旋转喷头，自动调配选择时，若农田土壤水分高于预设阀值则选用滴灌单元对农田的农作物进行滴灌，若农田土壤水分低于预设阀值则选用喷灌单元对农田的农作物进行喷灌。
还包括系统供电模块，系统供电模块包括蓄电池和太阳能光伏板，蓄电池上设有市电接口和太阳能光伏板接口，太阳能光伏板通过吸收太阳能为蓄电池充电，通过两种方式为系统提供电能，在节能电能的同时还保证该系统在市电异常的情况下可以继续工作。
安全监控模块包括实时监控农田的高清摄像头、实时监测系统电路电压的电压传感器和计量组件，高清摄像头安装于农田不同位置，显示单元包括液晶触控屏和与高清摄像头无线连接的监控显示屏，计量组件包括用水计量单元和用电计量单元，用水计量单元为单脉冲信号输出的涡轮流量计并与水肥供料模块连接，用电计量单元为RS485输出智能电表并与系统供电模块连接，标准电力645规约，通过高清摄像头对农田进行监控，从而便于及时发现进行情况，通过计量组件对系统的用水量和用电量进行统计，从而便于用户可以更为直观的了解该系统的能耗情况。
实施例二
本实施例提供了基于加权马尔可夫链干旱预测的智慧农田灌溉调控系统，还包括移动控制终端、酸碱度检测单元和酸碱度调节单元，移动终端包括智能手机和平板电脑，且均与中央控制终端无线连接，便于用户远程控制该系统，提高了便捷性，酸碱度检测单元设于数据采集模块内，并用于检测农田土壤的酸碱度，酸碱度调节单元包括酸液供料单元和碱液供料单元，酸碱度调节单元根据酸碱度检测单元检测图土壤酸碱度驱动酸液供料单元或碱液供料单元向综合灌溉模块输入酸液或碱液，以便于调节农田土壤的酸碱度，使农田土壤环境更加适合农作物生长。
使用时，先通过数据采集模块对待灌溉农田的土壤水分数据和农作物生长状况图像进行检测和采集，接着利用干旱预测模块针对农田农作物选取相应干旱评价指标，利用区域长期降雨序列通过加权马尔可夫链预测方法对区域农业干旱指数进行季节性预测并进行农田用水调控，接着应急响应模块根据干旱预测模块预测的干旱指数进行不同等级的应急响应，随后用水调控模块根据应急响应等级调控水肥供料模块对综合灌溉模块的供料量，同时利用中央处理器根据图像采集单元采集的农作物图像分析农作物生长状况，并在此基础上调节灌溉供水单元和灌溉供肥单元的水肥供料配比，然后利用水肥供料模块按调控好的供料量和调节好的供料配比将灌溉用水以及肥液经混合搅拌装置混合均匀后输送至综合灌溉模块，最后综合灌溉模块结合数据存储模块内不同农作物的枯萎系数指标以及水分检测单元检测的农田土壤水分，自动调配选择滴灌单元或喷灌单元对农田农作物进行灌溉，实现农田灌溉的智能化调控。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于加权马尔可夫链干旱预测的智慧农田灌溉调控系统，其特征在于：包括中央控制终端、数据存储模块、数据采集模块、干旱预测模块、水肥供料模块、综合灌溉模块和安全监控模块，所述数据存储模块、数据采集模块、干旱预测模块、水肥供料模块和综合灌溉模块均与中央控制终端无线网络连接，所述数据存储模块内预存有不同农作物的干旱评价指标、不同农作物的枯萎系数指标、不同农作物的生长期长序列月降水数据，所述数据采集模块包括用于检测农田土壤水分的水分检测单元和用于采集农作物图像的图像采集单元，所述水肥供料模块通过管路与综合灌溉模块连接并为综合灌溉模块提供灌溉用料，所述干旱预测模块针对不同作物选取相应干旱评价指标，依据区域历史降雨量通过加权马尔可夫链预测方法对农田干旱指数进行季节性预测并进行农田用水调控，所述中央控制终端包括中央处理器和显示单元，所述中央处理器内设有应急响应模块和用水调控模块，所述综合灌溉模块包括用于农田滴灌的滴灌单元和用于农田喷灌的喷灌单元。
2.根据权利要求1所述的基于加权马尔可夫链干旱预测的智慧农田灌溉调控系统，其特征在于：所述干旱预测模块对农田干旱指数进行季节性预测并进行农田用水调控时，通过农田不同作物生长期长序列月降水数据，根据样本均值和标准差，建立指标的分级标准，划分为枯、偏枯、平、偏丰和丰五个状态，确定马尔科夫链的状态空间，根据所建立的分级标准确定资料序列中各时段指标值所对应的状态，确定其状态转移概率，计算序列的各阶自相关系数并得到马尔可夫链权重，根据初始状态及各阶转移矩阵预测农田未来不同作物生长期的状态概率，即得到不同作物生长期干旱状况，再依据干旱情况预先对农田水资源进行规划及调配。
3.根据权利要求1所述的基于加权马尔可夫链干旱预测的智慧农田灌溉调控系统，其特征在于：所述应急响应模块根据干旱预测模块预测的干旱指数进行不同等级的应急响应，所述用水调控模块根据应急响应等级调控水肥供料模块对综合灌溉模块的供料量。
4.根据权利要求1所述的基于加权马尔可夫链干旱预测的智慧农田灌溉调控系统，其特征在于：所述水肥供料模块包括用于供给灌溉用水的灌溉供水单元和用于供给肥液的灌溉供肥单元，所述灌溉供水单元和灌溉供肥单元通过混合搅拌装置与综合灌溉模块连接，所述混合搅拌装置将灌溉用水和肥液进行混合后输送至综合灌溉模块，所述中央处理器根据图像采集单元采集的农作物图像分析农作物生长状况，并在此基础上调节灌溉供水单元和灌溉供肥单元的水肥供料配比。
5.根据权利要求1所述的基于加权马尔可夫链干旱预测的智慧农田灌溉调控系统，其特征在于：所述综合灌溉模块结合数据存储模块内不同农作物的枯萎系数指标以及水分检测单元检测的农田土壤水分，并自动调配选择滴灌单元或喷灌单元对农田农作物进行灌溉，所述滴灌单元为压力补偿滴头，所述喷灌单元为埋地旋转喷头。
6.根据权利要求5所述的基于加权马尔可夫链干旱预测的智慧农田灌溉调控系统，其特征在于：自动调配选择时，若农田土壤水分高于预设阀值则选用滴灌单元对农田的农作物进行滴灌，若农田土壤水分低于预设阀值则选用喷灌单元对农田的农作物进行喷灌。
7.根据权利要求1所述的基于加权马尔可夫链干旱预测的智慧农田灌溉调控系统，其特征在于：还包括系统供电模块，所述系统供电模块包括蓄电池和太阳能光伏板，所述蓄电池上设有市电接口和太阳能光伏板接口，所述太阳能光伏板通过吸收太阳能为蓄电池充电。
8.根据权利要求7所述的基于加权马尔可夫链干旱预测的智慧农田灌溉调控系统，其特征在于：所述安全监控模块包括实时监控农田的高清摄像头、实时监测系统电路电压的电压传感器和计量组件，所述高清摄像头安装于农田不同位置，所述显示单元包括液晶触控屏和与高清摄像头无线连接的监控显示屏，所述计量组件包括用水计量单元和用电计量单元，所述用水计量单元为单脉冲信号输出的涡轮流量计并与水肥供料模块连接，所述用电计量单元为RS485输出智能电表并与系统供电模块连接，标准电力645规约。
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CN117502199A (zh) * 2024-01-04 2024-02-06 呼伦贝尔林业集团有限公司 一种草原生态恢复用灌溉系统
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