CN116746467A - 一种基于土壤湿度的智能灌溉系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于土壤湿度的智能灌溉系统及方法，涉及灌溉系统技术领域，系统包括控制单元、水泵单元、灌溉单元以及至少一组传感器单元，控制单元与传感器单元信号和水泵单元连接，水泵单元通过灌溉管道与灌溉单元连接；传感器单元包括至少三个湿度传感器，分别设置在对应植被的近地端、根系处和远地端；基于传感器单元，设定灌溉阈值和权重值组，利用滑动加权进行灌溉控制。结合实时采样土壤湿度进行灌溉控制，实现了基于土壤湿度的灌溉控制实时反馈调节，极大的利用的灌溉资源，给植被提供了针对性的土壤湿度生长环境。
Description
技术领域
本发明涉及灌溉系统技术领域，特别涉及一种基于土壤湿度的智能灌溉系统及方法。
背景技术
土壤湿度是指土壤中水分含量的测量，它对于农业、环境保护和资源管理等领域都具有关键的意义，其作为农作物生长发育的重要指标之一，过高或过低的土壤湿度都会对植物的健康和产量产生负面影响；过湿或过干的土壤还会容易引发土壤侵蚀和土地退化问题，湿度过高时，土壤容易流失和结块，导致水土流失和土壤质量下降，湿度过低时，土壤会干裂、变硬，减少土壤肥力，湿度适宜的土壤有利于植被生长和生态系统的平衡，有助于保护生物多样性、减少土壤污染和改善空气质量。
综上，随着全球气候变化和人类活动的不断发展，土壤湿度检测变得越来越重要。通过定期监测土壤湿度，能够更好的了解突然环境，可以及时调整灌溉量，确保作物获得适当的水分，提高农作物的生产效率和质量，同时也能够保护土壤资源，实现对水资源的合理利用，提高水资源的利用率，避免浪费水资源。
现有的环境监测系统或装置，结构繁杂，体积较大，且其功能执行单一，大多是通过提前设定好灌溉周期进行灌溉，灌溉周期的设定一般是通过间隔时间或灌溉水量及灌溉次数进行设置；这种灌溉系统和灌溉方式缺少对土壤湿度的采样，忽略了植被的需要以及其当下的土壤湿度环境，不能够根据对应植被的需要以及土壤环境的情况进行针对性的灌溉，浪费了水资源，同时不能更好的提供植被需要的土壤环境。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于土壤湿度的智能灌溉系统及方法，通过实时采样土壤湿度，根据土壤湿度，利用加权滑动平均算法进行灌溉控制，基于土壤湿度采样进行灌溉的方式，可根据具备植被设置灌溉水量和次数等阈值，结合土壤湿度进行灌溉控制，实现了基于土壤湿度的实时反馈调节，极大的利用的灌溉资源，给植被提供了针对性的土壤湿度生长环境。
本发明提供了一种基于土壤湿度的智能灌溉系统，具体技术方案如下：
系统包括控制单元、水泵单元、灌溉单元以及至少一组传感器单元，所述控制单元与所述传感器单元信号和水泵单元连接，所述水泵单元通过灌溉管道与所述灌溉单元连接；
所述传感器单元包括至少三个湿度传感器，分别设置在对应植被的近地端、根系处和远地端。
进一步的，所述湿度传感器在对应植被的土壤下竖直排列，且间距相等。
进一步的，系统还包括指示灯，所述指示灯与所述控制单元信号连接，所述指示灯采用发光二极管。
进一步的，所述指示灯与所述灌溉单元一一对应设置。
本发明还公开了一种基于土壤湿度的智能灌溉方法，基于上述所述的智能灌溉系统，方法包括：
S1：设定灌溉阈值、权重值组和灌溉单元的状态，并初始化；
所述权重值组包括若干权重值，对应传感器单元中各湿度传感器；
所述灌溉阈值包括第一阈值、第三阈值共两级阈值，所述第三阈值大于所述第一阈值；
S2：启动灌溉系统，实时获取当前植被对应的各处湿度传感器采集的湿度数据；
S3：基于初始权重值组的权重值，根据采集的湿度数据进行加权计算，并将加权结果与第一阈值比较，若大于，则保持灌溉单元的初始状态，并基于当前权重值组，进行实时数据采集加权计算和比较，反之，则执行下一步骤；
S4：对当前的权重值进行二级滑动更新，实时采集湿度数据，基于当前滑动更新后的权重值组，进行加权计算，并将加权结果与第三阈值进行比较，若小于，则保持当前灌溉单元的状态，基于当前权重值组，进行实时数据采集加权计算和比较，反之，则通过水泵单元，驱动灌溉单元进行灌溉，并执行S5；
S5：驱动灌溉单元进行灌溉时，基于当前权重值组，进行实时数据采集加权计算和比较，当比较结果为小于时，则将权重值组更新为初始时的权重值组，并返回执行S1。
进一步的，所述二级滑动更新，为将当前权重值组中的各权重值，基于设定的初始权重值，按照对应近地端湿度传感器的权重值、对应根系处湿度传感器的权重值以及对应远地端湿度传感器的权重值进行由大至小的设置更新。
进一步的，所述灌溉阈值还包括第二阈值，所述第二阈值小于第三阈值，大于第一阈值。
进一步的，在步骤S4之前，还包括：
S40：对当前的权重值进行一级滑动更新，实时采集湿度数据，基于当前滑动更新后的权重值组，进行加权计算，并将加权结果与第二阈值进行比较，若大于，则保持灌溉单元的当前状态，并基于当前权重值组进行实时数据采集加权计算和比较，反之，则执行下一步骤。
进一步的，所述一级滑动更新，为将当前权重值组中的各权重值，基于设定的初始权重值，按照对应远地端湿度传感器的权重值、对应近地端湿度传感器的权重值以及对应根系处湿度传感器的权重值进行由大至小的设置更新。
进一步的，所述权重值组中的各权重值不同，初始的权重值组中，且对应根系处湿度传感器的权重值大于对应近地端湿度传感器的权重值，对应近地端湿度传感器的权重值大于对应远地端湿度传感器的权重值。
本发明的有益效果如下：
本发明系统结构简单，同时基于单片机作为控制单元，体积小，便于扩展灌溉单元和传感器单元，控制方法采用滑动加权实现循环的反馈调节控制灌溉，灌溉的控制结合了对土壤湿度的高精度监测，实现了灌水量和频率的灵活控制；通过指示灯和单片机，可以使相关人员实时获取土壤湿度数据并进行准确的分析和记录，以便能够更好地了解土壤湿度的动态变化；不同类型的土壤和作物对湿度的要求可能不同，通过单片机可以根据需要选择合适的传感器和接口来满足具体的土壤湿度检测需求，通过配置不同的传感器和参数来适应不同的应用场景，实现不同植被在临近的环境下一起种植，同时保证对不同植被进行针对性灌溉，极大的提高了水资源的利用率，更好的提供了植被生长需求；通过一级和二级滑动加权进行灌溉控制，避免了在极端环境下，当根系处含湿量不够，但地下有水的情况出现冗余灌溉，使得灌溉更加适配环境，更加精确，有利于植被生长。
附图说明
图1是系统结构原理示意图。
图2是实施例1的方法控制逻辑示意图。
图3是实施例2的方法控制逻辑示意图。
附图标记说明：1-控制单元，2-指示灯，3-水泵单元，4-灌溉单元，5-湿度传感器，6-植被。
具体实施方式
在下面的描述中对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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做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。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。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1
本发明的实施例1公开了一种基于土壤湿度的智能灌溉系统，如图1所示，具体如下：
系统包括控制单元1、水泵单元3、灌溉单元4以及至少一组传感器单元，所述控制单元1与所述传感器单元信号和水泵单元3连接，所述水泵单元3通过灌溉管道与所述灌溉单元4连接；
所述传感器单元包括至少三个湿度传感器5，分别设置在对应植被6的近地端、根系处和远地端，所述湿度传感器5采用霍尔传感器；
具体的，所述控制单元1采用arduino单片机作为处理单元，所述水泵单元3包括水泵和驱动，所述灌溉单元4包括电控阀门、管道和喷洒/滴灌装置。
水泵单元3可对接多个灌溉单元4，每个灌溉单元4对应一个需灌溉的植被6，所述控制单元1可通过输入输出端口连接多个传感器单元，控制单元1采用arduino单片机便于系统的扩展，同时保证系统的体积较小，系统控制结构简单。
本实施例中，所述湿度传感器5在对应植被6的土壤下竖直排列，且间距相等。
本实施例中，系统还包括指示灯2，所述指示灯2与所述控制单元1信号连接，所述指示灯2采用发光二极管，所述指示灯2与所述灌溉单元4一一对应设置，通过指示灯2提示灌溉单元4的状态。
具体的，本实施例中，基于单片机可通过设置显示输出单元将实时的土壤监测数据以及灌溉控制情况输出显示；同时基于单片机还可通过通信模块与其他系统和设备进行通信，实现数据的传输和远程控制；基于单片机设置显示输出单元和通信单元，为常规技术手段，可根据具体情况进行扩展设计，在此不做具体限定。
实施例2
本发明的实施例2基于上述实施例1公开了一种基于土壤湿度的智能灌溉方法，如图2所示，具体流程如下：
S1：设定灌溉阈值、权重值组和灌溉单元4的状态，并初始化；
所述权重值组包括若干权重值，对应传感器单元中各湿度传感器5；
本实施例中，一个传感器单元中包括三个湿度传感器5，分别设置在植被6的近地端、根系处以及远地端，则一个传感器单元对应的权重值组中包括三个权重值；
所述灌溉阈值包括第一阈值、第三阈值共两级阈值，所述第三阈值大于所述第一阈值；
本实施例中，所述第一阈值设定为400，所述第三阈值设定为600。
S2：启动灌溉系统，实时获取当前植被6对应的各处湿度传感器5采集的湿度数据；
S3：基于初始权重值组的权重值，根据采集的湿度数据进行加权计算，并将加权结果与第一阈值比较；
本实施例中，所述权重值组中的各权重值不同，初始的权重值组中，且对应根系处湿度传感器5的权重值大于对应近地端湿度传感器5的权重值，对应近地端湿度传感器5的权重值大于对应远地端湿度传感器5的权重值；
具体的，初始的权重值组中，对应根系处湿度传感器5的权重值设为0.3，对应近地端湿度传感器5的权重值设为0.5，对应远地端湿度传感器5的权重值设为0.2；
比较结果若为大于400，则保持灌溉单元4的初始状态，并基于当前权重值组，进行实时数据采集加权计算和比较，只要比较结果为大于，则持续保持当前灌溉单元4的状态不变；
反之若小于或等于400，则执行下一步骤，即步骤S4；
S4：对当前的权重值进行二级滑动更新，所述二级滑动更新，为将当前权重值组中的各权重值，基于设定的初始权重值，按照对应近地端湿度传感器5的权重值、对应根系处湿度传感器5的权重值以及对应远地端湿度传感器5的权重值进行由大至小的设置更新；即对应根系处湿度传感器5的权重值改为0.5，对应近地端湿度传感器5的权重值改为0.3，对应远地端湿度传感器5的权重值改为0.2；
实时采集湿度数据，基于当前滑动更新后的权重值组，进行加权计算，并将加权结果与第三阈值进行比较；
这时当前滑动更新后的权重值组，为进行二级滑动更新后的权重值组；
比较结果若为小于600，则保持当前灌溉单元4的状态，基于当前权重值组，进行实时数据采集加权计算和比较，只要比较结果为大于，则持续保持当前灌溉单元4的状态不变；
反之若大于等于600，则通过水泵单元3，驱动灌溉单元4进行灌溉，并执行S5；
S5：驱动灌溉单元4进行灌溉时，基于当前权重值组，进行实时数据采集加权计算和比较，当出现比较结果为小于时，即由比较结果为大于600的状态转变为小于等于600的状态，则将权重值组更新为初始时的权重值组，即对应根系处湿度传感器5的权重值为0.5，对应近地端湿度传感器5的权重值为0.3，对应远地端湿度传感器5的权重值为0.2；
并返回执行S1。
本实施例中，所述灌溉阈值与传感器单元一一关联，根据不同植被6进行对应设置，即对于不同植被6之间对应设置的各级阈值可不同。
本实施例中，所述权重值组的各权重值组成与传感器单元一一关联，根据不同植被6进行对应设置，即权重值组中的权重值与传感器单元中的各湿度传感器5一一对应设置，且不同传感器单元对应的不同权重值组中的初始权重值设置可不同，但同一权重值组中，初始化时，对应根系处湿度传感器5的权重值大于对应近地端湿度传感器5的权重值，对应近地端湿度传感器5的权重值大于对应远地端湿度传感器5的权重值。
实施例3
本发明的实施例3基于上述实施例1公开了一种基于土壤湿度的智能灌溉方法，如图3所示，具体流程如下：
S1：设定灌溉阈值、权重值组和灌溉单元4的状态，并初始化；
所述权重值组包括若干权重值，对应传感器单元中各湿度传感器5；
本实施例中，一个传感器单元中包括三个湿度传感器5，分别设置在植被6的近地端、根系处以及远地端，则一个传感器单元对应的权重值组中包括三个权重值；
所述灌溉阈值包括第一阈值、第二阈值、第三阈值共三级阈值，所述第三阈值大于所述第二阈值，所述第二阈值大于所述第一阈值；
本实施例中，所述第一阈值设定为400，所述第二阈值设定为450，所述第三阈值设定为600。
S2：启动灌溉系统，实时获取当前植被6对应的各处湿度传感器5采集的湿度数据；
S3：基于初始权重值组的权重值，根据采集的湿度数据进行加权计算，并将加权结果与第一阈值比较；
本实施例中，所述权重值组中的各权重值不同，初始的权重值组中，且对应根系处湿度传感器5的权重值大于对应近地端湿度传感器5的权重值，对应近地端湿度传感器5的权重值大于对应远地端湿度传感器5的权重值；
具体的，初始的权重值组中，对应根系处湿度传感器5的权重值设为0.3，对应近地端湿度传感器5的权重值设为0.5，对应远地端湿度传感器5的权重值设为0.2；
比较结果若为大于400，则保持灌溉单元4的初始状态，并基于当前权重值组，进行实时数据采集加权计算和比较，只要比较结果为大于，则持续保持当前灌溉单元4的状态不变；
反之若小于或等于400，则执行下一步骤，即步骤S40；
S40：对当前的权重值进行一级滑动更新，所述一级滑动更新，将当前权重值组中的各权重值，基于设定的初始权重值，按照对应远地端湿度传感器5的权重值、对应近地端湿度传感器5的权重值以及对应根系处湿度传感器5的权重值进行由大至小的设置更新；即对应根系处湿度传感器5的权重值改为0.2，对应近地端湿度传感器5的权重值改为0.3，对应远地端湿度传感器5的权重值不变依旧为0.5；
实时采集湿度数据，基于当前滑动更新后的权重值组，进行加权计算，并将加权结果与第二阈值进行比较，若大于，则保持灌溉单元4的当前状态，并基于当前经过一级滑动更新的权重值组，进行实时数据采集加权计算和比较，反之，则执行下一步骤，即步骤S4；
S4：对当前的权重值进行二级滑动更新，将权重值组中各权重值调整为对应根系处湿度传感器5的权重值改为0.5，对应近地端湿度传感器5的权重值改为0.3，对应远地端湿度传感器5的权重值改为0.2；
实时采集湿度数据，基于当前滑动更新后的权重值组，进行加权计算，并将加权结果与第三阈值进行比较；
这时当前滑动更新后的权重值组，为进行一级滑动更新后的权重值组；
比较结果若为小于600，则保持当前灌溉单元4的状态，基于当前权重值组，进行实时数据采集加权计算和比较，只要比较结果为大于，则持续保持当前灌溉单元4的状态不变；
反之若大于等于600，则通过水泵单元3，驱动灌溉单元4进行灌溉，并执行S5；
本实施例中，通过步骤S40和步骤S4，为了避免极端环境下，虽然根系处含湿量不够，但地下有水无需灌溉的情况下，避免冗余灌溉，使得灌溉更加适配环境，更加精确，有利于植被6生长。
S5：驱动灌溉单元4进行灌溉时，基于当前权重值组，进行实时数据采集加权计算和比较，当出现比较结果为小于时，即由比较结果为大于600的状态转变为小于等于600的状态，则将权重值组更新为初始时的权重值组，即对应根系处湿度传感器5的权重值为0.5，对应近地端湿度传感器5的权重值为0.3，对应远地端湿度传感器5的权重值为0.2；
并返回执行S1。
本实施例中，所述灌溉阈值与传感器单元一一关联，根据不同植被6进行对应设置，即对于不同植被6之间对应设置的各级阈值可不同。
本实施例中，所述权重值组的各权重值组成与传感器单元一一关联，根据不同植被6进行对应设置，即权重值组中的权重值与传感器单元中的各湿度传感器5一一对应设置，且不同传感器单元对应的不同权重值组中的初始权重值设置可不同，但同一权重值组中，初始化时，对应根系处湿度传感器5的权重值大于对应近地端湿度传感器5的权重值，对应近地端湿度传感器5的权重值大于对应远地端湿度传感器5的权重值。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种基于土壤湿度的智能灌溉系统，其特征在于，系统包括控制单元、水泵单元、灌溉单元以及至少一组传感器单元，所述控制单元与所述传感器单元信号和水泵单元连接，所述水泵单元通过灌溉管道与所述灌溉单元连接；
所述传感器单元包括至少三个湿度传感器，分别设置在对应植被的近地端、根系处和远地端。
2.根据权利要求1所述的基于土壤湿度的智能灌溉系统，其特征在于，所述湿度传感器在对应植被的土壤下竖直排列，且间距相等。
3.根据权利要求1所述的基于土壤湿度的智能灌溉系统，其特征在于，系统还包括指示灯，所述指示灯与所述控制单元信号连接，所述指示灯采用发光二极管。
4.根据权利要求1所述的基于土壤湿度的智能灌溉系统，其特征在于，所述指示灯与所述灌溉单元一一对应设置。
5.一种基于土壤湿度的智能灌溉方法，其特征在于，所述基于土壤湿度的智能灌溉方法基于权利要求1-4任一所述的智能灌溉系统，方法包括：
S1：设定灌溉阈值、权重值组和灌溉单元的状态，并初始化；
所述权重值组包括若干权重值，对应传感器单元中各湿度传感器；
所述灌溉阈值包括第一阈值、第三阈值共两级阈值，所述第三阈值大于所述第一阈值；
S2：启动灌溉系统，实时获取当前植被对应的各处湿度传感器采集的湿度数据；
S3：基于初始权重值组的权重值，根据采集的湿度数据进行加权计算，并将加权结果与第一阈值比较，若大于，则保持灌溉单元的初始状态，并基于当前权重值组，进行实时数据采集加权计算和比较，反之，则执行下一步骤；
S4：对当前的权重值进行二级滑动更新，实时采集湿度数据，基于当前滑动更新后的权重值组，进行加权计算，并将加权结果与第三阈值进行比较，若小于，则保持当前灌溉单元的状态，基于当前权重值组，进行实时数据采集加权计算和比较，反之，则通过水泵单元，驱动灌溉单元进行灌溉，并执行S5；
S5：驱动灌溉单元进行灌溉时，基于当前权重值组，进行实时数据采集加权计算和比较，当比较结果为小于时，则将权重值组更新为初始时的权重值组，并返回执行S1。
6.根据权利要求5所述的基于土壤湿度的智能灌溉方法，其特征在于，所述二级滑动更新，为将当前权重值组中的各权重值，基于设定的初始权重值，按照对应近地端湿度传感器的权重值、对应根系处湿度传感器的权重值以及对应远地端湿度传感器的权重值进行由大至小的设置更新。
7.根据权利要求6所述的基于土壤湿度的智能灌溉方法，其特征在于，所述灌溉阈值还包括第二阈值，所述第二阈值小于第三阈值，大于第一阈值。
8.根据权利要求7所述的基于土壤湿度的智能灌溉方法，其特征在于，在步骤S4之前，还包括：
S40：对当前的权重值进行一级滑动更新，实时采集湿度数据，基于当前滑动更新后的权重值组，进行加权计算，并将加权结果与第二阈值进行比较，若大于，则保持灌溉单元的当前状态，并基于当前权重值组进行实时数据采集加权计算和比较，反之，则执行下一步骤。
9.根据权利要求8所述的基于土壤湿度的智能灌溉方法，其特征在于，所述一级滑动更新，为将当前权重值组中的各权重值，基于设定的初始权重值，按照对应远地端湿度传感器的权重值、对应近地端湿度传感器的权重值以及对应根系处湿度传感器的权重值进行由大至小的设置更新。
10.根据权利要求5所述的基于土壤湿度的智能灌溉方法，其特征在于，所述权重值组中的各权重值不同，初始的权重值组中，且对应根系处湿度传感器的权重值大于对应近地端湿度传感器的权重值，对应近地端湿度传感器的权重值大于对应远地端湿度传感器的权重值。
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Citations (7)
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2023
- 2023-06-30 CN CN202310793133.8A patent/CN116746467B/zh active Active
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