CN208286077U - 一种基于模糊规则的智慧农业灌溉系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于模糊规则的智慧农业灌溉系统，包括农田灌溉终端RTU主控模块，农田灌溉终端RTU主控模块通过STM32引脚分别连接有电源模块、Zigbee模块和触摸屏，农田灌溉终端RTU主控模块通过GPRS无线通信连接有机井控制器，机井控制器通过RS485通信分别连接有机井灌溉装置、压力传感器、地下水位传感器、机井管道流量传感器，机井控制器通过高低电平控制继电器。该系统基于模糊规则建立通用的灌溉模型，随着地域的差异，具有不断更新优化模型的功能，提高了灌溉的精确度。
Description
技术领域
本实用新型属于农业灌溉设备技术领域，涉及一种基于模糊规则的智慧农业灌溉系统。
背景技术
农业一直在人类社会中扮演着重要的角色，灌溉则是许多地区作物生产的重要组成部分，我国的农业均比较依赖降雨和气候条件，近年来，智慧农业灌溉引起了国家的高度重视，我国农业部和国务院先后发文强调其重要性，在国家大形势下，智慧农业灌溉的市场需求也越来越大。
目前，市面上的智能灌溉应用领域主要分为三类：运动场灌溉、园林灌溉和农业灌溉。农业灌溉的主要产品为补阈值灌溉和预测性灌溉。补阈值灌溉是根据土壤的干旱程度和预设值进行灌溉。例如：被监测区域当前的干旱程度为5，而预设值是2，则需要调动电磁阀将差值进行弥补；预测性灌溉则需要参考未来降雨情况和蒸腾量进行灌溉，例如：当监测干旱程度高于预设值，且未来有降雨时，在不影响作物生长情况下，可延缓灌溉，从而节约水资源，也可根据蒸腾量把握作物的缺水趋势，及时进行灌溉。但是，补阈值灌溉采集的数据单一、功能简单、灌溉的准确性、有时滞差等问题；而预测性灌溉需要严格控制植物的干旱程度，防止降雨过晚影响植物正常生长。因此，设计和实施一个智慧农业灌溉装置尤为重要。
实用新型内容
本实用新型的目的提供一种基于模糊规则的智慧农业灌溉系统，解决了现有农业灌溉系统采集数据单一且功能简单的问题。
本实用新型所采用的技术方案是，一种基于模糊规则的智慧农业灌溉系统，包括农田灌溉终端RTU主控模块，农田灌溉终端RTU主控模块通过STM32引脚分别连接有电源模块、Zigbee模块和触摸屏，农田灌溉终端RTU主控模块通过GPRS无线通信连接有机井控制器，机井控制器通过RS485通信分别连接有机井灌溉装置、压力传感器、地下水位传感器、流量传感器，机井控制器通过高低电平控制继电器。
本实用新型的特点还在于，
还包括报警模块和视频监控模块，报警模块包括蜂鸣器和多色灯，农田灌溉终端RTU主控模块通过STM32引脚分别与蜂鸣器和多色灯连接，视频监控模块包括安装在田间的彩色摄像头、远程喊话喇叭和人体红外传感器，彩色摄像头、远程喊话喇叭和人体红外传感器通过GPRS无线通信分别与农田灌溉终端RTU主控模块连接。
农田灌溉终端RTU主控模块通过GPRS无线通信还连接有GPRS无线传输模块，GPRS无线传输模块通过RS485通信分别连接有土壤墒情传感器、气压传感器、风速传感器和温湿度传感器，GPRS无线传输模块通过I2C通信连接有光照传感器，土壤墒情传感器、气压传感器、风速传感器、温湿度传感器和光照传感器在田间分区域安装。
GPRS无线传输模块的型号为Z7-875GC。
机井灌溉装置中的管道上还分别安装有多个反冲洗过滤器、电磁阀、施肥器，每个施肥器上也安装有电磁阀。
电源模块为12V直流电源。
Zigbee模块为ZM516X型低功耗模块。
压力传感器的型号为MPM4700，流量传感器的型号为LXSY-5，地下水位传感器的型号为TH-IRG2000。
本实用新型的有益效果是，基于模糊规则建立通用的灌溉模型，随着地域的差异，具有不断更新优化模型的功能，提高了灌溉的精确度；且该系统结构简单，易于操作，功能强，易于维护，制造成本低，应用范围广泛。
附图说明
图1是本实用新型一种基于模糊规则的智慧农业灌溉系统的结构示意图。
图中，1.农田灌溉终端RTU主控模块，2.电源模块，3.报警模块，4.Zigbee模块，5.触摸屏，6.视频监控模块，7.GPRS无线传输模块，8.土壤墒情传感器，9.气压传感器，10.风速传感器，11.温湿度传感器，12.光照传感器，13.继电器，14.压力传感器，15.机井控制器，16.流量传感器，17.地下水位传感器，18.机井灌溉装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
本实用新型一种基于模糊规则的智慧农业灌溉系统，如图1所示，包括农田灌溉终端RTU主控模块1，农田灌溉终端RTU主控模块1通过STM32引脚分别连接有电源模块2、Zigbee模块4和触摸屏5，还包括报警模块3和视频监控模块6，报警模块3包括蜂鸣器和多色灯，农田灌溉终端RTU主控模块1通过STM32引脚分别与蜂鸣器和多色灯连接，视频监控模块6包括安装在田间的彩色摄像头、远程喊话喇叭和人体红外传感器，彩色摄像头、远程喊话喇叭和人体红外传感器通过GPRS无线通信分别与农田灌溉终端RTU主控模块1连接；农田灌溉终端RTU主控模块1通过GPRS无线通信还连接有GPRS无线传输模块7，GPRS无线传输模块7通过RS485通信分别连接有土壤墒情传感器8、气压传感器9、风速传感器10和温湿度传感器11，GPRS无线传输模块7通过I2C通信连接有光照传感器12，土壤墒情传感器8、气压传感器9、风速传感器10、温湿度传感器11和光照传感器12在田间分区域安装，农田灌溉终端RTU主控模块1通过GPRS无线通信连接有机井控制器15，机井控制器15通过RS485通信分别连接有机井灌溉装置18、压力传感器14、地下水位传感器17、流量传感器16，机井控制器15通过高低电平控制继电器13，机井灌溉装置18中的管道上还分别安装有多个反冲洗过滤器、电磁阀、施肥器。
施肥器上也安装有电磁阀。
每个电磁阀的间距为1.5m～2.0m。
每个反冲洗过滤器的间距为30m～50m。
每个施肥器的间距为30m～50m。
电源模块2为12V直流电源。
Zigbee模块4为中心站无线通信模块，Zigbee模块4为ZM516X型低功耗模块。
触摸屏5用于参数设置，触摸屏5的型号为MT5000。
GPRS无线传输模块7的型号为Z7-875GC。
蜂鸣器的型号为HNB09A03，多色灯的型号为SMD5050。
彩色摄像头的型号为IK-108，远程喊话喇叭的型号为BL-513，人体红外传感器的型号为HTS-SF6。
压力传感器14的型号为MPM4700，流量传感器16的型号为LXSY-5，地下水位传感器17的型号为TH-IRG2000。
农田灌溉终端RTU主控模块1采用模糊控制算法控制浇灌，具体为：输入变量包括：土壤类型、作物根系类型、作物生长时期、土壤湿度、环境温度、田间风速、大气压强和光照强度，输出变量为灌溉水量，通过传感器和手动输入获取输入变量值并根据模糊控制规则进行模糊推理，得出适宜的灌溉用水量作为输出量，实现模糊控制灌溉；
其中，土壤类型为a、作物类型为b、作物生长时期为c、土壤湿度为d、环境温度为e、田间风速为f、大气压强为g、光照强度为h和灌溉水量为i，其模糊集分别为：a∈{砂土，砂壤，壤土，粘壤，粘土}；b∈{浅，中浅，中深，深，很深}；c∈{萌芽期，茎叶期，花期，果期，成熟期}；d∈{干，较干，正常，较湿，饱和}；e∈{很冷，冷，正常，热，很热}；f∈{很小，小，正常，大，很大}；g∈{很低，低，正常，高，很高}；h∈{很弱，弱，正常，强，很强}；i∈{无，少，正常，多，很多}；模糊条件if A and B and C and D and E and F and G and H then I来表达，其中A、B、C、D、E、F、G、H、I分别为a、b、c、d、e、f、g、h和i的模糊子集；
具体规则(共390625条)如下：
规则1、if砂土and浅and萌芽期and饱和and很冷and很小and很低and很弱then无；
规则2、if砂土and中浅and萌芽期and饱和and很冷and很小and很低and很弱then无；
规则3、if砂土and浅and茎叶期and饱和and很冷and很小and很低and很弱then无；
······
规则390625、if粘土and很深and成熟期and干and很热and很大and很高and很强then正常；
当d∈{饱和}时，输出i∈{无}，灌溉量为0m3/亩；
当d∈{较干}时，输出i∈{少}，灌溉量为1m3-10m3/亩；
当d∈{正常}时，输出i∈{正常}，灌溉量为10m3-20m3/亩；
当d∈{较湿}时，输出i∈{多}，灌溉量为20m3-35m3/亩；
当d∈{干}时，输出i∈{很多}，灌溉量为35m3-50m3/亩；
其中，一些成熟作物的有效生根深度和模糊隶属度函数，如表1所示，参考成熟作物的有效根系深度，合理的灌溉和施肥更利于作物吸收。
表1一些成熟作物的有效生根深度和模糊隶属度函数
由于各类土壤最大持水量不同，如表2所示，当土壤质地较细时，其储水两较多，因而根据壤质进行灌溉，防止过量灌溉造成的浪费或灌溉不足影响作物生长。
表2各类土壤最大持水量和模糊隶属度函数
土壤墒情传感器8测得的土壤含水量和模糊隶属度函数，如表3所示，将土壤含水量分为五种情况，根据其进行灌溉，防止过量灌溉造成的浪费或灌溉不足影响作物生长；
表3土壤含水量和模糊隶属度函数
温湿度传感器11测得的环境温度和模糊隶属度函数，如表4所示，将环境温度分为五种情况，根据其进行灌溉，防止过量灌溉造成的浪费或灌溉不足影响作物生长；
表4环境温度和模糊隶属度函数
风速传感器10测得的田间风速和模糊隶属度函数，如表5所示，将田间风速分为五种情况，根据其进行灌溉，防止过量灌溉造成的浪费或灌溉不足影响作物生长；
表5田间风速和模糊隶属度函数
气压传感器9测得的大气压强和模糊隶属度函数，如表6所示，将田间风速分为五种情况，根据测得的大气压强及其所属的模糊隶属度函数其进行灌溉；
表6大气压强和模糊隶属度函数
光照传感器12用于测量田间的环境光强，其所属模糊隶属度函数，如表7所示；
表7光照强度和模糊隶属度函数
作物生长时期可以肉眼清晰分辨，无需隶属度函数，由种植者通过触屏模块5手动输入即可。
本实用新型一种基于模糊规则的智慧农业灌溉系统，具体工作原理是：
通过土壤墒情传感器8、气压传感器9、风速传感器10、温湿度传感器11和光照传感器12采集田间农作物的生长环境数据，经GPRS无线传输模块7传送到农田灌溉终端RTU主控模块1，用户根据采集的数据，通过手机APP或者电脑上位机发布灌溉命令，经Zigbee模块4传送到农田灌溉终端RTU主控模块1中，农田灌溉终端RTU主控模块1控制机井控制器15，机井控制器15根据命令要求控制机井灌溉装置18对田间作物进行灌溉、施肥或者同时进行灌溉施肥，另外，还可通过触摸屏5设置农田区域内的土质信息、作物种类和作物生长时期，当监测到农田区域内土壤墒情传感器8监测到湿度低于预设值时，用户发布命令经Zigbee模块4到农田灌溉终端RTU主控模块1中，机井控制器15控制机井灌溉装置18对该区域内的作物进行灌溉。
压力传感器14用于监测管道压力，当检测到管道压力不足时，农田灌溉终端RTU主控模块1控制机井控制器15，机井控制器15通过高低电平控制继电器13，机井灌溉装置18中的水泵给管道增压。
反冲洗过滤器用于冲洗灌溉管道中杂质，防止管道堵塞。
流量传感器16用于测量灌溉过程中所用水量，还可根据作物需求和环境情况进行定量灌溉。
地下水位传感器17用于监测机井的水位，当机井中的水位过低时，报警模块3启动报警，之后可利用机井控制器15通过RS485通信控制机井灌溉装置18中的水泵使其停止灌溉。
当区域内有人或大型牲畜进入禁区时，人体红外传感器检测到红外信号后，并将信号传递给农田灌溉终端RTU主控模块1，之后彩色摄像头开启监控，并通过远程喊话喇叭进行喊话或驱赶；在病虫害多发季节，还可手动打开彩色摄像头进行监控，同时还可利用远程喊话喇叭播放的音频驱赶昆虫。
农田灌溉终端RTU主控模块1利用电流大小来控制蜂鸣器的响声大小，并通过多色灯来实现不同程度的警报。
通过视频监控模块6实时采集监控农田内农作物生长情况和病虫害情况，当召测命令下达时上传图片至中心站，经过图像处理技术分析农作物生长情况以及病虫害情况，当出现病虫害时，可分析出病虫害等级，并启动报警模块3报警。
本实用新型一种基于模糊规则的智慧农业灌溉系统，该系统是基于模糊规则建立通用的灌溉模型，随着地域的差异，具有不断更新优化模型的功能，而在我国幅员辽阔，土壤质地丰富，作物类型多样，为了提高该灌溉系统在不同地区和应对不同作物的高效运行，还应参考成熟作物的有效根系深度、土壤的质地和储水能力、不同作物的水分利用能力以及相同作物不同时期的需水趋势等因素。
Claims (8)
1.一种基于模糊规则的智慧农业灌溉系统，其特征在于，包括农田灌溉终端RTU主控模块(1)，所述农田灌溉终端RTU主控模块(1)通过STM32引脚分别连接有电源模块(2)、Zigbee模块(4)和触摸屏(5)，所述农田灌溉终端RTU主控模块(1)通过GPRS无线通信连接有机井控制器(15)，所述机井控制器(15)通过RS485通信分别连接有机井灌溉装置(18)、压力传感器(14)、地下水位传感器(17)、流量传感器(16)，所述机井控制器(15)通过高低电平控制继电器(13)。
2.根据权利要求1所述的一种基于模糊规则的智慧农业灌溉系统，其特征在于，还包括报警模块(3)和视频监控模块(6)，所述报警模块(3)包括蜂鸣器和多色灯，所述农田灌溉终端RTU主控模块(1)通过STM32引脚分别与所述蜂鸣器和多色灯连接，所述视频监控模块(6)包括安装在田间的彩色摄像头、远程喊话喇叭和人体红外传感器，所述彩色摄像头、远程喊话喇叭和人体红外传感器通过GPRS无线通信分别与所述农田灌溉终端RTU主控模块(1)连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于模糊规则的智慧农业灌溉系统，其特征在于，所述农田灌溉终端RTU主控模块(1)通过GPRS无线通信还连接有GPRS无线传输模块(7)，所述GPRS无线传输模块(7)通过RS485通信分别连接有土壤墒情传感器(8)、气压传感器(9)、风速传感器(10)和温湿度传感器(11)，所述GPRS无线传输模块(7)通过I2C通信连接有光照传感器(12)，所述土壤墒情传感器(8)、气压传感器(9)、风速传感器(10)、温湿度传感器(11)和光照传感器(12)在田间分区域安装。
4.根据权利要求3所述的一种基于模糊规则的智慧农业灌溉系统，其特征在于，所述GPRS无线传输模块(7)的型号为Z7-875GC。
5.根据权利要求1所述的一种模糊规则的智慧农业灌溉系统，其特征在于，所述机井灌溉装置(18)中的管道上还分别安装有多个反冲洗过滤器、电磁阀、施肥器，所述每个施肥器上也安装有电磁阀。
6.根据权利要求1所述的一种基于模糊规则的智慧农业灌溉系统，其特征在于，所述电源模块(2)为12V直流电源。
7.根据权利要求1所述的一种基于模糊规则的智慧农业灌溉系统，其特征在于，所述Zigbee模块(4)为ZM516X型低功耗模块。
8.根据权利要求1所述的一种基于模糊规则的智慧农业灌溉系统，其特征在于，所述压力传感器(14)的型号为MPM4700，所述流量传感器(16)的型号为LXSY-5，所述地下水位传感器(17)的型号为TH-IRG2000。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN110262603A (zh) * | 2019-07-17 | 2019-09-20 | 马明 | 一种智能果园管控系统 |
| CN112753545A (zh) * | 2021-02-02 | 2021-05-07 | 广州大学 | 一种基于模糊控制的防风灌溉器 |
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