一种基于传感器网络的梯田水肥灌溉压力自适应调节系统的制作方法

本发明涉及智能农业设施领域，特别是一种基于传感器网络的梯田水肥灌溉压力自适应调节系统。

背景技术

水、肥是农作物生长不可缺少的因素，水肥一体化技术是将农业灌溉和施肥融为一体的新技术，它把固体的速溶肥料溶于水中，以水带肥进行灌溉，并具有效率高、可精确控制、用量节省、省时节力等优点，已被公认为世界上提高水肥资源利用率的最佳技术。水肥一体化技术的优点如下：(1)节约水资源：传统的农作物灌溉一般采取大水漫灌和畦灌，一方面造成运输过程中水资源大量浪费，另一方面也造成非根系区域内浪费。而水肥一体化技术是将可溶性肥料溶于水中,混合成营养液，再通过滴管系统，将营养液成滴状地浸润作物根系，极大地减少了水分的下渗和蒸发，提高了水资源利用率，通常可节约水资源比例达到30％-40％；(2)提高肥料的利用效率：通常水肥一体化技术会结合管道系统，采取定时定量的施肥方式，实现了集中施肥和平衡施肥，这样既减少而来肥料的流失，也降低了土壤对养分的固定。与传统施肥效果对比，一般可以节肥30％-50％；(3)减少农药用量：釆用水肥一体化技术，可以使营养液直达根系，从而保持了作物非根区域的干燥，这样有助于抑制杂草的生长，从而减少农药用量；(4)提高作物产量与品质：采用水肥一体化技术种植的作物，在少量多次的水肥供应下，结出的果实个头大、饱满，一般可以提高10％-20％的产量。另一方面，由于病虫害的减少，虫姓和畸形果的数量大大减少，使得果实的品质得到明显改善；(5)省时省工：水肥一体化技术一般采用管道系统进行水肥输送，并且随着现代农业的发展，越来越多的配合自动控制技术。这样既节省了开挖输水沟的人员开支，也节省了浇水施肥所需要的大量人力物力。

由于梯田的特殊结构，上层的土壤相对于下层土壤存在高度差，水肥在梯田顶端通过水肥调配设备进行调配后送入灌溉管道，并在管道末端通过微喷管喷入土壤。梯田水肥浇灌有两个问题：第一，由于水压的大小跟水体的垂直深度有关，因此位于梯田最下端的管道中的水压最大，其会直接导致梯田最低层喷出的水肥较多，而最高层喷出的水肥较少，梯田作物整体施肥不均匀，以致作物生长状况一致性差；第二，若输送的水压过大，有可能导致最低层的管道破裂，而若输送水压过小，则会导致最高层梯田无法得到有效灌溉。因此如何自适应调节水肥灌溉管道的灌溉压力就成为主要需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于传感器网络的梯田水肥灌溉压力自适应调节系统，以克服现有技术中存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于传感器网络的梯田水肥灌溉压力自适应调节系统，包括一水肥调配设备以及分别设置于主灌溉管道前部、中部以及后部的无线传感节点；所述无线传感节点包括微控制器、第一无线通讯模块、设置于主灌溉管道内且用于监测管内压力的管内压力传感器以及设置于主灌溉管道外且用于监测管外灌溉区域湿度的管外湿度传感器；所述管外湿度传感器包括分别用于监测对应管外灌溉区域浅层、中层以及深层湿度的浅层湿度传感器、中层湿度传感器以及深层湿度传感器；所述第一无线通讯模块、管内压力传感器、浅层湿度传感器、中层湿度传感器以及深层湿度传感器均与所述微控制器相连；所述第一无线通信模块与设置于所述水肥调配设备处的第二无线通信模块无线匹配；

所述水肥调配设备通过水泵变频器进行输出；所述无线传感节点将所述管内压力传感器采集的管内压力数据与所述浅层湿度传感器、中层湿度传感器以及深层湿度传感器采集的浅层、中层以及深层的湿度数据，上传至所述水肥调配设备；所述水肥调配设备根据所述无线传感节点上传的数据，并基于一波浪式输出控制模型，进行自适应调节，控制水泵变频器进行输出。

在本发明一实施例中，所述第一无线通讯模块以及所述的第二无线通信模块均采用zigbee无线通信系统。

在本发明一实施例中，所述水肥调配设备通过所述波浪式输出控制模型获取进入所述主灌溉管道前部的管道水肥液体输入端压力值p(k)，通过如下步骤实现：

步骤s1：将所述水肥调配设备的作业时间按等间隔分为多个预设时间周期的时间片，并对时间片编号，记当前时间片为序号k；

步骤s2：通过如下方式获取初始时间片0时的管道水肥液体输入端压力值：

其中，pmin为灌溉系统的最小输入端压力值，pmax为灌溉系统的最大输入端压力值；

步骤s3：通过如下方式获取各层湿度传感器采集到的相应湿度的平均值：

其中，n为各层湿度传感器的个数，hd(k)为n个深层湿度传感器采集得到的湿度均值，hm(k)为n个中层湿度传感器采集得到的湿度均值，hs(k)为n个浅层湿度传感器采集得到的湿度均值；

步骤s4：通过如下方式获取各层湿度均值与预设目标湿度值之间误差的加权和的均值he(k)：

其中，hdstd为预设深层系统目标湿度，hmstd为预设中层系统目标湿度，hsstd为预设浅层系统目标湿度，hdstd<hmstd<hsstd；α,β,γ为预设加权调整系数；

步骤s5：通过如下方式获取管道水肥液体输入端压力值p(k)：

δp＝p(k)-p(k-1)＝kp·(he(k)-he(k-1))+ki·he(k)

p(k)＝δp(k)+p(k-1)+δ(k)·a+ε(k)·b

b＝η·he(k),η＞0

其中，δp为以he(k)作为计算参量，时刻k增量式pid的步进值；δ(k)·a和ε(k)·b用于生成波浪式的压力涌动，以加快水肥的喷施；k％2为将时间片的序号k对2作取模运算，以按时间片排列顺序生成0与1的交错序列；在相邻的两个时间片上，p(k)有a+b大小的回差，若a＝b则为等幅振荡的波浪；若a≠b，则为不等福振荡的波浪，通过调节a、b的值构成不同形式的压力波浪形式；η为预设调整系数；波浪的周期由时间片k的持续时间决定，每个时间片越长，则波浪的周期越长。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：一种基于传感器网络的梯田水肥灌溉压力自适应调节系统，实现了对梯田自动化灌溉系统输出水肥压力的自适应调节，并有规律地形成波浪式的压力涌动，促进水肥在终端管道中的喷施，实现了梯田作物整体均匀施肥以及有效灌溉。

附图说明

图1为本发明一实施例中梯田灌溉管道及传感网络布置示意图。

图2为本发明一实施例中不同深度多层次传感器布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明一种基于传感器网络的梯田水肥灌溉压力自适应调节系统，包括一水肥调配设备以及分别设置于主灌溉管道前部、中部以及后部的无线传感节点；无线传感节点包括微控制器、第一无线通讯模块、设置于主灌溉管道内且用于监测管内压力的管内压力传感器以及设置于主灌溉管道外且用于监测管外灌溉区域湿度的管外湿度传感器；管外湿度传感器包括分别用于监测对应管外灌溉区域浅层、中层以及深层湿度的浅层湿度传感器、中层湿度传感器以及深层湿度传感器；第一无线通讯模块、管内压力传感器、浅层湿度传感器、中层湿度传感器以及深层湿度传感器均与微控制器相连；第一无线通信模块与设置于水肥调配设备处的第二无线通信模块无线匹配，第一无线通讯模块以及的第二无线通信模块均采用zigbee无线通信系统。；水肥调配设备通过水泵变频器进行输出；无线传感节点将管内压力传感器采集的管内压力数据与浅层湿度传感器、中层湿度传感器以及深层湿度传感器采集的浅层、中层以及深层的湿度数据，上传至水肥调配设备；水肥调配设备根据无线传感节点上传的数据，并基于一波浪式输出控制模型，进行自适应调节，控制水泵变频器进行输出。

进一步的，在本实施例中，前部、中部、后部通常可根据梯田的阶梯数的百分比例来进行划分，该比例可由工程师根据现场情况制定。需要注意的是，划分时前部为灌溉管道的初始端，位于梯田顶层；后部为灌溉管道的末端，位于梯田底层。前部划分至少应包含最顶层的梯田块，而后部划分至少应包含最底层的梯田块。例如某梯田共有10个阶梯种植面，前部可占20％，即最高的2个阶梯；后部可占20％，即最低的2个阶梯，其余中间层的6个阶梯则为中部。

进一步的，在本实施例中，通过在水肥灌溉管道的前、中、后部布置压力传感器，并在灌溉区域的前、中、后部埋藏不同深度的湿度传感器来获得自动化水肥浇灌的压力和浇灌效果，并通过水泵变频器生成波浪式的压力供给以获得更好的灌溉效果。如图1所示，在水肥调配设备将水肥送入主灌溉管道的初始端、管道的中部结点、主灌溉管道的末端都布置有如图2所示管内压力无线传感节点及多层次土壤湿度传感器。每个无线传感器节点上由微控制器(mcu)芯片、无线通讯模块、管内压力传感器、多个管外湿度传感器(垂直布置于土壤中多层次)构成嵌入式系统，负责采集管内压力传感器和管外多层深度湿度传感器的值，并将这些值汇总后通过无线通讯模块传到位于梯田顶部的水肥调配设备上。数据传输时，各处无线传感节点利用各自的无线通讯模块，通过zigbee协议构成无线传感器网络，将数据汇总送入位于梯田顶部的水肥调配设备。位于梯田顶部的水肥调配设备也配备有用于接收信号的无线通讯模块，用于接收梯田主灌溉管道前、中、后三个位置无线传感节点传送来的数据信息。

进一步的，在本实施例中，水肥调配设备通过波浪式输出控制模型获取进入主灌溉管道前部的管道水肥液体输入端压力值p(k)，即从水肥调配设备输出后进入主灌溉管道初始端的水肥液体压力，通过如下步骤实现：

步骤s1：将水肥调配设备的作业时间按等间隔分为多个预设时间周期的时间片，并对时间片编号，记当前时间片为序号k；每个时间片的大小根据现场实际情况设置，较佳地，每个时间片占时1分钟或是占时30秒钟；

步骤s2：通过如下方式获取初始时间片0时的管道水肥液体输入端压力值：

其中，pmin为灌溉系统的最小输入端压力值，其通常受到灌溉管道终端的影响，若主灌溉管道输入端水肥液体压力低于此值，则在主灌溉管道终端，管内液体压力不足以使液体通过微喷管进入土壤，灌溉过程无法实现。pmax为灌溉系统的最大输入端压力值，其通常受到灌溉管道终端最大耐压的影响，若主灌溉管道输入端水肥液体压力高于此值，则在主管道的最低端，管内液体压力将超过管道耐压，管道将会破裂。

步骤s3：通过如下方式获取各层湿度传感器采集到的相应湿度的平均值：

其中，n为各层湿度传感器的个数，hd(k)为n个深层湿度传感器采集得到的湿度均值，hm(k)为n个中层湿度传感器采集得到的湿度均值，hs(k)为n个浅层湿度传感器采集得到的湿度均值；

步骤s4：通过如下方式获取各层湿度均值与预设目标湿度值之间误差的加权和的均值he(k)：

其中，hdstd为预设深层系统目标湿度，hmstd为预设中层系统目标湿度，hsstd为预设浅层系统目标湿度，通常情况下，hdstd<hmstd<hsstd；α,β,γ为预设加权调整系数，用于调节三个层次的湿度值对系统的影响权重，其数值通常根据现场实际情况进行调整；预设目标湿度值可反应系统目标灌溉效果。

步骤s5：通过如下方式获取管道水肥液体输入端压力值p(k)：

δp＝p(k)-p(k-1)＝kp·(he(k)-he(k-1))+ki·he(k)

p(k)＝δp(k)+p(k-1)+δ(k)·a+ε(k)·b

b＝η·he(k),η＞0

其中，在步骤s5中，采用了增量式pid(比例-积分-微分)控制形式调节。pid控制(比例-积分-微分控制)是一种在工业控制中常见的反馈闭环控制方法，由比例单元p、积分单元i和微分单元d组成。pid控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势，本发明中只是用了pid控制方式中的比例分量p和积分分量i。δp为以湿度误差加权和均值he(k)作为计算参量，计算得到时刻k增量式pid的步进值；通过将时间片k-1时的pid控制器输出值p(k-1)与时间片k时的步进值δp相加，来得到时间片k时的pid控制器输出值p(k)，公式的最后两项δ(k)·a和ε(k)·b用于生成波浪式的压力涌动，以加快水肥的喷施；

k％2为将时间片的序号k对2作取模运算，以按时间片排列顺序生成0与1的交错序列；δ(k)·a和ε(k)·b两项的值在同一时刻必有一项为0，在不为0时δ(k)·a因系数为1是增量，ε(k)·b因系数为-1是减量。因此，主灌溉管道输入端压力值p(k)在时刻k和时刻k+1的两个相邻时间片的计算公式为p(k)＝δp(k)+p(k-1)+a及p(k+1)＝δp(k+1)+p(k)-b。

在相邻的两个时间片上，p(k)有a+b大小的回差，若a＝b则为等幅振荡的波浪；若a≠b，则为不等福振荡的波浪，通过调节a、b的值构成不同形式的压力波浪形式；η为预设调整系数，其数值根据现场实际情况进行调整，以控制a和b的大小；波浪的周期由时间片k的持续时间决定，每个时间片越长，则波浪的周期越长。

进一步的，根据该波浪式输出控制模型，通过上述调节，可以实现对梯田自动化灌溉系统输出水肥压力的自适应调节，并有规律地形成波浪式的压力涌动，促进水肥在终端管道中的喷施。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。