一种基于物联网技术进行节水灌溉的方法和系统与流程

本发明涉及农业灌溉，尤其是涉及一种基于物联网技术进行节水灌溉的方法和系统。

背景技术：

1、水是生命之源，是生物生存不可或缺的资源。灌溉是为了满足天然降水不能满足的那部分水量以控制灌溉的方式提供给作物，现代化的农业要求必须提高水资源的利用效率，同时进一步采取有利于农业环境和管理的灌溉方式。传统的农业模式会浪费很多的人力和物力，因此传统农业需要向智慧农业进行转变，物联网作为一种新兴的高新技术，具有长远的发展前景，将其应用在农业上，对于促进农业生产具有重大意义，而如何利用物联网技术来实现农业节水节能，并保证农作物合理生长，是本领域技术人员的研究方向。

2、传统的基于物联网的灌溉方法和系统的智能化水平较低，进行灌溉时大多需要人工现场控制，较为费力不便，无法根据农作物的实际情况进行灌溉，造成水资源浪费，也不利于农作物的生长；传统的基于物联网的灌溉方法和系统不能通过手机等终端进行各区域灌溉的控制，不能进行灌溉模式的选择，无法实现灌溉水的合理化利用，容易出现水浪费的问题；此外，传统的基于物联网的灌溉方法和系统在确定灌溉量时需要采集大量数据，提高了节水灌溉的复杂程度，不利于大范围推广。

技术实现思路

1、针对现有技术中的不足，本发明提供一种基于物联网技术进行节水灌溉的方法和系统。

2、为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于物联网技术进行节水灌溉的方法，所述方法包括如下步骤：数据采集模块采集灌溉地中农作物在不同缺水状态下的彩色图像、红外图像和深度图像，以及农作物根系深度、农作物水分损耗、灌溉面积和所述灌溉地中不同土层的含水率；缺水监测模块使用所述彩色图像、所述红外图像和所述深度图像建立缺水检测模型；灌溉量计算模块利用所述农作物根系深度、所述农作物水分损耗、所述灌溉面积和所述含水率确定当前灌溉量和预测下次灌溉量；灌溉控制模块根据所述缺水检测模型、所述当前灌溉量和所述下次灌溉量对农作物的灌溉进行控制。本方法能够根据农作物的实际情况，利用较少的数据确定灌溉量及时进行精准灌溉，并能预测下一次灌溉量，减少灌溉反应时间，做到节水灌溉。

3、可选地，所述数据采集模块采集灌溉地中农作物在不同缺水状态下的彩色图像、红外图像和深度图像，以及农作物根系深度、农作物水分损耗、灌溉面积和所述灌溉地中不同土层的含水率，所述数据采集模块执行如下步骤：

4、将所述灌溉地划分为多个灌溉区域；

5、获取每个所述灌溉区域的所述灌溉面积；

6、采集不同的所述灌溉区域中，农作物在不同缺水状态下的所述彩色图像、所述红外图像和所述深度图像，以及所述农作物根系深度、所述农作物水分损耗和所述灌溉面积；

7、根据农作物根系深度，将所述灌溉地的土层划分为表层和深层；

8、在不同的所述灌溉区域中，对所述表层的含水率进行测量得到表层含水率，对所述深层的含水率进行测量得到深层含水率。

9、进一步的，所述灌溉地的面积往往较大，因此将所述灌溉地划分为不同的所述灌溉区域，并分别采集每个所述灌溉区域的相关数据，有利于得到每个所述灌溉区域的缺水情况和农作物需水量，进而根据每个所述灌溉区域的缺水情况和农作物需水量对所述灌溉地进行精准灌溉。

10、可选地，所述缺水监测模块使用所述彩色图像、所述红外图像和所述深度图像建立缺水检测模型，所述缺水监测模块执行如下步骤：

11、利用所述彩色图像、所述红外图像和所述深度图像制作图像数据集；

12、将所述图像数据集按比例划分为训练集、验证集和测试集；

13、根据所述训练集、所述验证集和所述测试集建立缺水检测模型。

14、进一步的，使用所述彩色图像、所述红外图像和所述深度图像建立缺水检测模型，进而实时监测所述灌溉地的农作物情况，监测农作物缺水状态，有利于实现发现缺水即开始灌溉，促进农作物健康成长。

15、可选地，所述灌溉量计算模块利用所述农作物根系深度、所述农作物水分损耗、所述灌溉面积和所述含水率确定当前灌溉量和预测下次灌溉量，所述灌溉量计算模块执行如下步骤：

16、使用所述农作物根系深度、所述农作物水分损耗、所述表层含水率、深层含水率和所述灌溉面积建立灌溉量计算模型；

17、通过所述灌溉量计算模型计算所述当前灌溉量；

18、利用所述表层含水率和所述深层含水率建立含水率预测模型；

19、根据所述含水率预测模型和所述灌溉量计算模型预测所述下次灌溉量。

20、进一步的，在建立所述灌溉量计算模型时，需要提前采集的数据较少，有利于简化物联网灌溉系统，同时土壤含水率与农作物是否缺水直接相关，因此在简化物联网灌溉系统的同时还能根据土壤含水率得到准确的所述灌溉量，有利于节约灌溉用水。

21、可选地，所述使用所述农作物根系深度、所述农作物水分损耗、所述表层含水率、深层含水率和所述灌溉面积建立灌溉量计算模型包括如下步骤：

22、设定数据测量的时间序列；

23、根据所述时间序列测量所述农作物水分损耗，整理得到水分损耗数据集；

24、根据所述时间序列测量所述表层含水率，得到表层含水率变化量；

25、根据所述时间序列测量所述深层含水率，得到深层含水率变化量；

26、利用所述农作物根系深度、所述水分损耗数据集、所述表层含水率变化量、所述深层含水率变化量和所述灌溉面积建立所述灌溉量计算模型。

27、进一步的，在所所述灌溉地的面积较大的情况下，不同的所述灌溉区域的农作物缺水状态可能不同，因此为不同的所述灌区域建立与之相适应的所述灌溉量计算模型有利于根据本区域的实际情况进行灌溉，提高了灌溉精度。

28、可选地，所述灌溉量计算模型满足如下关系：

29、

30、其中，h1i+h2i＝chi，aiqi为第i个所述灌溉区域的所述当前灌溉量，ti为第i个所述灌溉区域的所述农作物水分损耗，a、b、c为参数，为修正因子，β1i为第i个所述灌溉区域的所述表层含水率变化量，β2i为第i个所述灌溉区域的所述深层含水率变化量，si为第i个所述灌溉区域的所述灌溉面积，h1i为第i个所述灌溉区域中所述表层的厚度，h2i为第i个所述灌溉区域中所述深层的厚度，hi为第i个所述灌溉区域中的所述农作物根系深度。

31、可选地，所述利用所述表层含水率和所述深层含水率建立含水率预测模型包括如下步骤：

32、整理所述表层含水率和所述深层含水率并制作含水率数据集；

33、将所述含水率数据集按比例划分为训练样本、验证样本和测试样本；

34、根据所述训练样本、所述验证样本和所述测试样本建立所述含水率预测模型。

35、进一步的，根据所述含水率数据集，采用深度学习的方法建立所述含水率预测模型。

36、可选地，所述根据所述含水率预测模型和所述灌溉量计算模型预测所述下次灌溉量包括如下步骤：

37、使用所述含水量预测模型预测不同所述灌溉区域在一段时间后的表层含水率预测值和深层含水率预测值；

38、根据所述表层含水率预测值和所述深层含水率预测值，结合所述灌溉量计算模型计算所述下次灌溉量。

39、可选地，所述灌溉控制模块根据所述缺水检测模型、所述当前灌溉量和所述下次灌溉量对农作物的灌溉进行控制，所述灌溉控制模块执行如下步骤：

40、根据所述缺水检测模型获取灌溉时机；

41、根据所述灌溉时机和所述当前灌溉量对不同所述灌溉区域中农作物的灌溉进行控制，并根据所述下次灌溉量提前为下一次的农作物灌溉做准备。

42、进一步的，所述灌溉控制模块根据所述灌溉时机和所述当前灌溉量对不同所述灌溉区域中农作物的灌溉进行控制，包括控制灌溉时间和灌溉方式。此外所述灌溉控制模块可以根据所述下次灌溉量提前为下次灌溉做准备，减少下一次灌溉的准备时间。

43、综上所述，本发明提供的方法可以实时监测不同区域农作物的缺水情况，并根据农作物缺水时的实际情况使用较少的数据准确计算灌溉量，进而对农作物进行精准灌溉，节约灌溉用水，简化物联网灌溉系统；此外，本明提供的方法还能对当前灌溉后的下次灌溉的灌溉量进行预测，进而提前做好灌溉规划，减少灌溉的准备时间，减少缺水时间过长对农作物造成的不良影响，促进农作物增产增收。

44、第二方面，本发明提供了一种基于物联网技术进行节水灌溉的系统，所述系统使用本发明提供的一种基于物联网技术进行节水灌溉的方法，所述系统包括：数据采集模块、缺水监测模块、灌溉量计算模块和灌溉控制模块；所述数据采集模块采集灌溉地中农作物在不同缺水状态下的彩色图像、红外图像和深度图像，以及农作物根系深度、农作物水分损耗、灌溉面积和所述灌溉地中不同土层的含水率；所述缺水监测模块使用所述彩色图像、所述红外图像和所述深度图像建立缺水检测模型；所述灌溉量计算模块利用所述农作物根系深度、所述农作物水分损耗、所述灌溉面积和所述含水率确定当前灌溉量和预测下次灌溉量；所述灌溉控制模块根据所述缺水检测模型、所述当前灌溉量和所述下次灌溉量对农作物的灌溉进行控制。

45、本发明提供的系统是适用于本发明提供的方法的系统，除与本发明提供的方法具有相同的优点之外，还有利于提高物联网灌溉的智能化程度。

46、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举可选实施例，并配合相关附图作详细说明如下。