一种基于环境监测技术的智慧灌溉管理系统及方法与流程

本发明涉及智慧灌溉领域，具体为一种基于环境监测技术的智慧灌溉管理系统及方法。

背景技术：

1、环境监测是对环境质量状况进行监视和测定的活动，对反映环境质量的指标进行监视和测定，以确定环境质量和环境污染的情况，监测方法包括物理指标的监测、化学指标的监测和生态系统整体的监测，通过对环境质量的监测，得到当前环境问题，为后续环境管理提供数据支持；

2、在农业环境中，对农业环境质量的某些指标进行连续或间断监测，以农业环境中污染物和农业生物的危害为监测重点，及时准确地反映农业环境质量状况及其变化规律和发展趋势，为农业环境管理提供科学依据；农业环境监测可分为常规监测、应急监测和研究性监测，以达到不同监测目标要求；

3、智慧灌溉是一种智能的自动化灌溉系统，自动化控制喷灌、滴灌和渗灌等方式，智慧灌溉通过精准控制灌溉过程，实现对植株的高效精准灌溉，保证了灌溉效果，同时极大节约了农业资源，提高了对水资源的利用效率，降低了水肥污染，同时通过智能机械一体自动化解放了劳动力，实现了对人力资源的重新配置。

4、智慧灌溉多利用管道运输水和水肥等农业液体，在密封管道内，保证了资源的纯净，同时减少了蒸发作用，有效地提升了灌溉的效率和效果，但是管道铺设等基础设施建设工期长，利用率低，维护难度大，需要合理规划，减少运行维护的难度，并充分发掘管道作用，提高管道的复用效率，通过发掘管道的水循环调控温度功能，提高管道等设施的利用率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于环境监测技术的智慧灌溉管理系统及方法来解决上述背景技术中提出的问题，通过监测农作物植株生长环境得到植株局部区域温度，通过水循环进行温度控制，并利用循环水进行浇灌。

2、为了解决上述问题，本发明提供如下技术方案，一种基于环境监测技术的智慧灌溉管理系统及方法，该管理系统包括：环境监测模块、管道管理模块、反应管理模块和灌溉管理模块；

3、所述环境监测模块通过传感器收集农作物植株生长环境，监测环境变化，生成环境质量指数，综合研判环境；所述管道管理模块用于设置管道的铺设线路，控制每个出水阀门的开关，动态生成输水线路，控制农田温度；所述反应管理单元用于控制循环水进入反应室进行反应，生成灌溉用水肥，所述灌溉管理模块用于控制灌溉喷头进行灌溉，设定灌溉具体要求，生成灌溉记录；

4、通过精准监测农作物植株生长环境，具体地对不同区域的不同植株进行监测管理，根据实际情况，针对性优化区部局域植株生长环境，精细化对植株的耕作管理；提高对管道的利用效率，管道仅用于运输纯水资源，水肥融合在反应室进行，将水肥与纯水分开运输，减少对长运输管道的腐蚀，同时利用水循环对局部异常温度区域进行温度控制，使得异常区域温度快速恢复到植株适宜生长温度，根据灌溉任务，打开灌溉喷头阀门，并将适宜温度的循环水放入反应室，充分混合，使得循环水的热量被充分利用，改善反应效果；针对不同灌溉任务，设置灌溉策略，使得灌溉策略更贴近植株生长情况，符合灌溉需求。

5、进一步的，所述环境监测模块包括温度监测单元、湿度监测单元、土壤监测单元和天气监测单元；所述温度监测单元通过热成像图捕获农田各区域的温度，生成区域温度图，得到不同区域的温度差异数据，所述湿度监测单元通过读取湿度传感器数据，获取周边环境的湿度指数，湿度传感器分别设置在农田区域上空和农田种植区域内，分别监测空气中湿度和植株环境内湿度，空气中湿度和植株之间湿度不同，分别记录两个环境的湿度数据，用于所述土壤监测单元根据土地性质将土壤划分为不同种类，根据土壤性质，确定土壤的浇灌方式，所述天气监测单元将连接天气预报的接口，获取天气相关信息，并对极端天气情况做出预警，提示工作人员进行极端天气的防护工作；

6、进一步的，所述管道管理模块包括管道铺设单元、阀门管理单元、路径生成单元和温度控制单元；所述管道铺设单元用于设计管道铺设的线路及管道铺设的深度，根据实地情况改变管道预埋深度和线路，并选择合适的地点设置管道的出水阀门，所述阀门管理单元对所有阀门进行管理，电控制阀门的开关，通过开关不同阀门形成不同的输水管道，所述路径生成单元利用系统算力，计量局部区域温度变量，做出最优路径选择，进行水循环处理局部异常温度情况，所述温度控制单元管理总出水阀门的温控室，根据路径，计算出水水温，控制出水流量并设置进行水循环的次数；

7、进一步的，所述反应管理模块包括水温检测单元、肥料管理单元和反应管理单元；所述水温检测单元检测循环管道中的水温，并选择合适的水肥物质进入反应室进行混合反应，生成水肥溶液，不同水肥物质在不同温度下溶解度不同，选择合适水温的溶液有助于提升水肥溶解效果，所述肥料管理单元用于管理在存储室的固态水肥元素物质，控制水肥元素物质进入反应室的数量；所述反应管理单元对反应室内的水肥溶液溶解反应进行管理，控制溶解条件和溶解时间，利用水循环带来的热量，提升水肥溶液的溶解效率，降低溶解需要的时间；

8、进一步的，所述灌溉管理模块包括任务接收单元、灌溉策略单元、灌溉监控单元和灌溉计量单元；所述任务接收单元用于接收灌溉任务，灌溉任务下发时包含灌溉量、灌溉对象、灌溉时间、灌溉区域、灌溉水肥类型和灌溉方式数据，任务接收单元将其转化为对应的信号格式，所述灌溉策略单元根据灌溉任务，选择合适的灌溉喷头进行灌溉工作，所述灌溉监控单元通过摄像设备监控灌溉喷头运行状况，若喷头出水量异常，则进行异常抛出，所述灌溉计量单元通过安装在喷头的流量传感器计量灌溉总量，并和任务下发的灌溉量对比，比较任务完成完整程度，根据传感器灌溉数据判断是否需要进行二次灌溉，达到任务要求灌溉量。

9、一种基于环境监测技术的智慧灌溉管理方法，包括以下步骤:

10、s1、生成热成像图，监测局部异常温度情况；

11、s2、选择阀门进行开闭，进行经过异常温度区域的路径规划；

12、s3、监测出水温度，进行水循环控温，计算局部通过流量，并监测水温变化，更新区域热成像图；

13、s4、利用循环水液进行反应，选择微量元素和反应室进行反应生成水肥溶液，并利用水肥溶液灌溉；

14、进一步的，在步骤s1中，对种植区进行监测，得到图像，进行处理，生成热成像图，得到不同区域温度；架设高刷新率红外摄影头，动态调整监测范围，覆盖整个种植区域，得到不同区域的图像，将其数字化处理，直观得到种植区内的温度和种植区内不同区域温度的差异；在得到红外摄像头拍摄的原始图像后，将其数字化为黑白热图像，再利用色彩编码，按照灰度—温度转化表进行转化将其映射为温度相应的彩色，增强对比度；在处理得到彩色热成像图后，采用二维中值滤波来消除图像噪声，突出图像的特性，消除彩色热图像中的斑点，使用二维中值滤波只进行简单的排序取中值，时间复杂度低，提高了处理的速度，采用十字滤波窗口，滤波函数为

15、pe(m,n)＝m*pf(m,n),pf(m,n-1),pf(m,n+1),pf(m-1,n),pf(m+1,n)+

16、pe(m,n)是处理前的图像函数，pf(m,n)是处理后的图像函数，m表示取窗口中值，并对图像进行多次滤波，直到输出不再变化，平滑图像；

17、对图像进行处理后，得到热成像图，在热成像图上直观显示了种植区内的温度表现，基于传输的需要，需要压缩图像大小，提高传输的实时性，利用动态哈夫曼编码对图像进行压缩，并将图像数据通过5g基站传输到系统；

18、进一步的，在步骤s2中，基于热成像图，检测温度异常区域，标记温度异常区域位置和实时温度，设计经过温度异常区域的最短路径，控制阀门开闭来实现路径规划；由于气温原因、位置原因、区域背光或阳光直晒，植株呼吸作用和蒸腾作用，不同区域的局部环境温度会存在差异，部分区域存在温度高于其他区域，导致植株易失去活性，同时加速水分蒸发，导致产量将降低；通过在铺设的管道内水循环来达到降温升温保温的效果，进行路径的规划：

19、s201、根据热成像图，监测得到区域温度情况后，按照异常温度高低生成有向序列，在进行路径规划时，只按照高温区域流向低温区域的路径进行规划，将出水阀门作为路径起始点，按照有向序列的位置信息，依次经过区域温度异常点，并根据每段路线的管道长度和角度，角度若为仰角设置为正，俯角设置为负，进行等值换算，等效于平面的长度，换算为权值

20、

21、其中r代表了该段线路的权值，∝是比例系数，可通过拟合得到，l是该段线路的长度，θ是该段线路的俯仰角度；

22、s202、将每个异常温度区域中心位置视为一个访问顶点，并对每一对访问顶点pu、pv，寻找是否存在一个顶点pw使得顶点pu从pw经过再到达pv，比已知的路径更短，若存在，路径更新；若相较于已知的路径并不更短，则不进行更新；该状态转移方程可表达为若dis[u][w]+dis[w][v]<dis[u][v],则dis[u][v]＝dis[u][w]+dis[w][v]，并进行路径更新

23、path,u-,v-＝path,u-,w-+path,w-,v-

24、s203、获得每个访问顶点到另一个访问顶点的最短距离后，按照有向序列的顺序，进行路径的排列，按照顺序将每段路径拼接，生成最短路径。

25、进一步的，在步骤s3中，进行水循环控温，控制流速，通过开闭阀门改变水循环路线和时间，实时更新热成像图，根据最新热成像图显示的温度信息，标记路线上温度正常的区域，关闭通向正常温度区域的阀门，动态调整路线；根据热成像图上的温度变化，得到水循环与温度下降的时间关系，调节水流改变水循环速度，控制异常区域温度快速下降，调整方法如下：

26、s301：流量与阀门开启大小关系如下：

27、

28、f是流量，s是阀门开启大小，w是水压，ρ是液体密度，g是重力加速度，根据公式进行计算，控制阀门开启大小来控制流量变化；

29、s302：在水流量确定的条件下，时间t内，根据热成像图，得到该区域温度下降幅度tempo：

30、

31、ct是土壤的比热容，根据土壤类型确定数值，p是土壤密度，在异常温度区域进行土壤面积的相关积分，x1和x2是积分上下限，是常数，根据不同区域的面积确定积分上下限；j是常系数，是土壤中温度散失速度；根据上式，得到当前土壤条件下的土壤中温度散失速度；

32、s303：根据系统设定的计划时间，重设水流速度；

33、s304：根据水流速度，调节阀门大小；

34、进一步的，在步骤s4中，利用循环水进入反应室与微量元素物质进行溶解，并进行灌溉；水循环带走异常温度区域的热量，循环水的温度上升，根据对应温度下物质的溶解速度，控制进入反应室的水流速度，调整进入反应室的物质量，使其能够充分溶解，生成水肥溶液进行灌溉，通过反应室阀门外温度仪读取水温，若水温高于反应室内物质反应所需最高温度，保持阀门关闭状态，若水温处于溶解反应所需温度范围，根据此时水循环捕获热量的预期，判断水温上升的范围和时间，选择水温最接近最佳溶解温度的时刻进行溶解反应；水温变化量公式如下：

35、

36、根据当前水温和循环线路内异常温度区域的温度，计算循环水升温与时间的关系，进行预判，得到水温变化梯度，并在水温变化梯度中找到最接近最佳溶解温度的时刻；设置反应室阀门定时开启，并根据对应温度下微量元素物质溶解速度，控制进入反应室的流量，流量计算办法如s301所示，打开灌溉喷头，释放充分溶解的水肥溶液进行灌溉。

37、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

38、本发明通过改进热成像图像处理方式，提高了图像处理的速度，进行了热成像图的快速刷新，使得种植区域的温度变化能够被迅速检测，并将水肥溶液和输水管道分开，设置了反应室，避免了水肥溶液对长距离管道的腐蚀，将长距离输水管道用于循环控制种植区域的温度，维持了农作物植株生长环境的温度稳态，降低了农作物植株被高温低温等异常情况影响从而失去活性，整个种植区域减产的可能性，并设计了异常温度区域循环水温控路线，提高了对异常温度区域处理的速度；并利用管道中吸收热量的水进入反应室反应，提高了的水肥溶液溶解的速度，通过热量转移实现了热量的合理配位，实现了高效节能灌溉。