番茄灌溉智能控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于番茄生长环境土壤水分调节的智能控制领域，具体涉及一种番茄灌溉 智能控制系统，实现对番茄生长环境土壤水分的检测、控制和管理。
【背景技术】
[0002] 我国蔬菜生产基本上还处于追求产量的初级阶段，农民依靠肥和水的大量投入追 求作物的高产和高效益；但这极易使蔬菜品质降低和风味下降。根系是植物吸收肥水的主 要器官，又是多种物质同化、转化和合成的器官。因此，根的生长情况及其活动能力直接影 响植物体的生长情况、营养状况和产量水平。而根系的生长发育及其活动能力又直接或间 接地受到土壤条件的影响，如作物根系活动层土壤的湿度、温度、营养物质和有毒物质含量 和土壤紧实度等都是作物根系生长的重要影响因子。在诸多影响因子中，水分的作用十分 重要；植物根不能穿过干土层而生长这一事实说明，水分对根的生长是必不可少的。根际土 壤中水分含量适中，通气良好，不仅有利于植物根系的生长，也有利于土壤有机质的矿化和 土壤微生物的活动，而营养物质可利用性的提高，植物根系生长良好，必然促进植物对土壤 水分的吸收。滴灌为植物根系提供了良好的生长发育环境，植株根系较沟灌发育得好，根系 活力强，增强了根系的吸收能力。由于番茄地下部分与地上部分生长的相关性，根系吸收功 能增强，直接反馈于地上部，使植株营养生长旺盛，为后期产量的形成提供了物质基础。苗 期重度亏缺、开花和果实膨大期轻度亏缺，结果期不亏缺的灌水处理可以获得最佳的产量 和水分利用效率。番茄采收期长达4个月，营养生长和生殖生长并存，不同穗果开花、坐果 及成熟期重叠，苗期水分亏缺不能持续影响结果期果实品质，必须考虑结果期进行亏缺处 理以调节果实品质。亏缺灌溉提高了番茄果实中可溶性糖及有机酸的含量，但产量有不同 程度的下降，在亏缺灌溉条件下，由于水分吸收受到影响，会使植株体内含水量降低，干物 质积累增加。减少灌水影响番茄植株叶片的生长发育，降低其干物质质量，但根系的干质量 及其占全株干质量的比例是随着土壤水分的减少，呈增加趋势，说明亏缺灌溉有利于根系 的生长。土壤水分影响果实中的干物质分配，尤其是严重水分胁迫的处理，对产量的影响最 大。在生产中应用，既保证产量不降低过多，又兼顾了果实品质，是较好的处理。为进一步 降低对产量的影响，生产上应选择适当进行水分胁迫的时间，并减小胁迫的程度，做到既保 证产量不降低过多，又兼顾果实品质。随着灌水次数的减少，灌水间隔期的加长，两个番茄 品种果实中可溶性糖、有机酸及糖酸比均呈增加趋势，由此可见，亏缺灌溉提高了番茄果实 的品质及口感，而且水分亏缺越严重，效果越明显。水分亏缺可以提高品质，但却伴随着番 茄产量的降低，因而如何在结果期进行水分亏缺调控，使其既不影响产量又能够改善果实 品质是今后进一步研究的重点。
[0003] 因此要及时发现番茄生长环境土壤水分值的异常，应清楚的了解异常的原因，再 针对性的解决，做到标本兼治。及时调节生长环境土壤水分值达到番茄生长的适范围，提高 番茄质量和增加产量，提高种植经济效益。国内学者纷纷开展对番茄生长环境的土壤水分 进行进行调控的研究，陈辉研究了基于ZigBee与GPRS的温室番茄远程智能灌溉系统，设计 了模糊控制策略对温室番茄进行适时适量的灌溉；张胜研究了基于ZigBee无线传感网和 模糊控制的温室番茄智能灌溉系统，分析了现有灌溉模型的不足和影响温室番茄灌溉的关 键环境因子，在考虑调亏灌溉、模糊控制和无线传感网络通信特点的基础上，提出了一种由 两个模块协作的智能灌溉策略。但是这些方法实时性差和控制精度低，没有根据番茄各个 生长阶段对土壤水分的需要和土壤水分变化的非线性、大滞后和大惯性等特点，采取有效 的调控手段，因此，提高番茄生长环境土壤水分调节的可靠性、鲁棒性和准确性是十分必要 的，由于国内在对番茄生长环境土壤水分进行高质高效控制还一片空白，本专利基于此原 因发明番茄灌溉智能控制系统。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种番茄灌溉的智能控制系统，本发明针对番茄各个生长阶 段对土壤水分的需要和番茄生长环境土壤水分变化非线性、大惯性、大时滞以及时变性的 特点，设计了一种番茄灌溉智能控制系统，该系统由番茄生长环境土壤水分采集与控制平 台、基于多模型的内模一智能串级番茄生长环境土壤水分控制系统和基于遗传算法的番茄 水分设定专家系统3部分组成，形成对番茄生长地水分的检测、智能控制与管理的番茄生 长过程土壤水分的监控。
[0005] 1)、番茄生长环境土壤水分采集与控制平台：包括番茄生长环境土壤水分的检测 节点1、控制节点2、网关3和现场监控端4,通过节点间的自组织方式构建成番茄生长环境 土壤水分的测控网络，检测节点1负责检测番茄生长环境土壤水分的实际值并通过测控网 络上传给现场监控端4,现场监控端4和控制节点2通过对调节阀开度的调节实现对番茄生 长环境土壤水分的智能化控制，现场监控端4负责对番茄生长环境土壤水分的智能控制与 管理；番茄生长环境土壤水分采集与控制平台见图1。
[0006] 2)、根据番茄生长环境土壤水分的非线性、大惯性、大时滞及时变性的特点，在现 场监控端4和控制节点2中设计基于多模型的内模一智能串级番茄生长环境土壤水分控制 系统来提高番茄生长环境土壤水分控制系统的稳定性、水分控制精度和响应速度，该控制 系统见图5下半部分。
[0007] 基于多模型的内模一智能串级番茄生长环境土壤水分控制系统包括包括模糊支 持向量机控制器、PID神经网络、遗传算法、多个SVM预测模型和基于灰色关联度的数据融 合模型组成，由现场监控端4的模糊支持向量机控制器作为主调节器与控制节点2的PID 神经网络副调节器构成串级控制系统，在现场监控端4设计遗传算法对模糊支持向量机控 制器的参数进行在线优化，以使其控制性能适应对象的变化而达到最优，使模糊支持向量 机控制器进行控制的收敛速度快、动态响应好、鲁棒性强、超调小、控制精度高和稳定性好； 由于番茄生长环境土壤水分作为被控对象具有非线性、大惯性、大时滞和时变性的特性和 空间大的特点，在现场监控端4设计多个土壤水分的SVM预测模型和基于灰色关联度的数 据融合模型与串级控制形成内模控制，多个SVM预测模型预测番茄生长环境土壤水分的未 来值，通过与监测点实际值运算后得到被监控点水分的误差，经过基于灰色关联度的数据 融合模型的运算得到被监控番茄生长环境土壤水分误差，该误差作为串级控制的反馈值形 成基于多模型的内模一智能串级番茄生长环境土壤水分控制系统，提高番茄生长环境土壤 水分控制的抗干扰性和鲁棒性，来确保番茄生长环境土壤水分的稳定，有效抑制外部环境 对番茄生长环境土壤水分的影响，确保番茄生长环境土壤水分的稳定性和准确性，基于多 模型的内模一智能串级番茄生长环境土壤水分控制系统见图5下半部分。
[0008] 该基于多模型的内模一智能串级番茄生长环境土壤水分控制系统解决番茄生长 环境土壤水分的非线性、大惯性、大滞后和时变性的控制难题，实现对番茄生长环境土壤水 分的自适应超前调节，可以有效避免番茄生长环境土壤水分的控制过程中带来波动，提高 系统的鲁棒性，实验结果证明该系统适应性强，稳定性好，响应速度和控制精度均满足系统 要求，对于解决番茄生长环境土壤水分由于非线性严重、滞后性和时变性而导致控制困难 的问题具有较强的针时性。
[0009] 3)、基于遗传算法的番茄水分设定专家系统由遗传算法、基于支持向量机的番茄 生长过程土壤水分模型、生长标准、生长阶段和数据库组成，系统采用遗传算法优化番茄生 长过程中理想的土壤水分值，它作为番茄灌溉智能控制系统水分目标值，提高番茄灌溉智 能控制系统水分目标参数设定的可靠性与科学性，专家系统的原理见图5上半部分。
[0010] 本发明专利与现有技术相比，具有以下明显优点： 1)、本发明专利设计一种基于最小二乘算法的模糊支持向量机（LS-SVM)控制器作为 主调节器，模糊控制（FC)是一种仿人思维的智能化非线性控制技术，它不依赖被控对象模 型、鲁棒性强，已得到广泛应用，但传统的模糊控制所依赖的控制规则缺乏在线自学习能 力，不适应被控对象变化的需要，严重影响控制效果；SV