一种基于模糊控制的物联网智能灌溉施肥控制方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于模糊控制的物联网智能灌溉施肥控制方法及系统，所述方法包括：(1)数据采集与处理：根据作物的需水规律和施肥配方，以及采集的土壤温湿度、土壤养分、空气温湿度、风速、雨量、流量、水池水位和管网压力数据，来设定土壤湿度、养分和水池水位的限值以及灌溉施肥计划时间，并存入数据库中；(2)智能控制：读取数据库中相应数据，采用模糊控制算法和水肥耦合模型对灌溉阀门和施肥阀门进行智能控制；通过比较当前水池水位与设定的水池水位的限值，来对水泵的启停进行智能控制；采用PID控制算法对水泵进行调速控制。本发明具有性能优良、功能完善、扩展性强、易于运行管理等特点，并采用模糊控制实现智能化管理和控制。
【专利说明】一种基于模糊控制的物联网智能灌溉施肥控制方法及系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于模糊控制的物联网智能灌溉施肥控制方法及系统，属于农业 灌溉施肥【技术领域】。
【背景技术】
[0002] "物联网"在农业中的应用前景广阔，但目前我国还处于起步阶段，尤其在智能灌 溉施肥方面，主要停留在监测与报表统计阶段，没有与相关控制设备进行联动，未实现灌溉 节水化与施肥节约化。
[0003]目前，农业灌溉存在水肥分离、水肥浪费严重、农业面源污染加剧等不足。专利 CN102165876 "智能节水灌溉施肥系统及方法"存在着使用技术要求高，没有与现代控制方 法相结合，未实现真正意义的科学决策和智能控制；同时，功能较为局限，控制管理方式单 一，未融入物联网技术，灌溉系统"建、管、养、用"困难，极大的制约了其应用范围。
[0004] 因此，针对以上问题，满足灌溉施肥系统的整体需求，同时解决现有灌溉系统"建、 管、养、用"一体化问题，智能化应用的普遍适用性以及易于扩展等问题便成为亟待解决的 技术问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于，提供一种基于模糊控制的物联网智能灌溉施肥控制方法及系 统，具备性能优良、功能完善、扩展性强、易于运行管理等特点，同时，采用模糊控制实现智 能化管理和控制。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
[0007] -种基于模糊控制的物联网智能灌溉施肥控制方法，包括以下步骤：
[0008] (1)数据采集与处理：根据作物的需水规律和施肥配方，以及采集的土壤温湿度、 土壤养分、空气温湿度、风速、雨量、流量、水池水位和管网压力数据，来设定土壤湿度、土壤 养分和水池水位的限值以及灌溉施肥计划时间（一般应早、晚灌溉，也可进行一定时间间 隔的轮灌制度），并存入数据库中；
[0009] (2)智能控制：读取数据库中相应数据，采用模糊控制算法和水肥耦合模型对灌 溉片区的灌溉阀门和施肥阀门进行智能控制；通过比较当前水池水位与设定的水池水位的 限值，来对灌溉片区的水泵的启停进行智能控制；通过比较灌溉管网的压力实测值与管网 限值，采用PID控制算法对灌溉片区的水泵进行调速控制。
[0010] 前述的基于模糊控制的物联网智能灌溉施肥控制方法中，所述模糊控制算法具体 为：将土壤湿度的误差和湿度误差的变化分别作为二维模糊控制器的输入和输出变量，通 过传感器获取湿度值并计算后，根据模糊控制规则进行模糊推理，最终得出模糊隶属函数， 得到合适的灌溉时间作为输出量，实现模糊控制灌溉；
[0011] 其中，设置土壤当前湿度值为r，作物当前所需湿度值为y，则输入变量误差 e = r-y，误差变化率ec = de/dt ;输出变量为电磁阀打开时间t，设置e的基本论域 为[-8 %，8 % ]，ec为[-2 %，2 % ]，时间t为[0, 30];设置e、ec和t相应的模糊 变量分别为E、EC和T，E和EC的模糊集均为{NB，NM，NS，0, PS，PM, PB}，量化论域均为 {-3, -2, -1，0, 1，2, 3}，T的模糊集为{0, PS，PM, PB}，量化论域为{0, 1，2, 3}，则量化因子分 别为 Kl = 3/8 = 0· 375, K2 = 3/2 = L 5,比例因子为 K3 = 30/3 = 10 ;从而得到 E、EC 和 T的模糊隶属函数；
[0012] 所述模糊控制规则由模糊条件if云and玩? then ?来表达，其中E、CC、U分别 为E、EC、U的模糊子集。
[0013] 前述的基于模糊控制的物联网智能灌溉施肥控制方法中，所述水肥耦合模型具体 为：
【权利要求】
1. 一种基于模糊控制的物联网智能灌溉施肥控制方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 数据采集与处理：根据作物的需水规律和施肥配方，以及采集的土壤温湿度、土壤 养分、空气温湿度、风速、雨量、流量、水池水位和管网压力数据，来设定土壤湿度、土壤养分 和水池水位的限值以及灌溉施肥计划时间，并存入数据库中； (2) 智能控制：读取数据库中相应数据，采用模糊控制算法和水肥耦合模型对灌溉片 区的灌溉阀门和施肥阀门进行智能控制；通过比较当前水池水位与设定的水池水位的限 值，来对灌溉片区的水泵的启停进行智能控制；通过比较灌溉管网的压力实测值与管网限 值，采用PID控制算法对灌溉片区的水泵进行调速控制。
2. 根据权利要求1所述的基于模糊控制的物联网智能灌溉施肥控制方法，其特征在 于，所述模糊控制算法具体为：将土壤湿度的误差和湿度误差的变化分别作为二维模糊控 制器的输入和输出变量，通过传感器获取湿度值并计算后，根据模糊控制规则进行模糊推 理，最终得出模糊隶属函数，得到合适的灌溉时间作为输出量，实现模糊控制灌溉； 其中，设置土壤当前湿度值为r，作物当前所需湿度值为y，则输入变量误差e=r-y，误 差变化率ec=de/dt;输出变量为电磁阀打开时间t，设置e的基本论域为[-8%，8% ]， ec为[-2%，2% ]，时间t为[0, 30];设置e、ec和t相应的模糊变量分别为E、EC和T，E 和EC的模糊集均为{NB，NM，NS，0,PS，PM,PB}，量化论域均为{-3, -2, -1，0, 1，2, 3}，T的模 糊集为{〇,PS，PM,PB}，量化论域为{0, 1，2, 3}，则量化因子分别为Kl= 3/8 = 0. 375,K2 = 3/2 = 1. 5,比例因子为K3 = 30/3 = 10 ;从而得到E、EC和T的模糊隶属函数； 所述模糊控制规则由模糊条件ifiand反then?来表达，其中S、反、?分别为E、EC、U的模糊子集。
3. 根据权利要求2所述的基于模糊控制的物联网智能灌溉施肥控制方法，其特征在 于：所述水肥耦合模型具体为：
式中，Q是需灌水量，单位是L;b是高浓度耦合液中尿素的量，单位是g;yl是目标耦合 液EC值，单位是ms/cm;xl是标稱合浓度，单位是％。
4. 根据权利要求1、2或3所述的基于模糊控制的物联网智能灌溉施肥控制方法，其特 征在于：若灌溉片区为水库灌区，则采用灌溉管网输配水模型对灌溉管网的输送水进行控 制，所述灌溉管网输配水模型具体为： (1)目标函数 选取全灌区作物的总产值最高和全灌区年运行费最小作为优化的目标函数，统一采用 经济量作为目标函数； 目标函数1 :以全灌区作物的总产值最高为目标函数A(Xij);
式中：N为子区域个数；K为阶段数目；Ymi为第i子区域的作物最大产量，kg/hm2;Xij为 决策变量，即水库向第i子区域第j阶段单位面积上的实际灌溉供水量，单位m3/hm2 ;Jii为 从水库输送至第i子区域的灌溉水利用系数；为第i子区域第j阶段的降雨量，单位mm; ΔSij为第i子区域第j阶段的土壤储水增量，单位mmJERCij为第i子区域第j阶段的渗 漏量，单位mm;GU为第i子区域第j阶段的地表径流，单位mm;ETmij为第i子区域第j阶段 的最大腾发量，单位mm;λi为作物不同阶段缺水对产量的敏感指数Ai为第i子区域作物 灌溉面积，单位hm2;Pi为第i子区域作物价格，单位元/kg; 目标函数2 :以全灌区年运行费最小为目标函数f2 (Xij);
式中=MpM2和M3分别为水库、渠道以及泵站的年运行费，单位元；N为子区域个数；K为 阶段数；xL为决策变量，即水库向第i子区域第j阶段单位面积上的实际灌溉供水量，单位 m3/hm2 ； (2)约束条件： ① 水库库容约束：第j阶段的水库库容不能大于水库的实际兴利库容； O彡Vj彡V实兴； 式中：Vg#为扣除泥沙淤积的水库的兴利库容，单位m3 ; ② 水库供水能力约束：第j阶段水库的实际供水量不能大于水库的供水能力； Y^ixij-Ai) < Vjnr, i=l 式中：Vjm为第j阶段水库的供水能力，单位Hl3 ; ③ 渠系配水能力约束：第j阶段水库向第i子区域的供水量不能超过该区域渠道的输 水能力； Xij ·Ai ^Capi ； 式中：Capi为第i子区域渠道的输水能力，单位m3 ; ④ 最佳水资源投入量约束：第i子区域第j阶段的作物实际需水量要小于最大需水 量； ETaij ^ETmij ； ⑤ 非负约束：决策变量要求非负； Xij > 0。
5. 根据权利要求1、2或3所述的基于模糊控制的物联网智能灌溉施肥控制方法，其特 征在于：若当前土壤湿度、土壤养分和/或水池水位超过设定的限值，则进行超限报警，并 对水泵启停、调速以及阀门开闭进行控制。
6. -种实现权利要求1?5任意一项所述方法的基于模糊控制的物联网智能灌溉施肥 控制系统，其特征在于，包括： 信息感知层（1)，用于完成信息数据的感知与采集，并将所述信息数据存入数据库中， 所述信息数据包括土壤湿度、土壤养分、空气温湿度、风速、雨量、水池水位、流量、管网压力 以及继电器控制设备的工作状态， 信息应用层（2)，用于读取数据库中相应数据，完成采集信息数据的统计、分析和处理， 采用模糊控制算法和水肥耦合模型对灌溉阀门和施肥阀门进行智能控制；通过比较当前水 池水位与设定的水池水位的限值，来对水泵的启停进行智能控制；采用PID控制算法对水 泵进行调速控制； 信息传输层（3)，用于完成信息感知层（1)与信息应用层（2)之间的信息传输。
7. 根据权利要求6所述的基于模糊控制的物联网智能灌溉施肥控制系统，其特征在 于，信息感知层（1)包括： 土壤肥力监测分站（4)，用于监测土壤的温度、湿度以及养分数据； 远程网络气象监测分站（5)，用于通过远程网络监测气象数据，所述气象数据包括空气 温湿度、风速和雨量数据； 泵房水池监测分站￠)，用于监测泵房水池状态，所述状态包括水池水位、最高水位、最 低水位、当前水位、水泵启停状态、水泵流量、水泵转速和管网压力； 继电器控制设备监测分站（7)，用于监测继电器控制设备的工作状态，所述继电器控制 设备包括电磁阀和变频器； 和闸阀井支管分站阵列（17)，用于监测管网实时流量、压力，完成流量统计、压力监控 及管网输配水。
8. 根据权利要求6所述的基于模糊控制的物联网智能灌溉施肥控制系统，其特征在 于，信息应用层（2)包括： 泵房水池自适应控制子系统（8)，用于根据水池水位变化，通过变频器调节水泵自动启 停、水泵转速； 水肥一体化灌溉控制子系统（9)，用于采用模糊控制算法来对灌溉进行智能控制，并结 合水肥耦合模型对施肥进行控制。
9. 根据权利要求6所述的基于模糊控制的物联网智能灌溉施肥控制系统，其特征在 于，信息传输层（3)包括： TGL-DRRF远程传输模块（10)、APC220-43无线数传模块（11)、GPRS无线数传模块 (12)、TGL-FERTIMASTER通讯模块（13)和3G视频传输服务器模块（14)。
10. 根据权利要求9所述的基于模糊控制的物联网智能灌溉施肥控制系统，其特征在 于：信息感知层（1)还包括远程视频监控分站（15)，用于监控作物长势情况、水泵运行情况 以及关键区域、设备的运行情况，辅助灌溉现场的管理。
【文档编号】G05B19/418GK104460582SQ201410512737
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】王永涛, 张和喜, 杨静, 雷薇, 周琴慧 申请人:贵州省水利科学研究院