[发明专利]基于土壤湿度和深度结合的节能型智能精准灌溉系统

权利要求书

1.一种基于土壤湿度和深度结合的节能型智能精准灌溉系统，其特征在于，包括信息采集及传输模块、灌溉决策与预警模块、灌溉执行模块和远程监控模块；

信息采集及传输模块，用于动态监测植物生长环境信息并将信息通过无线WiFi网络传输至云服务器，植物生长环境信息包括蒸腾量，土壤蒸发量，根茎深度，水气压-温度曲线斜率，湿度计常数，风速，水气压值；

灌溉决策与预警模块，用于对云平台接收到的原始数据利用优化后的智能精准灌溉算法进行计算，结合植物信息数据库的阈值，最终灌溉时间和灌溉量，并将相应的监测数据和预警建议发送至用户APP；

灌溉执行模块，利用云服务器依据计算得到的预警建议，通过无线WiFi网络向控制终端下发控制指令，用于自动控制电磁阀和水泵的开关；

远程监控模块，用于用户远程实时监测植物生长环境和对系统开关的远程手动控制，通过4G网接收来自云服务器的监测数据及预警信息。

2.根据权利要求1所述的基于土壤湿度和深度结合的节能型智能精准灌溉系统，其特征在于，所述信息采集及传输模块包括控制终端和传感模块，所述控制终端和传感模块连通，所述控制终端由单片机构成，所述传感模块包括温度传感器，湿度传感器，气压传感器，风速传感器和深度标记，所述控制终端分别连通灌溉决策与预警模块和灌溉执行模块；

所述灌溉执行模块根据所述控制终端传来的灌溉控制信号控制电磁阀及水泵的开关，所述的电磁阀及水泵和蓄水池及底阀连接；

所述灌溉决策与预警模块通过无线WiFi与所述控制终端连通，通过4G网络与远程监控模块连通，所述远程监控模块为Android手机APP。

3.根据权利要求1所述的基于土壤湿度和深度结合的节能型智能精准灌溉系统，其特征在于，所述的灌溉决策与预警模块为云平台，所述云平台包括智能精准灌溉算法并将所接收数据通过4G网转发至上述远程监控模块。

4.根据权利要求1所述的基于土壤湿度和深度结合的节能型智能精准灌溉系统，其特征在于，所述信息采集及传输模块，利用带有不同深度标记的湿度传感器，获得土壤不同深度下的湿度信息。

5.根据权利要求4所述的基于土壤湿度和深度结合的节能型智能精准灌溉系统，其特征在于，所述的智能精准灌溉算法，包括以下步骤：

根据当地环境确定水气压-温度曲线斜率k、风速v、水气压饱和值e、种植田实际水气压值e′、土壤蒸发量M、土壤单位时间失水量β；

选择植物种类及品种。从知识库中获取土壤最适含水量下限μ₁、土壤最适含水量上限μ₂、单位时间植物需水量A、根长L；

计算植物蒸发蒸腾量。由于Penman-Monteith公式能够综合考虑气象因素对参考作物蒸发蒸腾量的影响，因此利用Penman-Monteith公式对植物蒸发蒸腾量进行计算。过程如下：

其中，W表示植物蒸发蒸腾量，k表示为水气压-温度曲线斜率，C表示为湿度计常数，T表示当时的环境温度，v表示风速，e表示水气压饱和值，e′表示种植田实际水气压值；

利用Lagrange插值将所测量的不同深度的湿度连续化，即可得到一个湿度关于深度的Lagrange插值函数u(x)。过程如下：

其中，n表示总共测量的深度个数，x_i和x_j表示测量的第i个和第j个深度，y_i表示测量的第i个深度对应的湿度值；

将实际问题转化为数学问题，将问题按灌溉间隔分为若干个简单的子问题，将每个子问题转化成如下规划问题求解：

其中：表示一天的灌溉次数，β_i表示第i个灌溉间隔土壤单位时间失水量，根深长度的单位体积的含水量，z_p和z_q表示第p个和第q个灌溉间隔时间段根深长度的单位体积的含水量；

采用内点罚函数法求解步骤5的规划问题的最优解，其中调用BFGS算法对子问题求解；

步骤6所求最优解所对应的N即为单次灌溉量，Δt即为灌溉间隔时间，将其输出到控制器。