一种基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统及方法
一种基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及农业果园单轨车研宄领域，特别涉及一种基于动态含水量估计的智能 灌溉调控系统及方法。
【背景技术】
[0002] 我国传统农业的管理大多依靠人工完成，效率低下、工作量大、管理不科学。中小 型农场设施现代化水平低，缺乏配套设施，存在可靠性和时效性问题。作物的灌溉大都采用 漫灌或渠灌，且仅凭个人的经验选择水分补给时间。
[0003] 目前，WSN(WirelessSensorNetwork)及GPRS(GeneralPacketRadioService) 技术对能够农作物的整个生长周期内实现全天候，实时的灌溉环境监测数据将采集到的数 据上传至远程服务器。服务器中的灌溉决策系统以无线监测系统采集的环境信息作为灌溉 决策系统的数据基础实现灌溉。此技术的局限性在于灌溉环境监测数据存储和灌溉控制不 能动态估计含水量，对土地需水量无法做出及时的估计和控制。
【发明内容】
[0004] 本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于动态含水量估 计的智能灌溉调控系统，采用最大似然估计法估计整体含水量，更加精确的估计土壤含水 量，实现精准调控灌溉。
[0005] 本发明的另一个目的在于提供一种基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统的 控制方法。
[0006] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] 一种基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统，包括无线监测系统、灌溉控制系 统及灌溉决策系统，所述无线监测系统包括多个监测子系统，所述监测子系统包括监测通 信单元和土壤水分检测单元，所述灌溉控制系统包括多个灌溉子系统；所述灌溉决策系统 包括决策通信单元、决策处理单元、决策电源管理单元；所述决策通信单元用于接收无线监 测系统和灌溉控制系统的数据，并发送控制数据到灌溉控制系统；所述决策电源管理单元 为决策通信单元和决策处理单元提供电力保障，所述决策处理单元根据决策通信单元接收 到的信息，由灌溉决策模型决断出灌溉量，然后控制决策通信单元发送控制信令到灌溉控 制系统；决策处理单元可设定自动决策，设置决策时间，控制灌溉控制系统作业，也可手动 决策，填写相关参数，手动控制灌溉控制系统进行作业；所述的控制通信单元接收决策通信 单元的控制信息，并且上传数据到灌溉决策系统。
[0008] 优选的，所述监测通信单元用于采集土壤水分检测单元的数据，并能够以子系统 的方式与灌溉控制系统和灌溉决策系统组成AD_H0C无线网络，将所采集的数据上传到灌 溉决策系统；所述的土壤水分检测单元包括土壤水分传感器、雨量传感器、风速传感器、光 照传感器、温度传感器，能够实时检测土壤的湿度、降水量、实时风速、光照强度和时长及土 壤上层空气温度。
[0009] 优选的，所述灌溉子系统包括控制器、控制通信单元、蓄电池、电磁阀及滴灌管；所 述控制器包括主处理器单元、充电控制单元、电磁阀驱动单元、人机接口单元，控制器接收 控制通信单元的控制数据，产生控制信令控制电磁阀的动作，并且能够产生数据由控制通 信单元发送到灌溉决策系统。
[0010] 优选的，所述的主处理器单元采集控制通信单元的控制数据，并根据所接收到的 控制数据，控制电磁阀驱动单元产生相应的控制信号，使电磁阀通断；
[0011] 所述人机接口单元可以人工设置灌溉控制系统的内部信息，并能够将内部设置信 息上传到主处理器单元；所述内部信息包括选定作物类型、生长阶段、作物生育阶、作物综 合系数值及土壤类型；
[0012] 所述充电控制单元为控制器提供稳定的电源保障；
[0013] 所述电磁阀驱动单元接收主处理器单元的控制信号，并产生相应动作使电磁阀通 断。
[0014] 优选的，所述决策通信单元用于接收无线监测系统和灌溉控制系统的数据，并能 够发送控制数据到灌溉控制系统；所述决策电源管理单元为决策通信单元和决策处理单元 提供电力保障。
[0015] 优选的，所述决策处理单元根据决策通信单元接收到的信息，由灌溉决策模型决 断出灌溉量，然后控制决策通信单元发送控制信令到灌溉控制系统；决策处理单元可以设 定自动决策，设置决策时间，控制灌溉控制系统作业，也可以手动决策，填写相关参数，手动 控制灌溉控制系统进行作业。
[0016] 优选的，所述灌溉决策模型采用彭曼公式作为数学模型计算参考作物的蒸腾蒸发 量ET。，用作物系数法得到实际作物蒸腾蒸发量ET，用水量平衡方程计算出土壤计划层内储 水量Wt，采用最大似然估计法判断是否需要灌溉，以及灌溉量。
[0017] 优选的，所述彭曼公式为：
[0018]
[0019] 式中：参考作物蒸发蒸腾量（mm/d) ;A为饱和水气压~温度曲线上的斜率 (kpa/°C) ;Rn为植物表面净辐射值；G为土壤热通量，y为湿度计常数（kpa/°C) ;U2为离 地面2米高度出的平均风速值（m/s) ;ea为饱和水汽压（kpa) ;ed为空气实际水汽压（kpa);
[0020] 所述实际作物蒸腾蒸发量ET计算公式为：
[0021] ET=KcXET〇
[0022] 式中：Kc为综合作物系数，ET为实际作物需水量（mm/d);
[0023] 所述土壤计划层内储水量Wt为任一时段土壤计划湿润层内的储水量，其计算公式 为：
[0024] Wt -ff〇=ffr+P〇+K+M-ET
[0025] 式中：为时段出的土壤计划湿润层内储水量（mm)，W,为由于计划湿润层增加而 增加的水量（mm)Jc)为降雨入渗量（_)，K为时段内的地下水补给量（mm)，M为时段内的灌 溉水量（mm)。
[0026] 优选的，所述最大似然估计法对每个监测子系统采集上来的信息所计算的点含水 量进行考察，能够更准确地估计整个灌溉区域的整体含水量，所述对点含水量进行考察为 分别采用参数为a的指数分布模型和参数为（y，〇2)的正态分布模型，将各个监测子系 统的含水量导入模型中，计算出两个分布模型下的最大似然估计值，然后分别取出概率最 大的点，比较两个点的概率，取概率大的点为整体含水量的估计。
[0027] 为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案：
[0028] 基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统的控制方法，包括下述步骤：
[0029] (1)初始化系统，检测无线监测系统、灌溉决策系统和灌溉控制系统是否正常工 作，如果出现异常发出系统失效预警；
[0030] (2)监测通信单元、决策通信单元和控制通信单元组成AD_H0C无线网络；
[0031] (3) 土壤水分检测单元实时检测土壤的环境数据，监测通信单元定期采集土壤水 分检测单元的数据，并将所采集数据上传到灌溉决策系统；
[0032] (4)控制器将内部信息经由控制通信单元发送给灌溉决策系统，所述内部信息包 括人机交互单元的输入信息、电磁阀控制单元参数；
[0033] (5)基于（4)，用户可以经由人机交互单元输入信息，对灌溉模型的参数进行修 改；
[0034] (6)灌溉决策系统接收到无线监测系统和灌溉控制系统的数据，将用户经人机交 互单元的修改信息写入到灌溉模型中，采集的环境数据导入到灌溉模型当中，计算出每个 监测子系统点的含水量，并导入到最大似然估计模型中，估计出灌溉区的整体含水量，判断 是否需要灌溉及灌溉量，产生控制数据；
[0035] (7)基于（6)，灌溉决策模型可以设定自动决策，设置决策时间，也可手动决策，填 与相关参数；
[0036] (8)灌溉决策系统将经灌溉模型处理后的控制数据，经由决策通信单元发送灌溉 控制系统；
[0037](9)灌溉控制系统接收到灌溉决策系统发送的控制数据，主处理器会产生相应控 制信令，控制电磁阀驱动单元产生相应动作，控制电磁阀的通断。
[0038] 本发明具有如下优点和有益效果：
[0039]1.本发明能够自动感知土壤水分的含量，并能够根据灌溉决策及时补充土壤所需 水分。
[0040] 2.本发明可以实现人工设置灌溉决策，使得灌溉决策更能符合人的需求。
[0041] 3本发明可以实现远程监控土壤水分含量，减少人工实地检测工作量。
[0042] 4本发明采用最大似然估 计法，更加精确的估计整个灌溉区土壤水分的含量，提高 灌溉的精度。
【附图说明】
[0043] 图1是本发明系统的总体示意图；
[0044]图2是本发明系统的灌溉监测系统电路连接关系示意图；
[0045] 图3是本发明系统的灌溉决策系统电路连接关系示意图；
[0046] 图4是本发明系统的灌溉控制系统电路连接关系示意图。
【具体实施方式】
[0047]下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。
[0048] 实施例
[0049] 现有技术中，估计含水量方面主要是直接根据土壤水分传感器来估量土壤的含水 量，没有综合环境参数对于估量土壤含水量的影响，并且土壤水分估量属于点估计无法对 整个区域的土壤含水量进行精确的估量。
[0050] 本实施例的基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统包括无线监测系统、灌溉决 策系统与灌溉控制系统三部分。所述无线监测系统包括多个监测子系统，所述监测子系统 包括监测通信单元和土壤水分检测单元，土壤水分检测单元实时检测土壤的环境参数，监 测通信单元定期采集土壤水分检测单元的数据，并将所采集数据上传给灌溉决策系统；所 述灌溉决策系统包括决策通信单元、决策处理单元、决策电源管理单元，决策通信单元接收 无线监测系统和灌溉控制系统上传的数据，并发送控制数据到灌溉控制系统，决策处理系 统采集决策通信单元所接收的数据，控制决策通信单元发送控制数据到灌溉控制系统；所 述灌溉控制系统包括多个灌溉子系统，所述灌溉子系统包括控制器、控制通信单元、蓄电 池、电磁阀、滴灌管；所述控制通信单元用于接收灌溉决策系统发送的控制数据，并上传数 据到灌溉决策系统；所述控制器能够根据控制通信单元所接收的控制数据产生相应控制信 令，使电磁阀产生相应动作，进行自主灌溉。
[0051] 本实施例所述基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统，如图1所示，包括监测 通信单元4、传感器1、传感器2、传感器3、监测通信单元5、监测通信单元6、灌溉决策系统 7、灌溉子系统8、灌溉子系统9、灌溉子系统10、灌溉子系统11。每个监测通信单元连接传 感器1、传感器2、传感器3等多个传感器，监测通信单元定时将传感器检测到的数据上传到 灌溉决策系统7,灌溉决策模型后产生相应的控制数据，灌溉子系统8、灌溉子系统9、灌溉 子系统10、灌溉子系统11等多个灌溉子系统会根据接收到的控制数据，产生相应的动作进 而进行灌溉。
[0052] 如图2所示，所述监测通信单元用于采集土壤水分检测单元的数据，并能够以子 系统的方式与灌溉控制系统和灌溉决策系统组成AD_HOC无线网络，将所采集的数据上传 到灌溉决策系统。所述监测通信单元包括电源管理模块和微波通信模块，该电源管理模块 包括CN3722、MOS管与3. 3VDC-DC模块，DC-DC模块输出两路稳压电源5V与3. 3V，5V电源 用于传感器供电；3. 3V电源为微波通信模块。
[0053] 所述微波通信模块，可采用SMA-A-B-N(2. 4GHz天线）、CC2530 (集成微波发送模 块、微波接收模块）。
[0054] 如图3所示，所述灌溉决策系统包括决策通信单元、决策处理单元、决策电源管 理单元，决策电源管理单元包括3.3VDC-DC模块和电源适配器，DC-DC模块输出稳压电源 3.3￥，3.3￥电源为微波发送单元供电。电源适配器可提供40 22(^稳压电源或者5￥稳压电 源。
[0055] 所述决策处理单元根据决策通信单元接收到的信息，由灌溉决策模型决断出灌溉 量，然后控制决策通信单元发送控制信令到灌溉控制系统；决策处理单元可以设定自动决 策，设置决策时间，控制灌溉控制系统作业，也可以手动决策，填写相关参数，手动控制灌溉 控制系统进行作业，所述决策处理单元可为具有连接WEB功能的PC终端。
[0056] 所述灌溉决策模型采用彭曼公式作为数学模型计算参考作物的蒸腾蒸发量ET。， 用作物系数法得到实际作物蒸腾蒸发量ET，用水量平衡方程计算出土壤计划层内储水量 Wt，采用最大似然估计法判断是否需要灌溉，以及灌溉量。
[0057] 所述彭曼公式为：
[0058]
[0059] 式中：ET。为参考作物蒸发蒸腾量（mm/d) ;A为饱和水气压~温度曲线上的斜率 (kpa/°C) ;Rn为植物表面净辐射值；G为土壤热通量，y为湿度计常数（kpa/°C) ;U2为离 地面2米高度出的平均风速值（m/s) ;ea为饱和水汽压（kpa) ;ed为空气实际水汽压（kpa)。
[0060] 所述实际作物蒸腾蒸发量ET计算公式为：
[0061] ET=KcXET〇
[0062] 式中：Kc为综合作物系数（查表所得），ET为实际作物需水量（mm/d)。
[0063] 所述土壤计划层内储水量Wt为任一时段土壤计划湿润层内的储水量，其计算公式 为：
[0064] Wt -ff〇=ffr+P〇+K+M-ET
[0065] 式中：为时段出的土壤计划湿润层内储水量（mm)，为由于计划湿润层增加而 增加的水量（mm)Jc)为降雨入渗量（_)，K为时段内的地下水补给量（mm)，M为时段内的灌 溉水量（mm)。
[0066] 所述最大似然估计法对每个监测子系统采集上来的信息所计算的点含水量进行 考察，能够更准确地估计整个灌溉区域的整体含水量。所述对点含水量进行考察为分别采 用参数为A的指数分布模型和参数为（y，〇2)的正态分布模型，将各个监测子系统的含 水量导入模型中，计算出两个分布模型下的最大似然估计值，然后分别取出概率最大的点， 比较两个点的概率，取概率大的点为整体含水量的估计。
[0067] 所述决策通信单元用于接收无线监测系统和灌溉控制系统的数据，并能够发送控 制数据到灌溉控制系统；所述决策电源管理单元为决策通信单元和决策处理单元提供电力 保障，所述决策通信单元，可采用SMA--A-B-N(2. 4GHz天线）、CC2530 (集成微波发送模块、 微波接收模块）。
[0068] 如图4所示，所示充电控制单元包括电源管理模块，该模块包括CN3722、MOS管与 3. 3VDC-DC模块，DC-DC模块输出两路稳压电源5V与3. 3V，5V电源用于人机接口单元和电 磁阀驱动单元；3. 3V电源为主处理器单元和控制通信单元。
[0069] 控制通信单元，可采用SMA-A-B-N(2. 4GHz天线）、CC2530 (集成微波发送模块、微 波接收模块）。
[0070] 所述主处理器单元采用STM32F4xxx系列单片机，当然本实施例的主处理器单元 并不限于上述一种类型，其他符合本发明技术方案的处理器均适用于本申请。
[0071] -种基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统控制方法，该方法是：土壤水分检 测单元实时检测土壤的环境数据，监测通信单元定期采集土壤水分检测单元的数据，并将 所采集数据上传到灌溉决策系统，决策处理系统将决策通信单元接收的数据采集，计算出 每个监测子系统的含水量，并导入到最大似然估计模型中，估计出灌溉区的整体含水量，判 断是否需要灌溉及灌溉量，产生控制数据，由决策通信单元发送到灌溉决策控制系统。控 制器能够根据控制通信单元所接收的控制数据产生相应控制信令，控制电磁阀产生相应动 作，进行自主灌溉。本发明于采用最大似然估计法估计整体含水量，更加精确的估计土壤含 水量，实现精准调控灌溉。具体包括以下步骤：
[0072] (1)初始化系统，检测无线监测系统、灌溉决策系统和灌溉控制系统是否正常工 作，如果出现异常发出系统失效预警。
[0073] (2)监测通信单元、决策通信单元和控制通信单元组成AD_HOC无线网络。
[0074] (3)土壤水分检测单元实时检测土壤的环境数据，监测通信单元定期采集土壤水 分检测单元的数据，并将所采集数据上传到灌溉决策系统。
[0075] (4)控制器将内部信息（人机交互单元的输入信息、电磁阀控制单元参数）经由控 制通信单元发送给灌溉决策系统。
[0076] (5)基于（4)，用户可以经由人机交互单元输入信息，对灌溉模型的参数进行修 改。
[0077] (6)灌溉决策系统接收到无线监测系统和灌溉控制系统的数据，将用户经人机交 互单元的修改信息写入到灌溉模型中，采集的环境数据导 入到灌溉模型当中，计算出每个 监测子系统点的含水量，并导入到最大似然估计模型中，估计出灌溉区的整体含水量，判断 是否需要灌溉及灌溉量，产生控制数据。
[0078] (7)基于（6)，灌溉决策模型可以设定自动决策，设置决策时间，也可手动决策，填 与相关参数。
[0079] (8)灌溉决策系统将经灌溉模型处理后的控制数据，经由决策通信单元发送灌溉 控制系统。
[0080] (9)灌溉控制系统接收到灌溉决策系统发送的控制数据，主处理器会产生相应控 制信令，控制电磁阀驱动单元产生相应动作，控制电磁阀的通断。
[0081] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统，其特征在于，包括无线监测系统、灌 溉控制系统及灌溉决策系统，所述无线监测系统包括多个监测子系统，所述监测子系统包 括监测通信单元和土壤水分检测单元，所述灌溉控制系统包括多个灌溉子系统；所述灌溉 决策系统包括决策通信单元、决策处理单元、决策电源管理单元；所述决策通信单元用于接 收无线监测系统和灌溉控制系统的数据，并发送控制数据到灌溉控制系统；所述决策电源 管理单元为决策通信单元和决策处理单元提供电力保障，所述决策处理单元根据决策通信 单元接收到的信息，由灌溉决策模型决断出灌溉量，然后控制决策通信单元发送控制信令 到灌溉控制系统；决策处理单元可设定自动决策，设置决策时间，控制灌溉控制系统作业， 也可手动决策，填写相关参数，手动控制灌溉控制系统进行作业；所述的控制通信单元接收 决策通信单元的控制信息，并且上传数据到灌溉决策系统。2. 根据权利要求1所述的基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统，其特征在于，所 述监测通信单元用于采集土壤水分检测单元的数据，并能够以子系统的方式与灌溉控制系 统和灌溉决策系统组成AD_HOC无线网络，将所采集的数据上传到灌溉决策系统；所述的土 壤水分检测单元包括土壤水分传感器、雨量传感器、风速传感器、光照传感器、温度传感器， 能够实时检测土壤的湿度、降水量、实时风速、光照强度和时长及土壤上层空气温度。3. 根据权利要求1所述的基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统，其特征在于，所 述灌溉子系统包括控制器、控制通信单元、蓄电池、电磁阀及滴灌管；所述控制器包括主处 理器单元、充电控制单元、电磁阀驱动单元、人机接口单元，控制器接收控制通信单元的控 制数据，产生控制信令控制电磁阀的动作，并且能够产生数据由控制通信单元发送到灌溉 决策系统。4. 根据权利要求3所述的基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统，其特征在于，所 述的主处理器单元采集控制通信单元的控制数据，并根据所接收到的控制数据，控制电磁 阀驱动单元产生相应的控制信号，使电磁阀通断； 所述人机接口单元可以人工设置灌溉控制系统的内部信息，并能够将内部设置信息上 传到主处理器单元；所述内部信息包括选定作物类型、生长阶段、作物生育阶、作物综合系 数值及土壤类型； 所述充电控制单元为控制器提供稳定的电源保障； 所述电磁阀驱动单元接收主处理器单元的控制信号，并产生相应动作使电磁阀通断。5. 根据权利要求1所述基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统，其特征在于，所述 决策通信单元用于接收无线监测系统和灌溉控制系统的数据，并能够发送控制数据到灌溉 控制系统；所述决策电源管理单元为决策通信单元和决策处理单元提供电力保障。6. 根据权利要求1所述基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统，其特征在于，所述 决策处理单元根据决策通信单元接收到的信息，由灌溉决策模型决断出灌溉量，然后控制 决策通信单元发送控制信令到灌溉控制系统；决策处理单元可以设定自动决策，设置决策 时间，控制灌溉控制系统作业，也可以手动决策，填写相关参数，手动控制灌溉控制系统进 行作业。7. 根据权利要求6所述基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统，其特征在于，所述 灌溉决策模型采用彭曼公式作为数学模型计算参考作物的蒸腾蒸发量EI；，用作物系数法 得到实际作物蒸腾蒸发量ET，用水量平衡方程计算出土壤计划层内储水量Wt，采用最大似 然估计法判断是否需要灌溉，以及灌溉量。8. 根据权利要求7所述基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统，其特征在于，所述 彭曼公式为：式中：El；*参考作物蒸发蒸腾量（mm/d) ;△为饱和水气压~温度曲线上的斜率 (kpa/°C) ;Rn为植物表面净辐射值；G为土壤热通量，y为湿度计常数（kpa/°C) ;U2为离 地面2米高度出的平均风速值（m/s) ;ea为饱和水汽压（kpa) ;ed为空气实际水汽压（kpa); 所述实际作物蒸腾蒸发量ET计算公式为： ET = KcXET〇 式中：K。为综合作物系数，ET为实际作物需水量（mm/d); 所述土壤计划层内储水量Wt为任一时段土壤计划湿润层内的储水量，其计算公式为： fft - ff〇= ff r+P〇+K+M - ET 式中：为时段出的土壤计划湿润层内储水量（mm)，为由于计划湿润层增加而增加 的水量为降雨入渗量（_)，K为时段内的地下水补给量（mm)，M为时段内的灌溉水 s.(mm) 〇9. 根据权利要求8所述基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统，其特征在于，所述 最大似然估计法对每个监测子系统采集上来的信息所计算的点含水量进行考察，能够更准 确地估计整个灌溉区域的整体含水量，所述对点含水量进行考察为分别采用参数为A的 指数分布模型和参数为（U，〇2)的正态分布模型，将各个监测子系统的含水量导入模型 中，计算出两个分布模型下的最大似然估计值，然后分别取出概率最大的点，比较两个点的 概率，取概率大的点为整体含水量的估计。10. 根据权利要求1所述基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统的控制方法，其特 征在于，包括下述步骤： (1) 初始化系统，检测无线监测系统、灌溉决策系统和灌溉控制系统是否正常工作，如 果出现异常发出系统失效预警； (2) 监测通信单元、决策通信单元和控制通信单元组成AD_HOC无线网络； (3) 土壤水分检测单元实时检测土壤的环境数据，监测通信单元定期采集土壤水分检 测单元的数据，并将所采集数据上传到灌溉决策系统； (4) 控制器将内部信息经由控制通信单元发送给灌溉决策系统，所述内部信息包括人 机交互单元的输入信息、电磁阀控制单元参数； (5) 基于（4)，用户可以经由人机交互单元输入信息，对灌溉模型的参数进行修改； (6) 灌溉决策系统接收到无线监测系统和灌溉控制系统的数据，将用户经人机交互单 元的修改信息写入到灌溉模型中，采集的环境数据导入到灌溉模型当中，计算出每个监测 子系统点的含水量，并导入到最大似然估计模型中，估计出灌溉区的整体含水量，判断是否 需要灌溉及灌溉量，产生控制数据； (7) 基于（6)，灌溉决策模型可以设定自动决策，设置决策时间，也可手动决策，填写相 关参数； (8) 灌溉决策系统将经灌溉模型处理后的控制数据，经由决策通信单元发送灌溉控制 系统； (9)灌溉控制系统接收到灌溉决策系统发送的控制数据，主处理器会产生相应控制信 令，控制电磁阀驱动单元产生相应动作，控制电磁阀的通断。
【专利摘要】本发明公开了一种基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统及方法，该系统包括无线监测系统、灌溉决策系统与灌溉控制系统。所述无线监测系统包括多个监测子系统，监测子系统包括监测通信单元和土壤水分检测单元；灌溉决策系统包括决策通信单元、决策处理单元、决策电源管理单元；灌溉控制系统包括多个灌溉子系统；方法是：土壤水分检测单元实时检测土壤的环境数据，监测通信单元定期采集土壤水分检测单元的数据，决策处理系统采集决策通信单元所接收的数据，估计出灌溉区的整体含水量，产生控制数据，使电磁阀产生相应动作，进行自主灌溉。本发明于采用最大似然估计法动态估计整个灌溉区的含水量，更加精确的估计土壤含水量，实现精准调控灌溉。
【IPC分类】A01G25/16
【公开号】CN104904569
【申请号】CN201510270035
【发明人】王健, 岳学军, 刘永鑫, 谭远祥, 瞿祥明, 全东平, 王举, 李文杰, 方武宣, 黄秋怡, 程瑶, 李国涛
【申请人】华南农业大学
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年5月25日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及农业果园单轨车研宄领域，特别涉及一种基于动态含水量估计的智能 灌溉调控系统及方法。
【背景技术】
[0002] 我国传统农业的管理大多依靠人工完成，效率低下、工作量大、管理不科学。中小 型农场设施现代化水平低，缺乏配套设施，存在可靠性和时效性问题。作物的灌溉大都采用 漫灌或渠灌，且仅凭个人的经验选择水分补给时间。
[0003] 目前，WSN(WirelessSensorNetwork)及GPRS(GeneralPacketRadioService) 技术对能够农作物的整个生长周期内实现全天候，实时的灌溉环境监测数据将采集到的数 据上传至远程服务器。服务器中的灌溉决策系统以无线监测系统采集的环境信息作为灌溉 决策系统的数据基础实现灌溉。此技术的局限性在于灌溉环境监测数据存储和灌溉控制不 能动态估计含水量，对土地需水量无法做出及时的估计和控制。
【发明内容】
[0004] 本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于动态含水量估 计的智能灌溉调控系统，采用最大似然估计法估计整体含水量，更加精确的估计土壤含水 量，实现精准调控灌溉。
[0005] 本发明的另一个目的在于提供一种基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统的 控制方法。
[0006] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] 一种基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统，包括无线监测系统、灌溉控制系 统及灌溉决策系统，所述无线监测系统包括多个监测子系统，所述监测子系统包括监测通 信单元和土壤水分检测单元，所述灌溉控制系统包括多个灌溉子系统；所述灌溉决策系统 包括决策通信单元、决策处理单元、决策电源管理单元；所述决策通信单元用于接收无线监 测系统和灌溉控制系统的数据，并发送控制数据到灌溉控制系统；所述决策电源管理单元 为决策通信单元和决策处理单元提供电力保障，所述决策处理单元根据决策通信单元接收 到的信息，由灌溉决策模型决断出灌溉量，然后控制决策通信单元发送控制信令到灌溉控 制系统；决策处理单元可设定自动决策，设置决策时间，控制灌溉控制系统作业，也可手动 决策，填写相关参数，手动控制灌溉控制系统进行作业；所述的控制通信单元接收决策通信 单元的控制信息，并且上传数据到灌溉决策系统。
[0008] 优选的，所述监测通信单元用于采集土壤水分检测单元的数据，并能够以子系统 的方式与灌溉控制系统和灌溉决策系统组成AD_H0C无线网络，将所采集的数据上传到灌 溉决策系统；所述的土壤水分检测单元包括土壤水分传感器、雨量传感器、风速传感器、光 照传感器、温度传感器，能够实时检测土壤的湿度、降水量、实时风速、光照强度和时长及土 壤上层空气温度。
[0009] 优选的，所述灌溉子系统包括控制器、控制通信单元、蓄电池、电磁阀及滴灌管；所 述控制器包括主处理器单元、充电控制单元、电磁阀驱动单元、人机接口单元，控制器接收 控制通信单元的控制数据，产生控制信令控制电磁阀的动作，并且能够产生数据由控制通 信单元发送到灌溉决策系统。
[0010] 优选的，所述的主处理器单元采集控制通信单元的控制数据，并根据所接收到的 控制数据，控制电磁阀驱动单元产生相应的控制信号，使电磁阀通断；
[0011] 所述人机接口单元可以人工设置灌溉控制系统的内部信息，并能够将内部设置信 息上传到主处理器单元；所述内部信息包括选定作物类型、生长阶段、作物生育阶、作物综 合系数值及土壤类型；
[0012] 所述充电控制单元为控制器提供稳定的电源保障；
[0013] 所述电磁阀驱动单元接收主处理器单元的控制信号，并产生相应动作使电磁阀通 断。
[0014] 优选的，所述决策通信单元用于接收无线监测系统和灌溉控制系统的数据，并能 够发送控制数据到灌溉控制系统；所述决策电源管理单元为决策通信单元和决策处理单元 提供电力保障。
[0015] 优选的，所述决策处理单元根据决策通信单元接收到的信息，由灌溉决策模型决 断出灌溉量，然后控制决策通信单元发送控制信令到灌溉控制系统；决策处理单元可以设 定自动决策，设置决策时间，控制灌溉控制系统作业，也可以手动决策，填写相关参数，手动 控制灌溉控制系统进行作业。
[0016] 优选的，所述灌溉决策模型采用彭曼公式作为数学模型计算参考作物的蒸腾蒸发 量ET。，用作物系数法得到实际作物蒸腾蒸发量ET，用水量平衡方程计算出土壤计划层内储 水量Wt，采用最大似然估计法判断是否需要灌溉，以及灌溉量。
[0017] 优选的，所述彭曼公式为：
[0018]
[0019] 式中：参考作物蒸发蒸腾量（mm/d) ;A为饱和水气压~温度曲线上的斜率 (kpa/°C) ;Rn为植物表面净辐射值；G为土壤热通量，y为湿度计常数（kpa/°C) ;U2为离 地面2米高度出的平均风速值（m/s) ;ea为饱和水汽压（kpa) ;ed为空气实际水汽压（kpa);
[0020] 所述实际作物蒸腾蒸发量ET计算公式为：
[0021] ET=KcXET〇
[0022] 式中：Kc为综合作物系数，ET为实际作物需水量（mm/d);
[0023] 所述土壤计划层内储水量Wt为任一时段土壤计划湿润层内的储水量，其计算公式 为：
[0024] Wt -ff〇=ffr+P〇+K+M-ET
[0025] 式中：为时段出的土壤计划湿润层内储水量（mm)，W,为由于计划湿润层增加而 增加的水量（mm)Jc)为降雨入渗量（_)，K为时段内的地下水补给量（mm)，M为时段内的灌 溉水量（mm)。
[0026] 优选的，所述最大似然估计法对每个监测子系统采集上来的信息所计算的点含水 量进行考察，能够更准确地估计整个灌溉区域的整体含水量，所述对点含水量进行考察为 分别采用参数为a的指数分布模型和参数为（y，〇2)的正态分布模型，将各个监测子系 统的含水量导入模型中，计算出两个分布模型下的最大似然估计值，然后分别取出概率最 大的点，比较两个点的概率，取概率大的点为整体含水量的估计。
[0027] 为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案：
[0028] 基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统的控制方法，包括下述步骤：
[0029] (1)初始化系统，检测无线监测系统、灌溉决策系统和灌溉控制系统是否正常工 作，如果出现异常发出系统失效预警；
[0030] (2)监测通信单元、决策通信单元和控制通信单元组成AD_H0C无线网络；
[0031] (3) 土壤水分检测单元实时检测土壤的环境数据，监测通信单元定期采集土壤水 分检测单元的数据，并将所采集数据上传到灌溉决策系统；
[0032] (4)控制器将内部信息经由控制通信单元发送给灌溉决策系统，所述内部信息包 括人机交互单元的输入信息、电磁阀控制单元参数；
[0033] (5)基于（4)，用户可以经由人机交互单元输入信息，对灌溉模型的参数进行修 改；
[0034] (6)灌溉决策系统接收到无线监测系统和灌溉控制系统的数据，将用户经人机交 互单元的修改信息写入到灌溉模型中，采集的环境数据导入到灌溉模型当中，计算出每个 监测子系统点的含水量，并导入到最大似然估计模型中，估计出灌溉区的整体含水量，判断 是否需要灌溉及灌溉量，产生控制数据；
[0035] (7)基于（6)，灌溉决策模型可以设定自动决策，设置决策时间，也可手动决策，填 与相关参数；
[0036] (8)灌溉决策系统将经灌溉模型处理后的控制数据，经由决策通信单元发送灌溉 控制系统；
[0037](9)灌溉控制系统接收到灌溉决策系统发送的控制数据，主处理器会产生相应控 制信令，控制电磁阀驱动单元产生相应动作，控制电磁阀的通断。
[0038] 本发明具有如下优点和有益效果：
[0039]1.本发明能够自动感知土壤水分的含量，并能够根据灌溉决策及时补充土壤所需 水分。
[0040] 2.本发明可以实现人工设置灌溉决策，使得灌溉决策更能符合人的需求。
[0041] 3本发明可以实现远程监控土壤水分含量，减少人工实地检测工作量。
[0042] 4本发明采用最大似然估 计法，更加精确的估计整个灌溉区土壤水分的含量，提高 灌溉的精度。
【附图说明】
[0043] 图1是本发明系统的总体示意图；
[0044]图2是本发明系统的灌溉监测系统电路连接关系示意图；
[0045] 图3是本发明系统的灌溉决策系统电路连接关系示意图；
[0046] 图4是本发明系统的灌溉控制系统电路连接关系示意图。
【具体实施方式】
[0047]下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。
[0048] 实施例
[0049] 现有技术中，估计含水量方面主要是直接根据土壤水分传感器来估量土壤的含水 量，没有综合环境参数对于估量土壤含水量的影响，并且土壤水分估量属于点估计无法对 整个区域的土壤含水量进行精确的估量。
[0050] 本实施例的基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统包括无线监测系统、灌溉决 策系统与灌溉控制系统三部分。所述无线监测系统包括多个监测子系统，所述监测子系统 包括监测通信单元和土壤水分检测单元，土壤水分检测单元实时检测土壤的环境参数，监 测通信单元定期采集土壤水分检测单元的数据，并将所采集数据上传给灌溉决策系统；所 述灌溉决策系统包括决策通信单元、决策处理单元、决策电源管理单元，决策通信单元接收 无线监测系统和灌溉控制系统上传的数据，并发送控制数据到灌溉控制系统，决策处理系 统采集决策通信单元所接收的数据，控制决策通信单元发送控制数据到灌溉控制系统；所 述灌溉控制系统包括多个灌溉子系统，所述灌溉子系统包括控制器、控制通信单元、蓄电 池、电磁阀、滴灌管；所述控制通信单元用于接收灌溉决策系统发送的控制数据，并上传数 据到灌溉决策系统；所述控制器能够根据控制通信单元所接收的控制数据产生相应控制信 令，使电磁阀产生相应动作，进行自主灌溉。
[0051] 本实施例所述基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统，如图1所示，包括监测 通信单元4、传感器1、传感器2、传感器3、监测通信单元5、监测通信单元6、灌溉决策系统 7、灌溉子系统8、灌溉子系统9、灌溉子系统10、灌溉子系统11。每个监测通信单元连接传 感器1、传感器2、传感器3等多个传感器，监测通信单元定时将传感器检测到的数据上传到 灌溉决策系统7,灌溉决策模型后产生相应的控制数据，灌溉子系统8、灌溉子系统9、灌溉 子系统10、灌溉子系统11等多个灌溉子系统会根据接收到的控制数据，产生相应的动作进 而进行灌溉。
[0052] 如图2所示，所述监测通信单元用于采集土壤水分检测单元的数据，并能够以子 系统的方式与灌溉控制系统和灌溉决策系统组成AD_HOC无线网络，将所采集的数据上传 到灌溉决策系统。所述监测通信单元包括电源管理模块和微波通信模块，该电源管理模块 包括CN3722、MOS管与3. 3VDC-DC模块，DC-DC模块输出两路稳压电源5V与3. 3V，5V电源 用于传感器供电；3. 3V电源为微波通信模块。
[0053] 所述微波通信模块，可采用SMA-A-B-N(2. 4GHz天线）、CC2530 (集成微波发送模 块、微波接收模块）。
[0054] 如图3所示，所述灌溉决策系统包括决策通信单元、决策处理单元、决策电源管 理单元，决策电源管理单元包括3.3VDC-DC模块和电源适配器，DC-DC模块输出稳压电源 3.3￥，3.3￥电源为微波发送单元供电。电源适配器可提供40 22(^稳压电源或者5￥稳压电 源。
[0055] 所述决策处理单元根据决策通信单元接收到的信息，由灌溉决策模型决断出灌溉 量，然后控制决策通信单元发送控制信令到灌溉控制系统；决策处理单元可以设定自动决 策，设置决策时间，控制灌溉控制系统作业，也可以手动决策，填写相关参数，手动控制灌溉 控制系统进行作业，所述决策处理单元可为具有连接WEB功能的PC终端。
[0056] 所述灌溉决策模型采用彭曼公式作为数学模型计算参考作物的蒸腾蒸发量ET。， 用作物系数法得到实际作物蒸腾蒸发量ET，用水量平衡方程计算出土壤计划层内储水量 Wt，采用最大似然估计法判断是否需要灌溉，以及灌溉量。
[0057] 所述彭曼公式为：
[0058]
[0059] 式中：ET。为参考作物蒸发蒸腾量（mm/d) ;A为饱和水气压~温度曲线上的斜率 (kpa/°C) ;Rn为植物表面净辐射值；G为土壤热通量，y为湿度计常数（kpa/°C) ;U2为离 地面2米高度出的平均风速值（m/s) ;ea为饱和水汽压（kpa) ;ed为空气实际水汽压（kpa)。
[0060] 所述实际作物蒸腾蒸发量ET计算公式为：
[0061] ET=KcXET〇
[0062] 式中：Kc为综合作物系数（查表所得），ET为实际作物需水量（mm/d)。
[0063] 所述土壤计划层内储水量Wt为任一时段土壤计划湿润层内的储水量，其计算公式 为：
[0064] Wt -ff〇=ffr+P〇+K+M-ET
[0065] 式中：为时段出的土壤计划湿润层内储水量（mm)，为由于计划湿润层增加而 增加的水量（mm)Jc)为降雨入渗量（_)，K为时段内的地下水补给量（mm)，M为时段内的灌 溉水量（mm)。
[0066] 所述最大似然估计法对每个监测子系统采集上来的信息所计算的点含水量进行 考察，能够更准确地估计整个灌溉区域的整体含水量。所述对点含水量进行考察为分别采 用参数为A的指数分布模型和参数为（y，〇2)的正态分布模型，将各个监测子系统的含 水量导入模型中，计算出两个分布模型下的最大似然估计值，然后分别取出概率最大的点， 比较两个点的概率，取概率大的点为整体含水量的估计。
[0067] 所述决策通信单元用于接收无线监测系统和灌溉控制系统的数据，并能够发送控 制数据到灌溉控制系统；所述决策电源管理单元为决策通信单元和决策处理单元提供电力 保障，所述决策通信单元，可采用SMA--A-B-N(2. 4GHz天线）、CC2530 (集成微波发送模块、 微波接收模块）。
[0068] 如图4所示，所示充电控制单元包括电源管理模块，该模块包括CN3722、MOS管与 3. 3VDC-DC模块，DC-DC模块输出两路稳压电源5V与3. 3V，5V电源用于人机接口单元和电 磁阀驱动单元；3. 3V电源为主处理器单元和控制通信单元。
[0069] 控制通信单元，可采用SMA-A-B-N(2. 4GHz天线）、CC2530 (集成微波发送模块、微 波接收模块）。
[0070] 所述主处理器单元采用STM32F4xxx系列单片机，当然本实施例的主处理器单元 并不限于上述一种类型，其他符合本发明技术方案的处理器均适用于本申请。
[0071] -种基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统控制方法，该方法是：土壤水分检 测单元实时检测土壤的环境数据，监测通信单元定期采集土壤水分检测单元的数据，并将 所采集数据上传到灌溉决策系统，决策处理系统将决策通信单元接收的数据采集，计算出 每个监测子系统的含水量，并导入到最大似然估计模型中，估计出灌溉区的整体含水量，判 断是否需要灌溉及灌溉量，产生控制数据，由决策通信单元发送到灌溉决策控制系统。控 制器能够根据控制通信单元所接收的控制数据产生相应控制信令，控制电磁阀产生相应动 作，进行自主灌溉。本发明于采用最大似然估计法估计整体含水量，更加精确的估计土壤含 水量，实现精准调控灌溉。具体包括以下步骤：
[0072] (1)初始化系统，检测无线监测系统、灌溉决策系统和灌溉控制系统是否正常工 作，如果出现异常发出系统失效预警。
[0073] (2)监测通信单元、决策通信单元和控制通信单元组成AD_HOC无线网络。
[0074] (3)土壤水分检测单元实时检测土壤的环境数据，监测通信单元定期采集土壤水 分检测单元的数据，并将所采集数据上传到灌溉决策系统。
[0075] (4)控制器将内部信息（人机交互单元的输入信息、电磁阀控制单元参数）经由控 制通信单元发送给灌溉决策系统。
[0076] (5)基于（4)，用户可以经由人机交互单元输入信息，对灌溉模型的参数进行修 改。
[0077] (6)灌溉决策系统接收到无线监测系统和灌溉控制系统的数据，将用户经人机交 互单元的修改信息写入到灌溉模型中，采集的环境数据导 入到灌溉模型当中，计算出每个 监测子系统点的含水量，并导入到最大似然估计模型中，估计出灌溉区的整体含水量，判断 是否需要灌溉及灌溉量，产生控制数据。
[0078] (7)基于（6)，灌溉决策模型可以设定自动决策，设置决策时间，也可手动决策，填 与相关参数。
[0079] (8)灌溉决策系统将经灌溉模型处理后的控制数据，经由决策通信单元发送灌溉 控制系统。
[0080] (9)灌溉控制系统接收到灌溉决策系统发送的控制数据，主处理器会产生相应控 制信令，控制电磁阀驱动单元产生相应动作，控制电磁阀的通断。
[0081] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统，其特征在于，包括无线监测系统、灌 溉控制系统及灌溉决策系统，所述无线监测系统包括多个监测子系统，所述监测子系统包 括监测通信单元和土壤水分检测单元，所述灌溉控制系统包括多个灌溉子系统；所述灌溉 决策系统包括决策通信单元、决策处理单元、决策电源管理单元；所述决策通信单元用于接 收无线监测系统和灌溉控制系统的数据，并发送控制数据到灌溉控制系统；所述决策电源 管理单元为决策通信单元和决策处理单元提供电力保障，所述决策处理单元根据决策通信 单元接收到的信息，由灌溉决策模型决断出灌溉量，然后控制决策通信单元发送控制信令 到灌溉控制系统；决策处理单元可设定自动决策，设置决策时间，控制灌溉控制系统作业， 也可手动决策，填写相关参数，手动控制灌溉控制系统进行作业；所述的控制通信单元接收 决策通信单元的控制信息，并且上传数据到灌溉决策系统。2. 根据权利要求1所述的基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统，其特征在于，所 述监测通信单元用于采集土壤水分检测单元的数据，并能够以子系统的方式与灌溉控制系 统和灌溉决策系统组成AD_HOC无线网络，将所采集的数据上传到灌溉决策系统；所述的土 壤水分检测单元包括土壤水分传感器、雨量传感器、风速传感器、光照传感器、温度传感器， 能够实时检测土壤的湿度、降水量、实时风速、光照强度和时长及土壤上层空气温度。3. 根据权利要求1所述的基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统，其特征在于，所 述灌溉子系统包括控制器、控制通信单元、蓄电池、电磁阀及滴灌管；所述控制器包括主处 理器单元、充电控制单元、电磁阀驱动单元、人机接口单元，控制器接收控制通信单元的控 制数据，产生控制信令控制电磁阀的动作，并且能够产生数据由控制通信单元发送到灌溉 决策系统。4. 根据权利要求3所述的基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统，其特征在于，所 述的主处理器单元采集控制通信单元的控制数据，并根据所接收到的控制数据，控制电磁 阀驱动单元产生相应的控制信号，使电磁阀通断； 所述人机接口单元可以人工设置灌溉控制系统的内部信息，并能够将内部设置信息上 传到主处理器单元；所述内部信息包括选定作物类型、生长阶段、作物生育阶、作物综合系 数值及土壤类型； 所述充电控制单元为控制器提供稳定的电源保障； 所述电磁阀驱动单元接收主处理器单元的控制信号，并产生相应动作使电磁阀通断。5. 根据权利要求1所述基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统，其特征在于，所述 决策通信单元用于接收无线监测系统和灌溉控制系统的数据，并能够发送控制数据到灌溉 控制系统；所述决策电源管理单元为决策通信单元和决策处理单元提供电力保障。6. 根据权利要求1所述基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统，其特征在于，所述 决策处理单元根据决策通信单元接收到的信息，由灌溉决策模型决断出灌溉量，然后控制 决策通信单元发送控制信令到灌溉控制系统；决策处理单元可以设定自动决策，设置决策 时间，控制灌溉控制系统作业，也可以手动决策，填写相关参数，手动控制灌溉控制系统进 行作业。7. 根据权利要求6所述基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统，其特征在于，所述 灌溉决策模型采用彭曼公式作为数学模型计算参考作物的蒸腾蒸发量EI；，用作物系数法 得到实际作物蒸腾蒸发量ET，用水量平衡方程计算出土壤计划层内储水量Wt，采用最大似 然估计法判断是否需要灌溉，以及灌溉量。8. 根据权利要求7所述基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统，其特征在于，所述 彭曼公式为：式中：El；*参考作物蒸发蒸腾量（mm/d) ;△为饱和水气压~温度曲线上的斜率 (kpa/°C) ;Rn为植物表面净辐射值；G为土壤热通量，y为湿度计常数（kpa/°C) ;U2为离 地面2米高度出的平均风速值（m/s) ;ea为饱和水汽压（kpa) ;ed为空气实际水汽压（kpa); 所述实际作物蒸腾蒸发量ET计算公式为： ET = KcXET〇 式中：K。为综合作物系数，ET为实际作物需水量（mm/d); 所述土壤计划层内储水量Wt为任一时段土壤计划湿润层内的储水量，其计算公式为： fft - ff〇= ff r+P〇+K+M - ET 式中：为时段出的土壤计划湿润层内储水量（mm)，为由于计划湿润层增加而增加 的水量为降雨入渗量（_)，K为时段内的地下水补给量（mm)，M为时段内的灌溉水 s.(mm) 〇9. 根据权利要求8所述基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统，其特征在于，所述 最大似然估计法对每个监测子系统采集上来的信息所计算的点含水量进行考察，能够更准 确地估计整个灌溉区域的整体含水量，所述对点含水量进行考察为分别采用参数为A的 指数分布模型和参数为（U，〇2)的正态分布模型，将各个监测子系统的含水量导入模型 中，计算出两个分布模型下的最大似然估计值，然后分别取出概率最大的点，比较两个点的 概率，取概率大的点为整体含水量的估计。10. 根据权利要求1所述基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统的控制方法，其特 征在于，包括下述步骤： (1) 初始化系统，检测无线监测系统、灌溉决策系统和灌溉控制系统是否正常工作，如 果出现异常发出系统失效预警； (2) 监测通信单元、决策通信单元和控制通信单元组成AD_HOC无线网络； (3) 土壤水分检测单元实时检测土壤的环境数据，监测通信单元定期采集土壤水分检 测单元的数据，并将所采集数据上传到灌溉决策系统； (4) 控制器将内部信息经由控制通信单元发送给灌溉决策系统，所述内部信息包括人 机交互单元的输入信息、电磁阀控制单元参数； (5) 基于（4)，用户可以经由人机交互单元输入信息，对灌溉模型的参数进行修改； (6) 灌溉决策系统接收到无线监测系统和灌溉控制系统的数据，将用户经人机交互单 元的修改信息写入到灌溉模型中，采集的环境数据导入到灌溉模型当中，计算出每个监测 子系统点的含水量，并导入到最大似然估计模型中，估计出灌溉区的整体含水量，判断是否 需要灌溉及灌溉量，产生控制数据； (7) 基于（6)，灌溉决策模型可以设定自动决策，设置决策时间，也可手动决策，填写相 关参数； (8) 灌溉决策系统将经灌溉模型处理后的控制数据，经由决策通信单元发送灌溉控制 系统； (9)灌溉控制系统接收到灌溉决策系统发送的控制数据，主处理器会产生相应控制信 令，控制电磁阀驱动单元产生相应动作，控制电磁阀的通断。
【专利摘要】本发明公开了一种基于动态含水量估计的智能灌溉调控系统及方法，该系统包括无线监测系统、灌溉决策系统与灌溉控制系统。所述无线监测系统包括多个监测子系统，监测子系统包括监测通信单元和土壤水分检测单元；灌溉决策系统包括决策通信单元、决策处理单元、决策电源管理单元；灌溉控制系统包括多个灌溉子系统；方法是：土壤水分检测单元实时检测土壤的环境数据，监测通信单元定期采集土壤水分检测单元的数据，决策处理系统采集决策通信单元所接收的数据，估计出灌溉区的整体含水量，产生控制数据，使电磁阀产生相应动作，进行自主灌溉。本发明于采用最大似然估计法动态估计整个灌溉区的含水量，更加精确的估计土壤含水量，实现精准调控灌溉。
【IPC分类】A01G25/16
【公开号】CN104904569
【申请号】CN201510270035
【发明人】王健, 岳学军, 刘永鑫, 谭远祥, 瞿祥明, 全东平, 王举, 李文杰, 方武宣, 黄秋怡, 程瑶, 李国涛
【申请人】华南农业大学
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年5月25日
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