基于多源信息融合的大田水肥一体化智能管控系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于多源信息融合的农田水肥一体化智能管控系统及方法，包括天气预报查询接收子系统、气象实时数据采集控制子系统、云计算平台、中央控制单元、灌溉施肥控制子系统和灌溉施肥状态监测及在线故障检测系统；本发明专利技术是一种能够提供天气预报查询、作物云计算平台查询、农田气象实时采集、固态肥料快速溶解、母液实时监测调控、灌溉施肥状态监测、在线故障检测、灌溉施肥以及远程智能控制功能于一体的自动化控制系统；本发明专利技术可以综合考虑天气预报、云计算平台、气象的实时采集以及作物生长过程中的长势情况等因素，作出相对应的灌溉施肥决策，准确的做到精量灌溉和精量施肥；能实时描述作物长势，及时根据作物长势进行灌溉施肥。

Intelligent integrated control system and method for water and fertilizer integration in field based on multi-source information fusion

The invention relates to a multi-source information fusion based on the agricultural fertilizer integrated intelligent control system and method, including the weather forecast query receiving subsystem, real-time meteorological data acquisition and control subsystem, cloud computing platform, the central control unit, irrigation and fertilization control system for irrigation and fertilization condition monitoring and on-line fault detection system; the invention is a to provide weather forecast query, crop cloud computing platform query, farmland meteorological real-time acquisition, real-time monitoring, rapid dissolution of solid fertilizer, liquid fertilizer and irrigation control condition monitoring, fault detection, automatic irrigation and fertilization and remote intelligent control functions of the control system; the invention can be integrated into the cloud computing platform, and weather forecast meteorological real-time acquisition and crop growth in the process of growth and other factors, corresponding Irrigation and fertilization decision, accurate irrigation and precision fertilization, real-time description of crop growth, timely irrigation and fertilization according to crop growth.

【技术实现步骤摘要】
基于多源信息融合的大田水肥一体化智能管控系统及方法
本专利技术涉及一种基于多源信息融合的大田水肥一体化智能管控系统及方法,属于水肥一体化

技术介绍
水肥一体化微喷灌技术是将微喷灌与施肥融为一体的农业新技术。它是能将灌溉与施肥两者充分结合在一起并从根本上节约灌溉用水、最大程度提高肥料利用率的实用方式。目前为了节省人工和节约灌溉水，提高肥料利用率，逐渐在大田开始应用农田水肥一体化系统，并且逐渐成为今后农业大田生产的一种重要趋势。但是在实际操作中多数应用主要依靠使用者的栽培经验，即使有些农田水肥一体化系统实现了一定程度的自动化，但仍然存在灌溉量、施肥量、灌溉和施肥的时机都不容易实现最优化控制的问题。其中最主要的是，在实际应用中由于无法结合未来天气、农田与环境数据和种植农艺的情况，进行综合、有效、节水节电的进行大田水肥一体化的施用决策。经对现有技术的文献检索发现，中国专利技术专利“智能节水灌溉施肥系统及控制方法”(201110034371.8)公开了实现浇灌系统的节能节水、远程控制、无人值守、自动报警、浇灌施肥指导等功能。中国专利技术专利“一种测墒灌溉水肥一体化智能控制系统及控制方法”(CN201510673554.2)，公开了由土壤墒情采集站、存储有土壤墒情信息的中央控制单元和灌溉单元组成的装置系统，并在控制系统中增设了光照强度检测电路、空气温湿度检测电路以及施肥单元。以上专利分别涉及水肥一体化管理的灌溉施肥环节、土壤温湿度和农田气象数据的采集环节以及智能控制方法。但是上述专利均未涉及到结合天气预报信息、专家决策系统和现场环境测试数据，因而不能做出准确的灌溉施肥决策。并且以上专利均适用于液态肥料，对于大田施肥常用的颗粒肥而言增加了施肥的成本。随着精准农业的提出，对水肥一体化智能预测灌溉的要求也逐渐提高，迫切需要一种基于多源信息融合的农田水肥一体化智能管控系统及方法，以实现集天气预报查询、作物云计算平台、农田气象实时采集、固态颗粒肥料快速溶解、母液实时监测调控、灌溉施肥状态监测及在线故障检测和灌溉施肥于一体的农田水肥一体化的智能预测灌溉与施肥技术，这对提高水肥一体化效率和增加粮食产量有着重要现实的意义。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于多源信息融合的农田水肥一体化智能管控系统及方法，能够提供天气预报查询、作物云计算平台查询、农田气象实时采集、固态肥料快速溶解、母液实时监测调控、灌溉施肥状态监测、在线故障检测、灌溉施肥以及远程智能控制功能于一体的自动化控制系统。一种基于多源信息融合的农田水肥一体化智能管控系统，包括天气预报查询接收子系统、气象实时数据采集控制子系统、云计算平台、中央控制单元、灌溉施肥控制子系统和灌溉施肥状态监测及在线故障检测系统。所述的天气预报查询接收子系统可查询未来几天的天气情况，是利用GPRS通讯模块，通过国家气象局提供的天气预报数据接口，从中国气象网访问中央气象数据库、查询实时天气预报，接收数据传送到天气预报查询接收子系统，再通过系统总线将数据传送到中央控制单元，为中央控制单元做出灌溉施肥决策提供实时气象预报数据。所述的气象实时数据采集控制子系统包括气象实时数据采集控制器、土壤水分传感器、风速传感器、气温传感器、光照传感器和雨量传感器。所述的实时数据采集控制器用于采集各个农田实时气象数据并将数据通过系统总线传送给中央控制单元，通过气象监测支架安装在大田地表之上；所述的土壤水分传感器是现有的现插现测型，可对表层和深层土壤进行墒情的定点监测和在线测量；所述的风速传感器、气温传感器、光照传感器和雨量传感器均安装在支撑架上通过传感器数据采集总线与实时数据采集控制器相连接，用于采集大田风速、气温、光照和雨量的数据，并通过传感器数据采集总线将数据传送到实时数据采集控制器。所述的云计算平台是计算和数据存储处理兼顾的综合云计算平台，用于计算和存储气象实时数据采集控制子系统和天气预报查询接收子系统的数据以及大田作物周年生长需水需肥量、灌溉施肥时间的历史数据，通过GPRS通讯模块将数据传送到中央控制单元的灌溉施肥智能决策专家系统软件模块，为灌溉施肥智能决策专家系统软件模块做出灌溉施肥决策提供作物周年生长需水需肥量数据。所述的中央控制单元用于运行智能预测灌溉施肥控制系统软件，可执行数据通讯处理、灌溉施肥智能决策、建立灌溉施肥数学模型及灌溉施肥状态的故障诊断、错误处理；智能预测灌溉施肥控制系统软件包括数据通讯及处理软件模块、灌溉施肥智能决策专家系统软件模块、灌溉施肥模型及精量灌溉施肥算法软件模块和自动化系统错误处理软件模块(智能预测灌溉施肥控制系统软件可根据现有技术编程)。所述的数据通讯及处理软件模块可通过系统总线接收云计算平台的数据并进行简单的数据运算及处理分析，为灌溉施肥智能决策专家系统软件模块做出决策提供数据依据；所述的灌溉施肥智能决策专家系统软件模块可根据云计算平台传送来的数据做出灌溉施肥的决策，具体决策包括：根据实时天气和大田中土壤水分、风速、气温、光照，结合天气预报预测,依据云计算平台中存储各种大田作物周年生长需水需肥量、灌溉施肥时间，专家、种粮户对作物周年生长施肥时间和灌溉施肥量做出决策，进而控制灌溉施肥时间和灌溉施肥量；所述的灌溉施肥模型及精量灌溉施肥算法软件模块可根据灌溉施肥智能决策专家系统软件模块做出的决策建立灌溉施肥以及肥料母液动态调控数学模型，从而确定最优化算法实现精量灌溉施肥；所述的自动化系统错误处理软件模块根据灌溉施肥状态监测及在线故障检测系统反馈的信号检测压力传感器、流量传感器的真实示数，确定出现故障位置并进行检修，以保证管道中压力和流量的正常。所述的灌溉施肥控制子系统可根据灌溉施肥智能决策专家系统软件模块的决策来执行灌溉施肥操作，包括灌溉施肥执行单元和灌溉施肥控制器。所述的灌溉施肥执行单元包括精量配肥装置和首部枢纽装置。所述的精量施肥装置包括精量排肥机构和搅拌器，用于精量排肥和配置浓度可控的母液；所述的精量排肥机构选用现有螺旋绞龙组装成的排肥机构；所述的搅拌器用于搅碎、溶解和过滤颗粒肥。所述的首部枢纽装置可采用现有设备(如申请号为201610539657.4的一种移动式微喷灌水肥一体化综合管理系统及其管控方法)；首部枢纽装置包括主管道、水泵、逆止阀、压力表、过滤器、电磁阀、母液罐、注肥泵、母液罐进水管和母液罐出液管；首部枢纽装置用于水源取水加压，并为配置浓度可控母液提供清水，经过滤处理，担负着整个灌溉施肥系统的加压、供水、过滤、量测任务；所述的灌溉施肥控制器可根据传感器模块测得的数据来控制精量排肥机构、注肥泵、搅拌器和电磁阀动作实现精量排肥和浓度可调控母液的配置；灌溉施肥控制器包括精量排肥机构控制器、搅拌器控制器、注肥泵控制器、传感器模块以及系统人机交互模块；所述的灌溉施肥控制器选用STM32型单片机；所述的传感器模块包括EC传感器、PH传感器、压力传感器和流量传感器，并通过传感器数据采集总线与灌溉施肥控制器连接相互通讯；所述的EC传感器和PH传感器安装在母液罐底部侧面，用于检测母液罐内母液的EC值和PH值；所述的压力传感器安装在主管道末端，用于检测主管道的压力；所述的流量传感器分别安装在母液罐进水管、母液罐出液管和主管道上，用于检测进出母液罐和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多源信息融合的农田水肥一体化智能管控系统，其特征在于包括天气预报查询接收子系统、气象实时数据采集控制子系统、云计算平台、中央控制单元、灌溉施肥控制子系统和灌溉施肥状态监测及在线故障检测系统；所述的天气预报查询接收子系统用于查询天气情况，是利用GPRS通讯模块，通过国家气象局提供的天气预报数据接口，从中国气象网访问中央气象数据库、查询实时天气预报，接收数据传送到天气预报查询接收子系统，再通过系统总线将数据传送到中央控制单元，为中央控制单元做出灌溉施肥决策提供实时气象预报数据；所述的气象实时数据采集控制子系统包括气象实时数据采集控制器、土壤水分传感器、风速传感器、气温传感器、光照传感器和雨量传感器；所述的实时数据采集控制器用于采集各个农田实时气象数据并将数据通过系统总线传送给中央控制单元，通过气象监测支架安装在大田地表之上；所述的土壤水分传感器对表层和深层土壤进行墒情的定点监测和在线测量；所述的风速传感器、气温传感器、光照传感器和雨量传感器均安装在支撑架上通过传感器数据采集总线与实时数据采集控制器相连接，用于采集大田风速、气温、光照和雨量的数据，并通过传感器数据采集总线将数据传送到实时数据采集控制器；所述的云计算平台是计算和数据存储处理兼顾的综合云计算平台，用于计算和存储气象实时数据采集控制子系统和天气预报查询接收子系统的数据以及大田作物周年生长需水需肥量、灌溉施肥时间的历史数据，通过GPRS通讯模块将数据传送到中央控制单元的灌溉施肥智能决策专家系统软件模块，为灌溉施肥智能决策专家系统软件模块做出灌溉施肥决策提供作物周年生长需水需肥量数据；所述的中央控制单元用于运行智能预测灌溉施肥控制系统软件，执行数据通讯处理、灌溉施肥智能决策、建立灌溉施肥数学模型及灌溉施肥状态的故障诊断、错误处理；智能预测灌溉施肥控制系统软件包括数据通讯及处理软件模块、灌溉施肥智能决策专家系统软件模块、灌溉施肥模型及精量灌溉施肥算法软件模块和自动化系统错误处理软件模块；所述的数据通讯及处理软件模块通过系统总线接收云计算平台的数据并进行简单的数据运算及处理分析，为灌溉施肥智能决策专家系统软件模块做出决策提供数据依据；所述的灌溉施肥智能决策专家系统软件模块根据云计算平台传送来的数据做出灌溉施肥的决策，具体决策包括：根据实时天气和大田中土壤水分、风速、气温、光照，结合天气预报预测,依据云计算平台中存储各种大田作物周年生长需水需肥量、灌溉施肥时间，专家、种粮户对作物周年生长施肥时间和灌溉施肥量做出决策，进而控制灌溉施肥时间和灌溉施肥量；所述的灌溉施肥模型及精量灌溉施肥算法软件模块根据灌溉施肥智能决策专家系统软件模块做出的决策建立灌溉施肥以及肥料母液动态调控数学模型，从而确定最优化算法实现精量灌溉施肥；所述的自动化系统错误处理软件模块根据灌溉施肥状态监测及在线故障检测系统反馈的信号检测压力传感器、流量传感器的真实示数，确定出现故障位置并进行检修，以保证管道中压力和流量的正常；所述的灌溉施肥控制子系统根据灌溉施肥智能决策专家系统软件模块的决策来执行灌溉施肥操作，包括灌溉施肥执行单元和灌溉施肥控制器；所述的灌溉施肥执行单元包括精量配肥装置和首部枢纽装置；所述的精量施肥装置包括精量排肥机构和搅拌器，用于精量排肥和配置浓度可控的母液；所述的搅拌器用于搅碎、溶解和过滤颗粒肥；所述的首部枢纽装置用于水源取水加压，并为配置浓度可控母液提供清水，经过滤处理，用于整个灌溉施肥系统的加压、供水、过滤、量测任务；所述的灌溉施肥控制器根据传感器模块测得的数据控制精量排肥机构、注肥泵、搅拌器和电磁阀动作实现精量排肥和浓度调控母液的配置；灌溉施肥控制器包括精量排肥机构控制器、搅拌器控制器、注肥泵控制器、传感器模块以及系统人机交互模块；所述的传感器模块包括EC传感器、PH传感器、压力传感器和流量传感器，并通过传感器数据采集总线与灌溉施肥控制器连接相互通讯；所述的EC传感器和PH传感器安装在母液罐底部侧面，用于检测母液罐内母液的EC值和PH值；所述的压力传感器安装在主管道末端，用于检测主管道的压力；所述的流量传感器分别安装在母液罐进水管、母液罐出液管和主管道上，用于检测进出母液罐和主管道的流量；所述的精量排肥机构控制器一端连接灌溉施肥控制器，另一端连接精量排肥机构，灌溉施肥控制器输出信号控制精量排肥机构动作；所述的搅拌器控制器一端连接灌溉施肥控制器，另一端连接搅拌器电机，灌溉施肥控制器输出信号控制搅拌电机动作；所述的注肥泵控制器一端连接灌溉施肥控制器，另一端连接注肥泵，灌溉施肥控制器输出信号调节注肥泵的输出流量；所述的系统人机交互模块能实现人机交互，便于专家和种粮户将作物长势随时输入到中央控制单元以使灌溉施肥智能决策专家系统软件模块作出决策，系统人机交互模块包括电脑主机、液晶屏、键盘和鼠标，所...

【技术特征摘要】
1.一种基于多源信息融合的农田水肥一体化智能管控系统，其特征在于包括天气预报查询接收子系统、气象实时数据采集控制子系统、云计算平台、中央控制单元、灌溉施肥控制子系统和灌溉施肥状态监测及在线故障检测系统；所述的天气预报查询接收子系统用于查询天气情况，是利用GPRS通讯模块，通过国家气象局提供的天气预报数据接口，从中国气象网访问中央气象数据库、查询实时天气预报，接收数据传送到天气预报查询接收子系统，再通过系统总线将数据传送到中央控制单元，为中央控制单元做出灌溉施肥决策提供实时气象预报数据；所述的气象实时数据采集控制子系统包括气象实时数据采集控制器、土壤水分传感器、风速传感器、气温传感器、光照传感器和雨量传感器；所述的实时数据采集控制器用于采集各个农田实时气象数据并将数据通过系统总线传送给中央控制单元，通过气象监测支架安装在大田地表之上；所述的土壤水分传感器对表层和深层土壤进行墒情的定点监测和在线测量；所述的风速传感器、气温传感器、光照传感器和雨量传感器均安装在支撑架上通过传感器数据采集总线与实时数据采集控制器相连接，用于采集大田风速、气温、光照和雨量的数据，并通过传感器数据采集总线将数据传送到实时数据采集控制器；所述的云计算平台是计算和数据存储处理兼顾的综合云计算平台，用于计算和存储气象实时数据采集控制子系统和天气预报查询接收子系统的数据以及大田作物周年生长需水需肥量、灌溉施肥时间的历史数据，通过GPRS通讯模块将数据传送到中央控制单元的灌溉施肥智能决策专家系统软件模块，为灌溉施肥智能决策专家系统软件模块做出灌溉施肥决策提供作物周年生长需水需肥量数据；所述的中央控制单元用于运行智能预测灌溉施肥控制系统软件，执行数据通讯处理、灌溉施肥智能决策、建立灌溉施肥数学模型及灌溉施肥状态的故障诊断、错误处理；智能预测灌溉施肥控制系统软件包括数据通讯及处理软件模块、灌溉施肥智能决策专家系统软件模块、灌溉施肥模型及精量灌溉施肥算法软件模块和自动化系统错误处理软件模块；所述的数据通讯及处理软件模块通过系统总线接收云计算平台的数据并进行简单的数据运算及处理分析，为灌溉施肥智能决策专家系统软件模块做出决策提供数据依据；所述的灌溉施肥智能决策专家系统软件模块根据云计算平台传送来的数据做出灌溉施肥的决策，具体决策包括：根据实时天气和大田中土壤水分、风速、气温、光照，结合天气预报预测,依据云计算平台中存储各种大田作物周年生长需水需肥量、灌溉施肥时间，专家、种粮户对作物周年生长施肥时间和灌溉施肥量做出决策，进而控制灌溉施肥时间和灌溉施肥量；所述的灌溉施肥模型及精量灌溉施肥算法软件模块根据灌溉施肥智能决策专家系统软件模块做出的决策建立灌溉施肥以及肥料母液动态调控数学模型，从而确定最优化算法实现精量灌溉施肥；所述的自动化系统错误处理软件模块根据灌溉施肥状态监测及在线故障检测系统反馈的信号检测压力传感器、流量传感器的真实示数，确定出现故障位置并进行检修，以保证管道中压力和流量的正常；所述的灌溉施肥控制子系统根据灌溉施肥智能决策专家系统软件模块的决策来执行灌溉施肥操作，包括灌溉施肥执行单元和灌溉施肥控制器；所述的灌溉施肥执行单元包括精量配肥装置和首部枢纽装置；所述的精量施肥装置包括精量排肥机构和搅拌器，用于精量排肥和配置浓度可控的母液；所述的搅拌器用于搅碎、溶解和过滤颗粒肥；所述的首部枢纽装置用于水源取水加压，并为配置浓度可控母液提供清水，经过滤处理，用于整个灌溉施肥系统的加压、供水、过滤、量测任务；所述的灌溉施肥控制器根据传感器模块测得的数据控制精量排肥机构、注肥泵、搅拌器和电磁阀动作实现精量排肥和浓度调控母液的配置；灌溉施肥控制器包括精量排肥机构控制器、搅拌器控制器、注肥泵控制器、传感器模块以及系统人机交互模块；所述的传感器模块包括EC传感器、PH传感器、压力传感器和流量传感器，并通过传感器数据采集总线与灌溉施肥控制器连接相互通讯；所述的EC传感器和PH传感器安装在母液罐底部侧面，用于检测母液罐内母液的EC值和PH值；所述的压力传感器安装在主管道末端，用于检测主管道的压力；所述的流量传感器分别安装在母液罐进水管、母液罐出液管和主管道上，用于检测进出母液罐和主管道的流量；所述的精量排肥机构控制器一端连接灌溉施肥控制器，另一端连接精量排肥机构，灌溉施肥控制器输出信号控制精量排肥机构动作；所述的搅拌器控制器一端连接灌溉施肥控制器，另一端连接搅拌器电机，灌溉施肥控制器输出信号控制搅拌电机动作；所述的注肥泵控制器一端连接灌溉施肥控制器，另一端连接注肥泵，灌溉施肥控制器输出信号调节注肥泵的输出流量；所述的系统人机交互模块能实现人机交互，便于专家和种粮户将作物长势随时输入到中央控制单元以使灌溉施肥智能决策专家系统软件模块作出决策，系统人机交互模块包括电脑主机、液晶屏、键盘和鼠标，所述的电脑主机用于安装中央控制单元的各个软件；所述的液晶屏、键盘和鼠标均通过数据线与电脑主机连接；所述的灌溉施肥状态监测及在线故障检测系统用于实时...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑进，李扬，郝明，刘雪美，
申请(专利权)人：山东农业大学，
类型：发明
国别省市：山东,37