农作物喷灌溉作业系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种农作物喷灌溉作业系统及方法；上述系统包括移动式主支撑架、主通水管、安装在每个主通水管上并且其延伸方向垂直于主通水管的铺设方向的多个作业区输水管、安装在所述移动式主支撑架上的激光扫描摄像头以及视频图像采集器；还包括远程控制中心、安装在移动式主支撑架上的控制器、网络通信交换机；控制器具体包括图像处理模块、土壤探测处理模块、计算处理模块、初始控制处理模块、优化迭代控制模块、停止控制模块；上述作业系统充分考虑了整体输水作业时间、整体浇水水量节约、慢渗透情况为大规模输水作业提供了一种解决方案。决方案。决方案。

【技术实现步骤摘要】
农作物喷灌溉作业系统及方法


[0001]本专利技术涉及工业智能控制领域，尤其涉及一种农作物喷灌溉作业系统及方法。

技术介绍

[0002]我国水资源短缺，人均水资源量只占世界平均水平的25％，而且我国为农业大国，长时间的粗放型农业生产形式在很大程度上浪费了宝贵的水资源。随着信息技术的逐渐发展和物联网的提出，节水灌溉控制技术的发展也越来越迅速。相关学者均纷纷致力于通过各种控制算法和计算机技术最大程度地提高水资源的利用率，以节省水资源。
[0003]目前，有关农业灌溉节水控制的研究有很多，相关研究也取得了一定的成果，其中有两种代表性的现有技术。其中一种现有技术的主要方案是设计了一种农业灌溉节水控制器，将土壤水分传感器添加至灌溉控制系统，利用定时监测传感器获取的土壤信息信息，依据得到的土壤水分判断是否打开灌水阀门，以农业灌溉节水控制。另外一现有技术的主要方案则将红外热电偶、空气湿度计和土壤湿度计应用于农业灌溉控制器中，该系统的控制模块将温度、空气湿度与土壤湿度当成输入，通过土壤情况和空气湿度等因素对灌溉进行控制。
[0004]研究发现，喷灌虽然很是节水，但是喷灌效率会更低些，且其无法实现保障一定效率，节省一定时间的喷灌；然而如果配合使用灌溉，则灌溉的效率虽然较高，但是没有任何一个现有技术考虑了灌溉短时间大量输水容易造成水量溢出或是渗透时间不够充分导致后续智能控制不协调不准确的问题(即灌溉水还没有完全渗透就开始检测含水量，判断是否进行后续输水控制)，另外尤其是整体农作物作业区区域较大，大规模灌溉处理如何满足高效作业时间短且充分考虑慢渗透控制是本领域技术人员需要考虑的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种农作物喷灌溉作业系统及方法(其是基于物联网络的农业灌溉节水控制系统)，解决了现有技术中指出的上述技术问题。应用上述本专利技术实施例采用的农作物喷灌溉作业系统，实验结果表明，所设计系统能够及时调节土壤的湿度值，达到了节水的目的，同时能耗少，灌溉精度高。
[0006]本专利技术提供了一种农作物喷灌溉作业系统，包括移动式主支撑架、主通水管、安装在每个主通水管上并且其延伸方向垂直于主通水管的铺设方向的多个作业区输水管、安装在所述移动式主支撑架上的激光扫描摄像头以及视频图像采集器；
[0007]还包括远程控制中心、安装在移动式主支撑架上的控制器、网络通信交换机；远程控制中心通过所述网络通信交换机与所述控制器通信连接；
[0008]每个所述作业区输水管上都设置有连通一个灌溉作业区输水管、一个喷灌作业区输水管，且所述灌溉作业区输水管与所述喷灌作业区输水管分别并联连接在作业区输水管上，且所述喷灌作业区输水管的末端设置有喷灌头；所述喷灌头上设置有喷灌流量阀控制节点；所述灌溉作业区输水管的末端则设置有灌溉流量阀控制节点；所述喷灌流量阀控制
节点用于对喷灌头释放的喷水流量进行监测得到实时喷灌水流量，同时还用于接收控制器发送的流量控制指令，实现喷水流量控制；所述灌溉流量阀控制节点用于对灌溉作业区输水管释放的灌溉水流量进行监测得到实时灌溉水流量，同时还用于接收控制器发送的流量控制指令，实现灌溉水流量控制；
[0009]位于所述移动式主支撑架的顶部还设置有下探式伸缩驱动臂，位于所述下探式伸缩驱动臂上设置有土壤湿度测试针；所述下探式伸缩驱动臂用于驱动所述土壤湿度测试针钻入土壤预设深度位置，停顿预设时间土壤湿度测试针实施测量处理；所述移动式主支撑架用于驱动农作物喷灌溉作业系统上的各个设备向前移动，以对多个农作物目标区域进行移动式灌溉；所述移动式主支撑架上还设置有控制器；
[0010]其中，所述控制器具体包括图像处理模块、土壤探测处理模块、计算处理模块、初始控制处理模块、优化迭代控制模块、停止控制模块；
[0011]图像处理模块，用于驱动农作物喷灌溉作业系统对整个区域进行激光扫描和视频图像采集，发送移动控制指令，使移动式主支撑架能够进行平移移动，通过激光扫描摄像头可以获取计算每个作业区的作业面积，同时通过视频图像采集器对该作业区内的农作物进行识别；
[0012]土壤探测处理模块，用于汇总获取预设作业路径上的所有目标作业区的作业面积；驱动下探式伸缩驱动臂，通过上述下探式伸缩驱动臂上的土壤湿度测试针对预设作业路径上的所有目标作业区的土壤温度实施测量，获得每个目标作业区实时的土壤含水量数值；
[0013]计算处理模块，用于根据每个目标作业区的作业面积以及农作物品种计算当前目标作业区的总用水量的消耗数值；
[0014]初始控制处理模块，用于对所有的目标作业区的面积进行顺序排列，得到作业面积顺序列表，所述作业面积顺序列表由作业面积大到小的顺序依次进行由高顺位到低顺位排列；对在预设作业路径上的所有的目标作业区按照第一初始顺序列表中由高顺位到低顺位依次实施喷灌溉作业处理；
[0015]在首次灌溉作业时，获取当前第一初始顺序列表中目标作业区的土壤含水量数值；根据土壤含水量数值与标准阈值集合关系，确定当前目标作业区对应的具体土壤水量级别，根据所述具体土壤水量级别协调确定第一初始顺序列表中的目标作业区的对应的第一限水控制比例，根据所述第一限水控制比例以及当前目标作业区的总用水量的消耗数值确定本次实际灌溉输水量，按照第一初始顺序列表中的目标作业区按照实际灌溉输水量实施快速单灌溉作业处理；其中，所述实际灌溉输水量为预设的第一限水控制比例乘以当前目标作业区的总用水量的消耗数值；
[0016]优化迭代控制模块，用于在第一初始顺序列表中的目标作业区执行完毕后，继续重新沿着预设作业路径逐个对所有目标作业区进行二次土壤湿度检测处理，并计算每个目标作业区的剩余总用水量的消耗数值；
[0017]根据土壤含水量数值与标准阈值集合关系，重新确定当前目标作业区对应的具体土壤水量级别，根据具体土壤水量级别将当前目标作业区划分选择为喷灌作业区或是灌溉作业区，新建划定喷灌作业区以及更新划定灌溉作业区；同时建立喷灌作业区作业队列表，协调确定当前喷灌作业区作业队列表中每个目标作业区对应的第二限水控制比例；根据所
述第二限水控制比例以及当前目标作业区的剩余总用水量的消耗数值确定本次实际喷灌输水量，并计算下次循环作业剩余需要喷灌作业的目标作业区的作业面积；同时建立灌溉作业区作业队列表，协调确定灌溉作业区作业队列表中每个目标作业区对应的第二限水控制比例；根据所述第二限水控制比例以及当前目标作业区的剩余总用水量的消耗数值确定本次实际喷灌或灌溉的输水量，并计算下次循环作业剩余需要喷灌作业的目标作业区的作业面积；
[0018]按照上述预设作业路径顺序识别当前目标作业区，并首先按照灌溉作业区作业队列表作为第一优选级实施目标作业区的灌溉作业处理，然后按照喷灌作业区作业队列表作为次选优先级实施目标作业区的灌溉作业处理；
[0019]在每次循环喷灌溉作业中，重新更新上述喷灌作业区作业队列表以及灌溉作业区作业队列表，并按照执行更新后的喷灌作业区作业队列表中的目标作业区实施喷灌作业，并按照执行更新后的灌溉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种农作物喷灌溉作业系统，其特征在于，包括移动式主支撑架、主通水管、安装在每个主通水管上并且其延伸方向垂直于主通水管的铺设方向的多个作业区输水管、安装在所述移动式主支撑架上的激光扫描摄像头以及视频图像采集器；还包括远程控制中心、安装在移动式主支撑架上的控制器、网络通信交换机；远程控制中心通过所述网络通信交换机与所述控制器通信连接；每个所述作业区输水管上都设置有连通一个灌溉作业区输水管、一个喷灌作业区输水管，且所述灌溉作业区输水管与所述喷灌作业区输水管分别并联连接在作业区输水管上，且所述喷灌作业区输水管的末端设置有喷灌头；所述喷灌头上设置有喷灌流量阀控制节点；所述灌溉作业区输水管的末端则设置有灌溉流量阀控制节点；所述喷灌流量阀控制节点用于对喷灌头释放的喷水流量进行监测得到实时喷灌水流量，同时还用于接收控制器发送的流量控制指令，实现喷水流量控制；所述灌溉流量阀控制节点用于对灌溉作业区输水管释放的灌溉水流量进行监测得到实时灌溉水流量，同时还用于接收控制器发送的流量控制指令实现灌溉水流量控制；位于所述移动式主支撑架的顶部还设置有下探式伸缩驱动臂，位于所述下探式伸缩驱动臂上设置有土壤湿度测试针；所述下探式伸缩驱动臂用于驱动所述土壤湿度测试针钻入土壤预设深度位置，停顿预设时间土壤湿度测试针实施测量处理；所述移动式主支撑架用于驱动农作物喷灌溉作业系统上的各个设备向前移动，以对多个农作物目标区域进行移动式灌溉；所述移动式主支撑架上还设置有控制器。2.如权利要求1的农作物喷灌溉作业系统，其特征在于，所述控制器具体包括图像处理模块、土壤探测处理模块、计算处理模块、初始控制处理模块、优化迭代控制模块、停止控制模块；图像处理模块，用于驱动农作物喷灌溉作业系统对整个区域进行激光扫描和视频图像采集，发送移动控制指令，使移动式主支撑架能够进行平移移动，通过激光扫描摄像头可以获取计算每个作业区的作业面积，同时通过视频图像采集器对该作业区内的农作物进行识别；土壤探测处理模块，用于汇总获取预设作业路径上的所有目标作业区的作业面积；驱动下探式伸缩驱动臂，通过上述下探式伸缩驱动臂上的土壤湿度测试针对预设作业路径上的所有目标作业区的土壤温度实施测量，获得每个目标作业区实时的土壤含水量数值；计算处理模块，用于根据每个目标作业区的作业面积以及农作物品种计算当前目标作业区的总用水量的消耗数值；初始控制处理模块，用于对所有的目标作业区的面积进行顺序排列，得到作业面积顺序列表，所述作业面积顺序列表由作业面积大到小的顺序依次进行由高顺位到低顺位排列；对在预设作业路径上的所有的目标作业区按照第一初始顺序列表中由高顺位到低顺位依次实施喷灌溉作业处理；在首次灌溉作业时，获取当前第一初始顺序列表中目标作业区的土壤含水量数值；根据土壤含水量数值与标准阈值集合关系，确定当前目标作业区对应的具体土壤水量级别，根据所述具体土壤水量级别协调确定第一初始顺序列表中的目标作业区的对应的第一限水控制比例，根据所述第一限水控制比例以及当前目标作业区的总用水量的消耗数值确定本次实际灌溉输水量，按照第一初始顺序列表中的目标作业区按照实际灌溉输水量实施快
速单灌溉作业处理；其中，所述实际灌溉输水量为预设的第一限水控制比例乘以当前目标作业区的总用水量的消耗数值；优化迭代控制模块，用于在第一初始顺序列表中的目标作业区执行完毕后，继续重新沿着预设作业路径逐个对所有目标作业区进行二次土壤湿度检测处理，并计算每个目标作业区的剩余总用水量的消耗数值；根据土壤含水量数值与标准阈值集合关系，重新确定当前目标作业区对应的具体土壤水量级别，根据具体土壤水量级别将当前目标作业区划分选择为喷灌作业区或是灌溉作业区，新建划定喷灌作业区以及更新划定灌溉作业区；同时建立喷灌作业区作业队列表，协调确定当前喷灌作业区作业队列表中每个目标作业区对应的第二限水控制比例；根据所述第二限水控制比例以及当前目标作业区的剩余总用水量的消耗数值确定本次实际喷灌输水量，并计算下次循环作业剩余需要喷灌作业的目标作业区的作业面积；同时建立灌溉作业区作业队列表，协调确定灌溉作业区作业队列表中每个目标作业区对应的第二限水控制比例；根据所述第二限水控制比例以及当前目标作业区的剩余总用水量的消耗数值确定本次实际喷灌或灌溉的输水量，并计算下次循环作业剩余需要喷灌作业的目标作业区的作业面积；按照上述预设作业路径顺序识别当前目标作业区，并首先按照灌溉作业区作业队列表作为第一优选级实施目标作业区的灌溉作业处理，然后按照喷灌作业区作业队列表作为次选优先级实施目标作业区的灌溉作业处理；在每次循环喷灌溉作业中，重新更新上述喷灌作业区作业队列表以及灌溉作业区作业队列表，并按照执行更新后的喷灌作业区作业队列表中的目标作业区实施喷灌作业，并按照执行更新后的灌溉作业区作业队列表中的目标作业区实施灌溉作业，直至检测当前整体作业区域满足整体慢渗透灌溉条件则整体区域实施停机处理；其中，在检测到剩余需要喷灌作业的目标作业区的作业面积与所有目标作业区的作业面积的比例超过第一停机条件比例；且同时剩余需要喷灌作业的目标作业区的个数与所有目标作业区的个数比例超过第二停机条件比例时，认定符合整体慢渗透灌溉条件；停止控制模块，用于认定当前整体作业区域满足整体慢渗透灌溉条件后则控制移动式主支撑架撤离当前整体作业区域。3.如权利要求1的农作物喷灌溉作业系统，其特征在于，所述控制器还包括缓冲区识别计算模块、缓冲区启停阀控制模块，其中；缓冲区识别计算模块，用于在控制器驱动农作物喷灌溉作业系统对整个区域进行激光扫描和视频图像采集，发送移动控制指令，使移动式主支撑架能够进行平移移动，通过激光扫描摄像头可以获取计算每个作业区的作业面积，对视频图像采集器对该作业区内的农作物进行识别的同时，对作业区进行缓冲作业区域划定计算；对预设作业路径上的所有的矩形形状的目标作业区的边界进行边界识别；根据边界识别结果对所有的目标作业区在所述预设作业路径上的对应的作业长度进行计算；根据所述作业长度计算所有的目标作业区的缓冲作业长度，根据所述缓冲作业长度确定每个目标作业区对应的缓冲作业区域；所述缓冲作业区域分别设置在所述目标作业区的头端和尾端；且位于头端的缓冲作业区域和尾端的缓冲作业区域的尺寸相同；缓冲区启停阀控制模块，用于在实际进行每个目标作业区的喷灌溉作业时均从位于头
端的缓冲作业区域的末尾处开始输水作业操作，移动至位于尾端的缓冲作业区域的起始处停止输水作业操作：在每次循环喷灌溉作业中，重新更新上述喷灌作业区作业队列表以及灌溉作业区作业队列表，并按照执行更新后的喷灌作业区作业队列表中的目标作业区实施喷灌作业，且同时在途径每个目标作业区时均通过图像处理模块检测该头端的缓冲作业区域的位置，在检测到头端的缓冲作业区域的末尾处的位置时控制开启喷灌流量阀控制节点进行输水作业操作；在检测到位于尾端的缓冲作业区域的起始处的位置时控制喷灌流量阀控制节点停止输水作业操作：并按照执行更新后的灌溉作业区作业队列表中的目标作业区实施灌溉作业，且同时在途径每个目标作业区时均通过图像处理模块检测该头端的缓冲作业区域的位置，在检测到头端的缓冲作业区域的末尾处的位置时控制开启灌溉流量阀控制节点进行输水作业操作；在检测到位于尾端的缓冲作业区域的起始处的位置时控制灌溉流量阀控制节点停止输水作业操作。4.一种农作物喷灌溉作业方法，其特征在于，利用了如权利要求1
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3任一项的农作物喷灌溉作业系统，包括如下操作步骤：控制器驱动农作物喷灌溉作业系统对整个区域进行激光扫描和视频图像采集，控制器发送移动控制指令，使移动式主支撑架能够进行平移移动，通过激光扫描摄像头可以获取计算每个作业区的作业面积，同时通过视频图像采集器对该作业区内的农作物进行识别；随后汇总获取预设作业路径上的所有目标作业区的作业面积；控制器驱动下探式伸缩驱动臂，通过上述下探式伸缩驱动臂上的土壤湿度测试针对预设作业路径上的所有目标作业区的土壤温度实施测量，获得每个目标作业区实时的土壤含水量数值；根据每个目标作业区的作业面积以及农作物品种计算当前目标作业区的总用水量的消耗数值；对所有的目标作业区的面积进行顺序排列，得到作业面积顺序列表作为第一初始顺序列表，所述作业面积顺序列表由作业面积大到小的顺序依次进行由高顺位到低顺位排列；所述控制器对在预设作业路径上的所有的目标作业区按照第一初始顺序列表中由高顺位到低顺位依次实施喷灌溉作业处理；在首次灌溉作业时，获取当前第一初始顺序列表中目标作业区的土壤含水量数值；根据土壤含水量数值与...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡泽锋，韩臣，
申请(专利权)人：润泰零碳内蒙古农业科技有限公司，
类型：发明
国别省市：