【摘 要】
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随着我国人口持续增加,水资源日益匮乏,已经严重限制了我国经济社会的持续健康发展,我国作为传统的农业大国,在农业灌溉中的总用水量约占我国可使用的淡水资源的70%,因此智能节水灌溉技术需要得到大力发展和推广。为了进一步发展智能节水灌溉技术,本文研究了基于物联网的干深-时域智能灌溉数据监控装置的应用系统,此系统可以进行实时存储与查询环境参数,通过模糊控制算法对土壤湿度进行实时采集,从而做出智能灌溉决策,
【基金项目】
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国家自然科学基金(51975136,51575116); 广东省高等学校科技创新团队项目(2017KCXTD025); 广州市科技计划项目(201707010293); 广东省高校重点领域专项“太阳能智能灌溉关键技术及装备”(项目编号:2019KZDZX1009);
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随着我国人口持续增加,水资源日益匮乏,已经严重限制了我国经济社会的持续健康发展,我国作为传统的农业大国,在农业灌溉中的总用水量约占我国可使用的淡水资源的70%,因此智能节水灌溉技术需要得到大力发展和推广。为了进一步发展智能节水灌溉技术,本文研究了基于物联网的干深-时域智能灌溉数据监控装置的应用系统,此系统可以进行实时存储与查询环境参数,通过模糊控制算法对土壤湿度进行实时采集,从而做出智能灌溉决策,实现对土壤湿度信息的实时采集与监控,此系统对提升农业灌溉中水的利用率具有重要意义。本文的主要研究内容如下:(1)搭建干深-时域智能节水灌溉决策模型。本文以番茄种植为研究对象,对番茄在不同生长阶段的水分需求进行深入分析,确定番茄在幼苗期、生长期、成熟期三个生长阶段所需最佳土壤湿度,对该生长阶段使用干深-时域智能灌溉方法所需的灌溉延长时间。根据番茄水分需求,设计模糊控制策略,此控制策略的输入变量为当前土壤湿度E和动态差值EC,并根据建立的模糊规则对当前生长阶段下的作物最佳土壤湿度进行寻优,自动确定输出的灌溉时长。(2)建立干深-时域智能节水灌溉系统。为了满足干深-时域智能节水灌溉系统功能和性能的要求,本文对控制系统进行了整体设计,系统采用无线通信的方式,避免在农田布线中的不便,用S7-200SMART(CPU SR30)作为核心处理器,并对土壤湿度传感器、对数据传输模块中的GPRS DTU、继电器和电磁阀进行合理选型,使用光伏电池。基于Lab VIEW软件开发了智能节水灌溉系统,通过设计了用户登录界面和主控界面方便农户了解自家农田信息,并建立数据库实现数据实时存储,还能方便用户查询灌溉的历史记录。通过以太网和NI OPC Server连接到PLC,用户就可以对土壤湿度信息进行实时远程监控。(3)搭建基于物联网的干深-时域智能灌溉数据监控装置的应用系统实验平台。通过对控制系统进行测试,采集土壤湿度误差未超过2%,采集到的土壤湿度信息传送到监控中心,其误差未超过1%,测试后发现GPRS无线传感传输数据不但准确,而且更为可靠,并且系统软硬件都可以正常运行,数据库可以进行数据存储和查询。通过搭建实验平台,研究智能节水灌溉决策模型对番茄进行智能灌溉时,系统进行智能灌溉时,与目标土壤湿度值之间的误差未超过5%,保证了灌溉的及时性和准确性,其系统可以根据不同生长阶段的植株水分需求进行精准灌溉。为了验证基于物联网的干深-时域智能灌溉数据监控装置的应用系统的功能和性能,本文设计了同等种植时间、同等自然环境下同一批次幼苗的节水灌溉实验组和自然生长对照组,通过对智能节水灌溉系统下生长的植株与自然人工灌溉下的植株株高进行对比,实验结果表明:实验组比对照组植株株高增加了28.11%,灌溉用水量减少了65.37%。通过对照实验证明了基于干深-时域的智能节水灌溉系统能有效提高水的利用率,从而达到智能节水灌溉的目的。
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