利用分布式控制自动施肥给水的精准农艺控制系统及方法

1.一种利用分布式控制自动施肥给水的精准农艺控制系统，其特征在于：
本系统包括多个田间子系统、灌溉执行子系统、上位监控子系统；
每个田间子系统通过通讯总线与灌溉执行子系统连接，可以向灌溉执行子系统发送灌溉需求；
每个田间子系统通过通讯总线与上位监控子系统连接，可以传递田间子系的工作状态到上位监控子系统；
田间子系统主要由田间控制计算机、与田间控制计算机连接的温度传感器、浅层土壤湿度传感器、深层土壤湿度传感器、离子浓度传感器及气象站组成；
灌溉执行子系统主要由灌溉控制计算机、与灌溉控制计算机连接的水泵、过滤设备、施肥机、流量监控设备组成；在接到某个田间灌溉子系统发出的灌溉需求后，按照需求进行定量的浇水和/或施肥；
上位监控子系统主要由计算机和监控组态系统组成；实现对田间子系统工作参数的设定及工作状态的监控；
所述每个田间子系统的田间控制计算机设置四个模拟量输入接口、一个数字通讯接口和一个通讯总线接口；
四个模拟量接口分别连接浅层土壤湿度传感器、深层土壤湿度传感器、土壤温度传感器、离子浓度传感器；
一个数字通讯接口连接气象站，通过数字通信来采集气象信息；
每个田间子系统通过四个模拟量接口实时监测采集土壤中的多种参数变化，还通过一个数字通讯接口采集前馈气象信息；经过计算判断是否浇水，以及控制浇水量；判断是否施肥，以及控制施肥量；实现各个田间子系统进行独立计算，减少了数据计算量和存储量，使系统的响应更加迅速；
灌溉执行子系统主要由与灌溉控制计算机连接的水泵、过滤设备、施肥机、流量监控设备组成；
水泵位于田间的水井中与灌溉控制计算机之间通过数据线相连，由灌溉控制计算机控制其启停；灌溉控制计算机、过滤设备、施肥机、流量监控设备集成在一起放置于田地边缘；
水泵与过滤设备之间通过管道连接，井里面的水从水泵中吸出来，通过过滤设备过滤后进入施肥机；流量监控设备设置于过滤设备和施肥机之间；
在接到某个田间灌溉子系统发出的灌溉需求后，由灌溉控制计算机控制水泵和施肥机的启停，进而按照需求进行定量的浇水和/或施肥。
2.根据权利要求1所述的利用分布式控制自动施肥给水的精准农艺控制系统，其特征在于：
浅层土壤湿度传感器与深层土壤湿度传感器安装在同一垂直线上，温度传感器、离子浓度传感器安装在植物根系附近，以上四个传感器通过数据线与田间控制计算机通信，检测数据实时传送到田间控制计算机中；气象站安装在传感器上方；传感器安装在田块的中央位置。
3.根据权利要求1所述的利用分布式控制自动施肥给水的精准农艺控制系统，其特征在于：
系统还包括备用灌溉执行子系统，与灌溉执行子系统配置相同，在灌溉执行子系统故障时接替工作。
4.一种利用分布式控制自动施肥给水的精准农艺控制方法，其特征在于：
每个田间子系统进行计算判断以及采取相应的控制过程中，首先在浅层土壤传感器检测到缺水的情况下，判断深层土壤传感器是否缺水，如果缺水，通过气象信息综合判断是否需要浇水；
浅层土壤传感器检测到缺水的情况下，判断土壤离子浓度是否低于设定值，如果低于设定值，需要浇水并施肥；
土壤离子浓度低于设定值时，无论土壤是否缺水，都需要浇水并施肥；
上述过程中，以田间控制计算机内的数据库数据为依据计算，进而控制灌溉执行子系统的施肥浓度以及浇水量；上位监控子系统实现对田间子系统工作参数的设定及工作状态的监控。

利用分布式控制自动施肥给水的精准农艺控制系统及方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于农业水肥自动化控制技术领域，具体说是一种利用分布式控制自动施肥给水的精准农艺控制系统及方法。\n背景技术\n[0002] 随着自控技术和检测技术的发展，农业自动化水平不断提高，涌现出一批半自动化、自动化的水肥管理系统，使农业生产水平有了大幅度的提高。\n[0003] 但是，在实际使用中也出现了如下的问题：\n[0004] 1、水肥管理系统的检测探头埋设在田间地头，通过电缆将田间的检测参数值反馈给中央控制计算机，由于田间检测探头输出的几乎都是微弱的模拟量信号，长距离的传输以及温度的变化都会使信号产生漂移，对于中央计算机的决策和判断会产生直接的影响，因此需要经常对田间传感器进行较准，不但费时费力，而且影响整个系统的准确性和可靠性；\n[0005] 2、整套系统的控制参数和计算公式完全在中央计算机内，增加了中央计算机的存储量和计算量，中央计算机一旦出现运行故障，整套系统完全瘫痪，在农作物生长关键期会产生不可挽回的影响；\n[0006] 3、整套系统的扩展性受到中央计算机硬件输入点和输出点的限制。\n发明内容\n[0007] 为解决以上问题，本发明的目的是提出了利用分布式控制自动施肥给水的精准农艺控制系统。\n[0008] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是提供一种利用分布式控制自动施肥给水的精准农艺控制系统，本系统包括多个田间子系统、灌溉执行子系统、上位监控子系统；\n[0009] 每个田间子系统通过通讯总线与灌溉执行子系统连接，可以向灌溉执行子系统发送灌溉需求；\n[0010] 每个田间子系统通过通讯总线与上位监控子系统连接，可以传递田间子系的工作状态到上位监控子系统；\n[0011] 田间子系统主要由田间控制计算机、与田间控制计算机连接的温度传感器、浅层土壤湿度传感器、深层土壤湿度传感器、离子浓度传感器及气象站组成；\n[0012] 灌溉执行子系统主要由灌溉控制计算机、与灌溉控制计算机连接的水泵、过滤设备、施肥机、流量监控设备组成；在接到某个田间灌溉子系统发出的灌溉需求后，按照需求进行定量的浇水和/或施肥；\n[0013] 上位监控子系统主要由计算机和监控组态系统组成；实现对田间子系统工作参数的设定及工作状态的监控。\n[0014] 进一步的，所述每个田间子系统的田间控制计算机设置四个模拟量输入接口、一个数字通讯接口和一个通讯总线接口；\n[0015] 四个模拟量接口分别连接浅层土壤湿度传感器、深层土壤湿度传感器、土壤温度传感器、离子浓度传感器；\n[0016] 一个数字通讯接口连接气象站，通过数字通信来采集气象信息；\n[0017] 每个田间子系统通过四个模拟量接口实时监测采集土壤中的多种参数变化，还通过一个数字通讯接口采集前馈气象信息；经过计算判断是否浇水，以及控制浇水量；判断是否施肥，以及控制施肥量；实现各个田间子系统进行独立计算，减少了数据计算量和存储量，使系统的响应更加迅速。\n[0018] 进一步的，灌溉执行子系统主要由与灌溉控制计算机连接的水泵、过滤设备、施肥机、流量监控设备组成；\n[0019] 水泵位于田间的水井中与灌溉控制计算机之间通过数据线相连，由灌溉控制计算机控制其启停；灌溉控制计算机、过滤设备、施肥机、流量监控设备集成在一起放置于田地边缘；水泵与过滤设备之间通过管道连接，井里面的水从水泵中吸出来，通过过滤设备过滤后进入施肥机；流量监控设备设置于过滤设备和施肥机之间；\n[0020] 在接到某个田间灌溉子系统发出的灌溉需求后，由灌溉控制计算机控制水泵和施肥机的启停，进而按照需求进行定量的浇水和/或施肥。\n[0021] 进一步的，浅层土壤湿度传感器与深层土壤湿度传感器安装在同一垂直线上，温度传感器、离子浓度传感器安装在植物根系附近，以上四个传感器通过数据线与田间控制计算机通信，检测数据实时传送到田间控制计算机中；气象站安装在传感器上方；传感器安装在田块的中央位置。\n[0022] 进一步的，系统还包括备用灌溉执行子系统，与灌溉执行子系统配置相同，在灌溉执行子系统故障时接替工作。\n[0023] 还提供一种利用分布式控制自动施肥给水的精准农艺控制方法，每个田间子系统进行计算判断以及采取相应的控制过程中，首先在浅层土壤传感器检测到缺水的情况下，判断深层土壤传感器是否缺水，如果缺水，通过气象信息综合判断是否需要浇水；\n[0024] 浅层土壤传感器检测到缺水的情况下，判断土壤离子浓度是否低于设定值，如果低于设定值，需要浇水并施肥；\n[0025] 土壤离子浓度低于设定值时，无论土壤是否缺水，都需要浇水并施肥；\n[0026] 上述过程中，以田间控制计算机内的数据库数据为依据计算，进而控制灌溉执行子系统的施肥浓度以及浇水量；上位监控子系统实现对田间子系统工作参数的设定及工作状态的监控。\n[0027] 一种利用分布式控制自动施肥给水的精准农艺控制系统，本系统包括多个田间子系统、灌溉执行子系统、上位监控子系统；每个田间子系统通过通讯总线与灌溉执行子系统连接，可以向灌溉子系统发送灌溉需求；每个田间子系统通过通讯总线与上位监控子系统连接，可以传递田间子系的工作状态到上位监控子系统；田间子系统主要由与田间控制计算机连接的温度传感器、浅层土壤湿度传感器、深层土壤湿度传感器、离子浓度传感器及气象站组成；灌溉执行子系统主要由与灌溉控制计算机连接的水泵、过滤设备、施肥机、流量监控设备组成；在接到某个田间灌溉子系统发出的灌溉需求后，按照需求进行定量的浇水和/或施肥；上位监控子系统主要由计算机和监控组态系统组成；实时对田间子系统工作参数的设定及工作状态的监控。\n[0028] 本发明的优点是：\n[0029] 1、本发明有效控制面积增大，可以设置多套田间子系统，突破了传统系统应用中随着种植面积的增加，传感器数量相应增加，但又受到传统控制系统输入点和输出点数量限制。\n[0030] 2、本发明工作效率更高，田间各个子系统根据采集的传感器参数按照需要向灌溉执行子系统提出浇灌请求，可以多套系统并行运行，比传统的轮询方式有更高的运行效率。\n[0031] 3、本发明灵活性更高，每个子系统独立工作，对于不同作物可以有不同的子系统产品应对，整个灌溉系统可以灵活自由组合，对系统进行扩充也更加容易。\n[0032] 4、本发明运行可靠性更高，每个田间子系统独立工作，田间子系统故障后及时报警，不影响其他田间子系统工作，将故障影响范围降至最低，同时灌溉执行系统采用冗余方式设计，一套系统故障后备用系统工作并及时报警。\n[0033] 5、本发明采用环网总线结构，这样即便任何一根通信电缆故障，系统不会瘫痪，仍然可以正常运行，进一步提高该系统对于农田机械作业的适应性。\n附图说明\n[0034] 图1是本发明的总体结构示意图。\n[0035] 图2是本发明的田间子系统框图。\n[0036] 图3是本发明田间子系统的判断流程图。\n[0037] 图4是本发明的上位监控子系统的控制流程图。\n[0038] 图5是本发明的灌溉执行子系统框图。\n具体实施方式\n[0039] 下面结合说明书附图及附图标记对本发明进一步详细说明。\n[0040] 如图1-5所示，一种利用分布式控制自动施肥给水的精准农艺控制系统，本系统包括多个田间子系统、灌溉执行子系统、上位监控子系统；每个田间子系统通过通讯总线与灌溉执行子系统连接，可以向灌溉子系统发送灌溉需求；每个田间子系统通过通讯总线与上位监控子系统连接，可以传递田间子系的工作状态到上位监控子系统；田间子系统主要由田间控制计算机及与其连接的温度传感器、浅层土壤湿度传感器、深层土壤湿度传感器、离子浓度传感器及气象站组成；灌溉执行子系统主要由灌溉控制计算机及与其连接的水泵、过滤设备、施肥机、流量监控设备组成；在接到某个田间灌溉子系统发出的灌溉需求后，灌溉执行子系统按照需求进行定量的浇水和/或施肥；上位监控子系统主要由计算机和监控组态系统组成；实时对田间子系统工作参数的设定及工作状态的监控。\n[0041] 所述每个田间子系统的控制计算机设置四个模拟量输入接口、一个数字通讯接口和一个通讯总线接口；四个模拟量接口分别连接浅层土壤湿度传感器、深层土壤湿度传感器、土壤温度传感器、离子浓度传感器，上述传感器为市购产品；一个数字通讯接口连接气象站，现有技术，如便携式气象站，通过数字通信来采集气象信息；每个田间子系统通过四个模拟量接口实时监测采集土壤中的多种参数变化，还通过一个数字通讯接口采集前馈气象信息；经过计算判断是否浇水，以及控制浇水量；判断是否施肥，以及控制施肥量；实现各个田间子系统进行独立计算，减少了数据计算量和存储量，使系统的响应更加迅速。\n[0042] 所述上位监控子系统的控制过程如图4所示，灌溉执行子系统的水泵位于田间的水井中，与灌溉控制计算机之间通过数据线相连，由灌溉控制计算机控制启停；灌溉控制计算机、过滤设备、施肥机、流量监控设备集成在一起，放置于田地边缘；水泵与过滤设备之间通过管道连接，井里面的水从水泵中吸出来，通过过滤设备过滤之后进入施肥机；流量监控设备位于过滤设备和施肥机之间，监控的数据通过数据线传给灌溉控制计算机，由灌溉控制计算机控制设备的启停。\n[0043] 在接到某个田间灌溉子系统发出的灌溉需求后，灌溉执行子系统按照需求进行定量的浇水和/或施肥；\n[0044] 田间子系统的浅层土壤湿度传感器与深层土壤湿度传感器的安装应在同一垂直线上，温度传感器、离子浓度传感器安装在植物根系附近，以上四个传感器通过数据线与田间控制计算机通信，检测数据实时传送到田间控制计算机中。气象站安装在传感器上方。以上传感器应安装在田块的中央位置(该田块各个位置的土壤参数与气象参数必须相同或者近似相同)。\n[0045] 系统还包括备用灌溉执行子系统，与灌溉执行子系统配置相同，在灌溉执行子系统故障时接替工作。\n[0046] 本发明田间子系统通过通讯总线将需水量和需肥量发给灌溉执行子系统和上位监控子系统，多套系统协同工作。\n[0047] 本发明的精准农艺控制系统设置了田间子系统，大大的缩短了传感器的连接电缆长度，使信号质量保持最佳水平。田间子系统根据各个传感器以及气象站采样数值直接作出决策，判断是否浇水，计算浇水量；判断是否施肥，计算施肥量。灌溉执行子系统接到田间子系统的需求后，按照需求直接浇水和施肥，整套系统反应更加迅速。\n[0048] 本发明的精准农艺控制方法中每个田间子系统进行计算判断以及采取相应的控制过程如图3所示，首先在浅层土壤传感器检测到缺水的情况下，判断深层土壤传感器是否缺水，如果缺水，通过气象信息综合判断是否需要浇水；浅层土壤传感器检测到缺水的情况下，判断土壤离子浓度是否低于设定值，如果低于设定值，需要浇水并施肥；土壤离子浓度低于设定值时，无论土壤是否缺水，都需要浇水并施肥；上述过程中，施肥浓度以及浇水量，以田间子系统计算机内的数据库数据为依据计算。