灌区智能灌溉控制系统及其能效优化方法及系统

本发明属于灌溉，尤其涉及一种灌区智能灌溉控制系统及其能效优化方法。

背景技术：

1、随着农业的进步，传统的灌溉方式已逐渐显露出其局限性，特别是在水资源利用效率、人力物力消耗以及土壤环境改善等方面。我国作为一个农业大国，用水量巨大，其中农业用水占比较大。然而，由于我国水资源相对短缺，且农业灌溉效率普遍低下，导致水资源的利用率非常有限。因此，解决农业灌溉用水问题，缓解水资源紧缺状况，已成为我国农业发展中的重要议题。在这样的背景下，智能灌溉系统应运而生。它基于可编程控制器，按照预先设定的程序进行灌溉，显著减少了人力参与，人的作用主要局限于调整控制程序和检修控制设备。此外，随着物联网、大数据、云计算等技术的发展，智能灌溉系统也融入了更多的智能化元素；然而，现有灌区智能灌溉控制系统灌溉不精准，水资源利用率低；同时，不能及时诊断灌溉设备故障；影响灌溉正常工作。

2、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

3、(1)现有灌区智能灌溉控制系统灌溉不精准，水资源利用率低。

4、(2)不能及时诊断灌溉设备故障；影响灌溉正常工作。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种灌区智能灌溉控制系统及其能效优化方法。

2、本发明是这样实现的，一种基于参数和公式优化的灌区智能灌溉控制系统，其特征在于包括以下模块：

3、视频监控模块：该模块与数据传输模块连接，利用摄像头实时监控灌溉过程，并通过无线网络将视频数据传输至数据传输模块；

4、数据采集模块：该模块与数据传输模块连接，负责采集土壤湿度(h)、温度(t)、ph值(p)及气象数据(w)，并通过无线网络将采集到的数据传输至数据传输模块；

5、数据传输模块：该模块与视频监控模块、数据采集模块、控制执行模块连接，负责实现上述模块间的数据无线传输；

6、控制执行模块：该模块与数据传输模块、能效优化模块、故障诊断模块、警报模块、显示模块连接，根据从能效优化模块接收到的优化灌溉策略和实时数据，控制灌溉设备的工作状态；

7、能效优化模块：该模块与控制执行模块连接，采用智能算法(a)，根据实时数据(h,t,p,w)和作物生长需求(c)，计算最优灌溉量(i)，其计算公式为(i＝a(h,t,p,w,c))，对灌溉策略进行持续优化；

8、故障诊断模块：该模块与控制执行模块连接，用于根据收集到的设备状态信息(s)，采用故障诊断算法(d(s))对灌溉设备的故障进行诊断，并将诊断结果传输至控制执行模块；

9、警报模块：该模块与控制执行模块连接，用于根据故障诊断模块的诊断结果，通过警报通知管理人员；

10、显示模块：该模块与控制执行模块连接，用于实时显示灌区的环境数据(h,t,p,w)和灌溉设备的运行状态(s)。

11、通过上述模块和优化算法的应用，该灌区智能灌溉控制系统能够实现灌溉水平的自动化和智能化管理，优化水资源的使用效率，降低资源消耗，提高作物生产效率，同时减少环境负担。

12、本发明提供了一种灌区智能灌溉控制系统包括：

13、视频监控模块、数据采集模块、数据传输模块、控制执行模块、能效优化模块、故障诊断模块、警报模块、显示模块；

14、视频监控模块，与数据传输模块连接，用于通过摄像器对灌溉过程进行视频监控；

15、数据采集模块，与数据传输模块连接，用于采集土壤湿度、温度、ph、气象数据信息；

16、数据传输模块，与视频监控模块、数据采集模块、控制执行模块连接，用于通过无线网络对采集的数据进行无线传输；

17、控制执行模块，与数据传输模块、能效优化模块、故障诊断模块、警报模块、显示模块连接，用于根据优化算法和实时数据，控制灌溉设备的工作状态；

18、能效优化模块，与控制执行模块连接，用于通过智能算法根据实时数据和作物生长需求，调整灌溉策略对灌溉策略进行持续优化；

19、故障诊断模块，与控制执行模块连接，用于对灌溉设备故障进行诊断；

20、警报模块，与控制执行模块连接，用于根据诊断结果进行警报通知；

21、显示模块，与控制执行模块连接，用于实时显示灌区的环境数据和灌溉设备的运行状态。

22、进一步，所述数据传输模块包括：

23、数据编码模块：对采集到的原始数据进行编码处理；

24、数据加密模块，用于对采集的数据进行加密；

25、数据发送模块，用于对采集的数据通过无线信号发送。

26、进一步，所述控制执行模块执行方法：

27、(1)数据接收与处理：

28、控制执行模块首先接收来自能效优化模块的输出指令，指令通常包括建议的灌溉开始时间、灌溉时长以及灌溉量参数；同时，模块实时接收来自数据采集模块的环境数据，包括土壤湿度、温度、气象条件；

29、(2)灌溉策略制定：

30、基于接收到的优化指令和实时数据，控制执行模块通过内置的逻辑算法、控制策略，确定具体的灌溉动作；包括，当土壤湿度低于预设阈值时，模块会触发灌溉动作；同时，根据天气预报信息，模块调整灌溉计划，以避免在降雨期间进行不必要的灌溉；

31、(3)设备控制：

32、一旦灌溉策略确定，控制执行模块会向灌溉设备发送控制信号；信号可以是打开、关闭电磁阀、调节水泵转速具体动作指令；模块通过与灌溉设备的通信接口包括无线通讯、有线连接实现控制信号的传输；

33、(4)监控与反馈：

34、在灌溉过程中，控制执行模块会持续监控设备的运行状态和灌溉效果；包括果发生异常情况包括设备故障、灌溉量不足，模块发出警报并采取相应的应急措施；同时，模块将实时的灌溉数据反馈给能效优化模块。

35、进一步，所述故障诊断模块诊断方法如下：

36、1)配置灌溉设备工作参数，根据灌区的土壤类型、作物种类以及生长阶段，设定合适的灌溉水量和灌溉时长；根据灌区的地形和灌溉设备的布局，设定灌溉设备的启动顺序和灌溉区域；

37、2)在识别到所述灌溉设备出现异常的情形下，关闭所述灌溉设备在第一工作模式下的加装负载，以使所述灌溉设备进入第二工作模式；

38、3)响应于所述关闭，根据电流参数的第一参照值以及第一测量值，判定所述加装负载是否存在故障，其中，所述第一参照值和所述第一测量值对应于所述第二工作模式；

39、其中，在关闭所述灌溉设备的加装负载前，所述方法还包括：

40、根据所述电流参数的第二参照值以及第二测量值，识别所述灌溉设备是否出现异常，其中，所述第二参照值和所述第二测量值对应于所述第一工作模式。

41、进一步，所述判定所述第二工作模式下的加装负载不存在故障的情形下，关闭所述第二工作模式下的加装负载，以使所述灌溉设备进入第三工作模式；

42、响应于所述关闭，根据所述电流参数的第三参照值以及第三测量值，判定所述第三工作模式下的加装负载是否存在故障,其中，所述第三参照值和所述第三测量值对应于所述第三工作模式；

43、所述在根据所述电流参数在当前模式下的参照值以及测量值，识别所述灌溉设备是否出现异常之前，所述方法还包括：

44、根据所述电流参数在所述灌溉设备的首次工作时，在不同工作模式下的测量值，生成所述电流参数在不同工作模式下的参照值；

45、所述关闭所述加装负载包括：

46、接收灌溉设备异常信息；

47、响应于所述灌溉设备异常信息，生成加装负载关闭信息；

48、基于所述加装负载关闭信息关闭所述加装负载。

49、进一步，所述电流参数包括：电流斜率差、电流谐波差、电流有效值中的一者或多者；

50、所述根据所述电流参数的第一参照值以及第一测量值，判定所述加装负载是否存在故障包括：

51、计算所述第一测量值相对于所述第一参照值的偏差百分比；

52、依据所述偏差百分比和设定阈值，判断所述加装负载是否存在故障。

53、一种灌区智能灌溉控制能效优化方法包括：

54、步骤一，通过视频监控模块利用摄像器对灌溉过程进行视频监控；通过数据采集模块采集土壤湿度、温度、ph、气象数据信息；

55、步骤二，通过数据传输模块利用无线网络对采集的数据进行无线传输；通过控制执行模块根据优化算法和实时数据，控制灌溉设备的工作状态；

56、步骤三，通过能效优化模块利用智能算法根据实时数据和作物生长需求，调整灌溉策略对灌溉策略进行持续优化；

57、步骤四，通过故障诊断模块对灌溉设备故障进行诊断；通过警报模块根据诊断结果进行警报通知；

58、步骤五，通过显示模块实时显示灌区的环境数据和灌溉设备的运行状态。

59、本发明提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述灌区智能灌溉控制能效优化方法的步骤。

60、本发明提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述灌区智能灌溉控制能效优化方法的步骤。

61、本发明提供了一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述灌区智能灌溉控制系统。

62、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

63、第一、本发明通过集成先进的传感器、通信技术以及智能控制算法，实现灌区的精准灌溉与节能降耗。本系统基于物联网技术，通过实时监测土壤湿度、气象条件等关键参数，结合作物生长需求，智能决策灌溉策略，实现水资源的合理分配和高效利用。

64、系统采用模块化设计，包括数据采集模块、数据传输模块、控制执行模块以及能效优化模块。数据采集模块负责收集土壤湿度、气象数据等实时信息；数据传输模块确保数据的快速、准确传输；控制执行模块根据优化算法和实时数据，精准控制灌溉设备的工作状态；能效优化模块则通过智能算法对灌溉策略进行持续优化，提升灌溉能效。

65、在能效优化方面，本系统采用了多种先进的控制策略，如模糊控制、神经网络等，以实现对灌溉水量的精准控制和节能降耗。通过对比传统灌溉方式，本系统在提高作物产量的同时，显著降低了灌溉用水量，实现了水资源的高效利用。

66、此外，本系统还具有高度的可扩展性和适应性，可根据不同灌区的地理环境、作物种类以及水资源状况进行定制和优化，为灌区的可持续发展提供有力的技术支持。

67、综上所述，灌区智能灌溉控制系统及其能效优化方法是一项具有广阔应用前景和重大社会意义的创新技术，将为我国农业生产的现代化和可持续发展做出重要贡献。

68、本发明通过控制执行模块能够实现对作物需水量的精准判断和控制；这不仅可以避免过量灌溉导致的水资源浪费，确保作物在关键生长阶段获得足够的水分供应；同时，通过故障诊断模块在灌溉设备中的某个负载发生故障时，灌溉设备会产生异常来提醒工作人员当前开启的工作模式存在故障，从而使用户关闭该灌溉设备当前的工作模式保证工作人员人身安全，另外的，工作人员可以将灌溉设备调节到其他工作模式，以此来判断是否为加装负载产生故障，能够使工作人员得知是哪个负载发生故障，并避免开启使用该故障负载的工作模式。

69、第二，本发明的灌区智能灌溉控制系统解决了现有技术中存在的几个关键技术问题：

70、1.非最优水资源分配：传统灌溉系统往往采用固定的灌溉计划，无法根据土壤湿度、作物需求和气象条件的实时变化调整灌溉策略，导致水资源分配不均匀或非最优，既浪费水资源又影响作物生长。本发明通过实时数据采集和智能算法优化，实现灌溉水量和时机的动态调整，优化水资源利用。

71、2.灌溉监控和管理效率低：在没有智能系统支持的情况下，灌溉的监控和管理需要大量人工参与，效率低下，且难以实时响应突发状况。本发明引入视频监控和自动警报模块，提高了灌溉过程的监控效率和管理响应速度。

72、3.灌溉设备故障及时发现和处理难度大：传统灌溉系统中，设备故障往往需要通过人工巡检发现，处理延迟导致灌溉中断，影响作物生长。本发明通过故障诊断模块实时监控设备状态，一旦发现异常立即启动警报，减少了故障处理时间，提高了系统的可靠性。

73、4.能效优化不足：现有技术中往往缺乏有效的能效优化措施，导致灌溉过程中能源消耗高，环境影响大。本发明通过能效优化模块，结合实时数据和智能算法，实现灌溉策略的持续优化，提高能效，减少环境影响。

74、5.缺乏灌溉过程的透明度：在传统灌溉系统中，灌溉过程和状态缺乏透明度，农民和管理者难以获取实时信息。本发明的显示模块提供了一个直观的界面，实时展示灌区环境数据和灌溉设备运行状态，提高了灌溉过程的透明度和信息可访问性。

75、通过解决上述技术问题，本发明的灌区智能灌溉控制系统显著提高了灌溉效率和水资源利用率，减少了人工成本和环境影响，为灌区提供了一种高效、智能、环保的灌溉解决方案。