本发明属于农业精准灌溉控制技术领域，特别涉及一种农业精准智能灌溉测控系统及灌溉测控方法。
背景技术：
我国是一个农业大国，农业作为国家的经济命脉和用水大户，长期以来，由于思想意识、技术等方面的原因，一直沿用传统落后的大水漫灌。但随着水资源短缺与需水量逐年增加之间的矛盾日益加剧，大水漫灌正逐渐被注重精确灌水的现代节水灌溉模式所取代。精准灌溉控制技术是一种节水和节约资源的新型灌溉技术，它不仅仅可以提高水资源的使用，改善生态环境，而且更重要的是可以减少土壤结构破坏、提高经济效益。为了使农业更加现代化和智能化，科学种地灌溉和减轻劳动强度是很重要的，所以农业精准智能灌溉测控技术的研究显得尤为重要。
在目前的农业灌溉方面，很多都是利用传感器进行监测以及设计灌溉装置，并没有真正做到精准灌溉的目的。充分研究灌溉过程中出现的时间延迟问题、数据采集问题，并根据农业作物适合的生长环境，精确控制灌溉时间与灌溉量，能够很好的使作物的各个生育期都能得到最佳的用水量，从而提高水资源的利用率，同时，又能提高作物的产量，这将会加快农业现代化的进程，实现农业精准智能灌溉。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种综合考虑水分渗透延迟问题，电磁阀响应延迟等因素对灌溉速度的影响，然后调整系统合理控制参数，对大流量电磁阀与小流量电磁阀的开启、关断进行智能控制的农业精准智能灌溉测控系统，并提供该灌溉测控系统的具体灌溉测控方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种农业精准智能灌溉测控系统，包括电源模块、中央处理器、控水灌溉模块、水泵、大流量电磁阀、小流量电磁阀、数据采集模块、数据统计分析模块、参数设定模块以及无线通信模块；
所述数据采集模块包括用于采集土壤湿度的传感器模块和用于采集电磁阀启闭时间的计时电路，将采集到的数据传输给中央处理器；
中央处理器通过无线通信模块将数据传输给数据分析模块进行分析，数据分析模块用于根据采集到的土壤湿度判断是否需要灌溉，并计算灌溉时间和大流量电磁阀、小流量电磁阀的开启时间；
数据分析模块与参数设定模块相连，参数设定模块用于设定大流量电磁阀和小流量电磁阀的控制参数，并将控制参数传输至控水灌溉模块；
控水灌溉模块用于控制大流量电磁阀和小流量电磁阀，大流量电磁阀和小流量电磁阀分别安装在两个并行的出水管道上。
进一步地，所述数据采集模块包括多个土壤湿度传感器，土壤湿度传感器分别间隔安装在待监控地面土层下方5cm、10cm和20cm不同深度土壤中，用于采集土层不同深度土壤湿度。
本发明的另一个目的上提供一种农业精准智能灌溉测控方法，包括如下步骤：
a、求取小流量电磁阀单独灌溉时间tx与20cm深度的土壤湿度p3的对应关系p3＝k1tx中的系数k1，大流量电磁阀单独灌溉时间ty与10cm深度的土壤湿度p2的对应关系p2＝k2ty中的系数k2：
b、求取大流量电磁阀和小流量电磁阀同时开启时的延迟时间td、平均灌溉速率v，以及大流量电磁阀单独开启时的延迟时间t1、平均灌溉速率vb，以及小流量电磁阀单独开启时的延迟时间t2以及平均灌溉速率vs：
c、精准灌溉：分别采集土层下方5cm、10cm和20cm的土壤湿度，记为px1、px2、px3，分别与土层下方5cm、10cm和20cm的土壤湿度的标定值p01、p02、p03相比较，根据比较结果进行灌溉工作。
进一步地，所述步骤a具体实现方法为：通过系统参数设定模块设置小流量电磁阀以不同的灌溉时间txi单独进行n次灌溉，n≥10；数据采集模块采集每次灌溉结束后20cm深处的土壤湿度p3i，得到灌溉时间tx与20cm深的土壤湿度p3的n组样本：(tx1，p31)，…，(txi，p3i)，…，(txn，p3n)；将所得n组样本通过最小二乘法进行数值拟合得到灌溉时间tx与20cm深的土壤湿度p3的对应关系系数k1；
通过系统参数设定模块设置大流量电磁阀以不同的灌溉时间tyi单独进行n次灌溉，n≥10；数据采集模块采集每次灌溉结束后10cm深处的土壤湿度p2i，得到灌溉时间ty与10cm深的土壤湿度p2的n组样本：(ty1，p21)，…，(tyi，p2i)，…，(tyn，p2n)；将所得n组样本通过最小二乘法进行数值拟合得到灌溉时间ty与10cm深的土壤湿度p2的对应关系系数k2。
进一步地，所述步骤b具体实现方法为：
b1、设置不同的时间tf进行n次灌溉；
b2、计算每次灌溉时，大流量电磁阀与小流量电磁阀同时开启时的延迟时间和平均灌溉速率；其方法为：通过系统参数设定模块设置大流量电磁阀与小流量电磁阀同步运行，当数据采集模块的计时时长等于tf时，大流量电磁阀与小流量电磁阀同步关断，数据分析模块自动向前搜索并且记录电磁阀同步开启的实际时间和灌溉结束后5cm深处的土壤湿度；
重复执行上述灌溉和数据采集操作，当相邻两次的土壤湿度的差值满足|p1i-p1(i-1)|≤△p时停止，△p为土壤湿度容差，此次电磁阀同步开启的实际时间为ti；得到大流量电磁阀与小流量电磁阀同时开启时的延迟时间为：td＝tf-ti，平均灌溉速率v＝(p1i–px1)/td；px1为无延迟情况下灌溉tf时间后5cm深处的土壤湿度；
b3、设置n个不同的灌溉时间tf进行灌溉，得到大流量电磁阀与小流量电磁阀同时开启时的延迟时间td与平均灌溉速率v的n组样本：(td1、v1)…(tdi、vi)…(tdn、vn)；再通过参数设定模块对所得n组样本进行均值计算，得到大流量电磁阀与小流量电磁阀同时开启时的平均灌溉速率v＝(v1 … vi …vn)/n；对n组样本中的td划分区间进行统计得到各区间的次数，将次数最多的区间的中点值作为灌溉过程的延迟时间td；
b4、单独开启大流量电磁阀，并重复步骤b1～b3的操作，得到大流量电磁阀单独开启时的延迟时间t1、平均灌溉速率vb；
单独开启小流量电磁阀，并重复步骤b1～b3的操作，得到小流量电磁阀单独开启时的延迟时间t2以及平均灌溉速率vs。
进一步地，所述步骤c中根据比较结果进行灌溉工作的具体方法为：
c1、采集土层下方5cm的土壤湿度px1，判断px1<p01是否成立，若否则执行步骤c2；否是则控水灌溉模块将控制大流量电磁阀和小流量电磁阀同时开启，进行灌溉工作，灌溉时间为t总＝(p01-px1)/v-td；灌溉后重新采集5cm深度处土壤湿度，若px1满足|p01-px1|≤△p，则结束灌溉操作，执行步骤c2；否则继续开启大流量电磁阀和小流量电磁阀进行灌溉操作；
c2、采集土层下方10cm的土壤湿度px2，判断p01≤px2<p02是否成立，若否则执行步骤c3；若是则控水灌溉模块将控制大流量电磁阀开启，进行灌溉工作，灌溉时间为t总＝(p02-px2)/vb-t1；灌溉结束后重新采集10cm深度处土壤湿度，若10cm深度土壤湿度满足|p02-px2|≤△p，则结束灌溉操作，执行步骤c2；继续开启大流量电磁阀进行灌溉操作；
c3、采集土层下方20cm的土壤湿度px3，判断p02≤px3<p03是否成立，若否则执行步骤c4；若是则控水灌溉模块将控制小流量电磁阀开启，进行灌溉工作，灌溉时间为t总＝(p03-px3)/vs-t2；灌溉结束后重新采集20cm深度处土壤湿度，当20cm深度土壤湿度满足|p3-px|≤△p，则结束灌溉操作，否则继续开启小流量电磁阀进行灌溉操作；
c4、px3≥p03：不需要灌溉。
进一步地，所述土壤湿度数据均是在灌溉渗透完全后进行采集的。
本发明的有益效果是：本发明提供一种农业精准智能灌溉测控方法，综合考虑水分渗透延迟问题，电磁阀响应延迟等因素对灌溉速度的影响，然后调整系统合理控制参数，对大流量电磁阀与小流量电磁阀的开启、关断进行智能控制，以保证灌溉的精度与速度。能够根据农业作物适合的生长环境，精确控制灌溉时间与灌溉量，使作物的各个生育期都能得到最佳的用水量，从而提高水资源的利用率，同时，又能提高作物的产量，将会加快农业现代化的进程，实现农业精准智能灌溉。
附图说明
图1为本发明的农业精准智能灌溉测控系统结构示意图；
图2为本发明的农业精准智能灌溉测控方法的流程图；
图3为本发明的求取系数k1、k2的流程图；
图4为根据比较结果进行灌溉工作的具体方法。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明的一种农业精准智能灌溉测控系统，包括电源模块、中央处理器、控水灌溉模块、水泵、大流量电磁阀、小流量电磁阀、数据采集模块、数据统计分析模块、参数设定模块以及无线通信模块；
所述数据采集模块包括用于采集土壤湿度的传感器模块和用于采集电磁阀启闭时间的计时电路，将采集到的数据传输给中央处理器；
中央处理器通过无线通信模块将数据传输给数据分析模块进行分析，数据分析模块用于根据采集到的土壤湿度判断是否需要灌溉，并计算灌溉时间和大流量电磁阀、小流量电磁阀的开启时间；
数据分析模块与参数设定模块相连，参数设定模块用于设定大流量电磁阀和小流量电磁阀的控制参数，并将控制参数传输至控水灌溉模块；
控水灌溉模块用于控制大流量电磁阀和小流量电磁阀，大流量电磁阀和小流量电磁阀分别安装在两个并行的出水管道上。参数设定以后，控水灌溉模块将控制大流量电磁阀和小流量电磁阀，以此完成精准智能灌溉，并且灌溉过程中的结果直接反馈给数据采集模块。
所述数据采集模块包括多个土壤湿度传感器，土壤湿度传感器分别间隔安装在待监控地面土层下方5cm、10cm和20cm不同深度土壤中，用于采集土层不同深度土壤湿度。
如图2所示，本发明的一种农业精准智能灌溉测控方法，包括如下步骤：
a、求取小流量电磁阀单独灌溉时间tx与20cm深度的土壤湿度p3的对应关系p3＝k1tx中的系数k1，大流量电磁阀单独灌溉时间ty与10cm深度的土壤湿度p2的对应关系p2＝k2ty中的系数k2：
如图3所示，具体实现方法为：通过系统参数设定模块设置小流量电磁阀以不同的灌溉时间txi单独进行n次灌溉，n≥10；数据采集模块采集每次灌溉结束后20cm深处的土壤湿度p3i，得到灌溉时间tx与20cm深的土壤湿度p3的n组样本：(tx1，p31)，…，(txi，p3i)，…，(txn，p3n)；将所得n组样本通过最小二乘法进行数值拟合得到灌溉时间tx与20cm深的土壤湿度p3的对应关系系数k1；
通过系统参数设定模块设置大流量电磁阀以不同的灌溉时间tyi单独进行n次灌溉，n≥10；数据采集模块采集每次灌溉结束后10cm深处的土壤湿度p2i，得到灌溉时间ty与10cm深的土壤湿度p2的n组样本：(ty1，p21)，…，(tyi，p2i)，…，(tyn，p2n)；将所得n组样本通过最小二乘法进行数值拟合得到灌溉时间ty与10cm深的土壤湿度p2的对应关系系数k2。
b、求取大流量电磁阀和小流量电磁阀同时开启时的延迟时间td、平均灌溉速率v，以及大流量电磁阀单独开启时的延迟时间t1、平均灌溉速率vb，以及小流量电磁阀单独开启时的延迟时间t2以及平均灌溉速率vs：
具体实现方法为：
b1、设置不同的时间tf进行n次灌溉；
b2、计算每次灌溉时，大流量电磁阀与小流量电磁阀同时开启时的延迟时间和平均灌溉速率；其方法为：通过系统参数设定模块设置大流量电磁阀与小流量电磁阀同步运行，当数据采集模块的计时时长等于tf时，大流量电磁阀与小流量电磁阀同步关断，数据分析模块自动向前搜索并且记录电磁阀同步开启的实际时间和灌溉结束后5cm深处的土壤湿度；
重复执行上述灌溉和数据采集操作，当相邻两次的土壤湿度的差值满足|p1i-p1(i-1)|≤△p时停止，△p为土壤湿度容差，此次电磁阀同步开启的实际时间为ti；得到大流量电磁阀与小流量电磁阀同时开启时的延迟时间为：td＝tf-ti，平均灌溉速率v＝(p1i–px1)/td；px1为无延迟情况下灌溉tf时间后5cm深处的土壤湿度；
b3、设置n个不同的灌溉时间tf进行灌溉，得到大流量电磁阀与小流量电磁阀同时开启时的延迟时间td与平均灌溉速率v的n组样本：(td1、v1)…(tdi、vi)…(tdn、vn)；再通过参数设定模块对所得n组样本进行均值计算，得到大流量电磁阀与小流量电磁阀同时开启时的平均灌溉速率v＝(v1 … vi …vn)/n；对n组样本中的td划分区间进行统计得到各区间的次数，将次数最多的区间的中点值作为灌溉过程的延迟时间td；
b4、单独开启大流量电磁阀，并重复步骤b1～b3的操作，得到大流量电磁阀单独开启时的延迟时间t1、平均灌溉速率vb；
单独开启小流量电磁阀，并重复步骤b1～b3的操作，得到小流量电磁阀单独开启时的延迟时间t2以及平均灌溉速率vs。
步骤a和步骤b为灌溉前的设定灌溉参数的步骤，只需要在灌溉前操作一次即可，无需每次灌溉都重新计算，后续灌溉只需要执行步骤c即可实现农业精准灌溉。
c、精准灌溉：分别采集土层下方5cm、10cm和20cm的土壤湿度，记为px1、px2、px3，分别与土层下方5cm、10cm和20cm的土壤湿度的标定值p01、p02、p03相比较，根据比较结果进行灌溉工作，标定值p01、p02、p03为待监控农田地面土层下方5cm、10cm和20cm处最适合作物生长的土壤湿度值；
如图4所示，根据比较结果进行灌溉工作的具体方法为：
c1、采集土层下方5cm的土壤湿度px1，判断px1<p01是否成立，若否则执行步骤c2；否是则控水灌溉模块将控制大流量电磁阀和小流量电磁阀同时开启，进行灌溉工作，灌溉时间为t总＝(p01-px1)/v-td；灌溉后重新采集5cm深度处土壤湿度，若px1满足|p01-px1|≤△p，则结束灌溉操作，执行步骤c2；否则继续开启大流量电磁阀和小流量电磁阀进行灌溉操作；
c2、采集土层下方10cm的土壤湿度px2，判断p01≤px2<p02是否成立，若否则执行步骤c3；若是则控水灌溉模块将控制大流量电磁阀开启，进行灌溉工作，灌溉时间为t总＝(p02-px2)/vb-t1；灌溉结束后重新采集10cm深度处土壤湿度，若10cm深度土壤湿度满足|p02-px2|≤△p，则结束灌溉操作，执行步骤c2；继续开启大流量电磁阀进行灌溉操作；
c3、采集土层下方20cm的土壤湿度px3，判断p02≤px3<p03是否成立，若否则执行步骤c4；若是则控水灌溉模块将控制小流量电磁阀开启，进行灌溉工作，灌溉时间为t总＝(p03-px3)/vs-t2；灌溉结束后重新采集20cm深度处土壤湿度，当20cm深度土壤湿度满足|p3-px|≤△p，则结束灌溉操作，否则继续开启小流量电磁阀进行灌溉操作；
c4、px3≥p03：不需要灌溉。
所述土壤湿度数据均是在灌溉渗透完全后进行采集的。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
1.一种农业精准智能灌溉测控系统，其特征在于，包括电源模块、中央处理器、控水灌溉模块、水泵、大流量电磁阀、小流量电磁阀、数据采集模块、数据统计分析模块、参数设定模块以及无线通信模块；
所述数据采集模块包括用于采集土壤湿度的传感器模块和用于采集电磁阀启闭时间的计时电路，将采集到的数据传输给中央处理器；
中央处理器通过无线通信模块将数据传输给数据分析模块进行分析，数据分析模块用于根据采集到的土壤湿度判断是否需要灌溉，并计算灌溉时间和大流量电磁阀、小流量电磁阀的开启时间；
数据分析模块与参数设定模块相连，参数设定模块用于设定大流量电磁阀和小流量电磁阀的控制参数，并将控制参数传输至控水灌溉模块；
控水灌溉模块用于控制大流量电磁阀和小流量电磁阀，大流量电磁阀和小流量电磁阀分别安装在两个并行的出水管道上。
2.根据权利要求1所述的一种农业精准智能灌溉测控系统，其特征在于，所述数据采集模块包括多个土壤湿度传感器，土壤湿度传感器分别间隔安装在待监控地面土层下方5cm、10cm和20cm不同深度土壤中，用于采集土层不同深度土壤湿度。
3.一种农业精准智能灌溉测控方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、求取小流量电磁阀单独灌溉时间tx与20cm深度的土壤湿度p3的对应关系p3＝k1tx中的系数k1，大流量电磁阀单独灌溉时间ty与10cm深度的土壤湿度p2的对应关系p2＝k2ty中的系数k2：
b、求取大流量电磁阀和小流量电磁阀同时开启时的延迟时间td、平均灌溉速率v，以及大流量电磁阀单独开启时的延迟时间t1、平均灌溉速率vb，以及小流量电磁阀单独开启时的延迟时间t2以及平均灌溉速率vs：
c、精准灌溉：分别采集土层下方5cm、10cm和20cm的土壤湿度，记为px1、px2、px3，分别与土层下方5cm、10cm和20cm的土壤湿度的标定值p01、p02、p03相比较，根据比较结果进行灌溉工作。
4.根据权利要求3所述的一种农业精准智能灌溉测控方法，其特征在于，所述步骤a具体实现方法为：通过系统参数设定模块设置小流量电磁阀以不同的灌溉时间txi单独进行n次灌溉，n≥10；数据采集模块采集每次灌溉结束后20cm深处的土壤湿度p3i，得到灌溉时间tx与20cm深的土壤湿度p3的n组样本：(tx1，p31)，…，(txi，p3i)，…，(txn，p3n)；将所得n组样本通过最小二乘法进行数值拟合得到灌溉时间tx与20cm深的土壤湿度p3的对应关系系数k1；
通过系统参数设定模块设置大流量电磁阀以不同的灌溉时间tyi单独进行n次灌溉，n≥10；数据采集模块采集每次灌溉结束后10cm深处的土壤湿度p2i，得到灌溉时间ty与10cm深的土壤湿度p2的n组样本：(ty1，p21)，…，(tyi，p2i)，…，(tyn，p2n)；将所得n组样本通过最小二乘法进行数值拟合得到灌溉时间ty与10cm深的土壤湿度p2的对应关系系数k2。
5.根据权利要求3所述的一种农业精准智能灌溉测控方法，其特征在于，所述步骤b具体实现方法为：
b1、设置不同的时间tf进行n次灌溉；
b2、计算每次灌溉时，大流量电磁阀与小流量电磁阀同时开启时的延迟时间和平均灌溉速率；其方法为：通过系统参数设定模块设置大流量电磁阀与小流量电磁阀同步运行，当数据采集模块的计时时长等于tf时，大流量电磁阀与小流量电磁阀同步关断，数据分析模块自动向前搜索并且记录电磁阀同步开启的实际时间和灌溉结束后5cm深处的土壤湿度；
重复执行上述灌溉和数据采集操作，当相邻两次的土壤湿度的差值满足|p1i-p1(i-1)|≤△p时停止，△p为土壤湿度容差，此次电磁阀同步开启的实际时间为ti；得到大流量电磁阀与小流量电磁阀同时开启时的延迟时间为：td＝tf-ti，平均灌溉速率v＝(p1i–px1)/td；px1为无延迟情况下灌溉tf时间后5cm深处的土壤湿度；
b3、设置n个不同的灌溉时间tf进行灌溉，得到大流量电磁阀与小流量电磁阀同时开启时的延迟时间td与平均灌溉速率v的n组样本：(td1、v1)…(tdi、vi)…(tdn、vn)；再通过参数设定模块对所得n组样本进行均值计算，得到大流量电磁阀与小流量电磁阀同时开启时的平均灌溉速率v＝(v1 … vi …vn)/n；对n组样本中的td划分区间进行统计得到各区间的次数，将次数最多的区间的中点值作为灌溉过程的延迟时间td；
b4、单独开启大流量电磁阀，并重复步骤b1～b3的操作，得到大流量电磁阀单独开启时的延迟时间t1、平均灌溉速率vb；
单独开启小流量电磁阀，并重复步骤b1～b3的操作，得到小流量电磁阀单独开启时的延迟时间t2以及平均灌溉速率vs。
6.根据权利要求3所述的一种农业精准智能灌溉测控方法，其特征在于，所述步骤c中根据比较结果进行灌溉工作的具体方法为：
c1、采集土层下方5cm的土壤湿度px1，判断px1<p01是否成立，若否则执行步骤c2；否是则控水灌溉模块将控制大流量电磁阀和小流量电磁阀同时开启，进行灌溉工作，灌溉时间为t总＝(p01-px1)/v-td；灌溉后重新采集5cm深度处土壤湿度，若px1满足|p01-px1|≤△p，则结束灌溉操作，执行步骤c2；否则继续开启大流量电磁阀和小流量电磁阀进行灌溉操作；
c2、采集土层下方10cm的土壤湿度px2，判断p01≤px2<p02是否成立，若否则执行步骤c3；若是则控水灌溉模块将控制大流量电磁阀开启，进行灌溉工作，灌溉时间为t总＝(p02-px2)/vb-t1；灌溉结束后重新采集10cm深度处土壤湿度，若10cm深度土壤湿度满足|p02-px2|≤△p，则结束灌溉操作，执行步骤c2；继续开启大流量电磁阀进行灌溉操作；
c3、采集土层下方20cm的土壤湿度px3，判断p02≤px3<p03是否成立，若否则执行步骤c4；若是则控水灌溉模块将控制小流量电磁阀开启，进行灌溉工作，灌溉时间为t总＝(p03-px3)/vs-t2；灌溉结束后重新采集20cm深度处土壤湿度，当20cm深度土壤湿度满足|p3-px|≤△p，则结束灌溉操作，否则继续开启小流量电磁阀进行灌溉操作；
c4、px3≥p03：不需要灌溉。
7.根据权利要求3所述的一种农业精准智能灌溉测控方法，其特征在于，所述土壤湿度数据均是在灌溉渗透完全后进行采集的。
技术总结