智慧农业网络化精准灌溉系统设计

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智慧农业网络化精准灌溉系统设计张丽娜中北大学
目前的智慧农业灌溉系统不能够充分利用自然降水,在很大程度上造成了水资源的浪费。而且,随着现代农业、智慧农业以及精准农业的不断发展,水田面积不断扩大,网络化智能灌溉系统的需求日益增加。现有灌溉系统的底层设备多采用有线信息传输的方式,需要架设大量线缆,灵活性差、通信网络的连通性差、能耗高、灌溉系统决策终端智能化程度不足,在增加设备能耗的同时,影响设备的寿命,给设备的部署及维护带也来了很大的困难。对此,本文综合运用了传感器技术、嵌入式系统技术、无线自组网技术及人工智能理论,引入气象参数并提出精准灌溉策略,设计了智慧农业网络化精准灌溉系统。具体内容如下1)设计了基于智慧农业技术的网络化水田作物精准灌溉套件,主要包括数据采集节点、智能网络化节点、精准灌溉动作设备节点以及精准灌溉控制终端,精准灌溉系统基于无线通信的方式,可灵活部署于水田区域。(2)建立了精准灌溉系统通信网络全连通模型、通信网络能耗评估模型及通信网络节点最优部署模型。为了提升灌溉网络通信效率并降低通信能耗,采用基于维诺图改进的飞蛾扑火优化算法(Voronoi Moth Flame Optimization,VI-MFO)对搭建的节点部署数学模型进行求解。(3)搭建了精准灌溉系统作物耗水预测模型、降水预测模型及作物最优灌溉决策模型。为了提高灌溉的精准度并节约水资源,引入气象参数并采用自适应模糊控制方法进行灌溉决策。(4)构建了精准灌溉决策系统,将水田状态信息及网络气象参数作为系统输入,经过系统决策,自适应控制水田灌溉设备进行精准灌溉。并以中国江苏地区水稻田为例,分别进行了系统仿真测试及实物测试。仿真实验结果表明,所提出的智能灌溉系统比非智能灌溉系统设备启动次数减少了26.67%,灌水量节约了40.82%,排水量减少了33.89%,确保农作物的生长水位保持在最佳状态,提高设备的使用寿命,减少了无效灌溉次数,避免了水资源的浪费;实物测试结果表明,系统软硬件各部分工作正常,设备动作时延、决策系统决策时间、系统偏差以及通信距离等参数均符合设计指标的要求。