一种基于PID-PLPF控制算法的柑橘园防虫害系统

技术领域

本发明涉及智慧农业领域的技术领域，尤其是涉及一种基于PID-PLPF控制算法的柑橘园防虫害系统。

背景技术

柑橘，属芸香科下属植物，果实营养丰富，所含有的人体保健物质，已分离出30余种，其中主要有：类黄酮、单萜、香豆素、类胡萝卜素、类丙醇、吖啶酮、甘油糖脂质等，且色香味兼优，又可以加工以果汁为主的各种加工制品。桔子可谓全身是宝，其果肉、皮、核、络均可入药。橘子的外果皮晒干后叫“陈皮”。而橘瓤上面的白色网状丝络，叫“橘络”，含有一定量的维生素P，有通络、化痰、理气、消滞等功效。橘核性味苦、无毒，有理气止痛的作用，可以用来治疗疝气、腰痛等症。就连橘根、橘叶等也可入药，具有舒肝、健脾、和胃等不同功能。柑橘的产量居百果之首，受广大消费者的喜爱。柑橘长寿、丰产稳定、经济效益高，是中国果树的最主要树种，对果农脱贫致富，农村经济的发展起着重大的作用。

现有的柑橘种植管理效率不高，果树患病不能及时发现，容易造成大范围感染。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种基于PID-PLPF控制算法的柑橘园防虫害系统，用于解决柑橘园人工防病虫效率低的问题，且便于实时采集柑橘的生长环境数据，并及时采取相应措施，有效保证了种植户的经济效益。

本发明提供的一种基于PID-PLPF控制算法的柑橘园防虫害系统采用如下的技术方案：

一种基于PID-PLPF控制算法的柑橘园防虫害系统，包括控制器、测绘单元、监测单元、环境数据获取单元、环境改善单元和移动终端，所述控制器与测绘单元、监测单元、环境数据获取单元、环境改善单元和移动终端通过信号连接；

所述测绘单元测绘出柑橘园的地貌信息和植株种植的位置信息，所述监测单元用于对柑橘园进行实时监测，将监测数据发送至所述控制器与对比植株数据做出比较，所述环境数据获取单元用于土壤中的湿度、土壤中的营养成分和光照强度，所述环境改善单元用于改善土壤中的湿度、土壤中的营养成分和光照强度，所述移动终端可接收和查看柑橘园的信息；

还包括有与控制器信号连接的数据库和喷药单元，所述监测单元监测到植株上发生害虫后，将数据发送至所述数据库并于库内的害虫信息比对，且将害虫信息以及推荐用药信息发送至所述控制器和移动终端，所述监测单元监测到植株的生长情况，将数据发送至所述数据库并于库内的植株信息比对，且将施肥信息发送至所述控制器和移动终端，所述喷药单元用于对植株喷洒农药。

优选的，所述测绘单元设置采用全站仪成图或航空摄影测量，在所述控制器内绘制出地貌信息和植株信息。

优选的，所述控制器采用PID控制器，所述PID控制器后设置有低通滤波器，提出了后置式低通滤波器PID控算法(简称PID-PLPF控制算法)不完全微分结构，其传递函数为：

第一步，将公式(1)离散化为：

u(k)＝u

第二步，将uD(k)进行推导，得到公式(3)

第三步，转化为微分方程：

第四步，取采样时间为Ts，将公式(4)离散化为：

第五步，整理公式(5)，得到：

令

u

PID-PLPF控制算法是在PID算法中加入一个一阶惯性环节(低通滤波器)。

优选的，所述监测单元为高清摄像机，所述高清摄像机在每排植株中设置为多个，所述高清摄像机用于实时拍摄植株的实际生长图像，并将拍摄到的实际生长图像与所述数据库中的植株对比。

优选的，所述环境数据获取单元包括湿度传感器、数据分析仪和照度计，所述湿度传感器、数据分析仪设置在植株旁的土壤中，所述照度计设置在柑橘园中。

优选的，所述环境改善单元包括灌溉装置、施肥装置和补光装置，所述灌溉装置依次对从高到低的每排植株进行灌溉，所述施肥装置均匀对植株进行施肥，所述补光装置为补充植株的光照时间。

优选的，所述灌溉装置包括水源、水泵、进水主管、进水支管、喷头和电磁阀，所述进水主管与所述水源连接，所述水泵将水源泵进所述进水主管内，所述进水支管沿着每排植株分布，所述进水支管与所述进水主管相连通，所述喷头均匀分布在所述进水支管上，所述电磁阀安装在进水支管靠近所述进水主管的一端。

优选的，所述施肥装置包括储液罐和电动搅拌器，所述电动搅拌器安装在储液罐的顶部，所述储液罐的顶部开设有投料口，所述储液罐的底部与进水支管相连通，所述进水主管向所述储液罐内注入水源。

优选的，所述补光装置包括灯杆、LED灯、太阳能板和蓄电池，所述太阳能板安装在灯杆的顶部，所述LED灯安装在灯杆的周侧，所述蓄电池安装在灯杆内部。

优选的，所述喷药单元包括无人机、储药箱和自动喷头，所述储药箱安装在所述无人机上，所述自动喷头与所述储药箱相连通，所述无人机根据地貌信息和植株信息，在植株园内匀速飞行，所述自动喷头均匀喷洒所述储药箱内的药液。

综上所述，本申请包括以下有益技术效果：

本发明能够通过测绘单元对柑橘园内的地理信息进行测绘，监测单元对植株的生长情况进行实时监测，环境数据获取单元获取环境信息，环境改善单元对环境进行改善，数据库用于对比植株的生长信息，配合使得控制器及时发出指令对柑橘园进行管理，提高柑橘园的防虫害能力，适宜于柑橘植株的茁壮成长。

附图说明

图1是本发明基于PID-PLPF控制算法的柑橘园防虫害系统一较佳实施例的结构框图；

图2是本发明基于PID-PLPF控制算法的柑橘园防虫害系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合附图1-2对本发明作进一步的详细说明。

如图1和图2所示，一种基于PID-PLPF控制算法的柑橘园防虫害系统，包括控制器、测绘单元、监测单元、环境数据获取单元、环境改善单元和移动终端，控制器与测绘单元、监测单元、环境数据获取单元、环境改善单元和移动终端通过信号连接，还包括有与控制器信号连接的数据库和喷药单元。

测绘单元测绘出柑橘园的地貌信息和植株种植的位置信息，以便于对植株进行合理灌溉。

具体的，在本实施例中，测绘单元设置采用全站仪成图或航空摄影测量，在控制器内绘制出地貌信息和植株信息。

监测单元用于对柑橘园进行实时监测，确定植株的实时生长情况，将监测数据发送至控制器与数据库中的对比植株数据做出比较，确定处于哪一生长阶段、是否有害虫；监测到植株的生长情况，将数据发送至数据库并于库内的植株信息比对，且将施肥信息发送至控制器和移动终端。若植株上发生害虫后，将数据发送至数据库并于库内的害虫信息比对，且将害虫信息以及推荐用药信息发送至控制器和移动终端，配合喷药单元用于对植株喷洒农药灭杀害虫。

另外，监测单元选用为高清摄像机，高清摄像机在每排植株中设置为多个，高清摄像机用于实时拍摄植株的实际生长图像，并将拍摄到的实际生长图像与数据库中的植株对比。

环境数据获取单元用于土壤中的湿度、土壤中的营养成分和光照强度，环境改善单元用于改善土壤中的湿度、土壤中的营养成分和光照强度，移动终端接收和查看柑橘园的信息。

具体的，在本实施例中，环境数据获取单元包括湿度传感器、数据分析仪和照度计。

其中，湿度传感器、数据分析仪设置在植株旁的土壤中。土壤中湿度低于预设值时，湿度传感器将信息发送至控制器和移动终端，人工或自动开启灌溉系统，对植株进行灌溉。数据分析仪检测到土壤中的成分，若某一成分过低时，数据分析仪将信息发送至控制器和移动终端，通过数据库分析出适配的营养成分，种植户对植株旁的土壤进行成分调节。照度计设置在柑橘园中，照度计检测到光照强度小于预设值时，先确定本日的正常光照时间，自动开启补光系统对植株进行一定时间的补光，保证植株的正常光照时间。

另外，环境改善单元包括灌溉装置、施肥装置和补光装置。灌溉装置依次对从高到低的每排植株进行灌溉，施肥装置均匀对植株进行施肥，补光装置为补充植株的光照时间。

在本实施例中，公开了一种具体的灌溉装置，其包括水源、水泵、进水主管、进水支管、喷头和电磁阀。水源优选为地表水和地下水，进水主管与水源连接，水泵将水源抽入进水主管内，进水支管沿着每排植株分布，进水支管与进水主管相连通，喷头均匀分布在进水支管上，电磁阀安装在进水支管靠近进水主管的一端。灌溉装置工作时，配合湿度传感器，对地势由高到低的每排植株依次进行灌溉，减少对水资源的使用量。

另外，为了减少系统的复杂程度，本实施例公开了一种与灌溉装置配合使用的施肥装置，其包括储液罐和电动搅拌器，电动搅拌器安装在储液罐的顶部，储液罐的顶部开设有投料口，储液罐的底部与进水支管相连通，进水主管向储液罐内注入水源。灌溉装置与施肥装置的管道共用，有益于资源的共用，减少成本，减少施工量。

在本实施例中，补光装置采用为太阳能作为能源，补光装置包括灯杆、LED灯、太阳能板和蓄电池。太阳能板安装在灯杆的顶部，LED灯安装在灯杆的周侧，蓄电池安装在灯杆内部。白天太阳能储存在蓄电池内，光照强度不足时，蓄电池对LED灯放电，保证植株的正常光照时间。补光装置亦可使用电能作为能源，使得LED灯工作。

柑橘的成长前后差异较大，人工喷药难度较大，喷药费时费力，且不能达到对植株均匀喷药的目的；而采用定点喷射的方式，则造成用药量较大，虽然省时省力，但对植株的喷药效果不佳。

本实施例公开了一种具体的喷药方式，喷药单元包括无人机、储药箱和自动喷头，储药箱安装在无人机上，自动喷头与储药箱相连通，无人机根据地貌信息和植株信息，在植株园内匀速飞行，自动喷头均匀喷洒储药箱内的药液，对每一植株均匀施药。

另外，本申请中所采用的移动终端为智能手机或平板电脑，能够便于移动，能够实时了解柑橘园内植株的生长情况。

在本实施例中，控制器采用为PID控制器，为了提高控制效率，将低通滤波器加在整个PID控制器之后，提出了后置式低通滤波器PID控算法(简称PID-PLPF控制算法)不完全微分结构，其传递函数为：

第一步，将公式(1)离散化为：

u(k)＝u

第二步，将uD(k)进行推导，得到公式(3)

第三步，转化为微分方程：

第四步，取采样时间为Ts，将公式(4)离散化为：

第五步，整理公式(5)，得到：

令

u

PID-PLPF控制算法是在PID算法中加入一个一阶惯性环节(低通滤波器)，经测试控制系统的性能得到较大的改善。经实验验证PID-PLPF控制算法控制的更加精准，工作效率的效率高，节水节能，农作物生长的更优化，产量更好，农作物品质更高。

本发明的实施原理为：

本发明能够通过测绘单元对柑橘园内的地理信息进行测绘，监测单元对植株的生长情况进行实时监测，环境数据获取单元获取环境信息，环境改善单元对环境进行改善，数据库用于对比植株的生长信息，配合使得控制器及时发出指令对柑橘园进行管理，提高柑橘园的防虫害能力，适宜于柑橘植株的茁壮成长。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。