一种大田智能轮灌系统及方法

技术领域

本发明涉及农业灌溉技术领域，具体为一种大田智能轮灌系统及方法。

背景技术

水是农林业的命脉，水资源短缺已成为限制农林业发展的瓶颈，甚至制约了国民经济和社会发展。我国的水资源和土资源存在严重的时空不均衡和组合不平衡的情况，从而导致农业灌溉方面用水短缺矛盾非常突出，尤其是在干旱半干旱地区。随着农业产业化规模不断扩大，迫切需要发展使用高效、智能的节水灌溉技术，提升农业灌溉用水利用率。基于噴滴灌的节水灌溉是资源节约型大规模现代农业系统的核心技术，对其的大量研究不仅推动了农业设施的发展，也推动了信息技术与农业的深度融合。噴灌、滴灌作为先进有效的灌溉设施技术，可以将水及作物需要的养分，定时定量均匀滴入作物根部区域土壤中。大规模农田灌溉由于灌溉管网输送能力限制，需要区域轮流灌溉的方式实现。大田灌溉区域一般会按照作物、土质、地形等因素考量，规划设计出多个灌溉单元，这些灌溉单元对应有轮灌阀门控制进水闭合，如何有效控制轮灌灌溉单元是大田灌溉的基础。因此，在物联设备的基础上构建能够适应大田各种作业需求和变化的，方便大田管理和专业人员托管的，低成本高效可靠的灌溉策略的智能轮灌系统，具有重要的价值。

为了实现轮灌单元自动轮流灌溉，在专利CN104756834A和CN112219697A中，这些轮灌单元可以通过灌溉电路单元依次串联到控制中心，从而实现轮灌单元自动接力灌溉。在CN110870455A中，为多个轮灌单元配置了不同的首部控制单元，然后对这些首部控制单元进行统一控制实现自动轮灌。在CN218337390U中，使用物理装置完成多个区域的取水灌溉。在CN106960129A和CN112734136A中，依据不同的目标函数构建优化算法，实现轮灌组的划分制定。

轮灌单元在实现自动轮灌中，都需要设定轮灌策略，以确定灌溉启动时机和灌溉量。在CN109819881A中会人工设定轮灌组的启动时刻和启动规则，接下来在启动时刻到来的时候按照启动规则实施灌溉。而在CN103329783B中，通过对土壤湿度传感器数据的采集测量，当土壤湿度小于某阈值时，则确定当前为灌溉启动时刻，然后按照固定的时间遍历所有轮灌单元实施灌溉。而在CN113439648A中，则将日期、时间、土壤湿度和空气温度作为轮灌参数，提前人工设定最低阈值标准，通过和实际环境获取参数对比，来确定灌溉启动时刻和灌溉用量。在CN107278832A中，通过天气和土壤情况的监测，对已设定的灌溉计划进行适当调整完成灌溉。

现有的技术方案为了实现自动轮灌，将不同轮灌区域进行电路串联进行控制，实际将所有轮灌区域合并为一个有序整体，使得各个轮灌区域丧失独立性，在大田进行轮作、间作、托管的时候，以及大田重新做土地规划的时候，需要做大量的改建工作。而给不同的灌溉区域匹配不同首部水泵系统，会带来设计和建造巨额的成本耗费，并且操作过程相当于对多个独立控制系统操作，过程复杂。同样，使用数学模型对轮灌组进行划分，过程复杂且需要大量数据支撑，无法有效应当大田生产过程中的变动。对轮灌组设定策略值的方式，存在灌溉用量不精准和成本过高的问题，无法有效获取实际用量和用量控制。现有技术方案的灌溉策略提前设定灌溉计划，实现定时定量的灌溉，但是没有考虑作物和环境因素。为了弥补这样的缺陷，有些方案通过气象和土壤传感器来获取环境因素，对灌溉策略进行调整，尤其时土壤湿度传感器的使用。但是土壤传感器获取的数据尽能对应有限的地块，大田如果获取全部的土壤信息，需要大量铺设土壤传感器，成本巨大并且对耕作生产会有影响。

综合以上分析可以看出，现有的轮灌控制技术存在缺乏灵活可变性问题。

发明内容

本发明针对现有的轮灌控制技术存在缺乏灵活可变性的问题，提供了轮灌组可动态配置，轮灌策略简洁，各个轮灌单元用水量可测控的轮灌系统及方法。

本发明提供的一种大田智能轮灌系统，包括相互通信连接的首部系统、物联传感设备和控制中心；其中：

所述首部系统包括：

水泵，设于大田的灌溉进水口，用于向大田供水；

多组无线电磁阀，分别设于大田的多个灌溉出水口，多组无线电磁阀用于控制向大田供水的启停及速度；多组无线电磁阀与水泵组成多个轮灌单元，多个轮灌单元划分为多个轮灌组；

所述物联传感设备包括：

气象传感器，用于采集大田的气象数据；

水泵状态传感器，与水泵通信连接，水泵状态传感器用于采集水泵的开关程度的状态数据；

多个压力流量传感器，分别设于大田的多个灌溉出水口，用于采集向大田供水的压力流量数据；

所述控制中心分别与水泵、多组无线电磁阀、气象传感器、水泵状态传感器、压力流量传感器通信连接；所述控制中心用于根据气象传感器采集的大田气象数据，结合作物需水模型确定灌溉启动时刻和灌溉用量；并根据所确定的灌溉启动时刻和灌溉用量，控制水泵和多组无线电磁阀的开闭，依次对多个轮灌组进行灌溉；

同时，所述控制中心根据水泵状态传感器采集的水泵的开关程度的状态数据、压力流量传感器采集的向大田供水的压力流量数据，确保灌溉的正常进行。

进一步的，所述首部系统还包括施肥机，所述施肥机与所述控制中心通信连接，所述施肥机用于根据控制中心的控制，向大田施肥；

所述物联传感设备还包括施肥机状态传感器，所述施肥机状态传感器与施肥机和所述控制中心通信连接，所述施肥机状态传感器用于采集施肥机的状态数据，并将施肥机的状态数据发送给控制中心。

进一步的，所述控制中心与施肥机、气象传感器、水泵、无线磁阀网关之间通过RS485串口通信连接；

所述控制中心与人机交互屏之间通过RS232串口通信连接；

所述无线磁阀网关与多组无线电磁阀和压力流量传感器之间通过LORA通讯协议组网通信连接。

进一步的，所述控制中心是基于微控制器的软件系统，微控制器是基于ARM的多接口嵌入式系统；

所述控制中心通信连接有人机交互屏，人机交互屏通信连接有云端和APP；所述控制中心包括：

首部控制模块，用于实现对水泵、施肥机的控制和设备状态的数据采集；

气象监测模块，用于实现气象传感器的数据采集，其中气象传感器为7参，包括气温、空气湿度、光照强度、风速、风向、气压、雨量；

通信模块，用于控制中心和无线磁阀网关之间的通信，以及用于各个无线电磁阀开关闭合命令下达和水压流量数据的上报；

轮灌组配置模块，用于实现轮灌组的划分，手动模式下的数据设定，和自动模式下不同作物的不同生长阶段的需水模型；

灌溉补偿模块，用于利用气象监测数据和压力流量数据，通过模型计算和数据核定，修正自动模型下的灌溉用量；

管理控制模块，用于负责和人机交互屏通信，通过调用其他模块功能支撑人机交互屏上界面的操作，便于操作管理。

进一步的，所述首部系统、气象传感器和人机交互屏组成外围设备：

其中，水泵匹配有变频器，变频器用于测控水泵的运行状态；水泵电源线路通过接触器和控制中心的数字输入通道的继电器连接，控制中心控制水泵的开关，水泵变频器通过RS485串行总线和控制中心连接，采集水泵工作状态和修改相关参数，控制水泵工作；

施肥机含有搅拌机、施肥桶、通道电磁阀和注肥水泵，其中施肥机施肥时将施肥桶中的肥料搅拌均匀，打开通道电磁阀后在通过注肥水泵注入到灌溉管网中；施肥机中的搅拌机和注肥水泵和控制中心的连接，通道电磁阀直接和控制中心的数字输入通道连接，用于控制注肥通道的开关闭合；

气象传感器通过RS485串行总线和控制中心连接，气象传感器为多参一体式，同时获取多个气象指标数据，控制中心定时采集；

人机交互屏可视化的展现灌溉情况，界面化设置灌溉策略，人机交互屏和控制中心通过RS232串行总线连接，内部含有4G通信模块，确保云端软件和APP对控制中心的远程控制操作和大数据分析洞察。

进一步的，多组所述无线电磁阀和多个所述压力流量传感器均与无线磁阀网关通信连接，所述无线磁阀网关包括多个无线磁阀网关和多个无线电磁阀开关，无线磁阀网关和控制中心通过LORA通信协议无线连接，无线磁阀网关和无线电磁阀开关通过LORA无线连接，无线电磁阀开关安装在各个灌溉单元毛管入口处；

其中，控制中心通过LORA和RS485转换器将控制信号转化为LORA信号，与无线磁阀网关进行通信，LORA信号频率为470MHZ；

无线磁阀网关和无线电磁阀开关之间之间通过433MHZ的LORA信号通信；

无线电磁阀开关通过RS485串行总线和压力流量传感器进行连接，其中在无线电磁阀开关实施一次闭合操作周期时，发送两次获取数据指令，再将获取的压力和流量数据上传到控制中心。

进一步的，所述控制中心还包括轮灌管理模块，轮灌管理模块用于用户权限、首部管理、报警处理和作物管理；

其中，轮灌管理模块的用户权限分为管理员和操作员两个级别，管理员对轮灌设置、首部系统的设置和作物数据进行处理，管理员负责进行灌溉操作；

首部管理对泵及变频器进行测控，设定泵的工作状态，包括PID设定和反馈；

报警处理对数据的异常进行上报和处理，包括气象中的雨量信息、管网中管压以及泵和变频的指标数据；

作物管理对大田中的作物在不同的灌溉单元进行标定。

进一步的，本发明提供的大田智能轮灌方法，包括自动模式，自动模式包括：

控制中心通过作物需水模型和气象数据来确定灌溉启动时刻和灌溉用量；

控制中心在制定灌溉策略时，每10天作为一个灌溉周期，计算获取作物生育期的需水量，然后平均到该生育期内的灌溉周期内，以此获取灌溉启动时刻和灌溉用量；

控制中心自动按照作物需水周期进行划分，确定灌溉启动时刻，时间到达该时刻，自动启动灌溉任务，将多个轮灌单元划分为多个轮灌组，依次对多个轮灌组实施灌溉；

其中，自动模式下，轮灌组选该组内最短的灌溉单元的灌溉时长作为该组的灌溉时长，利用各个灌溉单元无线电磁阀上的压力流量传感数据进行补偿操作；将轮灌组关闭时上传的流量数据和预设的灌溉用量进行差值，转化为不同的灌溉时长进行灌溉补偿。

进一步的，本发明提供的大田智能轮灌方法，还包括手动模式，手动模式包括：

通过控制中心手动管控整个灌溉流程，随时进行灌溉操作，设置每个轮灌组的灌溉时间长度和灌溉启动时刻，在每次手动灌溉前更改灌溉时长；

手动模式的操作流程为：确认水源正常，打开水泵给管网主干注水，逐次打开要灌溉的轮灌组，该轮灌组按预设时间完成灌溉任务后自动关闭，或在灌溉期间手动关闭；打开下一个轮灌组进行灌溉，直到完成所有灌溉任务；关闭水泵和施肥机；

手动模式调用自动模式的某次灌溉策略，实现随时一键灌溉，手动选定灌溉策略；需要注入肥料时，在轮灌组灌溉期间完成施肥机的操作。

进一步的，本发明提供的大田智能轮灌方法，将多个轮灌单元划分为多个轮灌组，具体包括：

将轮灌单元按照实际生产需要进行组合，形成多个轮灌组；

控制中心将轮灌单元通过各个轮灌电磁阀不同的设备地址，抽象为独立的轮灌资源进行控制；

将各个独立轮灌资源进行序号设定，在人机交互屏上实时按需进行轮灌组的划分；

其中，每个轮灌组最多涵盖8个轮灌单元；轮灌组预设最大数目为30个。

与现有技术相比，本发明提供的一种大田智能轮灌系统及方法，其有益效果是：

本发明的轮灌单元管理方法，避免了大田轮作、间作时对原有灌溉管网的改动和传感控制设备的更新，只在上层逻辑进行更改，节约大量的后期维保成本，并且简化了管理人员的管理认知负担；同时本发明适应大田的轮作、间作、托管和水肥一体实施，并且基于可变的轮灌单元管理实现高效、精准的轮灌控制机制；综合以上，本发明可以解决大田轮灌过程中，缺乏灵活可变性的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的大田智能轮灌系统的系统框图；

图2为本发明实施例提供的控制中心的原理图。

图3为本发明实施例提供的系统流程图。

具体实施方式

下面结合附图1-3，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1：本发明提供的一种大田智能轮灌系统，包括相互通信连接的首部系统、物联传感设备和控制中心；其中：首部系统包括：水泵，设于大田的灌溉进水口，用于向大田供水；多组无线电磁阀，分别设于大田的多个灌溉出水口，多组无线电磁阀用于控制向大田供水的启停及速度；多组无线电磁阀与水泵组成多个轮灌单元，多个轮灌单元划分为多个轮灌组；物联传感设备包括：气象传感器，用于采集大田的气象数据；水泵状态传感器，与水泵通信连接，水泵状态传感器用于采集水泵的开关程度的状态数据；多个压力流量传感器，分别设于大田的多个灌溉出水口，用于采集向大田供水的压力流量数据；控制中心分别与水泵、多组无线电磁阀、气象传感器、水泵状态传感器、压力流量传感器通信连接；控制中心用于根据气象传感器采集的大田气象数据，结合作物需水模型确定灌溉启动时刻和灌溉用量；并根据所确定的灌溉启动时刻和灌溉用量，控制水泵和多组无线电磁阀的开闭，依次对多个轮灌组进行灌溉；同时，控制中心根据水泵状态传感器采集的水泵的开关程度的状态数据、压力流量传感器采集的向大田供水的压力流量数据，确保灌溉的正常进行。

在本实施例中，首部系统还包括施肥机，施肥机与控制中心通信连接，施肥机用于根据控制中心的控制，向大田施肥；物联传感设备还包括施肥机状态传感器，施肥机状态传感器与施肥机和控制中心通信连接，施肥机状态传感器用于采集施肥机的状态数据，并将施肥机的状态数据发送给控制中心。

在本实施例中，控制中心与施肥机、气象传感器、水泵、无线磁阀网关之间通过RS485串口通信连接；控制中心与人机交互屏之间通过RS232串口通信连接；无线磁阀网关与多组无线电磁阀和压力流量传感器之间通过LORA通讯协议组网通信连接。

在本实施例中，控制中心是基于微控制器的软件系统，微控制器是基于ARM的多接口嵌入式系统；控制中心通信连接有人机交互屏，人机交互屏通信连接有云端和APP；控制中心包括：首部控制模块，用于实现对水泵、施肥机的控制和设备状态的数据采集；气象监测模块，用于实现气象传感器的数据采集，其中气象传感器为7参，包括气温、空气湿度、光照强度、风速、风向、气压、雨量；通信模块，用于控制中心和无线磁阀网关之间的通信，以及用于各个无线电磁阀开关闭合命令下达和水压流量数据的上报；轮灌组配置模块，用于实现轮灌组的划分，手动模式下的数据设定，和自动模式下不同作物的不同生长阶段的需水模型；灌溉补偿模块，用于利用气象监测数据和压力流量数据，通过模型计算和数据核定，修正自动模型下的灌溉用量；管理控制模块，用于负责和人机交互屏通信，通过调用其他模块功能支撑人机交互屏上界面的操作，便于操作管理。

在本实施例中，首部系统、气象传感器和人机交互屏组成外围设备：其中，水泵匹配有变频器，变频器用于测控水泵的运行状态；水泵电源线路通过接触器和控制中心的数字输入通道的继电器连接，控制中心控制水泵的开关，水泵变频器通过RS485串行总线和控制中心连接，采集水泵工作状态和修改相关参数，控制水泵工作；施肥机含有搅拌机、施肥桶、通道电磁阀和注肥水泵，其中施肥机施肥时将施肥桶中的肥料搅拌均匀，打开通道电磁阀后在通过注肥水泵注入到灌溉管网中；施肥机中的搅拌机和注肥水泵和控制中心的连接，通道电磁阀直接和控制中心的数字输入通道连接，用于控制注肥通道的开关闭合；气象传感器通过RS485串行总线和控制中心连接，气象传感器为多参一体式，同时获取多个气象指标数据，控制中心定时采集；人机交互屏可视化的展现灌溉情况，界面化设置灌溉策略，人机交互屏和控制中心通过RS232串行总线连接，内部含有4G通信模块，确保云端软件和APP对控制中心的远程控制操作和大数据分析洞察。

在本实施例中，多组无线电磁阀和多个压力流量传感器均与无线磁阀网关通信连接，无线磁阀网关包括多个无线磁阀网关和多个无线电磁阀开关，无线磁阀网关和控制中心通过LORA通信协议无线连接，无线磁阀网关和无线电磁阀开关通过LORA无线连接，无线电磁阀开关安装在各个灌溉单元毛管入口处；其中，控制中心通过LORA和RS485转换器将控制信号转化为LORA信号，与无线磁阀网关进行通信，LORA信号频率为470MHZ；无线磁阀网关和无线电磁阀开关之间之间通过433MHZ的LORA信号通信；无线电磁阀开关通过RS485串行总线和压力流量传感器进行连接，其中在无线电磁阀开关实施一次闭合操作周期时，发送两次获取数据指令，再将获取的压力和流量数据上传到控制中心。

在本实施例中，控制中心还包括轮灌管理模块，轮灌管理模块用于用户权限、首部管理、报警处理和作物管理；其中，轮灌管理模块的用户权限分为管理员和操作员两个级别，管理员对轮灌设置、首部系统的设置和作物数据进行处理，管理员负责进行灌溉操作；首部管理对泵及变频器进行测控，设定泵的工作状态，包括PID设定和反馈；报警处理对数据的异常进行上报和处理，包括气象中的雨量信息、管网中管压以及泵和变频的指标数据；作物管理对大田中的作物在不同的灌溉单元进行标定。

在本实施例中，本发明提供的大田智能轮灌方法，包括自动模式，自动模式包括：控制中心通过作物需水模型和气象数据来确定灌溉启动时刻和灌溉用量；控制中心在制定灌溉策略时，每10天作为一个灌溉周期，计算获取作物生育期的需水量，然后平均到该生育期内的灌溉周期内，以此获取灌溉启动时刻和灌溉用量；控制中心自动按照作物需水周期进行划分，确定灌溉启动时刻，时间到达该时刻，自动启动灌溉任务，将多个轮灌单元划分为多个轮灌组，依次对多个轮灌组实施灌溉；其中，自动模式下，轮灌组选该组内最短的灌溉单元的灌溉时长作为该组的灌溉时长，利用各个灌溉单元无线电磁阀上的压力流量传感数据进行补偿操作；将轮灌组关闭时上传的流量数据和预设的灌溉用量进行差值，转化为不同的灌溉时长进行灌溉补偿。

在本实施例中，本发明提供的大田智能轮灌方法，还包括手动模式，手动模式包括：通过控制中心手动管控整个灌溉流程，随时进行灌溉操作，设置每个轮灌组的灌溉时间长度和灌溉启动时刻，在每次手动灌溉前更改灌溉时长；手动模式的操作流程为：确认水源正常，打开水泵给管网主干注水，逐次打开要灌溉的轮灌组，该轮灌组按预设时间完成灌溉任务后自动关闭，或在灌溉期间手动关闭；打开下一个轮灌组进行灌溉，直到完成所有灌溉任务；关闭水泵和施肥机；手动模式调用自动模式的某次灌溉策略，实现随时一键灌溉，手动选定灌溉策略；需要注入肥料时，在轮灌组灌溉期间完成施肥机的操作。

在本实施例中，本发明提供的大田智能轮灌方法，将多个轮灌单元划分为多个轮灌组，具体包括：将轮灌单元按照实际生产需要进行组合，形成多个轮灌组；控制中心将轮灌单元通过各个轮灌电磁阀不同的设备地址，抽象为独立的轮灌资源进行控制；将各个独立轮灌资源进行序号设定，在人机交互屏上实时按需进行轮灌组的划分；其中，每个轮灌组最多涵盖8个轮灌单元；轮灌组预设最大数目为30个。

实施例2：本实施例结合具体对实施例1提供的大田智能轮灌系统及方法进行进一步解释说明：

1系统构建

控制中心是基于微控制器的软件系统，包括首部控制模块、气象监测模块、通信模块、轮灌组配置模块、灌溉补偿模块和管理控制模块。其中首部控制模块主要实现对水泵、变频器、施肥机等设备的控制和设备状态的数据采集。气象监测模块实现气象传感器的数据采集，气象传感器一般为7参，包括气温、空气湿度、光照强度、风速、风向、气压、雨量。通信模块负责控制中心和无线磁阀网关之间的通信，用于各个无线电磁阀开关闭合命令下达和水压流量数据的上报。轮灌组配置模块实现轮灌组的划分，手动模式下的数据设定，和自动模式下不同作物的不同生长阶段的需水模型。灌溉补偿模块是利用气象监测数据和压力流量数据，通过模型计算和数据核定来修正自动模型下的灌溉用量。管理控制模块负责和人机交互屏通信，通过调用其他模块功能支撑人机交互屏上界面的操作，方便工作人员操作管理。微控制器是基于ARM的多接口嵌入式系统。

外围设备主要由首部系统、气象传感器和人机交互屏组成，首部系统包含泵和施肥机两部分，其中泵会有变频器匹配，测控泵的运行状态；施肥机含有搅拌机、施肥桶、通道电磁阀和注肥泵，施肥时会将施肥桶中的肥料搅拌均匀，打开通道电磁阀后在通过注肥泵注入到灌溉管网中。气象传感器为多参一体式，可以同时获取多个气象指标数据，控制中心定时采集。水泵电源线路通过接触器和控制中心的数字输入通道的继电器连接，使得控制中心可以控制水泵的开关，而水泵变频器通过RS485串行总线和控制中心连接，可以采集水泵工作状态和修改相关参数，来控制水泵工作。施肥机中的搅拌机和注肥泵和控制中心的连接和水泵原来相同，通道电磁阀直接和控制中心的数字输入通道连接，用来控制注肥通道的开关闭合。气象传感器通过RS485串行总线和控制中心连接，需要对气象数据做一定的校准和转化。人机交互屏可以可视化的展现灌溉情况，界面化设置灌溉策略，其和控制中心通过RS232串行总线连接，内部含有4G通信模块，保证云端软件和APP对控制中心的远程控制操作和大数据分析洞察。

网关开关主要由几个无线磁阀网关和多个无线电磁阀开关组成。其中为了保证大田区域的有效覆盖，无线磁阀网关和控制中心通过LORA通信协议无线连接，一般无线磁阀网关会安装在对应大田区域的中间地带。无线磁阀网关和无线电磁阀开关也是通过LORA无线连接，无线电磁阀开关安装在各个灌溉单元毛管入口处。控制中心通过LORA和RS485转换器将控制信号转化为LORA信号，与无线磁阀网关进行通信，他们之间LORA信号频率为470MHZ。无线磁阀网关的LORA信号覆盖距离为2-4KM，在大田区域超过这个范围时需要增加无线磁阀网关数量，并相互桥接组网来增大覆盖距离。无线磁阀网关和无线电磁阀开关之间之间通过433MHZ的LORA信号通信，他们都是利用太阳能光伏对锂电池进行充电完成供电工作。无线电磁阀开关通过RS485串行总线和压力流量传感器进行连接，在无线电磁阀开关实施一次闭合操作周期时，发送两次获取数据指令，再将获取的压力和流量数据上传到控制中心。

2灌溉实施

每个轮灌单元会绑定一个无线电磁阀开关，无线电磁阀开关会控制该区域的灌溉管网开关，每个无线电磁阀开关都会设置一个不同的物理地址进行区分。在人机交互屏的界面上可以对轮灌单元进行分组设置，考虑到管网压力传导和地形等因素，每个轮灌组最多涵盖8个轮灌单元。轮灌组预设最大数目为30个，设置时只需将无线电磁阀开关对应的序号填入即可，同时可以考虑灌溉次序，将需要先灌溉的轮灌单元填入序号前列的轮灌组。同时每个轮灌组也有组开关状态的设置，可以应对不同轮灌组的灌溉周期的不同。

轮灌管理主要包含有用户权限、首部管理、报警处理和作物管理，可以方便应对不同人员的操作处理和大田轮作等处理。用户权限分两个级别，管理员和操作员两个级别，管理员可以对轮灌设置、首部系统的设置和作物数据进行处理，管理员只负责进行灌溉操作。首部管理主要对泵及变频器进行测控，设定泵的工作状态，尤其是PID设定和反馈。报警处理会对一些数据的异常进行上报和处理，包括气象中的雨量信息、管网中管压以及泵和变频的指标数据。作物管理是对大田中的作物在不同的灌溉单元进行标定，不同的作物其需水量周期模型不同，可以导致不同的灌溉补偿量。

灌溉操作分为手动和自动两张模式，手动模式完全由灌溉实施人员管控整个灌溉流程，可以随时进行灌溉操作。手动模式的操作流程为确认水源正常，首先打开水泵给管网主干注水，然后逐次打开要灌溉的轮灌组，该轮灌组按预设时间完成灌溉任务后自动关闭，也可以在灌溉期间手动关闭，再打开下一个轮灌组进行灌溉，只到完成所有灌溉任务，关闭水泵和施肥机。手动模式也可以调用自动模式的某次灌溉策略，实现随时一键灌溉，需要操作人员选定灌溉策略。在此过程中需要注入肥料，则需在轮灌组灌溉期间，完成施肥机的操作。自动模式不需要操作人员过多的处理，系统会自动按照作物需水周期进行划分，来确定灌溉启动时刻，时间到达该时刻会自动启动灌溉任务，依次对轮灌组实施灌溉。

3灌溉制度

灌溉制度主要是确定灌溉启动时刻和灌溉用量，其中灌溉用量一般用时间长度来表征，这需要利用每个灌溉单元的滴灌管的滴灌速度进行计算评估，得出灌溉单元的灌溉用量和时间比值。手动模式灌溉需要设置每个轮灌组的灌溉时间长度，在每次手动灌溉前可以更改灌溉时长。而手动模式下，灌溉启动时刻由操作人员根据现场情况人为来确定，不进行设置。

自动设置通过作物需水模型和气象数据来确定灌溉启动时刻和灌溉用量。作物需水模型是一种通过数学方法估算农作物生长期间需要的水量工具，通过长期的数据积累和测定，广泛的被用于农业生产中制定灌溉计划。由于田间水分的主要消耗途径为土壤蒸发和作物蒸腾，所以灌溉主要就是补充蒸腾蒸发的耗水量，让土壤中的水分含量保持在速效有效水范围内。在不考虑有效降雨的一般情况下，大田滴管中将作物需水量约等于作物的蒸腾蒸发量，这是作物的需水量计算公式为：

ETc＝ET0*Kc，其中ETc表示目标作物的蒸腾蒸发量，ET0表示参考作物的蒸腾蒸发量，Kc为作物系数。其中ET0可以通过Penman-Monteith彭曼-蒙蒂斯公式，一般可以通过软件或气象站计算得出，可以直接使用。作物系数和作物的生长周期有关，比如马铃薯的Kc如下表。

ET0的计算需要气象数据的积累，是以能量平衡和水汽扩散理论为基础的，需要单独处理有效降雨和极旱情况。而KC系数依赖作物的实际情况，不同的作物在不同的区域、生长周期和种植方式，都有不同，但在滴灌种植下变化会弱化。

具体在制定灌溉策略时，每10天作为一个灌溉周期，按照以上公式进行计算获取该作物生育期的需水量，然后平均到该生育期内的灌溉周期内，以此获取灌溉启动时刻和灌溉用量。

用量测控

轮灌组设定时会包含多个灌溉单元，通常在划分轮灌组时需将同类作物划分在一个组内。但是这样仍然会有轮灌组内灌溉用量不均匀的情况，导致同组内的轮灌单元灌溉时长不同。轮灌组在自动设置情况下，会选该组内最短的灌溉单元的灌溉时长作为该组的灌溉时长，这时需要利用各个灌溉单元无线电磁阀上的压力流量传感数据进行补偿操作。将轮灌组关闭时上传的流量数据和预设的灌溉用量进行差值，转化为不同的灌溉时长进行灌溉补偿，达到精准灌溉和用量测控。

数据分析

系统将气象数据、灌溉数据和管网相关数据存放在对应的数据库中，可以进行相应的数据洞察和数据可视化展示。数据积累对后期的灌溉制定的优化十分重要，同时也可以给大田管理人员提供相关的数据报表服务。

4系统流程如图3。

综合来看，与现有技术相比，本发明提供的一种大田智能轮灌系统，具有以下有益效果：

本发明主要解决大田轮灌过程中，轮灌组划分配置弹性低成本高、轮灌组控制过程复杂、灌溉策略施水用量效率低下、灌溉管网养护成本高和管理难度大的问题。

本发明构建一种可变可配置的轮灌单元管理方法，以适应大田的轮作、间作、托管和水肥一体实施，并且基于可变的轮灌单元管理实现高效、精准的轮灌控制机制。大田轮作、间作时，会对原有的大田作物种植规划分布进行改动，进而影响大田轮灌组的设置和变动后作物的灌溉制度确定。为了应对这种变化，通常采用改变原有灌溉管网和传感控制设备的方法，而大田灌溉管网铺设量较大，传感控制设备铺设跟随管网非集中分布，这会造成巨大的材料和维护成本。本发明的轮灌单元管理方法，避免了大田轮作、间作时对原有灌溉管网的改动和传感控制设备的更新，只在上层逻辑进行更改，节约大量的后期维保成本，并且简化了管理人员的管理认知负担。目前大田耕作逐渐往集约化转变，从耕种到收割不再需要大量的人力参与，大田管理通常委托给专业农人进行托管管理，本发明适用于大田的日常托管管理，从轮灌组的逻辑化划分、手动自动一体灌溉到灌溉用量的反馈，为托管人员提供了便利高效的管理工具。大田水肥一体实施时，主要依据作物生长周期规律和营养缺乏状况来制定施肥策略，前一种通过作物生长规律进行规划即可，但后一种会呈现不均匀状态，常规的水肥策略会浪费肥料和危害土壤酸碱平衡性。本发明可以对不均匀的缺肥地块和出现同一营养缺乏的地块重新编制灌溉组，实施不同的施肥策略，让肥料精准到达需要的地块单元，有效避免过渡施肥和肥料浪费。

本发明了实现一种面向不同作物的低成本高节水且用水量精准可控的灌溉策略。灌溉制度的确立是大田灌溉中的难点，会受到土壤、气候、作物品种等多因素的影响，对此相关的研究非常多，提出了很多高效精准的灌溉策略。但这些灌溉策略无法转化为通用实用的灌溉制度，对影响因素的变动十分敏感，本发明利用水汽动力学的作物蒸腾量作为灌溉依据，结合作物自身的需水模型给出通用的灌溉制度，实用性高节水效果明显。该灌溉制度主要利用区域气象的监测，避免了大量土壤湿度传感器的铺设，节省成本。本发明还对不同的灌溉单元灌溉用水量进行了监测跟踪，通过各个灌溉单元的用水数据，可以方便排查灌溉管网中出现的跑冒滴漏现象，避免水资源浪费和大范围排查人力成本，同时利用这些数据进行数据挖掘和洞察，优化大田灌溉管理，提示管理人员对大田的深入理解。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。