一种语音识别智能水肥一体化灌溉系统

技术领域

本专利申请属于农业智能设备技术领域，尤其是农业灌溉智能设备，更具体地说，是涉及一种语音识别的智能水肥一体化专用灌溉设备。

背景技术

中国自古以来是一个干旱较为严重的国家。我国人均淡水占有量不足，仅有世界人均淡水资源占有量的 1/4，淡水资源总量为 2.8×10

1.国内研究现状

我国农田土壤环境监测技术、智能灌溉信息控制技术以及水肥一体化施肥技术这些现代农业信息技术还处在初级发展阶段，没有大量成套稳定成熟的系统，即使研究出成套的系统，但其智能化程度相对较低，有逻辑可编程信息处理能力并可以运算以及能控制的智能设备在节水灌溉控制系统中应用还不是很常见。

江苏大学的学者研发了一种基于模糊决策理论的冬小麦精量灌溉智能系统，在考虑 SPAC（土壤—作物—大气连续体）的基础上，通过分析天气气候环境的参数来预测农作物的腾发量，再根据一系列相关的生物数据和农作物的发育阶段来模糊决策农作物所需要的灌溉用水量。马巍通过多传感器物联网融合技术及农作物的生长规律模型，在满足作物需水的情况下进行精准灌溉，既节约了水资源，又实现了农作物的产量提高。袁洪波等针对日光温室设计了一种水肥一体灌溉循环利用系统，测试结果表明，与传统土栽水肥不循环模式相比，水肥一体化循环系统用水量是传统土栽模式的69.4%，水分利用效率是传统土栽模式的1.92倍。

2. 国外研究现状

以色列是最早研究并应用水肥一体化灌溉系统的国家，20世纪60年代初，以色列开始发展和普及水肥一体化灌溉施肥技术。1964年以色列建立了用于灌溉施肥的全国输水系统( National Water Car-rier)，并应用于果树、花卉、温室作物、大田蔬菜和作物。美国是目前世界上微灌面积最大的国家，在灌溉农业中，水肥一体化技术已应用于马铃薯、玉米、果树等的种植中，研制开发并应用了新型的水溶肥料、农药注入控制装置。荷兰在水肥一体化技术方面已经拥有相对成熟的产品，通过自动化装备的运行来实现水和肥料的科学有效混合，精准控制营养液的 EC 值和 PH 值，从而实现水肥一体化。近年来澳大利亚的水肥一体化技术得到了迅速的发展，政府出台了一项“水安全计划”，以支持灌溉设施的发展和水肥一体化技术的应用，并建立了用于指导水肥一体化技术的监测体系。

3.发展趋势

随着物联网、人工智能等技术的快速发展，灌溉控制系统功能趋向智能化发展。智能灌溉控制不仅实现了精确灌溉和施肥，还可以节省劳动力，节约水肥资源，提高水肥利用率，促进了农业增产增收。

随着人们对于节水节肥节药以及环保意识的不断提升，智能水肥一体化行业将越来越受到关注和政策支持。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是针对国内外的研究境况，提供一种语音识别智能水肥一体化灌溉系统，不仅可以实现精确灌溉和施肥，还可以实现节水节肥节药的好处，提高水肥利用率，促进了农业增产增收，具有操作方便、控制灵敏度较高的特点，能够实现移动控制和远程控制，同时省工、便捷。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：

一种语音识别智能水肥一体化灌溉系统，包括控制系统、语音识别系统、水肥混合系统、水肥灌溉系统、数据采集分析系统，其中：

控制系统，为工作人员提供移动用户终端和远程用户终端这两种控制方式，实现移动和远程地灌溉控制操作；

语音识别系统，用于识别语音信号，并将移动用户终端或远程用户终端接受到的语音信号传输给控制系统；

水肥混合系统，受控制系统的控制，用于将水溶性肥料与水充分混合成混合液；

水肥灌溉系统，受控制系统的控制，将水肥混合系统制备的混合液通过管道运输到作物根区，为作物进行灌溉施肥；

数据采集分析系统，受控制系统的控制，进行土壤数据的采集和分析，并将上述土壤数据传输给控制系统，从而实现自动灌溉。

本发明技术方案的进一步改进在于：控制系统包括处理器，以及与处理器信息连接的移动用户终端（移动终端机）和远程用户终端（远程终端机），移动用户终端（移动终端机）通过手机模块（也就是手机APP）实现对处理器所涉及到的硬件设备的移动式操作和控制，更加自由灵活；远程用户终端通过语音识别模块实现对处理器所涉及到的硬件设备的操作和控制，远程可控，便于人员管理。

移动用户终端和远程用户终端的显示内容包含：首页展示、资产管理、水肥程序设置、远程控制和系统诊断的功能，实现了灌溉计划的设定、在线查看、历史记录查询、灌溉系统远程操作和监管。

本发明技术方案的进一步改进在于：语音识别系统包括语音识别模块和手机模块，语音识别模块信息连接移动用户终端和远程用户终端。语音识别模块和手机模块之间也通过无线网互联，通过建立协议，实现二者互联。语音识别模块和手机模块之间通过无线网信息互联，采取二者信息互联这样的操作，既可以通过设备面板直接进行语音识别，也可以通过手机远程操作。手机模块是自己设计的手机app，借助于互联网，手机app接收语音信号或者其他信号。

本发明技术方案的进一步改进在于：水肥混合系统为水肥一体机，水肥一体机信息连接处理器。水、肥、药液，通过水肥一体机提前设定好的比例，自动混合。通过水肥一体机内置程序设定好的比例，将水、肥、药液混合在一起，然后进入施肥泵，施肥泵通过控制肥液与水的流量从而达到精确施肥的目的。水肥一体机可以参考苗乐节水灌溉设备公司的智能水肥一体机，水肥一体机连接有施肥桶和混肥液。

本发明技术方案的进一步改进在于：水肥灌溉系统包含灌溉首部、管道、根区滴（喷）头和智能阀门，灌溉首部一端与水肥一体机连接、另一端连接管道，管道的出水端连接多个根区滴（喷）头，智能阀门数量为多个、其安装在管道上、其用于控制相应管道的通断。

本发明技术方案的进一步改进在于：数据采集分析系统包括传感器、控制平台，传感器位于土壤内、其数量为多个、其通过水肥一体机与控制系统的处理器连接，传感器用于采集土壤水分值、土壤EC值、土壤温度值；控制平台位于中控室内，控制平台与智能阀门连接、其用于控制智能阀门的开关，控制平台同时也通过水肥一体机与控制系统的处理器连接；

传感器采集的土壤水分值、土壤EC值、土壤温度值传输给处理器，处理器将数据预处理后传输给控制平台，控制平台可以分析判断出土壤水分值、土壤EC值、土壤温度值，在上述值不符合要求时，控制平台控制智能阀门的开关，实现自动灌溉。在上述过程中，数据上传到控制平台，控制平台可以实现自动对上传数据进行分析，实现阀门的开关，自动控制灌溉。

本发明技术方案的进一步改进在于：控制平台为即插即用型控制平台。具体如何实现即插即用，既可以物理连接，也可以并网无线连接，比如可以采用并网分布式结构，只要能实现快速组网连接即可，不拘泥于某一特定形式。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的有益效果是：

智能水肥一体化是现代物联网技术、大数据技术、自动控制技术和传统农业生产技术等相关技术的深度结合，是将灌溉与施肥融为一体的农业新技术。智能水肥一体化不仅可以实现精确灌溉和施肥，还可以节省劳动力，节约水肥资源，提高水肥利用率，提高作物产量，促进农业增产增收，改善土壤环境。智能水肥一体化，可以节省 50%～70%的肥料使用，将之前的地表施肥带来的挥发损失降至最低，同时也将肥料溶解缓慢带来的水污染问题予以解决。智能水肥一体化技术的使用可以实现灌溉用水节约 59%以上，并且土壤的实际含水量也可以维持在60%，同时降低了农药的使用，将农业生产带来的水污染等环境问题予以减轻，十分有利于生态环境的保护。

本发明基于语音识别的智能控制、传感器、无线自组网等物联网信息技术，针对传统农业灌溉面临的诸多问题，开发应用于农业水肥一体化管理的语音识别智能灌溉控制系统。该系统主要包括控制系统、语音识别系统、水肥混合系统、水肥灌溉系统以及数据采集分析系统，其中控制系统为工作人员提供了移动用户终端应用和远程用户终端的终端作业管理来实现远程灌溉控制操作。

该智能控制系统能够适用于复杂地形，使用过程中无需布线，无需外接电源，通过装置间自组网，可以实现大面积灌溉控制。通过语音识别、手机APP、云语音控制（此处的云语音控制，就是指利用移动用户终端进行语音控制）等，实现线上线下水肥混合、水肥灌溉以及数据采集和数据分析，该智能水肥一体化灌溉控制系统不仅可以实现精确灌溉和施肥，还可以节省劳动力，节约水肥资源，提高水肥利用率，提高作物产量，促进农业增产增收，改善土壤环境， 同时具有操作方便、控制灵敏度较高的特点，能够实现远程控制、省工、便捷的目的，有效提高农业水肥一体化智能灌溉的控制水平，具有极佳的应用前景和推广价值。

本发明在使用时：

（1）实现语音识别系统与智能水肥一体化控制系统相互通信、数据采集、数据分析的处理过程，根据传感器采集的数据计算蒸发、蒸腾引起的土壤水分损失，在处理器自动编制灌溉程序，处理器可以是PLC，实施灌溉或终止灌溉是本项目的关键技术之一。

（2）建立智能水肥一体化控制系统，使用人语音信息的数据库，通过智能识别，防止杂音或误操作，这是本项目的另一关键技术。关于防止误操作，采用的是现有技术，也就是通过录入原操作员的声音，对声音进行精确的语音识别，然后录入数据库作为模板，由于每个人的声音都会有差别，通过与存储的模板进行判断，即可以防止杂音或误操作。

附图说明

图1为本发明的系统架构图；

图2为本发明的信息连接框图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明公开了一种语音识别智能水肥一体化灌溉系统，参见图1-图2，包括控制系统、语音识别系统、水肥混合系统、水肥灌溉系统、数据采集分析系统，比如语音识别模块可以为LD3320语音识别模块。首先介绍一下本发明。

语音识别智能水肥一体化灌溉系统的工作原理简述。

一、首先是树立一套水肥滴灌体系，可以看成是水肥灌溉系统。在规划方面，要根据地势、田块、单元、土壤质地、作物种植方式、水源特点等基本情况，规划管道体系的埋设深度、长度、灌区面积等。水肥一体化的灌水方式可采用管道灌溉、喷灌、微喷灌、泵加压滴灌、重力滴灌、渗灌、小管出流等。特别忌用洪流漫灌，这将会形成氮素损失，影响水分利用率。

完整的水肥滴灌系统包括：水源部分、灌溉首部、输配水管网、滴水器这四部分组成。1、水源部分：常见的水源有江河、湖泊、井泉水、坑塘、沟渠、水库、地下水和混合水均可作为滴灌水源；2、灌溉首部：是整个滴灌系统操作控制的中心，与水源部分工程相结合，其作用是对滴灌系统提供恒定、洁净满足滴灌要求的水，是系统的动力和流量源。灌溉首部一般包含水泵、控制阀、测量控制仪表、施肥装置、过滤系统（作用是除去水源中的杂质，防止滴头堵塞）。3、输配水管网：也就是图2中的管道，是将灌溉首部处理过的水按照要求输送、分配到每个灌水单元和灌水器。输配水管网（管道）一般包含主管、支管、毛管等三级管道和相应的三通、直通、弯头、阀门等部件组成。智能阀门只安装在主管上，或者可以安装在主管和支管上。4、滴水器：是滴灌系统的核心部件，水由毛管流进滴灌管滴头，滴头再将灌溉水流在一定的工作压力下注入土壤。水通过灌水器，以一个恒定的低流量滴出或渗出后，并在土壤中向四周扩散。滴水器主要有滴灌管和滴灌带两大类。滴灌管或滴灌带式滴水器是由滴头与毛管组合为一体，兼具配水和滴水功能的管（或带）。

二、上肥体系，可以看成是水肥混合系统。在田间要规划为定量上肥，包括蓄水池、水肥一体机、施肥桶、混肥液、混液池的方位、容量、出口，上肥用的管道、分配器阀门、智能阀门、比例施肥器、施肥泵等，里面涉及到的组成部件很多。

水肥一体机可以采用成熟产品，其系统结构包括：控制柜、触摸屏控制系统、混肥硬件设备系统、无线采集控制系统。支持pc端以及微信端实施查看数据以及控制前端设备。

三、操作控制，由于现在年轻人不愿意从事农业生产，所以工人以中老年人居多，部分从事农业的中老年人不会写字（会识字、认字的很少），有的视力状况不佳比如老花眼等也不适合看手机，所以采用语音交流比较可行，因此结合上述情况，采用语音识别的方式来进行终端操作，具有更好的实际应用性和推广便利性。

具体到本发明，下面逐一细说。

控制系统，为工作人员提供移动用户终端和远程用户终端这两种控制方式，实现移动和远程地灌溉控制操作。

控制系统包括处理器，以及与处理器信息连接的移动用户终端（移动终端机，如平板、笔记本电脑，或手环、眼镜等智能穿戴设备）和远程用户终端（远程终端机），移动用户终端通过手机模块实现对处理器所涉及到的硬件设备的移动式操作和控制，手机模块也就是手机APP；远程用户终端通过语音识别模块实现对处理器所涉及到的硬件设备的远程操作和控制。

移动用户终端和远程用户终端的显示内容包含：首页展示、资产管理、水肥程序设置、远程控制和系统诊断的功能，实现了灌溉计划的设定、在线查看、历史记录查询、灌溉系统远程操作和监管。

语音识别系统，用于识别语音信号，并将移动用户终端或远程用户终端接受到的语音信号传输给控制系统。

语音识别系统包括语音识别模块和手机模块，作为一个实施例，其中的语音识别模块信息单独连接远程用户终端，手机模块信息单独连接移动用户终端，这样可以将语音信号直接传输到远程用户终端，同时因为手机模块这一手机APP功能强大、本身自带有语音支持功能，又可以通过手机模块将语音信号直接传输到移动用户终端，从而无论是手机模块还是语音识别模块，都支持语音录入功能。

作为另一个实施例，见图2，语音识别模块信息连接移动用户终端和远程用户终端，语音识别模块作为中转、其信息连接移动用户终端和远程用户终端，并语音识别模块和手机模块之间信息互联。语音识别模块和手机模块通过无线网互联，二者通过建立协议，实现信息互联。采取语音识别模块和手机模块这两种APP互联的操作，既可以将语音信号通过语音识别模块、远程用户终端的设备面板直接进行语音识别，也可以通过手机模块控制语音识别模块进行操作，增加操作的可选择性和便利性。因为远程用户终端一般建立在大棚区或控制室，人员或工人有时不能随叫随到，或者无法第一时间到达现场，因此可以在方便的情况下，利用远程用户终端在现场直接语音控制，也就是语音信号-语音识别模块-远程用户终端这一传输路径。在不太方便或比较着急而无法第一时间到场的情况下，通过手机模块控制语音识别模块，进而控制移动用户终端进行控制，也就是语音信号或其他信号-手机模块-语音识别模块-移动用户终端这一传输路径，在这一过程中，手机模块可以将其他信号比如文字、图片进行解析后转换成语音识别模块可以识别的语音内容。由于在软件开发过程中，往往程序语言条目过多、甚至冗余，bug有时无法查找，通过手机模块+语音识别模块的单独设计，可以避免过大的软件安装包，利于查找bug，便于软件开发升级。语音控制模块上有移动、远程这两种模式可以自如切换。

手机模块是自己设计的手机app，借助于互联网，手机app接收语音信号或者其他信号。

水肥混合系统，受控制系统的控制，用于将水溶性肥料与水充分混合成混合液。水肥混合系统可以为水肥一体机，水肥一体机信息连接处理器。水、肥、药液，通过水肥一体机提前设定好的比例，自动混合。通过水肥一体机内置程序设定好的比例，将水、肥、药液混合在一起，然后进入施肥泵，施肥泵通过控制肥液与水的流量从而达到精确施肥的目的。水肥一体机可以参考苗乐节水灌溉设备公司的智能水肥一体机，水肥一体机连接有施肥桶和混肥液。

水肥灌溉系统，受控制系统的控制，将水肥混合系统制备的混合液通过管道运输到作物根区，为作物进行灌溉施肥。水肥灌溉系统包含灌溉首部、管道、根区滴（喷）头和智能阀门，灌溉首部一端与水肥一体机连接、另一端连接管道，管道的出水端连接多个根区滴（喷）头，智能阀门数量为多个、其安装在管道上、其用于控制相应管道的通断。

数据采集分析系统，受控制系统的控制，进行土壤数据的采集和分析，并将上述土壤数据传输给控制系统，从而实现自动灌溉。

数据采集分析系统包括传感器、控制平台，传感器位于土壤内、其数量为多个、其通过水肥一体机与控制系统的处理器连接，传感器用于采集土壤水分值、土壤EC值、土壤温度值；控制平台位于中控室内，控制平台与智能阀门连接、其用于控制智能阀门的开关，控制平台同时也通过水肥一体机与控制系统的处理器连接。

传感器采集的土壤水分值、土壤EC值、土壤温度值传输给处理器，处理器将数据预处理后传输给控制平台，控制平台可以分析判断出土壤水分值、土壤EC值、土壤温度值，在上述值不符合要求时，控制平台控制智能阀门的开关，实现自动灌溉。在上述过程中，数据上传到控制平台，控制平台可以实现自动对上传数据进行分析，实现阀门的开关，自动控制灌溉。

控制平台为即插即用型控制平台。具体如何实现即插即用，既可以物理连接，也可以并网无线连接，如可以采用并网分布式结构，只要能实现快速组网连接即可，不拘泥于特定形式。

本发明的信息传输过程为：

数据数据采集分析系统实时工作，分布在土壤中的各个传感器，比如土壤水分值传感器、土壤EC值传感器、土壤温度值传感器实时向处理器（如PLC）传递土壤的水分值数据、EC值数据、温度值数据。水分值数据和温度值数据好理解，EC值数据是用来测量溶液中可溶性盐浓度的，也可以用来测量液体肥料或种植介质中的可溶性离子浓度。EC值的单位用mS/cm 或mmhos/cm表示，测量温度通常为25℃。高浓度的可溶性盐类会使植物受到损伤或造成植株根系的死亡。正常的EC值范围在1-4mmhos/cm(或mS/cm)之间。基质中可溶性盐含量(EC值)过高，可能会形成反渗透压，将根系中的水分置换出来，使根尖变褐或者干枯。一般要求灌溉水EC值小于0.8ms/cm。

当处理器发现上述任一种数值不符合要求时，比如水分值过低、EC值过高或温度值过高，处理器通过控制平台来控制智能阀门的通断，进而控制管道的流通，实现浇水。当水分值过高时停止浇水。而当EC值过低时，证明农作物缺肥料，进而启动水肥混合系统进行水+肥的混合，然后利用水肥灌溉系统进行针对性灌溉。在水+肥的混合的过程中，不同农作物需要的养分不同，可以利用数据库进行选择。

在浇水或施肥灌溉过程中，为了避免过量浇水施肥，需要及时停止浇水或施肥灌溉，因此利用数据数据采集分析系统的控制平台对智能阀门进行智能控制，通过阀门的通断完成管道内水或肥的流通。

数据采集分析系统中的控制平台提供了独立输出控制和自组网功能，可以看做是一个控制关口，为即插即用类型，适用于各种灌溉控制场景。该即插即用控制平台，是一个整体的模块，可以采用市售成熟产品，一般包括A/D转换模块、D/A转换模块、CPU、触摸屏、多个信号接口、多个航插接口，与土壤中的传感器信息互通有无，A/D转换模块、D/A转换模块、触摸屏、信号接口和航插接口均和CPU通过信号传输连接，信号接口和D/A转换模块之间电连接，触摸屏采用分体设计，触摸屏上设有多种数据接口，简单触摸屏点击设置，快速连接第三方选配件，CPU内置自动报警及自动联锁紧停模块。CPU中内置多种驱动程序，实现即插即用。触摸屏采用分体设计，触摸屏上设有多种数据接口。数据接口为USB、Microusb。可以方便的进行大规模数量智能阀门的控制管理。

当工作人员在远处时，可以通过移动用户终端或远程用户终端进行控制，移动用户终端不受地点限制，随使随用。移动用户终端利用安装在手机上的手机模块进行语言信号或其他信号（如文字输入、笔画输入）等在手机界面上进行操作。远程用户终端固定在一个地方，比如在田间地头，主要作用是实现语音操作，其内置语言识别模块，工作人员只需说出控制指令的话语，比如观看土壤温度/水分/EC值数据，或者提前混合水肥，或者现场浇水灌溉等，语言识别模块会将上述音频信号进行收集，然后上传到处理器内，处理器会将控制命令解析出来分发给相应单位进行执行。

由于使用过程中难免会有噪音产生，有的噪音会十分影响语音的识别，因此还设有智能识别模块，防止杂音或误操作，提高操作精度。关于防止杂音或误操作，采用的是现有技术，也就是通过录入原操作员的声音，对声音进行精确的语音识别，然后录入数据库作为模板，由于每个人的声音都会有差别，通过与存储的模板进行判断，即可以防止杂音或误操作，提高语音信号的输入精度。

本发明在应用后，由于增加了语音识别功能，本系统在技术、经济、社会效益和环境效益的表现为：

1）语音识别具有非接触、非侵入性和易于使用的特点，操作更加便利和灵活，特别受大众消费者的喜欢。

2）对员工素质要求降低，减少培训成本，提高上岗操作效率，进而增加就业岗位。

3）具有不会遗失和忘记、不需记忆、使用方便等特点，而且还具有用户接受程度高，声音输入设备造价低廉等优点

4）由于涉及不到用户的隐私问题，所以可以方便的推广应用。

1.技术指标：

（1）节水：40%～60%；

（2）节肥：30%～50%；

（3）节药：50%～60%；

（4）节约人工：60～70%；

（5）土壤墒情改善；

2.经济指标：

（1）每亩节约成本：60～80%；

3.社会效益指标：本项目实施以后，预期投入研发人员3-5人，增加本公司就业岗位10余人，带动本行业。

4.环境效益：避免因施肥不当造成的土壤和环境污染情况，实现了环境保护的发展要求，做好了人与自然的和谐相处，促进经济发展的可持续性。

语音识别智能水肥一体化灌溉系统是将语音、灌溉与施肥融为一体的农业新技术。水肥一体化是借助压力系统（或地形自然落差），将可溶性固体或液体肥料，按土壤养分含量和作物种类的需肥规律和特点，配兑成的肥液与灌溉水一起，通过可控管道系统供水、供肥，使水肥相融后，通过管道、喷枪或喷头形成喷灌、均匀、定时、定量，喷洒在作物发育生长区域，使主要发育生长区域土壤始终保持疏松和适宜的含水量，同时根据不同的作物的需肥特点，土壤环境和养分含量状况，需肥规律情况进行不同生育期的需求设计，把水分、养分定时定量，按比例直接提供给作物。

本发明可以帮助生产者很方便的实现自动的水肥一体化管理。系统通过与供水系统有机结合，实现智能化控制。可实现智能化监测、控制灌溉中的供水时间、施肥浓度以及供水量。传感器（土壤水分传感器、流量传感器等）将实时监测的灌溉状况，当灌区土壤湿度达到预先设定的下限值时，智能阀门（比如选用电磁阀）可以自动开启，当监测的土壤含水量及液位达到预设的灌水定额后，可以自动关闭智能阀门。可根据时间段调度整个灌区智能阀门的轮流工作，并手动控制灌溉和采集墒情。整个系统可协调工作实施轮灌，充分提高灌溉用水效率，实现节水、节电，减少劳动强度，降低人力投入成本。

总之，语音识别智能水肥一体化灌溉系统是一项节本增效的实用技能，易于推广，在有条件的农区只要前期的投资解决，又有技能和力量支持，推广应用起来将成为助农增收的一项有益方法。