用于中药材灌溉的高稳态性阀门控制系统及方法

技术领域

本申请涉及中药材灌溉技术领域，具体涉及一种用于中药材灌溉的高稳态性阀门控制系统及方法。

背景技术

中药材是中医药产业的根本，药材质量的优劣对疾病治疗效果有着至关重要的影响。用于灌溉的阀门控制系统是保证灌溉区域内中药材健康生长、土壤湿度平衡的重要调节系统。

而实现中药材种植区土壤湿度动态平衡是一个难以解决的问题。由于灌溉系统的水源与种植区域较远，同时水从土壤表层渗透到根部存在大延时、大惯性，从而导致灌溉量的精准控制较为困难。

目前，现有的智能农业监测系统较多的应用于基础农业且只包括气象参数采集实时监控功能或节水灌溉功能，对灌溉量的调节控制准确度不高且存在供给量足够的情况下仍进行灌溉的现象，因此对中药材生长灌溉仍需人工进行，且耗时耗力。

发明内容

为解决现有的智能农业监测系统较多的应用于基础农业且只包括气象参数采集实时监控功能或节水灌溉功能，对灌溉量的调节控制准确度不高，仍需人工进行的问题，本申请一方面提供一种用于中药材灌溉的高稳态性阀门控制系统，包括：实时环境数据采集单元、远程监控单元、控制单元、执行单元；

所述实时环境数据采集单元被配置为：检测中药材种植区的环境数据，并将所述环境数据发送至所述控制单元；

所述远程监控单元被配置为：获取所述控制单元中的所述环境数据并分析，根据分析结果建立中药材生长状况数据库以及需水量模型；

所述控制单元被配置为：接收所述环境数据再传送给所述远程监控单元，并根据所述中药材生长状况数据库以及需水量模型对所述执行单元发送控制信号；

所述执行单元被配置为：接收所述控制信号，并根据所述控制信号对所述中药材种植区进行灌溉。

在一种可行的实现方式中，所述环境数据包括：风速、温度、湿度、气压、降雨量、土壤热通量密度、地表净辐射通量、土壤蒸散量和多层土壤含水量。

在一种可行的实现方式中，所述实时环境数据采集单元包括：风速传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器、雨量传感器、土壤热通量传感器、净辐射传感器、土壤蒸散传感器、多层土壤湿度传感器。

在一种可行的实现方式中，所述控制单元还被配置为：将所述环境数据从模拟信号转换为数字信号；

所述远程监控单元还被配置为：获取、监测所述控制单元的实时数据和运行状态，以及更新所述控制单元的软件程序。

在一种可行的实现方式中，所述执行单元设有流量控制阀，所述控制单元通过电流模拟控制量或电压模拟控制量，调节所述流量控制阀的流量大小。

在一种可行的实现方式中，所述电流模拟控制量的电流调节范围为：4-20mA；所述电压模拟控制量的电压调节范围为：0-10V。

本申请另一方面提供一种用于中药材灌溉的高稳态性阀门控制方法，所述方法应用于上述任意一种用于中药材灌溉的高稳态性阀门控制系统，所述方法包括：

通过实时环境数据采集单元获取中药材种植区所在的环境数据；

通过远程监控单元根据所述环境数据计算需水量和灌溉量；

通过所述控制单元设计基于史密斯预估器的流量调节阀控制模型，根据所述需水量和灌溉量，计算执行单元进行灌溉的控制量。

在一种可行的实现方式中，所述通过实时环境数据采集单元获取中药材种植区所在的环境数据的步骤包括：

通过风速传感器获取风速；

通过温度传感器获取空气温度；

通过湿度传感器获取空气湿度；

通过气压传感器获取大气气压；

通过雨量传感器获取累计降雨量；

通过土壤热通量传感器获取土壤热通量密度；

通过净辐射传感器获取土壤净辐射通量；

通过土壤蒸散传感器获取土壤蒸散量；

通过多层土壤湿度传感器获取不同表层的土壤的含水量。

在一种可行的实现方式中，所述通过远程监控单元根据所述环境数据计算需水量和灌溉量的步骤包括：

根据所述环境数据，计算种植区域内的参考作物蒸散量，计算所述参考作物蒸散量的公式如下：

（1）；

其中，ET

根据所述土壤蒸散量计算动态作物系数Kc，计算所述的动态作物系数Kc公式如下：

（2）；

其中，

根据所述动态作物系数Kc查找在中药材不同生育期所对应需水量；

根据所述不同表层的土壤的含水量，计算灌溉量，如果所述不同表层的土壤的含水量指标在中药材正常生长的含水量指标范围内，则不灌溉，所述灌溉量为零，其中，所述中药材正常生长的含水量指标范围为

其中，

如果含水量指标高于中药材正常生长的含水量指标上限，则不灌溉，所述灌溉量为零；

如果含水量指标低于中药材正常生长的含水量指标下限，则灌溉，所述灌溉量的计算公式如下：

（3）；

其中，

在一种可行的实现方式中，所述通过所述控制单元设计基于史密斯预估器的流量调节阀控制模型的步骤包括：

系统中被控量为不同表层的土壤的含水量，假设测量土壤层数为n，则不同表层土壤的传递函数为：

（4）；

其中，

假设系统的理想闭环传递特性为

（5）；

其中，

根据所述理想的闭环传递函数计算实际的系统闭环传递函数，即：

（6）；

其中，

根据公式(5)和(6)得出控制器的等效传递函数，即：

（7）；

其中，

将公式(7)中带有滞后补偿的控制器

（8）；

根据所述引入史密斯预估器后的系统闭环传递函数建立所述流量调节阀控制模型。

根据上述内容可知，本申请一方面提供一种用于中药材灌溉的高稳态性阀门控制系统，包括：实时环境数据采集单元、远程监控单元、控制单元、执行单元；所述实时环境数据采集单元被配置为：检测中药材种植区的环境数据，并将所述环境数据发送至所述控制单元；所述远程监控单元被配置为：获取所述控制单元中的所述环境数据并分析，根据分析结果建立中药材生长状况数据库以及需水量模型；所述控制单元被配置为：根据所述中药材生长状况数据库以及需水量模型对所述执行单元发送控制信号；所述执行单元被配置为：接收所述控制信号，并根据所述控制信号对所述中药材种植区进行灌溉。通过系统动态计算中药材生长不同阶段的需水量，同时调整中药材种植区域灌溉量。本申请另一方面在控制方法中，建立流量调节阀控制模型，解决了灌溉系统因管道运输以及土壤渗透作用等纯滞后环节的存在，使灌溉过程出现稳态性降低以及动态性能变差等问题。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明实施的实施例，并与说明书一起用于解释本发明实施例的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一示例性实施例示出的用于中药材灌溉的高稳态性阀门控制系统结构示意图；

图2为本申请一示例性实施例示出的用于中药材灌溉的高稳态性阀门控制方法的流程示意图；

图3为本申请一示例性实施例示出的计算需水量和灌溉量的流程示意图；

图4为本申请一示例性实施例示出的用于中药材灌溉的高稳态性阀门控制系统实现的方框图；

图5为本申请一示例性实施例示出的控制单元控制流量调节阀的原理图。

附图标记说明：

100-实时环境数据采集单元；200-远程监控单元；300-控制单元；400-执行单元；110-风速传感器；120-温度传感器；130-湿度传感器；140-气压传感器；150-雨量传感器；160-土壤热通量传感器；170-净辐射传感器；180-土壤蒸散传感器；190-多层土壤湿度传感器。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明实施例将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明实施例的实施方式的充分理解。

中药材是中医药产业的根本，药材质量的优劣对疾病治疗效果有着至关重要的影响。用于灌溉的阀门控制系统是保证灌溉区域内中药材健康生长、土壤湿度平衡的重要调节系统.但由于灌溉系统的水源与种植区域较远，同时水从土壤表层渗透到根部存在大延时、大惯性，从而导致灌溉量的精准控制较为困难。现有的智能农业监测系统较多的应用于基础农业且只包括气象参数采集实时监控功能或节水灌溉功能，对灌溉量的调节控制准确度不高且存在供给量足够的情况下仍进行灌溉的现象，因此对中药材生长灌溉仍需人工进行，且耗时耗力。

为解决上述问题，本申请一方面提供一种用于中药材灌溉的高稳态性阀门控制系统，参照图1所示，包括：实时环境数据采集单元100、远程监控单元200、控制单元300、执行单元400。

实时环境数据采集单元100被配置为：检测中药材种植区的环境数据，并将环境数据发送至控制单元300。

具体的，在一些实施例中，环境数据包括：风速、温度、湿度、气压、降雨量、土壤热通量密度、地表净辐射通量、土壤蒸散量和多层土壤含水量。由于中药材大多需要温暖湿润的半阴环境，因此，需要采集环境数据，确保环境符合中药材的生长条件，以便及时做出调整。

为采集足够多的环境数据，实时环境数据采集单元100中包括：风速传感器110、温度传感器120、湿度传感器130、气压传感器140、雨量传感器150、土壤热通量传感器160、净辐射传感器170、土壤蒸散传感器180、多层土壤湿度传感器190。

可以理解的是，风速传感器110用于获取风速，通过温度传感器120用于获取空气温度，湿度传感器130用于获取空气湿度，气压传感器140用于获取大气气压，雨量传感器150用于获取累计降雨量，土壤热通量传感器160用于获取土壤热通量密度；净辐射传感器170用于获取土壤净辐射通量，土壤蒸散传感器180用于获取土壤蒸散量，多层土壤湿度传感器190获取不同表层的土壤的含水量。

远程监控单元200被配置为：获取控制单元300中的环境数据并分析，根据分析结果建立中药材生长状况数据库以及需水量模型。

中药材生长状况数据库可以将实时监测到的环境数据均进行记录，便于查找历史数据，并且分析环境变化，以及中药材更适合的环境状态。根据环境数据还可以建立需水量模型，在中药材的不同生长发育阶段，所需的水量不同，根据大量的环境数据的分析，可以获取到中药材在各个生在发育阶段应当提供的需水量，并建立需水量模型，来确保中药材在缺水的情况下及时得到灌溉。

本申请中，远程监控单元200可以是智能手机、台式电脑、手提电脑、无线终端等设备中的一种，可以接入互联网。远程监控单元200可以访问网页或移动端应用，通过有线或无线的方式获取、监测控制单元300的实时数据和运行状态以及更新控制单元300的软件程序。另外，远程监控单元200具备分析实时环境数据采集单元100采集的环境参数信息，建立中药材生长状况数据库以及需水量模型，实现不同生长阶段的需水量动态调节，并进行中药材生长监控和分析等功能。

控制单元300被配置为：接收环境数据再传送给远程监控单元200，并根据中药材生长状况数据库以及需水量模型对执行单元400发送控制信号。

控制单元300再通过中药材生长状况数据库以及需水量模型可以计算得出目前的中药材种植区是否需要灌溉，具体的灌溉量为多少，将要控制灌溉的参数转化为控制信号发出，可以及时对中药材种植区的环境做出调整。

本申请中，控制单元300可以是单片机、工控机、计算机等具有数据处理能力设备中的一种。控制单元300用于接收实时环境数据采集单元100采集到的环境数据，实现模拟信号到数字信号的转换(ADC，Analog to Digital Conversion)，并将转换的结果发送到远程监控单元200。

在一些实施例中，控制单元300同时作为系统的控制机构，从程序上将史密斯预估器与数字控制器相结合，将数字控制量转换成4-20mA的电流模拟控制量或0-10V的电压模拟控制量，实现数字信号到模拟信号的转换(DAC，Digital to Analog Conversion)，并对执行单元400中的阀门施加控制信号。数字控制器可以是PID控制器、自适应控制器、模糊控制器或者神经网络控制器中的一种。

执行单元400被配置为：接收控制信号，并根据控制信号对中药材种植区进行灌溉。

在一些实施例中，执行单元400为具有流量控制的流量控制阀，执行单元400设有流量控制阀，用于执行控制单元300发出的4-20mA的电流模拟控制量或0-10V的电压模拟控制量，实现系统的灌溉量调节。

根据上述实施例内容可知，本申请第一方面提供一种用于中药材灌溉的高稳态性阀门控制系统，包括：实时环境数据采集单元、远程监控单元、控制单元、执行单元；所述实时环境数据采集单元被配置为：检测中药材种植区的环境数据，并将所述环境数据发送至所述控制单元；所述远程监控单元被配置为：获取所述控制单元中的所述环境数据并分析，根据分析结果建立中药材生长状况数据库以及需水量模型；所述控制单元被配置为：根据所述中药材生长状况数据库以及需水量模型对所述执行单元发送控制信号；所述执行单元被配置为：接收所述控制信号，并根据所述控制信号对所述中药材种植区进行灌溉。通过系统动态计算中药材生长不同阶段的需水量，同时调整中药材种植区域灌溉量。

在现有的智能农业监测系统中，对于阀门灌溉的控制均采用传统上无滞后补偿的控制器，其闭环特征方程为：

；

其中，

从系统的稳态性角度定性分析可知，当系统存在纯滞后环节时，由于系统误差的存在，控制器计算后的控制量与预期情况下会滞后一段时间作用在被控量上，滞后时间为

但中药材种植与传统农作物种植不同点在于，中药材评价指标中的质量、药效要高于其产量。在中药材生长周期内动态调节其需水量、精准的把控种植区域的灌溉量对中药材高质量生长十分重要。而现有的阀门灌溉的控制系统不稳定，不能满足中药材种植的需要。

本申请为解决上述问题，另一方面提供一种用于中药材灌溉的高稳态性阀门控制方法，方法应用于上述的任意一种用于中药材灌溉的高稳态性阀门控制系统，参照图2所示，方法包括步骤：

S100：通过实时环境数据采集单元获取中药材种植区所在的环境数据。

具体的，采集环境数据的方法包括：通过风速传感器获取风速；通过温度传感器获取空气温度；通过湿度传感器获取空气湿度；通过气压传感器获取大气气压；通过雨量传感器获取累计降雨量；通过土壤热通量传感器获取土壤热通量密度；通过净辐射传感器获取土壤净辐射通量；通过土壤蒸散传感器获取土壤蒸散量；通过多层土壤湿度传感器获取不同表层的土壤的含水量。

S200：通过远程监控单元根据环境数据计算需水量和灌溉量。

具体，参照图3所示，计算需水量和灌溉量步骤包括：

S210：根据环境数据，计算种植区域内的参考作物蒸散量，作物蒸散量是指单位面积的植物体表面水分蒸发的量，通常以单位面积每小时蒸散的水分量（mm/h）来表示。它受到植物的蒸散速率和蒸散面积的影响。蒸散量也受到环境因素的影响。比如，大气的干燥程度、辐射条件以及风力大小所综合决定的蒸发势，还有土壤湿润程度和导水能力所决定的土壤供水状况。

本申请中，计算参考作物蒸散量的公式如下：

（1）；

其中，ET

S220：根据土壤蒸散量计算动态作物系数Kc，动态作物系数Kc是一种用于水资源管理和农业水资源利用的参数。它是根据作物的生长阶段、生长状况、环境因素等条件的变化而变化的。在灌溉管理中，动态作物系数Kc可以根据作物需水量的变化和水资源状况进行灌溉计划的调整，以达到节约水资源和提高灌溉效益的目的。动态作物系数Kc的确定需要通过对作物生长状况、土壤含水量、气象条件等参数进行监测和测量，并采用数学模型进行分析和计算。它可以反映作物在不同生长阶段的需水规律和灌溉需求量。

本申请中，计算的动态作物系数Kc公式如下：

（2）；

其中，

S230：根据动态作物系数Kc查找在中药材不同生育期所对应需水量。

S240：根据不同表层的土壤的含水量，计算灌溉量，土壤的含水量一般是指土壤绝对含水量，即100g烘干土中含有若干克水分，也称土壤含水率。如果不同表层的土壤的含水量指标在中药材正常生长的含水量指标范围内，则不灌溉，灌溉量为零，其中，所述中药材正常生长的含水量指标范围为

其中，

S250：如果含水量指标高于中药材正常生长的含水量指标上限，则不灌溉，灌溉量为零。

土壤的含水量在中药材正常生长的含水量指标范围内，以及高于中药材正常生长的含水量指标上限时，则说明土壤中的水分足够中药材正常生长，即不需要对中药材进行灌溉。

S260：如果含水量指标低于中药材正常生长的含水量指标下限，则灌溉，灌溉量的计算公式如下：

（3）；

其中，

S300：通过控制单元设计基于史密斯预估器的流量调节阀控制模型，根据需水量和灌溉量，计算执行单元进行灌溉的控制量。

史密斯预估器可以用于控制流量，在实际控制系统中，被控对象往往存在着较大的纯滞后特性，使得被控变量的响应不能及时反映系统所受的扰动。即使测量信号到达控制器，执行单元接受调节信号后立即动作，也需要一段纯滞后以后才会影响被控变量，使之受到控制。

史密斯预估器通过离散控制器预测未来数据，以补偿纯滞后环节造成的影响。具体来说，史密斯预估器可以通过对被控对象的传递函数进行泰勒展开，将其近似为一阶惯性环节，然后根据史密斯预估器的设计方法进行设计。在控制流量方面，史密斯预估器可以通过调节执行单元的输出信号，来控制被控对象的流量。由于史密斯预估器可以预测未来数据，因此可以在被控变量出现超调前及时调整执行单元的输出信号。

具体的，参照图4所示，图4为控制系统实现的方框图。通过控制单元设计基于史密斯预估器的流量调节阀控制模型的步骤包括：

S310：系统中被控量为不同表层的土壤的含水量，假设测量土壤层数为n，则不同表层土壤的传递函数为：

（4）；

其中，

S320：假设系统的理想闭环传递特性为

（5）；

其中，

S330：参照图5所示，图5为控制单元控制流量调节阀的原理图，根据图4计算执行单元进行灌溉的控制量理想的闭环传递函数计算实际的系统闭环传递函数，即：

（6）；

其中，

SS340：根据公式(5)和(6)得出控制器的等效传递函数，即：

（7）；

其中，

将公式(7)中带有滞后补偿的控制器

（8）；

根据引入史密斯预估器后的系统闭环传递函数建立流量调节阀控制模型。此时，系统的特征方程中不含有滞后因子，因此能够有效减小系统的超调量，从而提高系统的稳态性能。

根据上述实施例内容可知，本申请另一方面提供一种用于中药材灌溉的高稳态性阀门控制方法，包括：通过实时环境数据采集单元获取中药材种植区所在的环境数据；通过远程监控单元根据所述环境数据计算需水量和灌溉量；设计基于史密斯预估器的流量调节阀控制模型，根据所述需水量和灌溉量，计算执行单元进行灌溉的控制量。本申请中综合考虑了中药材生长的土壤湿度情况，使用多层土壤湿度传感器监测不同表层土壤的含水量情况并根据不同生长周期动态调整灌溉量。与此同时，考虑到在灌溉系统以及土壤渗透中纯滞后环节的存在，影响系统的稳定性，增加史密斯预估器对控制器进行补偿，使得系统纯滞后因子与系统闭环传递函数分离，从而提高系统的稳态性能。

由上述内容可知，本申请实施例需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的结构、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种结构、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的结构、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。