一种基于神经网络预测的大棚灌溉系统设计与实现方法 附棉花膜下滴灌自动化控制技术的应用实践.docx

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1、一种基于神经网络预测的大棚灌溉系统设计与实现方法附棉花膜下滴灌自动化控制技术的应用实践摘要：近年来。由于中国农业生产技术水平的逐年提升，种棉技术推广很快。 特别是滴灌法技术的广泛应用，使棉花生产效率有了较大幅度的提升。但由于不 少单位对有滴灌法技术在棉花种植生产和管理工作中如何实施还没有系统认识。 因此职工违规操作等现象难以避免，易引起草棉生长发育不均匀，使节约用水和 草棉增产幅度未能取得预期效益。该文主要分析了自动化控制技术在棉花膜下滴 灌中的应用实践，希望能够为不断提升中国农业生产的科技水平提供参考意见。关键词：滴灌自动化控制技术；棉花生产；应用实践1节水灌溉技术的优点第，省水。在经济作物

2、成熟期，采用的节水滴灌比常规的漫灌实现节水约 40%50%第二，省肥。可将溶于水中的化肥随滴灌水流，直接送到经济作物 植株根系部位。化肥效率高。容易被土壤作物消化吸收。一般能省肥料20%,有 的达到40%,还能够降低肥料对土壤、环境的影响。第三，省杀虫剂。杀虫剂随 滴灌水直接送到作物根系部位，可省杀虫剂10%以上，杀虫效果好，同时也不易 破坏自然生物链。第四，更省地。用埋入地底的以及向地面移动的输浆管取代原 先占用的农渠和毛渠，这样就可以省地5%左右。第五，省人力和机力。地灌时， 人随水而走，挖土堵缝，还要中耕除草等，耗时费力。而滴灌方法却能增加几倍 工效。第六，耐盐能力较好。滴灌的水流能使作

3、物根部附近产生低盐区，从而促 进了苗木的成活和作物生长发育，在中度盐碱地区，还可达到较好生产效果。这 对于盐碱地的改良利用以及耕地资源短缺地区都具有重要性。第七，滴灌经济作 物也具有很强的抗震力量。因经济作物必须从出苗开始进行科学合理的浇水、施 肥、施药。实验资料也已证明。滴灌技术作物自身各项生长指数都比地面浇灌的 粮食作物更优。而且抵御各种天然灾害，如冻害、降温等的能力也更强。第八， 增产。滴灌法是可管理的灌水技术，做到了及时合理灌溉，使土质松散不板结， 土壤团粒结构良好、通气性好，因此，作物生长发育条件良好，草棉可增产10% 20%,低产田可增产25%以上。第九，质量高。由于滴灌技术营造了

4、有利于作物 生长发育的环境条件，所以，滴灌作物不仅产量高，而且品质很好，包括商品外 八2自动化届城系统的基础建设智能化滴灌节水技术，是将农作物灌水工艺技术、棉花种植栽培工艺、天气 信息、土地测墙信息、土地施肥管理技术信息、农业滴水智能化等信息融汇于一 身，利用计算机能够做到依托系统计算值进行手动滴水、依托随意设置时间程序 实现手动滴水、依托随意设置水量程序实现手动滴水、依托随意设置区域程序实 现手动滴水、依托田间自动控制、依托滴灌田间天气监控系统（包含潮湿、气温、 风向、风速等），通过土地测墙信息系统指导性滴水技术手段，对棉花种植生育 时期的农业滴水、滴肥过程实施智能化管理口。该文以中国阿拉尔

5、垦区为例， 讲述了该地区自动化滴灌系统的建设和应用。几年来，阿拉尔垦区主动响应国务 院的号召，全力以赴推动六大精准农作物现代化发展科技，目前正进行着精确播 种的选育试验研究：2014年已有80%的草棉实现了机采棉，实现棉花的精确收 获，100%的棉花田实现了精量播种化，95%的棉花田已实现了精确滴灌。在上 述高新技术的实际运用中，计算机技术、智能技术并不能起到综合作用，特别在 精确施肥、精确滴灌、精确检测等方面，尽管农业智能化技术已经获得了很大进 展，但计算机技术、智能技术应用仍受思想意识和科技资金限制而相对的发展滞 后。在精确施肥方面，多数时候靠经验来决定而尚未形成相对完备的专家施肥决 策体

6、系，精确滴灌技能仅限于手动开关阀门，还未达到可以集中监控和对滴水流 量精准计算的信息智能技术手段，精准检测进展还比较迟缓，如在滴灌田间的天 气监控体系（包含湿润、气温、风向、风速等）中的天气信息、土地测墙信息、 GPS自动定位信息系统、棉花生长发育图像收集与比较数据分析等技术手段的运 用，尚处在点片展示阶段2。3自动化滴灌系统的应用通过农业智能化控制系统建设，将把手开阀门的农业滴灌系统全部变成了智 能化控制系统，从而全面促进了农业信息技术、智能化科技的发展，建立了一套 农村信息化、智能科技农业滴灌控制系统，其主要功能有以下几点。首先，由单 一控制系统或使用计算机完成的依赖系统计算值进行手动滴灌

7、、依赖随机设定时 间程序等进行手动滴灌、依赖随机设定流水量程序等进行手动滴灌、依赖随机设 定区域程序等进行手动滴灌或通过田间自动控制阀进行单手或自动滴灌。第二， 采用多功能的集中监测系统，使各个部位与自动控制系统连为体，最后完成了 三级通信和管理工作3。信号传递利用国家信息办对已建立好的闭路电视系统 进行三级通信和管理系统的传递。其具体含义是：在一个泵站的自动控制系统利 用有线电视光缆，把各种运营、管理工作的信号传送到第一级集中监控系统，第 一级集中监控系统运营、管理信息经过闭路电视系统传送到第二级集中监控系 统，第二级集中监控系统运营、管理信息经过闭路电视系统传送到，第三级集中 监控系统同样

8、利用二层向一层、一层向泵站建筑物传递的各种运营、管理信息指 令、高效地对各泵站进行监视。辅助主要功能是：利用在同一个泵站的自动化控 制系统，建立了一个利用局部滴灌田间天气监控信息系统（包含湿润、气温、风 向、风速等）、土地测摘信息系统、专家施肥决策信息系统、GPS定位系统、以 及棉花生长图像收集与对比分析等技术的特点，实施了指导性滴灌。待技术条件 成熟后将辅助功能完全转变为农业信息化、智能科技服务的主要功能。达到了真 正意义上的农村浇水、施肥、栽培等技术现代化4。4滴灌自动化控制技术在棉花膜下的应用成效使用智能化滴灌技术之后，极大地降低了棉花种植过程中人工劳动强度，同 时，也使田间灌水和田间滴

9、肥实现了无人操作，极大地节省了人力物力。但是滴 灌自动化控制技术在设计方面也存在一定的缺陷，如果在自动化控制过程中缺乏 信号反馈，就会导致自动阀开关存在故障问题，严重影响到田间滴灌的效果。在 未来，中国的滴灌自动控制系统也将继续走国产化道路，逐步做成农户用得起的 滴灌自动控制系统，而随着中国境内草棉薄膜下滴灌的自动控制技术日益完善。 配套的智能化监控装置生产厂家也将随之而来，坚信在不久的将来，完全使用中 国境内自己开发的电磁阀控制系统已指日可待。国内自己开发的施肥，农业控制 软件也将朝多样性、功能化方向发展，控制界面将更加简单、实用5。综上输述，自动化应用科技和薄膜下滴灌技术相结合，将自动土壤

10、监测和全 天候的农作物生长影像监测技术相结合，做到了灌溉自动化，大大提高了水肥效 率。目前，自动化农业应用技术在中国已经逐渐被广泛认可，棉花单产和总产将 又一次实现新的突破，将使中国农业步入稳产高产的新发展快车道。参考文献：1牛靖冉,王建江,吴晨涛,等.棉花半自动式膜下滴灌种植技术操作规程JL新 疆农业科技,2019（5）: 13-15.艾合买提吐地.新疆棉花膜下滴灌高产栽培技术J.吉林农业,2019(5):71.引王国栋,李全胜,戴昱余,等.棉花膜下滴灌水肥一体化管理技术规程UL新疆 农垦科技,2021,44(2):42-44.4王风姣,王振华,张金珠,等.水分传感器位置及灌水阈值对膜下滴灌

11、棉花生 理指标及产量的影响J.节水灌溉,2018(5):14-19+25.5石岩,张金霞,董平国,等.干旱缺水区膜下滴灌棉花节水机理及灌溉制度研 究J.干旱地区农业研究,2018,36(2):77-85+100.摘要：为解决大棚灌溉系统数据采集和水量预测精度差的问题，设计了一种 基于神经网络预测的大棚灌溉系统。采用Penman-Monteith公式和BP神经网络 对作物需水量进行建模和预测,提出基于BP神经网络预测的模糊PID控制算法, 实现适时适量的大棚灌溉自动化监控，进一步推进种植业生产智能管理。关键词：神经网络预测；大棚灌溉系统；设计；实现方法数字农业农村发展规划(2019-2025年)

12、提出要推进种植业生产经营智能 管理。农业生产领域中大棚的应用越来越广泛，通过融合运用新一代信息技术实 现大棚的精准灌溉具有很强的现实需求。1基于神经网络预测的大棚灌溉系统设计如图所示，基于神经网络预测的大棚灌溉系统由监测模块、神经网络预测模 块、模糊控制决策模块、灌溉模块等部分构成。监测模块1包括湿度监测系统2、 温度监测系统3、土壤墉情监测系统4并用来收集来自三部分的数据。鉴于外部 气象对大棚内部有一定影响，所以应把外部气象考虑到影响因素中来。在大棚外 部设立气象监测系统5,用于收集各类气象信息，结合大棚内部温湿度信息可准 确预测植物需水量。大棚6内设有若干监测区，每个监测区除了监测模块1之

13、外, 还设有：神经网络预测模块7分别与监测模块1、气象监测系统5连接，用于预 测大棚6内作物的腾发量；模糊控制决策模块8与神经网络预测模块7连接，采 用模糊PID控制方式；灌溉模块9分别与大棚6以及模糊控制决策模块8连接, 包括控制系统和灌溉系统，其中控制系统可以是自动化控制系统。灌溉系统可以 根据需要选择洒水机、洒水喷头或灌溉管道等。2基于神经网络预测的大棚灌溉系统的实现方法与过程根据作物需水量优化神经网络预测，应用当前的智能化技术根据天气环境参 数来预测作物的需水量。由于温室系统具有大惯性、非线性和纯时延等特点1, 提出基于BP神经网络预测的模糊PlD控制算法2,进行在线优化设计，从而实

14、现高效、可靠、准确的控制。将人工神经网络技术与多维自回归模型相结合，通 过多个气象因素与作物需水量的相关分析，来确定网络的拓扑结构，用训练好的 神经网络实时预测作物需水量3。神经网络预测模块7采用Penman-Monteith公 式和BP神经网络对作物需水量进行建模和预测。具体是对来自监测模块1和气 象监测系统5的数据进行分析，神经网络预测模块7采用BP神经网络ETO预测 模型。拟选取八个基本的气象数据一一最高气温、平均气温、最低气温、实际日 照时间、风速、平均相对湿度、纬度、海拔，利用彭曼公式计算出ETO值作为 标准值，接着选取不同气象数据作为输入值，彭曼公式计算值为输出值，依次训 练网络。

15、根据8个基本气象参数与ETO的相关性，通过依次减少气象参数并进 行组合，接着利用BP神经网络预测算法对ETO值进行预测，分析相应的预测精 度。模糊控制决策模块8将根据自神经网络预测模块分析的数据(作物需水量) 输入到输送到灌溉模块9,并由灌溉模块9进行精准灌溉。3基于神经网络预测的大棚灌溉系统及方法的特点该系统具备以下有益效果：（1）采用神经网络预测和模糊控制决策，提出基于BP神经网络预测的模 糊PlD控制算法，进行在线优化设计，从而实现对大棚的灌溉施肥的自动化精 准管理。（2）根据大棚面积大小设置监测区个数，监测区在大棚里可以阵列排布， 或者根据大棚结构形状灵活设置，保证监测区中监测模块收集

16、的数据具有代表 性。（3）由于外部气象对大棚内部有一定影响，在大棚外部设置气象监测系统 监测外部气象信息并收集气象数据，可以更加精准地预测植物需水量。（4）该系统功能还可以进一步拓展，比如设置施肥模块。跟灌溉模块一样, 施肥模块需要与模糊控制决策模块连接。此时，监测模块还应包括肥料监测系统。 施肥模块和灌溉模块互相配合，实现精准灌溉和精准施肥，合理分配资源，使资 源达到高效率的利用。系统施肥模块的具体实现过程与灌溉模块类似。参考文献：1 梁月云崔天时等.温室节水灌溉系统模糊控制器设计及MATLAB仿真J. 农机化研究,2014（6）:202-204,209.2李建军,许燕,张冠,魏正英,张育斌.基于BP神经网络预测和模糊控制的灌 溉控制器设计J.机械设计与研究,2015（5）:150-154.引张兵.作物精量灌溉智能决策系统研究D.镇江：江苏大学,200