基于物联网和群演化神经模糊控制的智能微灌技术研究

Smart micro-irrigation technology is a kind of micro-irrigation and intelligent control technology. It use the perception of things in different areas of soil moisture, use artificial intelligence-based computer program for different farm or greenhouse area, and adjust irrigation time, irrigation frequency for automatic control purposes. With the popularity of micro-irrigation equipment, the importance of intelligent micro-irrigation technologies in the regiment agricultural production is increasing. This paper presents an advanced technology based on group-based neuro-fuzzy control intelligent for micro-irrigation, based on group evolutionary algorithms, neural networks, fuzzy control, intelligent control technology to achieve the soil water closed-loop feedback control and intelligent regulation. The main contents include: (1) the establishment of different irrigation amount and time after the implementation of micro-irrigation, fuzzy mathematical model for soil moisture, conductivity and both the rate of change and the soil moisture, water-soluble salt based on fuzzy theory. (2) evolutionary algorithm based on group study for soil moisture sensor network and conductivity sensing data, integration and optimization. (3) the evolution of group-based neuro-fuzzy control soil moisture feedback control and smart regulation. This study can not only to protect the environment, save labor, but also can effectively improve water use efficiency, and promote the development of Xinjiang Production and Construction Corps.

智能微灌技术是一种将微灌和智能控制结合产生的先进技术，通过物联网感知不同区域的土壤墒情，以人工智能为基础的计算机程序对不同农田或大棚区域的灌溉时间、灌溉频率等参数的控制实现自动微灌的目的。随着微灌设备的普及，智能微灌技术在兵团农业生产中的重要性越来越高。本课题提出了一种先进的基于群演化神经模糊控制的智能微灌技术，基于群演化算法、神经网络、模糊控制等智能控制技术来实现土壤中水资源的闭环反馈控制和智能调节。主要研究内容包括：（1）基于模糊理论研究建立不同灌溉量和灌溉时间实施微灌后，土壤湿度、电导率和两者变化速度与土壤含水量、水溶性盐浓度的模糊数学模型。（2）基于群演化算法研究传感器网络中土壤湿度和电导率数据感知、融合与优化。（3）基于群演化神经模糊控制进行土壤中水分闭环反馈控制和智能调节。本研究不仅能够保护环境、节约劳动力，还能够有效提高水资源的利用效率，促进新疆生产建设兵团农垦事业的发展。

项目背景.微灌是一种先进的灌溉方式，尤其适用于干旱缺水的新疆地区。微灌技术把灌溉用水准确地施加在作物根系附近，使得作物的根系能够充分直接吸收利用，满足作物不同阶段对水分的需求。采用微灌技术可以方便地调节灌溉水，满足作物生长的营养需求规律，大幅度提高水资源利用效率、提高作物的产量和质量，同时还减少了田间管理作业的时间。.主要研究内容.本课题提出了一种先进的基于物联网和群演化神经模糊控制的智能微灌技术，基于群演化算法、神经网络和模糊控制等智能控制技术来实现土壤中微灌用水的闭环反馈控制和智能调节。系统主要由传感器网络子系统、智能控制子系统组成。.传感器网络子系统用于感知土壤的电导率值和土壤湿度值及两者的变化速率；智能控制子系统主要是通过土壤湿度传感器和电导率传感器得到的土壤湿度信号和电导率信号,利用模糊控制算法做出模糊控制决策，利用群演化算法对隶属度函数和模糊控制规则进行优化，最终得到控制输出的灌溉用水量，然后利用该控制量对执行机构(电磁阀和泵等)的开关时间进行控制以控制微灌的强度和时间。.重要结果、关键数据及其科学意义.(1)基于模糊理论建立了不同灌溉量和灌溉时间实施微灌后，土壤湿度、电导率和两者变化速度与土壤含水量、水溶性盐浓度的模糊数学模型。 .(2)基于群演化算法进行了传感器网络中土壤湿度和电导率数据感知、融合与优化。建立了模型和算法，解决各个点获得的土壤电导率值可能存在较大的差异的情况，通过优化传感器埋设地点、数据融合和优化处理，获得尽可能准确的土壤电导率值。 .(3)基于群演化神经模糊控制进行了土壤中水分闭环反馈控制和智能调节。在此过程中，采用群演化算法对模糊控制规则训练了神经网络，并对隶属度函数进行了优化。.(4)针对新疆地区典型农作物和气候、天气情况的智能自适应微灌，通过田间和大棚实验对算法进行评估和反馈修正。针对棉花、小麦及玉米等大田作物，基于群演化神经模糊控制建立了全新的智能自适应微灌控制方案，根据作物的需水量、根系深度智能选择了差异化的微灌方式、灌溉量、灌溉时间和频率。