基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計研究

楊 波，魏文政，陳 盟，李肖男

(1.山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心東營分中心，山東 東營 257300；2.山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心寒亭管理站，山東 濰坊 261100)

1 研究背景

當(dāng)下水資源日益緊缺，農(nóng)作物發(fā)展受到水資源短缺的影響，節(jié)水灌溉成為當(dāng)今研究核心問題。節(jié)水灌溉是依據(jù)農(nóng)作物需水情況，綜合考慮當(dāng)?shù)毓┧?guī)模，充分利用灌溉水獲取農(nóng)業(yè)最佳經(jīng)濟(jì)效益。節(jié)水灌溉的選擇受到多種因素的影響，僅從一個指標(biāo)進(jìn)行選擇，得到的結(jié)論具有片面性，這樣選出的節(jié)水灌溉措施不能達(dá)到最佳生態(tài)環(huán)境效益。因此，結(jié)合該地區(qū)生態(tài)環(huán)境，合理選擇節(jié)水灌溉技術(shù)會給環(huán)境帶來積極影響。節(jié)水灌溉方式改變了傳統(tǒng)的大水漫灌方式，農(nóng)作物生長周期不同，其實(shí)際需水要求也是不同的，為此，在設(shè)計節(jié)水灌溉系統(tǒng)的同時，適時滿足農(nóng)作物對水分的需求，可以提高農(nóng)作物抗倒伏能力。

以往研究人員大多采用RS- 485總線通信方式設(shè)計智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)，采用AT89S52單片機(jī)設(shè)計智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)，采用模糊控制原理設(shè)計智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)，上述3種系統(tǒng)雖然引進(jìn)了微灌、滴灌方式，但仍存在灌溉基礎(chǔ)設(shè)施薄弱的問題，導(dǎo)致灌溉效果不明顯。近幾年迅速發(fā)展起來的無線通信技術(shù)在傳輸速度方面占據(jù)更大優(yōu)勢，采用紅外、藍(lán)牙無線通信技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，其信號覆蓋范圍較廣，由此可見，采用當(dāng)下高科技設(shè)計智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)非常有必要。

基于上述背景，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計研究，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，按照合理控制方式通過智能設(shè)備控制農(nóng)作物節(jié)水灌溉系統(tǒng)，不僅可以彌補(bǔ)以往傳統(tǒng)系統(tǒng)的不足，還能達(dá)到高效灌溉效果，有效實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉。

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計與原理分析

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)采用智能手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對農(nóng)作物周圍環(huán)境溫度、濕度、光照強(qiáng)度和土壤濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)智能化節(jié)水灌溉。

在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)支持下，逐層構(gòu)建神經(jīng)元，使該網(wǎng)絡(luò)成為一個單層網(wǎng)絡(luò)，保證所有層次經(jīng)過訓(xùn)練后，輸出層和輸入層之間的權(quán)重變?yōu)殡p向。在三層訓(xùn)練學(xué)習(xí)過程中，如果樣本充足，那么三層權(quán)重能夠很好地預(yù)測新樣本，以此獲取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練效果，保證時間復(fù)雜度達(dá)到最小。

該系統(tǒng)主要由信息通信模塊、工控機(jī)組控制系統(tǒng)、PLC、數(shù)據(jù)采集模塊、循環(huán)節(jié)水灌溉模塊及地下水溫度監(jiān)測模塊組成，其總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 總體架構(gòu)

(1)信息通信模塊

用戶使用智能手機(jī)控制農(nóng)作物灌溉，提取水位、水溫數(shù)據(jù)，及時控制曬水池中循環(huán)水泵的啟動與中斷。當(dāng)用戶通過手機(jī)向系統(tǒng)發(fā)送控制短信息時，需先通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)叫畔⑦m配器中，再傳入系統(tǒng)。系統(tǒng)經(jīng)過解讀控制指令后，執(zhí)行相應(yīng)操作。

(2)工控機(jī)組控制系統(tǒng)

該模塊通過接收信息通訊模塊的全部信息，監(jiān)測農(nóng)作物水位高度、水溫及系統(tǒng)工作狀態(tài)。

(3)PLC

PLC即為可編程邏輯控制器，是整個系統(tǒng)的核心，該設(shè)備主要負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合決策與分析。

(4)數(shù)據(jù)采集模塊

通過無線傳感器實(shí)時監(jiān)測節(jié)水灌溉狀態(tài)，獲取相關(guān)信息，達(dá)到高效用水的目的。

(5)循環(huán)節(jié)水灌溉模塊

利用可編程邏輯控制器控制節(jié)水灌溉電磁閥的啟動與中斷，將曬水池中多余的水回收到曬水池中進(jìn)行存儲，供下次使用。

(6)地下水溫度監(jiān)測模塊

該模塊利用循環(huán)水泵將曬水池中的水不斷輸送到加熱管之中進(jìn)行加熱處理，使整個曬水池中的水溫度升高到最佳溫度，滿足灌溉需求。

3 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括智能手機(jī)、無線通信模塊和無線網(wǎng)關(guān)相關(guān)設(shè)備，智能手機(jī)作為系統(tǒng)智能終端控制器，用戶能夠通過發(fā)送相關(guān)指令遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，也可通過通信模塊遠(yuǎn)程傳遞到手機(jī)中心實(shí)時顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.1 地下水增溫模塊

該系統(tǒng)采用曬水池加熱方式，通過循環(huán)泵將曬水池中的水引流到熱水器之中，實(shí)現(xiàn)灌溉水的快速升溫，使其滿足農(nóng)作物用水需求。在曬水池中安裝4個無限數(shù)據(jù)采集基站，以此快速檢測水池溫度和水位高低，當(dāng)曬水池中水位低于下限值時，啟動抽水泵抽取地下水；當(dāng)水溫達(dá)到上限值時，循環(huán)泵停止工作。地下水增溫模塊如圖3所示。

圖3 地下水增溫模塊

3.2 傳感器網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)

以AT82RM7500為核心設(shè)計傳感器網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

設(shè)計包括串口的外圍硬件配置，可滿足傳感器網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)快速升級要求，以此搭建100M以太網(wǎng)接口，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)土壤周圍環(huán)境信息的遠(yuǎn)程傳輸。

4 軟件部分設(shè)計

依據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法設(shè)計智能化節(jié)水灌溉方案。

4.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要是由采樣層、激活層和損失函數(shù)組成的，通過堆疊形式實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的灌溉方案設(shè)計，滿足學(xué)習(xí)過程中系統(tǒng)對數(shù)據(jù)量的需求。

(1)采樣層

采樣層是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)層，其采樣流程如圖5所示。

圖5 采樣流程

設(shè)手機(jī)獲取的圖像矩陣為f(a，b)，其中a表示原始目標(biāo)圖像的長；b表示原始目標(biāo)圖像的寬，假設(shè)堆疊操作函數(shù)為z(x，y)，其中x表示堆疊核的長；y表示堆疊核的寬。依據(jù)上述矩陣，可獲取輸出圖像h(a，b)的表達(dá)式：

h(a，b)=f(a，b)*z(x，y)

(1)

原始目標(biāo)圖像中存在大量無用信息，通過采樣層剔除無用信息，該過程不會出現(xiàn)信息重復(fù)現(xiàn)象，能夠有效提高圖像信息采樣精準(zhǔn)度。

(2)激活層

在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，通過分析節(jié)點(diǎn)激活函數(shù)的輸出映射結(jié)果，能夠保證輸出值在一定閾值范圍內(nèi)。

(3)損失函數(shù)

損失函數(shù)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中起到衡量誤差作用，能夠加快數(shù)據(jù)擬合速度。

4.2 智能化節(jié)水灌溉程序流程設(shè)計

節(jié)水灌溉方案設(shè)計是系統(tǒng)軟件部分設(shè)計的核心，主要用于實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物的抽水、澆水和節(jié)水灌溉。該部分所需的硬件包括1個15V電磁閥、5個鎖扣三通、5個噴頭、1個堵頭、1根10m主管、5根細(xì)管、1個水龍頭轉(zhuǎn)接口，節(jié)水灌溉各個部分連接示意圖如圖6所示。

圖6 節(jié)水灌溉模塊各個硬件連接示意圖

由圖6可知，采用電磁閥抽水避免了再添加蓄水池的麻煩，在主管道上依據(jù)灌溉區(qū)域不同，分別安裝5個鎖扣，而鎖扣具有3個連接口，分別是1個入水口、2個出水口，其作用是將主管道誰引流到細(xì)管之中，實(shí)現(xiàn)均勻灌溉。基于此，設(shè)計基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)程序流程設(shè)計，如圖7所示。

圖7 智能化節(jié)水灌溉程序流程設(shè)計

依據(jù)圖7所示的流程，用戶可以隨時發(fā)送指令到系統(tǒng)之中，由此實(shí)現(xiàn)智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)工藝流程如圖8所示。

圖8 工藝流程

工藝流程里的1表示電動閥，該電動閥主要是由在線儀表和遠(yuǎn)程智能設(shè)備控制的，通過AT82RM7500傳感器網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)傳輸各項(xiàng)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)統(tǒng)計并上傳到云平臺，存儲并分析實(shí)時在線記錄和查詢歷史操作行為，實(shí)現(xiàn)智能化節(jié)水灌溉。

6 系統(tǒng)調(diào)試研究

臨沂節(jié)水灌溉項(xiàng)目中的土渠輸水渠道利用系數(shù)通常為0.4～0.5，大部分水都滲漏或蒸發(fā)掉了。噴灌方式受到風(fēng)向的影響較大，容易出現(xiàn)不均勻噴灑現(xiàn)象，因此，渠道滲漏是節(jié)水灌溉的主要目的。以臨沂節(jié)水灌溉項(xiàng)目為研究對象，改造山塘28口，灌溉渠道10條，高效節(jié)水面積3500余畝，采用FPGA平臺驗(yàn)證基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計的有效性，并對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。

6.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)設(shè)計過程中除了依據(jù)溫度和土壤濕度展開的研究，還研究了灌溉地形、農(nóng)作物種類等多種因素對系統(tǒng)灌溉效率的影響，因此，需統(tǒng)計實(shí)際用水量、節(jié)水量、污水利用量作為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，見表1。

由表1可知，不同灌溉地形和農(nóng)作物種類下實(shí)際用水量、節(jié)水量、污水利用量也大不相同，平原地區(qū)的油料作物的用水效率更合理。因此，選擇平原地區(qū)的油料作物作為研究對象，分別采用傳統(tǒng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)與基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的灌溉效果進(jìn)行對比分析，以此驗(yàn)證該系統(tǒng)設(shè)計的有效性。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

6.2 調(diào)試結(jié)果與分析

在智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)調(diào)試過程中，系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度

由圖9可知，當(dāng)時間為0～0.2s時，智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)處于反應(yīng)階段，系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度在0～2v范圍內(nèi)變化；當(dāng)時間為0.2～0.85s時，智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)處于啟動階段，速度在2～16v范圍內(nèi)變化；當(dāng)時間為0.85～1.2s時，智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)處于運(yùn)行階段，速度在2～6.2v范圍內(nèi)變化；當(dāng)時間為1.2～1.4s時，智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)處于中斷階段，速度在0～3.8v范圍內(nèi)變化。在系統(tǒng)中設(shè)計地下水增溫模塊能夠?qū)崿F(xiàn)灌溉水的快速升溫，在傳感器網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)處添加外圍硬件配置可滿足傳感器網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)快速升級要求，因此在系統(tǒng)啟動階段，系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度變快。

依據(jù)上述系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度，將傳統(tǒng)系統(tǒng)與所設(shè)計系統(tǒng)的節(jié)水灌溉效果進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖10所示。

圖10 兩種系統(tǒng)節(jié)水灌溉效果

由圖10可知，在反應(yīng)階段，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的灌溉效果最高可達(dá)34%，采用所設(shè)計系統(tǒng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的灌溉效果最高可達(dá)48%；在啟動階段，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的灌溉效果最高可達(dá)48%，采用所設(shè)計系統(tǒng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的灌溉效果最高可達(dá)77%；在運(yùn)行階段，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的灌溉效果最高可達(dá)51%，采用所設(shè)計系統(tǒng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的灌溉效果最高可達(dá)86%；在中斷階段，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的灌溉效果最高可達(dá)53%，采用所設(shè)計系統(tǒng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的灌溉效果最高可達(dá)94%。

基于系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度分析結(jié)果可知，所設(shè)計的系統(tǒng)在系統(tǒng)啟動階段調(diào)節(jié)速度較快，而設(shè)計節(jié)水灌溉模塊采用電磁閥抽水避免了再添加蓄水池的麻煩，節(jié)省了大量時間，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率，促使所設(shè)計的節(jié)水灌溉系統(tǒng)灌溉效率也大大增加。其智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計是有效的，且節(jié)水灌溉系統(tǒng)的灌溉效果最高可達(dá)94%。

7 結(jié)語

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計研究，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為節(jié)水灌溉的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，提高了灌溉效率，減少了人為干預(yù)。通過對節(jié)水灌溉適宜技術(shù)的選擇，驗(yàn)證該系統(tǒng)的有效性，為節(jié)水灌溉提供一種新思路，減少了由于大量排水造成的浪費(fèi)，保護(hù)了生態(tài)農(nóng)業(yè)。基于上述內(nèi)容，結(jié)合5G、大數(shù)據(jù)、運(yùn)計算等先進(jìn)信息化手段，文章所采用的智能節(jié)水灌溉架構(gòu)可為最終實(shí)現(xiàn)“農(nóng)業(yè)智慧節(jié)水灌溉”奠定扎實(shí)基礎(chǔ)。