基于物联网技术和模糊PID控制的农业节水灌溉远程智能监控系统研究

基于物联网技术和模糊PID控制的农业节水灌溉远程智能监控系统研究

戚乐1 3 史平平2

1河套学院机电工程系，内蒙古自治区 巴彦淖尔市015000  2巴彦淖尔市农牧局，内蒙古自治区 巴彦淖尔市 015000 3河套学院自动化研究与应用中心，内蒙古自治区 巴彦淖尔市 015000；

摘要：

当前水资源的合理利用和管理在农业生产中显得尤为重要。文中针对农业灌溉中的水资源利用效率问题，研究了基于物联网技术和模糊PID控制的农业节水灌溉远程智能监控系统。系统采用模糊逻辑和PID控制相结合的方法实现对农田灌溉的精准控制，同时通过物联网技术实现数据的实时监控和远程管理。该系统能有效提高灌溉水的利用率，为农业节水提供了有效的技术支持。

关键词：物联网技术；模糊PID控制；农业节水；智能监控系统

引言：

农业灌溉作为农业生产中水资源使用的主要环节，其水利用效率直接影响到水资源的合理分配和节约。随着物联网技术的发展和智能控制理论的应用，农业灌溉系统正朝着自动化、智能化的方向发展。本文通过结合模糊PID控制理论和物联网技术设计一种农业节水灌溉远程智能监控系统，目的在提高农业灌溉的效率和精度。

一、系统设计与实现

（一）系统架构设计

在农业节水灌溉远程智能监控系统的设计中系统架构的确立是关键，该系统架构主要基于物联网技术通过集成各种传感器实现对农田环境参数的实时监测。这些参数包括土壤湿度、温度、光照强度等，为灌溉决策提供数据支持。系统通过无线网络将收集的数据传输到中心处理单元，系统核心的另一部分是模糊PID控制器的设计。与传统的PID控制器相比模糊PID控制器在处理非线性、时变和不确定性强的系统时具有更好的适应性和鲁棒性。模糊控制理论用于处理农田数据的不确定性和模糊性，而PID控制器负责根据处理后的数据，精确调整灌溉策略。这种结合方式使系统既能适应复杂多变的农业环境，又能保证灌溉的精确性和效率。

（二）系统功能与工作流程

系统的主要功能可以分为两个部分：数据采集、处理以及控制策略的制定与执行。在数据采集与处理阶段，系统通过安装在农田的传感器网络收集土壤湿度、温度等关键参数。这些数据被实时传输到中心处理单元并且通过物联网技术进行集成和分析。数据处理模块采用先进的算法，不仅分析当前数据还能根据历史数据和模式预测未来的灌溉需求。控制策略的制定与执行是系统的另一核心功能。基于收集和分析的数据模糊PID控制器计算出最佳的灌溉策略，如灌溉时间、频率和量。控制指令被发送到灌溉设备实现自动化灌溉。此系统还具备远程监控功能，管理者可以通过智能设备远程查看农田状态，并且在必要时调整灌溉计划。总体而言，该系统通过集成物联网技术和模糊PID控制理论，实现了农业灌溉过程的智能化、自动化，显著提高了水资源的利用效率，为实现现代农业的可持续发展提供了有力的支持[1]。

二、模糊PID控制策略

（一）模糊逻辑控制原理

模糊逻辑控制作为控制策略的核心基于模糊逻辑理论，它与传统的二值逻辑不同，允许变量具有不确定性和模糊性。在农业灌溉系统中由于环境复杂多变传统的精确控制方法往往难以适应。模糊控制器通过模拟人类的决策过程能更好地处理这些不确定性。它将输入变量的不确定性和模糊性转化为控制行为的确定性，有效地提高了控制系统的鲁棒性和适应性。将模糊控制与PID控制结合起来可以弥补各自的不足。PID控制器在确定性系统中表现良好，但在处理模糊和非线性系统时表现不佳。而模糊控制则可以处理这些不确定性和非线性问题。通过结合两者，模糊PID控制器既可以利用PID控制的精确性又能发挥模糊控制处理复杂情况的优势。在农业灌溉系统中这种结合提供了更加灵活和有效的控制策略，以适应不断变化的环境条件。

（二）控制策略的优化与调整

为了提高模糊PID控制系统的性能参数优化已经成为关键。需要通过实验或仿真确定模糊控制器的规则库和隶属度函数。这些参数的优化可以采用遗传算法、粒子群优化等智能算法，提高控制系统的精度和响应速度。PID控制器的参数（比例P、积分I、微分D）也需要根据实际情况进行调整，保证控制策略的有效性和灵活性。控制效果的评估与调整也是系统优化过程中不可或缺的部分。评估主要基于系统的响应时间、稳定性、及灌溉效率等指标。通过持续监测这些指标可以对控制策略进行实时调整，确保系统在各种条件下都能维持最佳运行状态。例如当环境条件发生变化时系统可以自动调整灌溉策略以适应新的条件，保证农作物的健康生长。这种动态调整不仅提高了灌溉的精准度，也为节约水资源提供了有效手段[2]。

三、系统应用与效果分析

（一）实验设计与测试

在实现了基于物联网技术和模糊PID控制的农业节水灌溉远程智能监控系统后，进行实验设计和测试是验证系统有效性的关键步骤。测试环境的搭建包括模拟各种农业灌溉场景，确保测试条件能够全面模拟实际农田环境。这包括不同的土壤类型、不同的作物需求以及变化的气象条件。测试环境中安装必要的传感器和控制设备，收集关于土壤湿度、温度、光照等的数据。对于系统性能的测试，关键在于评估模糊PID控制器的响应速度、准确性和适应性。测试过程中，通过改变环境条件（如气温、湿度变化）和作物需求，观察系统的调整反应和灌溉策略的适应性。需测试系统的可靠性和稳定性确保在长期运行中系统能够持续有效地工作，不受外界干扰的影响。

（二）效果分析与评价

经过一系列的实验设计与测试对系统的效果进行分析和评价是衡量其成功与否的关键。灌溉效率的提升是该系统的主要目标之一。通过对比测试前后的灌溉量和作物生长状况可以评估系统在保证作物正常生长的基础上，实现了多大程度的灌溉效率提升。这不仅包括灌溉水量的减少也包括灌溉频次的优化和灌溉时间的合理分配。节水效果的分析同样重要。节水不仅对农业生产成本有直接影响，也关系到水资源的可持续利用。通过对比实验前后的水资源使用总量，评估系统对水资源节约的贡献。还应考虑系统的经济效益和环境影响，如系统的实施成本和长期运行成本，以及对环境的潜在影响[3]。

结束语：

本研究通过整合物联网技术和模糊PID控制理论，设计实现了一种农业节水灌溉远程智能监控系统。实验结果显示该系统能够在确保农作物生长需水量的同时显著提高灌溉水的利用效率。此研究对于推进农业节水灌溉技术的发展具有重要的实践意义和应用价值，为未来农业水资源的高效管理提供了新的思路和方法。

参考文献

[1]李思佳,贺福强,张明月等.基于OneNET云平台的远程监控智能灌溉节水系统[J].热带农业工程,2021,45(01):1-6.

[2]周志遥.基于GPRS技术的农业节水灌溉远程监控系统研究[J].农业与技术,2018,38(17):48-49.

[3]景秀眉,钱云庆.基于GPRS技术的农业节水灌溉远程监控系统[J].农村经济与科技,2013,24(08):186-187+185.