本發(fā)明涉及農業(yè)灌溉，具體為一種基于光伏-vrfb儲能與隨機森林決策的智慧滴灌系統(tǒng)。

背景技術：

1、傳統(tǒng)滴灌系統(tǒng)能源供給不便，光伏發(fā)電限于光照波動性和儲能技術短板；在控制滴灌方面，現(xiàn)有模型多采用單一環(huán)境參數(shù)；并且經濟欠發(fā)達的地區(qū)大多采用手動控制方式，需要灌溉管理人員手動開關閥門，控制施肥設備，切換輪灌組，費時費力，難以適應西北地區(qū)分布式農田的規(guī)模化應用需求。

2、全釩液流電池（vrfb）憑借其循環(huán)壽命長（超?15000?次）、容量可擴展性強、安全性高等特性，正逐步成為分布式儲能系統(tǒng)的優(yōu)選方案，為構建離網型智慧滴灌系統(tǒng)提供了新的技術路徑。因此，本發(fā)明創(chuàng)新性地提出?“光伏?-?vrfb?儲能協(xié)同供電+機器學習智能決策”的滴灌系統(tǒng)架構。通過多源傳感器網絡實時采集土壤濕度、溫度及氣象參數(shù)；再建立隨機森林模型，實現(xiàn)灌溉需求的判斷；最后通過單片機控制系統(tǒng)聯(lián)動電磁閥與儲能管理系統(tǒng)，形成“感知-決策-執(zhí)行”的閉環(huán)控制。

3、該系統(tǒng)深度融合可再生能源技術與機器學習算法，在確保全天候離網運行的同時，實現(xiàn)了灌溉決策準確率與水資源利用效率的雙重提升，為西北干旱區(qū)農業(yè)節(jié)水化、智慧化發(fā)展提供了具有推廣價值的解決方案。

技術實現(xiàn)思路

1、（一）解決的技術問題

2、針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種基于光伏-vrfb儲能與隨機森林決策的智慧滴灌系統(tǒng)，具備高效節(jié)水、智能精準、離網運行和適應性強的優(yōu)點，解決了傳統(tǒng)滴灌系統(tǒng)能源供給不穩(wěn)定、控制方式粗放、不適用于分布式農田規(guī)模化應用的問題。

3、（二）技術方案

4、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：一種基于光伏-vrfb儲能與隨機森林決策的智慧滴灌系統(tǒng)，包括能源供給模塊、無線傳感器監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊、單片機控制模塊和滴灌執(zhí)行模塊；

5、所述能源供給模塊采用“光伏+全釩液流儲能電池”的光儲一體化形式；

6、所述無線傳感器監(jiān)測模塊用于實時監(jiān)測滴灌區(qū)域的土壤參數(shù)和氣象參數(shù)；

7、所述數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊負責將傳感器測量的數(shù)據(jù)采集并傳輸至單片機進行處理；

8、所述單片機控制模塊將單片機接收傳感器數(shù)據(jù)并進行解析，通過隨機森林模型進行灌溉決策，控制滴灌電磁閥的開關；

9、所述滴灌執(zhí)行模塊根據(jù)單片機的控制信號，通過電磁閥控制滴灌系統(tǒng)的水流。

10、優(yōu)選的，所述能源供給模塊由全釩液流儲能電池、光伏發(fā)電和系統(tǒng)供電策略組成。

11、優(yōu)選的，所述全釩液流儲能電池由板框、電極、離子交換膜和雙極板組成。

12、優(yōu)選的，所述光伏發(fā)電中光伏板由半導體材料制成的p型和n型層組成，形成pn結，包括玻璃保護層、eva封裝材料、背板和金屬框架結構，當太陽光照射時，光子能量被半導體吸收，在pn結內建電場作用下形成電勢差，連接外部電路后輸出電能，實現(xiàn)光能到電能的轉換，其輸出功率計算公式為：

13、

14、公式中，表示光伏板的輸出功率，表示光伏板輸出電流，表示光伏板輸出電壓。

15、優(yōu)選的，所述系統(tǒng)供電策略分為三個模式，具體為：

16、（1）光儲模式：晴天陽光充足時，光伏板給主系統(tǒng)供電，同時為全釩液流儲能電池充電，當電池無需充電時，則將多余電能輸入市電網絡；

17、（2）電池模式：陰雨天或光伏板故障時，由全釩液流儲能電池給主系統(tǒng)供電；

18、（3）市電模式：光伏板和電池均無法供電時，由市電向主系統(tǒng)供電并給電池充電，市電模式長時間運行且市電電壓降低時，全釩液流儲能電池參與供電。

19、優(yōu)選的，所述無線傳感器監(jiān)測模塊連接滴灌區(qū)域，并進行滴灌區(qū)域傳感器部署，傳感器包括土壤參數(shù)傳感器和氣象參數(shù)傳感器，其中，土壤參數(shù)傳感器包括土壤溫度傳感器、土壤ph傳感器和土壤濕度傳感器，氣象參數(shù)傳感器包括空氣溫度傳感器、風速傳感器和空氣濕度傳感器。

20、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊包括數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)傳輸單元，所述數(shù)據(jù)采集單元將傳感器測量的數(shù)據(jù)轉換為數(shù)字信號，直接通過相應的協(xié)議讀取，數(shù)據(jù)采集公式為：

21、

22、公式中，表示采集到的數(shù)據(jù)，表示傳感器的測量函數(shù)，表示被測量的物理量，表示時間，表示傳感器的噪聲，表示傳感器的靈敏度，表示傳感器的效率，表示環(huán)境因素對測量結果的影響系數(shù)，表示環(huán)境條件函數(shù)。

23、優(yōu)選的，所述無線傳輸協(xié)議與模塊采用lora協(xié)議進行無線通信，傳輸距離為1-10km，其傳輸速率計算公式為：

24、

25、公式中，表示傳輸速率，表示傳輸數(shù)據(jù)的長度，表示傳輸時間。

26、優(yōu)選的，所述單片機控制模塊將單片機接收的數(shù)據(jù)進行分析，傳感器檢測的數(shù)據(jù)為連續(xù)性變量，作為模型輸入，輸出信號為是否進行滴灌，為0-1變量，并采用隨機森林模型進行分類，其具體步驟如下：

27、s1、數(shù)據(jù)劃分：將數(shù)據(jù)分為訓練集和測試集，使用十折交叉驗證，預測剩余一折的樣本；

28、s2、隨機森林模型建立：通過roc曲線和auc選擇模型，其分類概率計算公式為：

29、

30、公式中，表示滴灌的分類概率，表示隨機森林中決策樹的數(shù)量，表示單棵決策樹的分類函數(shù)，表示輸入特征；

31、s3、隨機森林模型參數(shù)優(yōu)化：采用貝葉斯優(yōu)化方法。

32、優(yōu)選的，所述單片機控制模塊根據(jù)隨機森林模型的輸出概率進行灌溉決策，當輸出概率大于0.5時，則單片機生成高電平，否則為低電平，高電平信號觸發(fā)lora模塊將數(shù)字信號轉換為無線信號發(fā)送指令，滴灌系統(tǒng)接收端使用sx1278模塊接收信號并解碼為數(shù)字信號，控制繼電器，同時添加續(xù)流二極管保護電路，繼電器觸點通斷電磁閥電源，實現(xiàn)電磁閥的驅動，控制滴灌流量，電磁閥驅動電流計算公式為：

33、

34、公式中，表示電磁閥驅動電流，表示電磁閥工作電壓，表示電磁閥線圈電阻。

35、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供了一種基于光伏-vrfb儲能與隨機森林決策的智慧滴灌系統(tǒng)，具備以下有益效果：

36、1、本發(fā)明通過采用光伏-vrfb儲能系統(tǒng)，達到了穩(wěn)定能源供給和降低系統(tǒng)運行成本的有益效果，能源供給模塊中將光伏與全釩液流電池進行結合，不僅能為系統(tǒng)提供可靠的電力支持，還能通過削峰填谷的作用，來提高能源利用效率，減少對市電的依賴。

37、2、本發(fā)明通過應用隨機森林模型和貝葉斯優(yōu)化，達到了提高灌溉決策精準度和水資源利用率的有益效果，系統(tǒng)中模型的高auc值和動態(tài)學習能力使得灌溉系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的土壤和氣候條件進行優(yōu)化，從而有效避免過灌或欠灌現(xiàn)象，實現(xiàn)精準灌溉。

38、3、本發(fā)明系統(tǒng)中隨機森林模型通過集成多個決策樹的預測結果，會減少單一模型存在的偏差，從而提高模型的預測準確性，在實際應用中，系統(tǒng)能夠根據(jù)實時監(jiān)測的土壤和氣象參數(shù)，動態(tài)調整灌溉策略，避免過量灌溉或灌溉不足，從而實現(xiàn)更加精細化和智能化的灌溉管理，這種方法不僅有助于提高作物的生長質量和產量，還能降低農業(yè)用水成本，最終促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。