具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1，为本发明的第一个实施例，提供了一种水泵灌溉方法，具体包括：

S1：基于层次分析法，将作物效益作为目标层，建立数学模型。

S2：确定土壤湿度、温度、酸碱度、土壤悬浊液的电导率的权重分配关系。

S3：决策者对准则层各个因素之间进行比较，确定方案层的权重。

利用层次分析法时，需要构建理想比较矩阵，包括：

证明理想比较矩阵只有一个非零特征值，即为最大特征值；

求解最大特征值的特征向量，其各个元素恰好就是各个影响因素的权重值；

根据权重值判断出各个影响因素的影响程度。

最大特征值和特征向量的近似计算的理论过程如下：

计算判断矩阵A的每一行元素乘积M_i：

其中，i和j为矩阵的行和列，n为无穷大的未知数；

计算M_i的n次方根

若标准化为W_i，

则W_i为所求特征向量；

计算最大特征值λ_max

其中，AW_i表示向量AW的第i个分量；

定义一致性指标为CI:

为衡量CI的大小，引入随机一致性指标RI：

考虑到一致性的偏离可能是由于随机原因造成的，因此在检验判断矩阵是否具有满意的一致性时，还需将CI和随机一致性指标RI进行比较，得出检验系数CR，公式如下：

层次分析法计算过程如下：

附出成对比较判断矩阵赋值表

表1：成对比较判断矩阵赋值表。

取值规则，层次分析法采用1～9标度方法(如表1所示)，不同情况的评比给出数量标度。

构造出各层次中的所有判断矩阵并求得其最大特征向量的近似解(即为层次单排序)，中间层O₁-O₃各因素对子目标层U构成比较判断矩阵A。

其中，a_ij为标度值。

做出准则层对子目标层的分析，由此给出成对比较判断矩阵A中a_ij的标度数值:

表2：基于作物效益U的标度数值表。

其中，O₁为叶片面积，O₂为叶片色泽，O₃为果实重量。

则可得判断矩阵：

判断矩阵A三行元素每行各自乘积的3次方根

得到层次单排列W_i:

W₁＝0.40548013304/(0.40548013304+0.90856029642+2.71441761659)＝0.101

W₂＝0.90856029642/(0.40548013304+0.90856029642+2.71441761659)＝0.225

W₃＝2.71441761659/(0.40548013304+0.90856029642+2.71441761659)＝0.674

通过层次分析法得到，此判断矩阵符合一致性检验，即证明理想的矩阵只有一个最大特征值。

类似地，可以做出准则层对方案层的判断矩阵O₁对M_1-4，O₂对M_1-4，O₃对M_1-4，证明理想矩阵只有一个最大特征值和求出最大特征向量的近似解(层次单排列)，并作一致性检验；若CR<0.1,则满足一致性检验要求，所得特征向量就是层次单排序，再作层次总排序，各判断矩阵及计算结果如下：

表3：基于叶片面积O₁的重要性排序表。

其中，M1为土壤酸碱度、M2为土壤湿度、M3为土壤温度、M4为土壤悬浊液的电导率。

表4：基于叶片色泽O₂的重要性排序表。

其中，M1为土壤酸碱度、M2为土壤湿度、M3为土壤温度、M4为土壤悬浊液的电导率。

表5：基于果实重量O₃的重要性排序表。

其中，M1为土壤酸碱度、M2为土壤湿度、M3为土壤温度、M4为土壤悬浊液的电导率。

得到的三个判断矩阵A1-3如下：

判断矩阵A1四行元素每行各自乘积的4次方根

得到层次单排列W_i:

W₁＝0.35930411196/(0.35930411196+2.6321480259+1.77827941004+0.31622776602)＝0.710

W₂＝2.6321480259/(0.35930411196+2.6321480259+1.77827941004+0.31622776602)＝0.5175

W₃＝1.77827941004/(0.35930411196+2.6321480259+1.77827941004+0.31622776602)＝0.3496

W₄＝0.31622776602/(0.35930411196+2.6321480259+1.77827941004+0.31622776602)＝0.0623

判断矩阵A2和A3四行元素每行各自乘积的4次方根和层次单排列W_i。

通过MATLAB层次分析法的程序得到以上三个矩阵的CR均小于0.1，说明以上三个判断矩阵符合一致性检验。

故得到结果。

如下：

表6：方案层次分析总排序表

通过0₁、O₂、0₃、对M₁到M₅进行权重分析得到层次单排列，通过这一系列的层次单排列得到最终的四个环境参数影响的权重比例。

具体计算过程如下：

M1(酸碱度)的层次总排序(权重比例)：

0.101×0.0706+0.225×0.0796+0.674×0.0683＝0.0711

M2(湿度)的层次总排序(权重比例)：

0.101×0.5175+0.225×0.4966+0.674×0.4969＝0.4989

M3(温度)的层次总排序(权重比例)：

0.101×0.3496+0.225×0.3428+0.674×0.3013＝0.3155

M4(电导率)的层次总排序(权重比例)：

0.101×0.0623+0.225×0.0810+0.674×0.1335＝0.1145

由上述结果可得到四类数据对作物效益的影响比例，以此过程作为示例，以当时农田土壤实时的四类数据，通过层次分析法得到的影响比例再通过综合计算获得的一个最低限度和一个最高限度的阈值作为启闭水泵的条件。

表7：示例表。

其中，A、B、C并非特定数值，而是使阈值达到最低或最高极限的任意组合值。

由表7可知：

最低限度的阈值Z₁＝0.0711*A₁+0.4989*B₁+0.3155*C₁+0.1154*D₁

最高限度的阈值Z₂＝0.0711*A₂+0.4989*B₂+0.3155*C₂+0.1154*D₂

对于传感器采集的数据，本发明方法为减小阈值的误差影响启闭灌溉装置的决策方法，通过储存传感器反馈的三组数据并取其平均值作为大田真实环境的参数，最终通过阈值计算公式计算出准确的实时阈值；并且本发明方法对数据的处理丢失和异常值采取舍去措施，即传感器反馈的数据出现异常跳变时单片机会重新获取三组大田环境数据，直到连续三组大田环境数据无异常时再进行数据平均值的获取和阈值的计算。

当单片机获取到稳定的三组大田环境参数的数据时取其平均值，单片机内部再通过预先规定好的阈值计算公式得到一个阈值Z，若Z<Z₁,此时单片机控制开启水泵对农田进行灌溉；当灌溉进行到一定程度时，单片机在这个阶段持续采集数据并运用层次分析法计算阈值，当阈值Z>Z₂时，单片机控制关闭水泵。

阈值大于Z₂后，水泵被关闭，阈值随着时间的推移会下降；在阈值处于Z₁和Z₂之间时，水泵一直处于关闭状态直至阈值低于Z₁后再重复上述过程。

实施例2

参照图2～图7，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种水泵灌溉系统，具体包括：

灌溉装置100，灌溉装置100包括多级过滤装置101、新型文丘里施肥器102和一体化压力补偿式滴头103。

控制装置200，控制装置200包括组合式高精度传感器，其用于实时采集大田数据并上传至上位机端。

多级过滤装置101用于除去水及肥料中绝大多数杂质，从源头上减少滴头堵塞的可能性。

新型文丘里施肥器102用于废料高效均匀的灌入，从而实现高效水肥一体化。

一体化压力补偿式滴头103用于滴灌滴头高效均匀的进行灌溉。

控制装置200还包括，搭载一种基于层次分析法的创新性启停灌溉设备的方法。

多级过滤装置101包括，旋流水砂过滤器101a和叠片式过滤器101b。

旋流水砂过滤器101a包括，进水口旋涡室分离室、出水口101a-2、储污室和排污口101a-4。

旋流水砂过滤器101a搭配叠片式过滤器101b一起使用，水肥从叠片式过滤器101b的进水口101b-1进入，过滤芯架活塞将叠片压紧。

当水流进入旋流水砂过滤器101a与离心盘的塑料切线方向接触时，产生的离心效果把携带大颗粒杂质的水甩在旋流水砂过滤器101a的内壁上，并集中于旋流水砂过滤器101a顶部，携带更少杂质的水再接触叠片式过滤器101b，降低叠片所需清洗频率，达到了节水和设备维护更简单的效果。

经过旋流水砂过滤器101初步过滤后的水源流过新型文丘里施肥器102，新型文丘里施肥器102安装于一级与二级过滤器中间，与供水管控制阀门M并联安装，使用时将控制阀门M关小，造成控制阀门M前后有一定的压差，使水流利经过安装新型文丘里施肥器102的支管，用水流通过文丘里管产生的真空吸力，将肥料溶液从敞口的肥料桶中均匀吸入管道进行施肥。

水流从进水口101b-1进入固定迷宫流道H，经过第一次消能后进入可变迷宫流道S。

根据水力学能量守恒定理，经过消能后的水流流速减缓，水流压强降低，从而与弹性片一侧毛管水流形成压差，在压差的作用下弹性片发生变形，进而改变可变迷宫流道S的过水断面。

水流经过可变迷宫流道S时，在弹性体变形与流体压力耦合作用下，水流最终达到稳定状态，当毛管水流压力较小时，迷宫流道内水流流速较小，弹性体变形较小，可变迷宫S流道过水断面较大，反之，过水断面较小。

根据Q＝D*V，滴头出水口流量能达到流量保持不变或变化量较小的补偿效果，其中，Q为流量，D为过水断面，V为水流流速。

控制装置200还包括，检测装置202、中央控制器203、通信模块204和云端服务器205。

当灌溉装置100开始工作时，组合式高精度传感器、检测装置、中央控制器、通信模块和云端服务器同时启动工作，对土壤的状况进行实时监测。

不难理解的是，旋流分离是一种高效节能的分离技术，根据离子沉降和密度差分的原理，当水流在一定的压力下从除砂器进口切向进入设备后，在设备内高速旋流，产生离心场；由于砂水两种固液状态密度不同，在离心力、向心浮力、液体曳力作用下，密度大的固体或杂质被甩向四周，由于设备下部为锥体结构，固体或杂质的切向转动速度随锥体半径的不断缩小而越来越快，后沉积到设备底部并随排污排出，而密度低的液体上升，由出水口排出，该设备可有效的去除沙砾垢、石灰质等微小固体物，从系统中分离出来并排除掉，在一定范围和条件下，除砂器进水压力越大，除砂率越高。

参照图8，检测装置包括酸碱度传感器、DS18B20温度传感器、湿度传感器和电导率传感器，传感器从通电起就将采集到的数据传输到中央控制器203内。

参照图9，通信模块采用ESP8266模块(WIFI模块)并且选取STA模式(远程控制模式)，WIFI模块与云端服务器连接同一个区域WIFI，STM32单片机内部配置好WIFI模块的连接方式、服务器IP地址、传感器数据传输方式(串口通信)后，单片机将传感器采集到的数据通过串口通信和WIFI模块最终传输到云端服务器上，实现检测装置、中央控制器、数据传输装置、云端服务器四者之间的通信。

参照图10，本实施例采用自主设计的显示界面作为软件，采用TCP/IP协议来联网，通过将此软件设为服务器端(TCP Server)，将WIFI模块和STM32单片机作为整体配置为客户端(TCP Client)；服务器端用于接收客户端实时发送来的数据，并在显示界面向农民实时展现土壤具体情况，图10中的TCP Server表示为服务器端，接收和发送设置ASCII为信息交换标准代码，All Connections表示为所有客户端链接的数量。

再进一步的，本实施例还需要详细说明的是，在加工多级过滤装置101、新型文丘里施肥器102和一体化压力补偿式滴头103后，将灌溉装置100进行整体搭建，装置外接一个交流电控制的水泵用于灌溉系统的供水，在大田中开一个土壤悬浊液提取槽，将高精度组合传感器插入悬浊液提取槽液面以下3-5厘米。

将控制装置200中的单片机安置在灌溉装置旁，通过传感器反馈的数据，在其内部利用数据算法进行处理得到一个阈值控制交流电水泵启停，阈值大于最大调定阈值启动水泵进行灌溉，阈值小于最小调定阈值时停止水泵进行灌溉；在大田实时检测的上位机端，单片机已通过IP地址连接到上位机，再通过WIFI无线传输将大田环境数据上传至上位机端供农户直接观察。

优选地，本实施例设计了一套基于WIFI无线传输、STM32单片机控制技术的高端自动化滴灌设备，此装置分机采用温、湿度传感器、PH及EC传感器，成在农业生产过程当中，采集农田各项环境参数信息，并利用WIFI无线传输数据至总机，总机再根据采集的环境参数进行大数据算法，实现对作物的自动精准灌溉，从而智能化地使农作物及时得获得所需水分及养分，此滴灌设备采用的创新性滴管设备有效避免了水肥资源的浪费，达到了节水灌溉的设计要求。

优选的是，滴灌系统首部枢纽采用旋流水砂过滤器与叠片过滤器相结合的多级过滤装置，文丘里施肥器将肥料溶液从肥料桶中均匀吸入管道系统进行施肥，实现高效水肥一体化，同时一体化压力补偿式滴头可缓解滴头堵塞的问题，整套装置稳定高效的达到了自动化节水灌溉的设计要求。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

如在本申请所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。