CN102388791B - 中心支轴式喷灌机控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种中心支轴式喷灌机的控制系统及方法，实现对多台中心支轴式喷灌机的智能控制，提高其可靠性和操控性。由远程操控客户端、灌溉服务器、前端控制服务器、前端通讯网关、中心控制器、现场操控器、塔架单元控制器以及智能传感单元、智能控制单元组成。系统有人工控制模式和自动控制模式，在人工控制模式下通过远程操控客户端或现场操控器的操作界面，可实现对中心支轴式喷灌机系统及附属部件的遥控操作和管理；在自动控制模式下，可在任意时刻查看控制范围内灌溉系统的实时状态；在任何模式、任何时间、任何地点，远程操控客户端和现场操控器可接收来自系统内任意前端控制服务器发来的报警信息并进行处理。

Description

中心支轴式喷灌机控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种灌溉设备控制系统及方法，特别是一种中心支轴式喷灌机控制系统及方法。

背景技术

喷灌设备的类型很多，其中以中心支轴式喷灌机的自动化程度较高。其输水主管装在一列带行走轮的塔架上，各塔架由电动机驱动，绕一端的中心支轴作圆周运动，压力水自中心沿输水主管输送，再沿支管通过各喷头喷出。目前市场上中心支轴式喷灌机的控制系统方法是，在喷灌机中心支架上安装一个中枢控制箱，控制箱内设启动、停止、正\反转、行走速度比例等控制按钮、旋钮及相应接触器、继电器等控制器件和电路。在每一段塔架上，有一个控制箱，由微动开关、接触器、热保护继电器等组成用以控制本段塔架的电机及电机热保护。其中中枢控制箱内的启动开关控制末端塔架电机，末端塔架行走与次末端塔架形成一定角度后，机械机构触动次末端的微动开关，控制次末端塔架电机的接触器吸合，从而带动次末端行走，以此类推逐段实现系统的启动控制。通常操作人员通过手动操作位于中央点的中枢控制柜中的旋钮、开关等来控制圆形喷灌的运行\停止、正\反转、行走速度等参数。当中心支轴式喷灌机某段塔架发生保护时，维护人员要靠肉眼观察位于塔架顶端的报警灯，然后再在故障塔架和中心控制柜间反复走才能排除故障。这样，不仅维护人员劳动强度大，还可能因不能及时处理故障而发生因塔架行走启动传动失灵而产生的前端的塔架行走，后面的塔架未及时启动而使得喷灌输水主管被扭断等更大的故障。发明专利申请201010588622.2“中心支轴式喷灌机控制系统及方法”公布了一种使用手持遥控器的控制方法，但该技术只可用于一对一的控制，管理功能较弱，不能满足多个喷灌机统一控制的需求，也没有根据土壤湿度自动控制灌溉的功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于中心支轴式喷灌机的智能控制系统，实现用多种终端对多个喷灌机的遥控；实现对土壤湿度、地温、降雨量、光照度的采集，根据这些数据和作物需求自动控制灌溉；实现灌溉机状态实时查看和实时报警；实现对多台灌溉机的统一管理；实现对中心支轴式喷灌机灌溉不到的“旱角”的补充灌溉控制。

本发明的技术方案如下：

本发明的中心支轴式喷灌机控制系统由远程操控客户端101、灌溉服务器102、前端控制服务器103、前端通讯网关104、中心控制器105、现场操控器109、塔架单元控制器106以及智能传感单元107、智能控制单元108组成。系统有人工控制模式和自动控制模式，在人工控制模式下通过远程操控客户端101或现场操控器109的操作界面，可实现对中心支轴式喷灌机系统及附属部件的遥控操作和管理；在自动控制模式下，可在任意时刻查看控制范围内灌溉系统的实时状态；在任何模式、任何时间、任何地点，远程操控客户端101和现场操控器109可接收来自系统内任意前端控制服务器103发来的报警信息并进行处理。

其中远程操控客户端101实现一个可视化的中心支轴式喷灌机操作控制界面，可供用户配置管理系统、选择控制模式、进行控制操作，可将客户的操作转化为操作控制命令，通过网络传输到灌溉服务器102，并能接收前端控制服务器103通过灌溉服务器102返回的中心支轴式喷灌机及其附属设备的状态或报警信息以及土壤湿度、地温、光照度、降雨量等信息，并在相应界面上显示出来。其硬件可以是但不限于标准的PC机、平板电脑、智能手机以及有足够处理能力的类似设备。

其中灌溉服务器102作为系统的核心，通过网络连接多个和多种形式的远程操控客户端101和多个前端控制服务器103，然后通过前端控制服务器103连接前端通讯网关104、中心控制器105、现场操控器109、塔架单元控制器106以及智能传感单元107、智能控制单元108等前端设备，实现对整个中心支轴式喷灌机及附属传感器的控制、管理；通过对智能传感单元107采集的土壤湿度、地温、光照度、降雨量等信息进行储存和分析处理，实现对中心支轴式灌溉机的自动控制；接收前端控制服务器103分析和处理过的智能传感器107和塔架单元控制器106发出的报警信息，并向设定的远程操控终端101发出报警。其硬件可以是但不限于标准的服务器或PC机以及由有足够处理能力的类似设备。

其中前端控制服务器103是中心支轴式喷灌机控制系统的组织者，每套中心支轴式喷灌机配置一台前端控制服务器104，它接收灌溉服务器102或现场操控器109的控制命令，通过前端通讯网关104连接和控制管理前端的中心控制器105、塔架单元控制器106以及智能传感单元107、智能控制单元108，并将塔架单元控制器106以及智能传感单元107、智能控制单元108所返回的各个塔架的状态和土壤湿度、地温、光照度、降雨量等信息回传给灌溉服务器102。其硬件可以是但不限于嵌入式系统或工业控制机以及有足够处理能力的类似设备。

其中前端通讯网关104一方面通过通讯线(如RS232、USB、ETHERNET等)与前端控制服务器103连接，另一方面通过可以组网的通讯方式(如RS485、CAN、ZIGBEE、ETHERNET等)连接中心控制器105、塔架单元控制器106以及智能传感单元107、智能控制单元108，使得前端控制服务器103与中心控制器105、塔架单元控制器106以及智能传感单元107、智能控制单元108之间实现应用级透明的信息传输。其硬件可以是但不限于嵌入式系统或工业控制机以及有足够处理能力的类似设备。

其中中心控制器105由MCU及其附属电路以及控制执行电路构成，它执行从前端控制服务器103接收到的指令，实现对中心支轴式灌溉机整体运行和灌溉的控制。其硬件可以是但不限于嵌入式单片机系统、PLD以及有足够处理能力的类似设备。

其中塔架单元控制器106由MCU及其附属电路以及传感器电路、控制执行电路构成，它执行从前端控制服务器103接收到的指令，实现对中心支轴式灌溉机塔架单元的控制，并能采集塔架单元运行状态和分析塔架单元的报警信息，回传给前端控制服务器103。其硬件可以是但不限于嵌入式单片机系统、PLD以及有足够处理能力的类似设备。

其中智能传感单元107可以是智能土壤湿度传感器、智能地温传感器、智能降雨量传感器、智能光照强度传感器，由MCU及其附属电路以及传感器电路构成，它执行前端控制服务器103的指令采集相应数据并回传给前端控制服务器103。

其中智能控制单元108由MCU及其附属电路以及控制执行电路构成，它执行前端控制服务器103发来的指令，控制中心支轴式喷灌机补充“旱角”灌溉的小型喷灌机等附属设备。其硬件可以是但不限于嵌入式单片机系统、PLD以及有足够处理能力的类似设备。

其中现场操控器109可以是手持遥控器或集成安装于中心控制器105的有操控界面的人机交互设备。其硬件可以是但不限于嵌入式系统或工业控制机以及有足够处理能力的类似设备。

系统的软件架构如附图2。

软件系统由远程操控客户端软件200、灌溉服务器软件203、前端系统软件208构成。

其中远程操控客户端200分为智能手机客户端203和浏览器客户端204，其中智能手机客户端201有操控界面模块和配置界面模块；浏览器客户端202使用任意的浏览器软件。

其中服务器软件203为开放式多层架构：表现层204实现提供给浏览器下载的配置管理界面、操控界面和系统维护界面；业务逻辑层205实现系统维护、配置管理、灌溉控制、灌溉决策、报警处理等业务处理功能；持久层206提供系统管理数据库、灌溉知识数据库以及作物需求数据库，接口层207提供灌溉控制和现场数据采集的接口，持久层206和驱动层207处于同一层。

其中前端软件208实现现场操控器处理、报警控制处理、执行器控制和传感器控制。

本发明还包括上述基于中心支轴式喷灌机智能控制系统，实现用多种终端对多个喷灌机的遥控；实现对土壤湿度、地温、降雨量、光照度的采集，根据这些数据和作物需求自动控制灌溉；实现灌溉机状态实时查看和实时报警；实现对多台灌溉机的统一管理；实现对中心支轴式喷灌机灌溉不到的“旱角”的补充灌溉控制的方法。

系统使用方法为：

步骤一、进行系统配置：通过配置管理界面输入灌溉机及其附属设备信息、前端设备信息、作物需求信息、灌溉知识信息，在系统建立相应数据库。

步骤二、打开远程操控终端或前端操控器，以合法用户注册进入系统，系统根据该远程操控终端或前端操控器的权限，检索其权限范围内的喷灌机及其，自动检查终端或操控器与前端控制服务器的通讯状态，显示为“在线”或“下线”。

步骤三、操作者选择想要控制的“在线”喷灌机为“当前喷灌机”。

步骤四、选择自动控制灌溉模式或人工控制灌溉模式。如选择了自动控制灌溉模式，则不需要人工操作，系统自动控制中心支轴式喷灌机进行灌溉；如选择了人工控制灌溉模式，在确认选择“当前喷灌机”后，进入该喷灌机的控制和状态显示界面，根据前端控制服务器传来的喷灌机状态，在此界面显示出来，根据当前所处状态和操作者的意图，进入下面分步骤：

1、开喷灌机三相电源：在喷灌机三相电断开状态下，按下操作界面“开电源”按钮，喷灌机三相电上电；

2、启动喷灌：在三相电上电状态，按操控界面上“正转”或“反转”按钮选择正/反转，用拖动条调整行走速度百分比，最后按下操控界面上的“启动”按钮；

3、停止喷灌机：在喷灌机“启动”状态下，按下遥控器“停止”按钮。

4、关喷灌机三相电源：在喷灌机“三相电开”、“喷灌机停止”状态下，按下操作界面“关电源”按钮，喷灌机三相电断电；

5、完成控制每一步的操控，系统会自动检测喷灌机当前运行状态显示在操控界面。

另外，当喷灌机系统有报警信息，如某一塔架发生故障或电机过热时，系统会自动控制停止灌溉和行走，并向操控客户端发报警信息，如果远程操控客户端是智能手机，将向手机发送短信报警；当报警发出后，系统每隔一段时间再次发出报警，直到客户按下操控界面上的“消除报警”按钮。

附图说明

附图1是中心支轴式喷灌机控制系统及方法的整体应用示意图

附图2是系统整体软件结构图

附图3是实施例系统构成图

附图4是实施例灌溉服务器软件构成图

附图5是实施例前端控制服务器的线路框图

附图6是实施例前端控制服务器软件构成图

附图7是实施例前端通讯网关的软件构成图

附图8是实施例中心控制器线路框图

附图9是实施例中心控制器的软件构成图

附图10是实施例塔架单元控制器线路框图

附图11是实施例塔架单元控制器的软件构成图

附图12是手持遥控器线路框图

附图13是手持遥控器软件构成

附图14是实施例智能手机及手持遥控器操控界面

具体实施方式

下面是本发明的实施例，实施例仅用于理解本发明的一个实现实例，本发明的保护范围不仅限于此实施例，任何按照本发明原理实现的或稍加改进实现的实施都在本发明的保护范围。

附图3为实施例的系统构成示意图。本实施例中，远程操控客户端有智能手机301、PC机308和平板电脑309，智能手机301和灌溉服务器302之间的通讯线路312采用电信运营商提供的GPRS/3G无线网，PC机308、平板电脑309与灌溉服务器302之间的通讯线路318、311采用电信运营商提供的宽带有线网；前端控制服务器303与灌溉服务器302之间的通讯线路313采用电信运营商提供的GPRS/3G无线网连接；前端控制服务器303与前端通讯网关304通过RS232连接；手持遥控器309作为现场操控器；前端通讯网关304同时是一个ZIGBEE协调器，中心控制器305、手持遥控器309、塔架单元控制器306、307以及智能无线土壤湿度传感单元321、智能无线地温传感单元322、智能无线光照度传感器单元325、智能无线降雨量传感器单元326、无线控制单元323作为ZIGBEE路由器或ZIGBEE终端加入前端通讯网关304发起组织的ZIGBEE网络，就是说通讯线路330、331、332、333、334、335、336、337、338均为ZIGBEE无线通讯。

本实施例中智能手机301是安装嵌入式操作系统的手机，配置智能手机使得其可通过GPRS实现基于TCP/IP的网络通讯，在智能手机上，实现一个对多台灌溉机进行控制和状态监视的操控界面，界面示例图如图14，界面由登录页面1401、灌溉机及控制模式选择页面1402和控制及状态页面1403构成。

本实施例中灌溉服务器302硬件使用标准的服务器，其软件构成如附图4，其中：其表现层402为JavaEE服务器Web层，由浏览器接口407和表现层控件409组成，浏览器接口407为JSP页面、表现层控件409为Web控件；业务逻辑层403为JavaEE服务器企业Bean，由指令分析及模式控制411、中心处理模块418、灌溉决策支持425、前端设备管理412、灌溉知识管理413、作物信息管理414，以及报警处理415、灌溉控制416、实时数据处理417等模块组成；持久层及接口层由数据库422、现场数据采集421、前端通讯服务器424构成。

本实施例中前端控制服务器303安装于田间适当位置，硬件采用32位嵌入式系统，其硬件构成如图5。其核心MCU503为32位RISC芯片，如ARM、MIPS等芯片，MCU503通过地址逻辑电路506扩展存储器RAM504和FlashROM505；通过EthnetPHY508和RJ45接口509扩展以太网接口；通过TTLRS232串口连接GPRS模块502，通过GPRS拨号PPP连接远程拥有固定IP的灌溉服务器，实现与灌溉服务器基于TCP/IP的网络通讯；MCU503通过标准RS232串口511与前端通讯网关304实现通讯。

本实施例中前端控制服务器303的软件系统构成如图6。由接口及驱动层601、嵌入式linux操作系统602、应用级通讯接口层603、应用软件层604组成。其中接口及驱动层由存储驱动611、串口驱动610、Ethernet驱动609及GPRS驱动612组成，实现底层硬件与嵌入式操作系统的连接；应用级通讯接口层603由与灌溉服务器通讯接口616和与前端通讯网关通讯接口615组成；应用软件由总控模块605、设备控制模块606、报警处理模块607和传感信息处理模块608组成。

本实施例中前端通讯网关304由ZIGBEE系统芯片CC2430及其基本外围电路构成，通过TTLRS232串行通讯口与前端控制服务器303相连，同时前端通讯网关304是ZIGBEE协调器，通过前端通讯网关304和前端控制服务器303的应用软件配合，实现由TCP/IP到ZIGBEE的对应用透明的网关，使得前端控制服务器的应用软件可不必关心下端通讯的方式，只负责实现应用逻辑。其软件构成如图7，它由ZIGBEE协议栈701、RS232接口702和数据收发模块703构成。

本实施例中中心控制器305的硬件构成如图8，由ZIGBEE系统芯片CC2430及其基本外围电路组成的ZIGBEE模块801以及三相电上电控制802、启动控制803、正反转控制804和电压变送器805构成，实现对灌溉机中枢的控制。

本实施例中中心控制器305的软件架构如图9，由ZIGBEE协议栈901、命令处理模块902、设备控制模块903以及配置管理模块904组成。

本实施例中塔架单元控制器306、307硬件构成如图10，由ZIGBEE系统芯片CC2430及其基本外围电路组成的MCU及ZIGBEE模块1001以及电机温度传感器1002、塔架行走传感器1003以及电压变送器1004、电机控制1005构成，实现对各塔架运行状态的监视和塔架的控制。

本实施例中塔架单元控制器306、307软件架构如图11，由ZIGBEE协议栈1101、命令处理模块1102、设备控制模块1103以及传感处理模块1104组成。

本实施例中手持遥控器310硬件构成如图12，由32位MCU1201、ZIGBEE模块1205、地址逻辑1202、扩展RAM1203、扩展FlashROM1204、键盘1208、LCD显示1207以及电源管理1209构成，内装嵌入式操作系统，作为ZIGBEE终端，通过由前端通讯网关104组织的ZIGBEE网与前端控制服务器通讯303，通过操控界面对本通讯控制服务器303范围的中心支轴式灌溉机及其附属设备进行控制。

本实施例中手持遥控器310的软件架构如图13，由应用软件层1301、应用级接口层1303、嵌入式操作系统层1305、接口驱动层1308和ZIGBEE协议栈1310构成。其中，应用软件层1301由操控界面1302、应用级接口层1303由与前端控制服务器接口1304、接口驱动层由显示驱动1306、键盘驱动1309、串口驱动1307构成。其应用软件层在手持遥控器上实现一个与智能手机相同的操控界面，如附图14。

本实施例中智能无线土壤湿度传感单元321、智能无线地温传感单元322、智能无线光照度传感器单元325、智能无线降雨量传感器单元326的构成均由以CC2430为核心的MCU和ZIGBEE模块及相应的传感器，分别实现由ZIGBEE无线传输的土壤湿度、地温、光照度和降雨量的实时数据采集。

本实施例中无线控制单元323由以CC2430为核心的MCU及ZIGBEE模块和控制执行单元构成，可控制中心支轴式喷灌机附属设备，如水泵、小型喷灌机等，从而实现对中心支轴式喷灌机灌溉不到的“旱角”的补充灌溉控制。

Claims (8)

1.一种中心支轴式喷灌机控制系统，其特征在于由远程操控客户端(101)、灌溉服务器(102)、前端控制服务器(103)、前端通讯网关(104)、中心控制器(105)、现场操控器(109)、塔架单元控制器(106)以及智能传感单元(107)、智能控制单元(108)组成；

其中灌溉服务器(102)，通过网络连接多个和多种形式的远程操控客户端(101)和多个前端控制服务器(103)，然后通过前端控制服务器(103)连接前端通讯网关(104)、中心控制器(105)、现场操控器(109)、塔架单元控制器(106)以及智能传感单元(107)、智能控制单元(108)；通过对智能传感单元(107)采集的土壤湿度、地温、光照度、降雨量进行储存和分析处理，实现对中心支轴式喷灌机的自动控制；

前端控制服务器(103)是中心支轴式喷灌机控制系统的组织者，每套中心支轴式喷灌机配置一台前端控制服务器(103)，它接收灌溉服务器(102)或现场操控器(109)的控制命令，通过前端通讯网关(104)连接和控制管理前端的中心控制器(105)、塔架单元控制器(106)以及智能传感单元(107)、智能控制单元(108)，并将塔架单元控制器(106)以及智能传感单元(107)、智能控制单元(108)所返回的各个塔架的状态和土壤湿度、地温、光照度、降雨量信息回传给灌溉服务器(102)；

现场操控器(109)是手持遥控器或集成安装于中心控制器(105)的有操控界面的人机交互设备；

软件系统由远程操控客户端软件、灌溉服务器软件、前端系统软件构成；

远程操控客户端分为智能手机客户端和浏览器客户端，其中智能手机客户端有操控界面模块和配置界面模块；浏览器客户端使用任意的浏览器软件；

其中灌溉服务器软件为开放式多层架构：表现层(204)实现提供给浏览器下载的配置管理界面、操控界面和系统维护界面；业务逻辑层(205)实现系统维护、配置管理、灌溉控制、灌溉决策、报警处理的业务处理功能；持久层(206)提供系统管理数据库、灌溉知识数据库以及作物需求数据库，接口层(207)提供灌溉控制和现场数据采集的接口，持久层(206)和接口层(207)处于同一层；

其中前端系统软件(208)实现现场操控器处理、报警控制处理、执行器控制和传感器控制；

智能控制单元(108)执行前端控制服务器(103)发来的指令，控制补充“旱角”灌溉的小型喷灌机。

2.如权利要求1所述中心支轴式喷灌机控制系统，其特征在于：远程操控客户端(101)实现一个可视化的中心支轴式喷灌机操作控制界面，供用户配置管理系统、选择控制模式、进行控制操作，将客户的操作转化为操作控制命令，通过网络传输到灌溉服务器(102)，并能接收前端控制服务器(103)通过灌溉服务器(102)返回的中心支轴式喷灌机及其附属设备的状态或报警信息以及土壤湿度、地温、光照度、降雨量信息，并在相应界面上显示出来。

3.如权利要求1所述的中心支轴式喷灌机控制系统，其特征在于：前端通讯网关(104)一方面通过通讯线与前端控制服务器(103)连接，另一方面通过组网的通讯方式连接中心控制器(105)、塔架单元控制器(106)以及智能传感单元(107)、智能控制单元(108)，使得前端控制服务器(103)与中心控制器(105)、塔架单元控制器(106)以及智能传感单元(107)、智能控制单元(108)之间实现应用级透明的信息传输。

4.如权利要求1所述的中心支轴式喷灌机控制系统，其特征在于：中心控制器(105)由MCU及其附属电路以及控制执行电路构成。

5.如权利要求1所述的中心支轴式喷灌机控制系统，其特征在于：塔架单元控制器(106)由MCU及其附属电路以及传感器电路、控制执行电路构成。

6.如权利要求1所述的中心支轴式喷灌机控制系统，其特征在于：智能传感单元(107)是智能土壤湿度传感器、智能地温传感器、智能降雨量传感器、智能光照强度传感器，由MCU及其附属电路以及传感器电路构成。

7.如权利要求1所述的中心支轴式喷灌机控制系统，其特征在于：智能控制单元(108)由MCU及其附属电路以及控制执行电路构成。

8.一种中心支轴式喷灌机控制方法，其特征在于：

系统使用方法为：

步骤一、进行系统配置：通过配置管理界面输入灌溉机及其附属设备信息、前端设备信息、作物需求信息、灌溉知识信息，在系统建立相应数据库；

步骤二、打开远程操控终端或前端操控器，以合法用户注册进入系统，系统根据该远程操控终端或前端操控器的权限，检索其权限范围内的喷灌机，自动检查终端或操控器与前端控制服务器的通讯状态，显示为“在线”或“下线”；

步骤三、操作者选择想要控制的“在线”喷灌机为“当前喷灌机”；

步骤四、选择自动控制灌溉模式或人工控制灌溉模式，如选择了自动控制灌溉模式，则不需要人工操作，系统自动控制中心支轴式喷灌机进行灌溉；如选择了人工控制灌溉模式，在确认选择“当前喷灌机”后，进入该喷灌机的控制和状态显示界面，根据前端控制服务器传来的喷灌机状态，在此界面显示出来，根据当前所处状态和操作者的意图，进入下面分步骤：

(1)、开喷灌机三相电源：在喷灌机三相电断开状态下，按下操作界面“开电源”按钮，喷灌机三相电上电；

(2)、启动喷灌：在三相电上电状态，按操控界面上“正转”或“反转”按钮选择正/反转，用拖动条调整行走速度百分比，最后按下操控界面上的“启动”按钮；

(3)、停止喷灌机：在喷灌机“启动”状态下，按下遥控器“停止”按钮；

(4)、关喷灌机三相电源：在喷灌机“三相电开”、“喷灌机停止”状态下，按下操作界面“关电源”按钮，喷灌机三相电断电；

(5)、完成控制每一步的操控，系统会自动检测喷灌机当前运行状态显示在操控界面；

前端控制服务器(103)是中心支轴式喷灌机控制系统的组织者，每套中心支轴式喷灌机配置一台前端控制服务器(103)；

另外，当喷灌机系统有报警信息，系统会自动控制停止灌溉和行走，并向操控客户端发报警信息，如果远程操控客户端是智能手机，将向手机发送短信报警；当报警发出后，系统每隔一段时间再次发出报警，直到客户按下操控界面上的“消除报警”按钮。