CN102428860B

CN102428860B - 灌溉控制系统

Info

Publication number: CN102428860B
Application number: CN201110276183.6A
Authority: CN
Inventors: 牟宪民; 李冠林; 刘凤春; 陈长; 徐溢斐; 张录
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2011-09-16
Filing date: 2011-09-16
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2031-09-16
Also published as: CN102428860A

Abstract

本发明公开了一种灌溉控制系统，包括：采集现场温度信号、和/或湿度信号的传感器；电力线的主控制单元；以及至少一个连接阀门电力线的现场控制单元；主控制单元具有直接控制现场控制单元电源通断功能，以及通过电力线载波接收现场控制单元采集的温湿度信号和发送阀门通断控制命令的功能。现场控制单元根据现场温度信号和/或湿度信号，控制阀门接通或断开电源，也可以接收主控制单元的阀门通断控制命令完成阀门通断控制。由于该灌溉控制系统是利用阀门电力线本身来传输温湿度采集信号以及阀门控制信号，相较于现有的灌溉控制系统而言，布线简单，敷设及维护成本降低，且提高了系统的可靠性。

Description

灌溉控制系统

技术领域

本发明属于灌溉技术领域，尤其涉及一种灌溉控制系统。

背景技术

随着节水农业技术研究的深入发展，以及计算机技术、通信技术和控制技术与农业发展的融合，目前应用于农田中的灌溉控制系统正日趋智能化、精准化。

一般地，灌溉控制系统需要大量使用阀门控制，而阀门控制器通常采用星形拓扑网络进行集中控制，每个阀门采用单独的电力线进行开关控制。现有技术提供的灌溉控制系统为了实现对现场温湿度的信号采集以及阀门开关的控制以及，通过额外敷设信号采集线缆来实现数据与控制信号的传输，布线复杂，敷设及维护成本高，且系统可靠性差。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种灌溉控制系统，以解决现有的灌溉控制系统布线复杂、成本高且可靠性差的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种灌溉控制系统，所述系统包括：

采集现场温度信号、和/或湿度信号的传感器；以及

至少一个连接阀门电力线的现场控制单元，所述现场控制单元用于根据传感器采集的所述现场温度信号和/或湿度信号，通过所述阀门电力线控制阀门接通或断开电源。

所述现场控制单元还可以用于通过所述阀门电力线采集阀门供电电压，并根据采集到的阀门供电电压，通过所述阀门电力线调整阀门供电电压。

进一步地，所述系统还可以包括：

连接所述电力线的主控制单元，用于根据所述现场温度信号和/或湿度信号，或用户输入的控制信息，通过所述阀门电力线向所述现场控制单元发出控制指令；

现场控制单元还用于根据所述控制指令，通过所述阀门电力线控制阀门接通或断开电源。

更进一步地，所述主控制单元可以包括：

串联在电力线中的开关；

第一载波通信模块，用于通过所述阀门电力线接收所述现场控制单元发送的所述现场温度信号和/或湿度信号；

连接所述第一载波通信模块的第一微处理器，用于根据所述现场温度信号和/或湿度信号，顺次通过所述第一载波通信模块和阀门电力线，向所述现场控制单元发出控制指令；

连接所述第一微处理器的开关控制模块，用于控制所述开关的通断，进而控制所述现场控制单元接通电源与否；

连接所述第一微处理器并向所述第一微处理器供电的第一电源模块。

更进一步地，所述主控制器还可以包括：

连接所述第一微处理器的人机交互接口，用于接收用户输入的控制信息，并显示所述第一微处理器处理后的现场温度信号和湿度信号；

连接所述第一微处理器的远程通信模块，用于接收用户基于远程通信协议向所述主控制单元发出的控制信息。

更进一步地，所述现场控制单元可以包括：

第二微处理器，用于接收所述传感器采集的现场温度信号和/或湿度信号，并根据所述现场温度信号和/或湿度信号，通过所述阀门电力线控制阀门接通或断开电源；

连接在所述第二微处理器和阀门电力线之间的第二电源模块，用于向所述第二微处理器供电。

更进一步地，所述现场控制单元还可以包括：

连接所述第二微处理器的第二载波通信模块，用于通过所述阀门电力线发送所述场温度信号和/或湿度信号，并接收所述主控制单元发送的控制指令；

所述第二微处理器还用于根据所述第二载波通信模块接收到的所述控制指令，通过所述阀门电力线控制阀门接通或断开电源。

更进一步地，所述第一载波通信模块和第二载波通信模块可以包括：调制解调器芯片U1、由电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2、NPN型三极管T1、NPN型三极管T2、二极管D1、二极管D2构成的放大电路、电容C3、变压器Tr1、电容C6、电容C4、电容C5、电感L1、电阻R3、瞬变电压抑制二极管D3；

调制解调器芯片U1的上电复位引脚、看门狗计数器清零输入引脚、电源掉电指示输出引脚、数据同步引脚、I2C串行总线数据输入/输出引脚、I2C串行总线时钟输入引脚分别连接所述第二微处理器，调制解调器芯片U1的数字信号发送输出引脚通过电容C1和电阻R1连接三极管T1的基极，调制解调器芯片U1的数字信号发送输出引脚同时通过电容C2和电阻R2连接三极管T1的基极；三极管T1的发射极连接三极管T2的集电极，三极管T1的集电极连接直流电，三极管T2的发射极接地，三极管T1的发射极连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接三极管T1的集电极，三极管T2的发射极连接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极连接三极管T2的集电极，三极管T2的集电极通过电容C3连接变压器Tr1初级线圈的一端；调制解调器芯片U1的模拟信号输入引脚通过电容C4连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接变压器Tr1初级线圈的一端，电阻R3的一端同时通过电容C5接地，电阻R3的一端同时通过电感L1接地，变压器Tr1初级线圈的另一端接地，变压器Tr1次级线圈的一端通过电容C6连接所述阀门电力线，变压器Tr1次级线圈的另一端连接所述阀门电力线。

所述第一电源模块或第二电源模块可以包括：稳压芯片U2、电容C7、电容C8；稳压芯片U2的正输入端连接阀门电力线的正极线缆，稳压芯片U2的负输入端连接阀门电力线的负极线缆，稳压芯片U2的正输入端通过电容C8连接稳压芯片U2的负输入端；稳压芯片U2的正输出端和负输出端连接所述第二微处理器，稳压芯片U2的正输出端通过电容C7连接稳压芯片U2的负输出端；

此时，所述电压控制模块可以包括：运放U3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、PNP型三极管T3、场效应管T4、稳压管D4；运放U3的同相输入端通过电阻R8连接阀门电力线的正极线缆，运放U3的反相输入端通过电阻R7连接阀门电力线的负极线缆；运放U3的输出端连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接所述第二微处理器，电阻R9的另一端同时连接稳压管D4的阴极，稳压管D4的阳极接地；运放U3的输出端同时通过电阻R6连接运放U3的反相输入端；场效应管T4的漏极连接阀门电力线的负极线缆，场效应管T4的源极连接直流电力线，场效应管T4的栅极通过电阻R5连接三极管T3的集电极，三极管T3的发射极连接稳压芯片U2的正输出端，三极管T3的基极通过电阻R4连接所述第二微处理器。

或者，所述第一电源模块或第二电源模块可以包括：变压器Tr2、整流器U5、稳压芯片U4、电容C9、电容C10；变压器Tr2的初级线圈连接阀门电力线，变压器Tr2的次级线圈连接整流器U5的输入端，整流器U5的正输出端连接稳压芯片U4的输入端，稳压芯片U4的输出端连接所述第二微处理器；整流器U5的负输出端接地，稳压芯片U4的输入端通过电容C10接地，稳压芯片U4的输出端通过电容C9接地；

此时，所述电压控制模块可以包括：电压互感器Tr3、运放U6、隔离驱动芯片U7、稳压管D5、双向可控硅T5，电阻R10；运放U6的同相输入端连接电压互感器Tr3次级线圈的一端，电压互感器Tr3次级线圈的另一端接1.25V直流电；电压互感器Tr3的初级线圈连接交流电力线；运放U6的反相输入端连接运放U6的输出端；运放U6的输出端连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接所述第二微处理器以及稳压管D5的阴极，稳压管D5的阳极接地；隔离驱动芯片U7的两输入端连接所述第二微处理器，隔离驱动芯片U7的一输出端连接双向可控硅T5的控制端，隔离驱动芯片U7的另一输出端连接阀门。

由于该灌溉控制系统是利用阀门电力线本身来传输温湿度采集信号以及阀门控制信号，相较于现有的灌溉控制系统而言，布线简单，敷设及维护成本降低，且提高了系统的可靠性。

附图说明

图1是本发明提供的灌溉控制系统的原理图；

图2是图1中主控制单元的结构图；

图3是图1中现场控制单元的结构图；

图4是图2中第一载波通信模块以及图3中第二载波通信模块的电路图；

图5是图2和图3中电源模块的一种电路图；

图6是图3中电压控制模块124的一种电路图；

图7是图2和图3中电源模块的另一种电路图；

图8是图3中电压控制模块124的另一种电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明提供的灌溉控制系统的原理图。

本发明提供的灌溉控制系统包括：采集现场温度信号、和/或湿度信号的传感器13；以及至少一个连接阀门电力线的现场控制单元12，现场控制单元12用于根据传感器采集的现场温度信号和/或湿度信号，通过阀门电力线控制阀门接通或断开电源，进而达到控制阀门开关的目的。

在实际使用时，由于阀门供电电压会由于环境等因素而出现不稳定的现象，特别是当阀门实际供电电压超过阀门额定电压时，会造成阀门的损坏，缩短阀门使用寿命，为此，现场控制单元12还可以用于通过阀门电力线采集阀门供电电压，并根据采集到的阀门供电电压，通过阀门电力线调整阀门供电电压，起到对阀门的稳压作用，延长阀门的使用寿命。

另外，为了实现对至少一个现场控制单元12的集中控制，本发明提供的灌溉控制系统还可以包括：连接阀门电力线的主控制单元11，用于根据现场控制单元12通过该阀门电力线传输的现场温度信号和/或湿度信号，或用户输入的控制信息，通过该阀门电力线向现场控制单元12发出控制指令；此时，现场控制单元12还可以用于根据该控制指令，通过该阀门电力线控制阀门接通或断开电源。

图2是图1中主控制单元12的结构。

主控制单元12包括：串联在电力线中的开关118；第一载波通信模块112，用于通过阀门电力线接收现场控制单元12发送的现场温度信号和/或湿度信号；连接第一载波通信模块112的第一微处理器111，用于根据第一载波通信模块112接收到的现场温度信号和/或湿度信号，顺次通过第一载波通信模块112和阀门电力线，向现场控制单元12发出控制指令；连接第一微处理器111的开关控制模块115，用于控制开关118的通断，进而控制现场控制单元12接通电源与否；以及连接第一微处理器111并向第一微处理器111供电的第一电源模块117。第一微处理器111优选为一单片机芯片。

当用户在主控制器12现场输入控制信息时，主控制单元12还可以包括：连接第一微处理器111的人机交互接口113，用于接收用户输入的控制信息，和/或显示第一微处理器111处理后的现场温度信号和/或湿度信号，以方便用户对阀门开关的现场集中控制。人机交互接口113可以是各种键入单元，如触摸板或键盘等，也可以是人机界面接口。

当用户需要远程通过主控制器12实现对阀门开关的控制时，主控制单元12还可以包括：连接第一微处理器111的远程通信模块114，用于接收用户基于远程通信协议(如：TCP/IP协议等)，向主控制单元12发出的控制信息。

另外，主控制单元12还可以包括：连接第一微处理器111的安全数码卡(Secure Digital Memory Card，SD)接口模块，以方便用户将历史数据或现场数据存储于SD卡中进行保存。

图3是图1中现场控制单元12的结构图。

现场控制单元12包括：第二微处理器121，用于接收传感器13采集的现场温度信号和/或湿度信号，并根据该现场温度信号和/或湿度信号，通过阀门电力线控制阀门接通或断开电源；连接在第二微处理器121和阀门电力线之间的第二电源模块123，用于向第二微处理器121供电。其中，第二微处理器121优选为一单片机芯片。

当该灌溉控制系统还包括主控制单元11时，现场控制单元12还包括：连接第二微处理器121的第二载波通信模块122，用于通过阀门电力线发送现场温度信号和/或湿度信号，并接收主控制单元12发送的控制指令；此时，第二微处理器121还用于根据第二载波通信模块122接收到的该控制指令，通过阀门电力线控制阀门接通或断开电源。

当现场控制单元12还用于对阀门进行稳压时，现场控制单元12还包括：连接第二微处理器121以及阀门电力线的电压控制模块124，用于通过阀门电力线采集阀门供电电压；第二微处理器121还可以根据采集到的阀门供电电压，通过电压控制模块124调整阀门供电电压。

由于阀门电力线可以采用直流或交流方式供电，因此，第二电源模块123可以是直流电源模块或交流电源模块。

图4是图2中第一载波通信模块112以及图3中第二载波通信模块122的电路图。

第二载波通信模块122包括：调制解调器芯片U1、由电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2、NPN型三极管T1、NPN型三极管T2、二极管D1、二极管D2构成的放大电路、电容C3、变压器Tr1、电容C6、电容C4、电容C5、电感L1、电阻R3、瞬变电压抑制二极管D3。

调制解调器芯片U1的上电复位引脚Rst、看门狗计数器清零输入引脚WDI、电源掉电指示输出引脚Pfo、数据同步引脚SYNC、I2C串行总线数据输入/输出引脚SDA、I2C串行总线时钟输入引脚SCL分别连接第二微处理器121，调制解调器芯片U1的数字信号发送输出引脚PSKO通过电容C1和电阻R1连接三极管T1的基极，调制解调器芯片U1的数字信号发送输出引脚PSKO同时通过电容C2和电阻R2连接三极管T1的基极；三极管T1的发射极连接三极管T2的集电极，三极管T1的集电极连接直流电，三极管T2的发射极接地，三极管T1的发射极连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接三极管T1的集电极，三极管T2的发射极连接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极连接三极管T2的集电极，三极管T2的集电极通过电容C3连接变压器Tr1初级线圈的一端；调制解调器芯片U1的模拟信号输入引脚SIGin通过电容C4连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接变压器Tr1初级线圈的一端，电阻R3的一端同时通过电容C5接地，电阻R3的一端同时通过电感L1接地，变压器Tr1初级线圈的另一端接地，变压器Tr1次级线圈的一端通过电容C6连接阀门电力线，变压器Tr1次级线圈的另一端连接阀门电力线。其中的调制解调器芯片U1优选为PL2102半双工异步调制解调器。

该电路在工作时，调制解调器芯片U1的数字信号发送输出引脚PSKO输出的信号经放大电路放大后，经电容C3、变压器Tr1和电容C6耦合入阀门电力线；阀门电力线输出的信号经过电容C6、变压器Tr1、瞬变电压抑制二极管D3、电阻R3、电感L1、电容C5和电容C4后，进入调制解调器芯片U1进行处理。

当第二电源模块123和第一电源模块117是直流电源模块时，如图5以第二电源模块123为例，示出了其具体电路。

第二电源模块123包括：稳压芯片U2、电容C7、电容C8。稳压芯片U2的正输入端连接阀门电力线的正极线缆，稳压芯片U2的负输入端连接阀门电力线的负极线缆，稳压芯片U2的正输入端通过电容C8连接稳压芯片U2的负输入端；稳压芯片U2的正输出端和负输出端连接第二微处理器121，稳压芯片U2的正输出端通过电容C7连接稳压芯片U2的负输出端。

图6示出了此时图3中电压控制模块124的一种电路。

电压控制模块124包括：运放U3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、PNP型三极管T3、场效应管T4、稳压管D4。

运放U3的同相输入端通过电阻R8连接阀门电力线的正极线缆，运放U3的反相输入端通过电阻R7连接阀门电力线的负极线缆；运放U3的输出端连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接第二微处理器121，电阻R9的另一端同时连接稳压管D4的阴极，稳压管D4的阳极接地；运放U3的输出端同时通过电阻R6连接运放U3的反相输入端；场效应管T4的漏极连接阀门电力线的负极线缆，场效应管T4的源极连接直流电力线，场效应管T4的栅极通过电阻R5连接三极管T3的集电极，三极管T3的发射极连接稳压芯片U2的正输出端，三极管T3的基极通过电阻R4连接第二微处理器121。

该电路在工作时，阀门电力线的直流电经稳压芯片U2进行稳压后，向第二微处理器121供电；运放U3对阀门电力线的直流电进行采样后，输出至第二微处理器121；第二微处理器121根据运放U3采样的电压，实时监测阀门电力线上直流电压的大小，当需要对阀门进行控制时，输出PWM信号，该PWM信号经电阻R4、三极管T3和电阻R5驱动场效应管T4，进而控制阀门的供电电压稳定，使得阀门可靠动作。

当第二电源模块123和第一电源模块117是交流电源模块时，如图7以第二电源模块123为例，示出了其具体电路。

第二电源模块123包括：变压器Tr2、整流器U5、稳压芯片U4、电容C9、电容C10。

变压器Tr2的初级线圈连接阀门电力线，变压器Tr2的次级线圈连接整流器U5的输入端，整流器U5的正输出端连接稳压芯片U4的输入端，稳压芯片U4的输出端连接第二微处理器121；整流器U5的负输出端接地，稳压芯片U4的输入端通过电容C10接地，稳压芯片U4的输出端通过电容C9接地。

图8示出了此时图3中电压控制模块124的另一种电路。

电压控制模块124包括：电压互感器Tr3、运放U6、隔离驱动芯片U7、稳压管D5、双向可控硅T5，电阻R10。

运放U6的同相输入端连接电压互感器Tr3次级线圈的一端，电压互感器Tr3次级线圈的另一端接1.25V直流电；电压互感器Tr3的初级线圈连接交流电力线；运放U6的反相输入端连接运放U6的输出端；运放U6的输出端连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接第二微处理器121以及稳压管D5的阴极，稳压管D5的阳极接地；隔离驱动芯片U7的两输入端连接第二微处理器121，隔离驱动芯片U7的一输出端连接双向可控硅T5的控制端，隔离驱动芯片U7的另一输出端连接阀门。

该电路在工作时，阀门电力线的交流电经变压器Tr2降压，经整流器U5和稳压芯片U4转换成直流电并降压后，向第二微处理器121供电；运放U6和二极管D4对阀门电力线的直流电进行采样后，输出至第二微处理器121；第二微处理器121根据运放U6和二极管D4采样的电压，实时监测阀门电力线上交流电压的大小，当需要对阀门进行控制时，输出触发信号给隔离驱动芯片U7，进而控制双向可控硅T5，进而控制阀门的供电电压稳定，使得阀门可靠动作。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种灌溉控制系统，其特征在于，所述系统包括：

采集现场温度信号、和/或湿度信号的传感器；以及至少一个连接阀门电力线的现场控制单元，所述现场控制单元用于根据传感器采集的所述现场温度信号和/或湿度信号，通过所述阀门电力线控制阀门接通或断开电源；所述现场控制单元还用于通过所述阀门电力线采集阀门供电电压，并根据采集到的阀门供电电压，通过所述阀门电力线调整阀门供电电压；

所述系统还包括：

连接所述电力线的主控制单元，用于根据所述现场温度信号和/或湿度信号，或用户输入的控制信息，通过所述阀门电力线向所述现场控制单元发出控制指令；现场控制单元还用于根据所述控制指令，通过所述阀门电力线控制阀门接通或断开电源；

所述主控制单元包括：

串联在电力线中的开关；

连接所述第一微处理器并向所述第一微处理器供电的第一电源模块；

所述主控制单元还包括：

所述现场控制单元包括：

连接在所述第二微处理器和阀门电力线之间的第二电源模块，用于向所述第二微处理器供电；

所述现场控制单元还包括：

连接所述第二微处理器的第二载波通信模块，用于通过所述阀门电力线发送所述现场温度信号和/或湿度信号，并接收所述主控制单元发送的控制指令；

所述第二微处理器还用于根据所述第二载波通信模块接收到的所述控制指令，通过所述阀门电力线控制阀门接通或断开电源；

所述第一载波通信模块和第二载波通信模块包括：调制解调器芯片U1、由电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2、NPN型三极管T1、NPN型三极管T2、二极管D1、二极管D2构成的放大电路、电容C3、变压器Tr1、电容C6、电容C4、电容C5、电感L1、电阻R3、瞬变电压抑制二极管D3；

2.如权利要求1所述的灌溉控制系统，其特征在于，所述第一电源模块或第二电源模块包括：稳压芯片U2、电容C7、电容C8；稳压芯片U2的正输入端连接阀门电力线的正极线缆，稳压芯片U2的负输入端连接阀门电力线的负极线缆，稳压芯片U2的正输入端通过电容C8连接稳压芯片U2的负输入端；稳压芯片U2的正输出端和负输出端连接所述第二微处理器，稳压芯片U2的正输出端通过电容C7连接稳压芯片U2的负输出端；

还包括电压控制模块，所述电压控制模块包括：运放U3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、PNP型三极管T3、场效应管T4、稳压管D4；运放U3的同相输入端通过电阻R8连接阀门电力线的正极线缆，运放U3的反相输入端通过电阻R7连接阀门电力线的负极线缆；运放U3的输出端连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接所述第二微处理器，电阻R9的另一端同时连接稳压管D4的阴极，稳压管D4的阳极接地；运放U3的输出端同时通过电阻R6连接运放U3的反相输入端；场效应管T4的漏极连接阀门电力线的负极线缆，场效应管T4的源极连接直流电力线，场效应管T4的栅极通过电阻R5连接三极管T3的集电极，三极管T3的发射极连接稳压芯片U2的正输出端，三极管T3的基极通过电阻R4连接所述第二微处理器。

3.如权利要求1所述的灌溉控制系统，其特征在于，所述第一电源模块或第二电源模块包括：变压器Tr2、整流器U5、稳压芯片U4、电容C9、电容C10；变压器Tr2的初级线圈连接阀门电力线，变压器Tr2的次级线圈连接整流器U5的输入端，整流器U5的正输出端连接稳压芯片U4的输入端，稳压芯片U4的输出端连接所述第二微处理器；整流器U5的负输出端接地，稳压芯片U4的输入端通过电容C10接地，稳压芯片U4的输出端通过电容C9接地；

还包括电压控制模块，所述电压控制模块包括：电压互感器Tr3、运放U6、隔离驱动芯片U7、稳压管D5、双向可控硅T5，电阻R10；运放U6的同相输入端连接电压互感器Tr3次级线圈的一端，电压互感器Tr3次级线圈的另一端接1.25V直流电；电压互感器Tr3的初级线圈连接交流电力线；运放U6的反相输入端连接运放U6的输出端；运放U6的输出端连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接所述第二微处理器以及稳压管D5的阴极，稳压管D5的阳极接地；隔离驱动芯片U7的两输入端连接所述第二微处理器，隔离驱动芯片U7的一输出端连接双向可控硅T5的控制端，隔离驱动芯片U7的另一输出端连接阀门。