CN102428861B - 太阳能远程自动灌溉系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能远程自动灌溉系统。现有的设备结构复杂，依赖于人工。本发明中土壤温湿度传感器埋设在被测土壤中，土壤温湿度传感器的输出端、空气温湿度传感器的输出端、液位传感器的输出端分别与信号调理装置的输入端连接；信号调理装置的输出端与下位机的输入端连接，下位机数传电台和触摸屏分别与下位机连接。下位机的输出端分别与第一固态继电器、第二固态继电器连接，第一固态继电器控制灌溉控制阀的开关，第二固态继电器控制抽水泵的开关；抽水泵的输出管路连接至蓄水池入口，蓄水池输出管路上设有灌溉控制阀。本发明可根据具体作物情况设置不同的灌溉模式作自动灌溉处理，对水资源利用更加充分，避免不必要的浪费。
Description
技术领域
本发明属于农业灌溉领域，涉及一种利用太阳能实现远程农业自动灌溉系统，可应用大面积的作物自动灌溉。
背景技术
首先，在许多电能无法到达的领域，对农业作物的水资源利用只能靠自然条件的供给，农作物的生长环境只能听天由命，这对作物的生长自然是不利的。其次，在对农作物的灌溉控制上，大部分只能靠人工经验，没有具体参数供参考，因此对水资源的利用存在很大浪费。最后，大面积农场作物灌溉，对农田的环境条件了解需要人工巡查，需要很大的人力。本发明针对这些问题做出了相应的解决方案。本专利和02139540.3专利相比，不仅的控制电路设计上更为简单，在人机接口上亦更为方便，不仅上位机可实时修改自动灌溉的条件，每个下位机终端亦可实时修改自动灌溉条件，在供电装置上更符合大型农场灌溉特点，利用太阳能即可实现能源供给。
发明内容
本发明目的就是针对农业灌溉的能源获得、参数的精确检测、大面积灌溉等问题，提供一种实现远程精确控制的农业自动灌溉系统。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
太阳能远程自动灌溉系统，包括太阳能供电装置、下位机、土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器、液位传感器、信号调理装置、抽水泵、灌溉控制阀、触摸屏、下位机数传电台、上位机数传电台，第一固态继电器、第二固态继电器、上位机和蓄水池。
土壤温湿度传感器埋设在被测土壤中，土壤温湿度传感器的输出端与信号调理装置的一个输入端连接，空气温湿度传感器的输出端与信号调理装置的另一个输入端连接，蓄水池中的液位传感器的输出端与信号调理装置的再一个输入端连接；信号调理装置的输出端与下位机的输入端连接，下位机数传电台和触摸屏分别与下位机连接。
下位机的输出端分别与第一固态继电器、第二固态继电器连接，第一固态继电器控制灌溉控制阀的开关，第二固态继电器控制抽水泵的开关；抽水泵的输出管路连接至蓄水池入口，蓄水池输出管路上设有灌溉控制阀，太阳能供电装置为下位机供电。
上位机数传电台与下位机数传电台无线通信，上位机数传电台与上位机连接。
所述的信号调理装置内部有多路结构相同的信号调理电路，每路信号调理电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电阻R4、第五电阻R5、运算放大器和二极管D1。
每个传感器信号输出端与第一电阻R1的一端、第二电阻R2的一端、第三电阻R3的一端及第一电容C1的一端相连，第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的另一端、第一电容C1的另一端并连接地；第二电容C2的一端与第三电阻R3的另一端与运算放大器正向输入端相连，第二电容C2的另一端接地；第三电容C3的一端、第四电阻R4一端与运算放大器负向输入端相连，运算放大器输出端与第五电阻R5的一端连接，第五电阻R5的另一端、第三电容C3的另一端、第四电阻R4的另一端、二极管D1负极作为信号调理电路的输出端，二极管D1正极接地。
第一固态继电器和第二固态继电器的驱动电路结构相同，每个驱动电路包括第六电阻R6，第七电阻R7和三极管Q1；第六电阻R6的一端与下位机的输出端连接，第六电阻R6的另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极与第七电阻R7的一端、固态继电器的输入控制端正极连接，固态继电器的输入控制端负极接地，第七电阻R7的另一端接+12V电源。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
实现了大面积农田参数的采集、传输与控制，中央控制室能够实时掌握农田的环境情况并作出相应处理；系统可根据具体作物情况设置不同的灌溉模式作自动灌溉处理，对水资源利用更加充分，避免不必要的浪费；系统可根据环境条件和时间条件对农田进行自动灌溉控制，也可以根据用户需要手动灌溉，节省了人力资源。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为信号调理装置中信号调理电路图；
图3为固态继电器驱动电路图。
具体实施方式
如图1所示，太阳能远程自动灌溉系统，包括太阳能供电装置14、下位机7、土壤温湿度传感器2、空气温湿度传感器4、液位传感器13、信号调理装置3、抽水泵11、灌溉控制阀9、触摸屏6、下位机数传电台16、上位机数传电台5，第一固态继电器8、第二固态继电器10、上位机15和蓄水池12。
土壤温湿度传感器2（共3路）埋设在被测土壤的不同点上，每个土壤温湿度传感器的有两路输出信号，即温度与湿度信号，分别与信号调理装置的两路输入端连接；空气温湿度传感器的两路输出信号与信号调理装置的另两路输入端连接，蓄水池中的液位传感器的1路输出信号与信号调理装置的再1路输入端连接；信号调理装置的输出端共9路与下位机的9路输入端连接，下位机数传电台和触摸屏分别通过串口与下位机两路串口连接。
下位机的输出端通过I/O口分别与第一固态继电器、第二固态继电器连接，第一固态继电器控制灌溉控制阀的开关，第二固态继电器控制抽水泵的开关；抽水泵的输出管路连接至蓄水池入口，蓄水池输出管路上设有灌溉控制阀，太阳能供电装置为下位机供电。
上位机数传电台与下位机数传电台无线通信，传输距离可达2km以上，上位机数传电台与上位机连接。
如图2所示，信号调理装置内部有多路结构相同的信号调理电路，每路信号调理电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电阻R4、第五电阻R5、运算放大器和二极管D1。
每个传感器信号输出端与第一电阻R1的一端、第二电阻R2的一端、第三电阻R3的一端及第一电容C1的一端相连，第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的另一端、第一电容C1的另一端并连接地；第二电容C2的一端与第三电阻R3的另一端与运算放大器正向输入端相连，第二电容C2的另一端接地；第三电容C3的一端、第四电阻R4一端与运算放大器负向输入端相连，运算放大器输出端与第五电阻R5的一端连接，第五电阻R5的另一端、第三电容C3的另一端、第四电阻R4的另一端、二极管D1负极作为信号调理电路的输出端，二极管D1正极接地。
如图3所示，第一固态继电器和第二固态继电器的驱动电路结构相同，每个驱动电路包括第六电阻R6，第七电阻R7和三极管Q1；第六电阻R6的一端与下位机的输出端连接，第六电阻R6的另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极与第七电阻R7的一端、固态继电器的输入控制端正极连接，固态继电器的输入控制端负极接地，第七电阻R7的另一端接+12V电源。
下位机7选用飞思卡尔单片机系统(型号为MC9S12xs128)，土壤温湿度传感器(1、2、3)选用TDR-3A型土壤水分温度（一体）传感器,空气温湿度传感器7选用AW3020，一个液位传感器5选用WMY-SF型液位变送器，触摸屏选用LEVI777T-V，数传电台用日精ND258A数传模块，固态继电器选用MGR-1，抽水泵选用ZQB3X4-12，电磁阀选用DN-25，信号调理电路中的采样电阻采用精度为%0.1的250Ω，功率1/4w，抽水泵采用ZF-LI2500。太阳能供电装置为自己研发的，能够输出24V、12V、5V直流电，其中24V功率最大。
整个系统电路简单可靠，扩展性好，具有很高的性价比。
本系统的工作过程如下：
本系统可实时显示多路传感器的实时值，并可以根据显示值做相应控制。
1、工作模式
显示部分主要显示9路传感器信号对应值，包括3个土壤湿度值和3个土壤温度值，空气湿度和蓄水池的液位深度。
控制部分包括手动控制模式和自动控制模式。在手动控制模式下，抽水泵和电磁阀均可以的手动控制开关。
在自动控制模式下，需要设置相应的参数值。本系统的自动控制功能有三种：根据环境条件自动灌溉、根据时间条件自动灌溉、液位自动控制。用户选择根据环件自动灌溉时，需要设置自动灌溉的初始值和终止值，包括土壤温度均值、土壤湿度均值、空气温度均值、空气湿度均值。用户选择按时间自动灌溉时，需选择开始灌溉和终止灌溉的时间。液位自动控制需要用户设置初始液位和终止液位。
2、AD转换
传感器信号均为4～20mA电流信号，因此需经过采样电阻变换为电压信号，经过低通滤波和电压跟随器的阻抗变换，及稳压二极管的过压保护后，输入嵌入式控制器的AD输入端。
3、参数计算
1）、土壤温度计算
土壤温度传感器输出为4～20mA标准电流信号，需将其转换为电压信号送入单片机的AD转换器。在计算中需将电流值转换为信号采样值，转换公式如式：
式中，T为温度，k、b为传感器系数，
为AD转换参考电压，R1、R2为采样电阻。
2)、土壤湿度计算
土壤湿度信号是标准的4~20mA电流信号，其转换公式如下：
其中a、b、c、d、m、l为传感器系数，I为传感器电流，H为湿度值。类似温度，在实际计算过程中，系数m也需要做式1的系数变换。
3）空气温湿度及液位深度。
空气温湿度及液位深度输出均为标准的4~20mA电流信号，其输出值和电流呈线性关系，和式1类似， 参数有所不同，因此不一一列举。
4、数字滤波
在实际数据采样过程中，为消除误差，采用数字滤波方法以减小误差。具体的滤波方法如下：对n个数值从小到大排序，S1,S2…Sn，去掉最大的w个和最小的v个数值，对剩余的n-w-v个数值求平均值得到有效的温湿度电压信号幅值。计算公式为：
5、上位机控制
系统下位机和上位机的远程通信通过数传电台完成。
1)、通信协议
上下位机的通信同过设置相应的软件协议进行通信，软件协议内容包括：数据帧头、通道、各路传感器的数据信号、各个控制阀门的状态、灌溉模式、灌溉参数、及校验位等。通信模式：上位机查询—下位机应答。上位机通过定时器的方式定时查询各路下位机，下位机收到各自的上位机请求信号后，发送一帧完整数据，上位机收到数据并经过检验正确后，显示各路参数及各个阀门状态值。
2)、灌溉控制
上位机可实时修改下位机的灌溉控制模式，因此上位机有相应的参数设置界面，同下位机类似。不同之处在于，当上位机参数设置完毕后，需要点击“发送数据”按钮发送参数给下位机，如果下位机收到控制命令后，会返回相应数据，则上位机显示发送数据成功，否则定时间隔连续发送3次，如果发送不能成功，则显示发送失败。因为上下位机的通信通过串口完成，因此在通信过程中极有可能发生串口数据冲突，因此需采取串口竞争协议，确保每次操作对串口的独享性。经过测试，在系统数据刷新率为1秒/次情况下，本系统的数据发送成功率达到95%以上。如果数据刷新率降到2秒/次，则数据发送成功率可达99%以上，提高了远程控制的可靠性。
Claims (1)
1.太阳能远程自动灌溉系统，包括太阳能供电装置、下位机、土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器、液位传感器、信号调理装置、抽水泵、灌溉控制阀、触摸屏、下位机数传电台、上位机数传电台，第一固态继电器、第二固态继电器、上位机和蓄水池；
土壤温湿度传感器埋设在被测土壤中，土壤温湿度传感器的输出端与信号调理装置的一个输入端连接，空气温湿度传感器的输出端与信号调理装置的另一个输入端连接，蓄水池中的液位传感器的输出端与信号调理装置的再一个输入端连接；信号调理装置的输出端与下位机的输入端连接，下位机数传电台和触摸屏分别与下位机连接；
下位机的输出端分别与第一固态继电器、第二固态继电器连接，第一固态继电器控制灌溉控制阀的开关，第二固态继电器控制抽水泵的开关；抽水泵的输出管路连接至蓄水池入口，蓄水池输出管路上设有灌溉控制阀，太阳能供电装置为下位机供电；
上位机数传电台与下位机数传电台无线通信，上位机数传电台与上位机连接。
2.根据权利要求1所述的太阳能远程自动灌溉系统，其特征在于：所述的信号调理装置内部有多路结构相同的信号调理电路，每路信号调理电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电阻R4、第五电阻R5、运算放大器和二极管D1；
每个传感器信号输出端与第一电阻R1的一端、第二电阻R2的一端、第三电阻R3的一端及第一电容C1的一端相连，第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的另一端、第一电容C1的另一端并连接地；第二电容C2的一端与第三电阻R3的另一端与运算放大器正向输入端相连，第二电容C2的另一端接地；第三电容C3的一端、第四电阻R4一端与运算放大器负向输入端相连，运算放大器输出端与第五电阻R5的一端连接，第五电阻R5的另一端、第三电容C3的另一端、第四电阻R4的另一端、二极管D1负极作为信号调理电路的输出端，二极管D1正极接地。
3. 根据权利要求1所述的太阳能远程自动灌溉系统，其特征在于：第一固态继电器和第二固态继电器的驱动电路结构相同，每个驱动电路包括第六电阻R6，第七电阻R7和三极管Q1；第六电阻R6的一端与下位机的输出端连接，第六电阻R6的另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极与第七电阻R7的一端、固态继电器的输入控制端正极连接，固态继电器的输入控制端负极接地，第七电阻R7的另一端接+12V电源。
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