CN102792239B - 分布式控制系统及控制灌溉系统中的多个灌溉器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分布式控制系统，其中主控制器通过沿着传输线的长度形成的多个耦合环路感应地传送能量和数据到多个远程子模块或从控制器上。每个远程子模块通过多个耦合环路依次感应地传送返回数据到主控制器。电感耦合的应用提供了相对现有技术的优势，因为在传输线和远程子模块之间不再要求直接的电流的电连接，这势必将简化装置并加强长期的可靠性。此处所描述的本控制系统的举例应用包括农业灌溉系统，其中单个的喷灌器和阀门部件可以集体地，单个地，或者成组或成子集地被控制，来根据预设的灌溉参数改变施用量。

Description

分布式控制系统及控制灌溉系统中的多个灌溉器的方法

本申请要求享有于2010年2月9日提交的美国临时申请60/302,841的优先权，该申请的全文通过引用结合于本文中。

技术领域

本发明大致上涉及分布式控制技术，更具体地涉及例如在农业灌溉系统中对单个的喷灌器或阀门部件的控制。

背景技术

已经知道可以采用系统来将能量和/或数据分布和传输到沿着传输线或电缆布置的设备上。美国专利文献中的示例性文献包括如下：美国专利7,176,589公开了例如电感耦合器、功率转换器和调制/解调电路的电子器件，其用于将能量和/或数据分布和/或传输到沿着水下电缆布置的电子设备上；美国专利6,624,745公开了一种电感耦合的数据通信系统，其沿着位于例如网络工作站之间的同一个双线式导体来分布能量和数据；美国专利4,244,022公开了一种用于大规模灌溉的固态控制系统，其具有中央处理单元，该中央处理单元具有主时钟和连接到多个卫星控制器的中央/注射器定时模块系统，卫星控制器又连接到控制灌溉螺线管阀门上。上述并非穷举，而仅是与分布式能量系统相关的专利的例子。

下面将要描述的本发明的目的是简化安装，增强可靠性，并且潜在地减少在示例性但是非限定性的灌溉系统中使用的分布式能量系统的成本。

发明内容

在一个示例性的但是非限定性的实施方案中，本发明提供了分布式控制系统，其中主控制器通过沿着传输线的长度布置多个耦合环路将能量和数据感应式地输送到多个远程的子模块或从控制器中。在本示例性的实施方案中，各远程子模块又通过沿着所述传输线的长度分布的多个耦合环路将返回数据感应式地输送到主控制器。使用电感耦合提供了相对于现有技术的优势，这是因为在传输线和远程子模块之间不需要直接的电流式的电连接，这势必会简化安装，并增强长期的可靠性。

这里所描述的控制系统的示例性应用包括农业灌溉系统，其中单个的喷灌器部件可被全体地、单独地、或者成组地或成子集地来控制，以根据指定的灌溉参数来改变施用量。

相应地，在一个示例性但是非限定性的方面，提供了一种分布式控制系统，其包括：主控制器，其连接到传输线上，并适于输送能量和数据给传输线以及从传输线接收数据；该传输线包括配置成携带差分数据的第一导体和第二导体；沿着传输线布置的多个耦合器，各耦合器包围了一对在传输线上形成的电感耦合环路，并且穿过电感器或线圈以建立传输线和电感器之间的互耦，所述电感器连接到一个或多个从控制器上；其中，所述互耦使得数据可从主控制器传输到一个或多个从控制器以及从一个或多个从控制器传输到主控制器。

在另一个示例性但是非限定性的方面，提供了用于将传输线和从控制器电耦合的耦合器组件，其中该耦合器组件包括具有下体部分和上盖部分的壳体以及分裂铁芯，其中上盖部分可在打开和闭合位置之间移动，分裂铁芯的第一半体与在传输线上形成的电感耦合环路支撑于上盖部分中，而分裂铁芯的第二半体和线圈支撑于下体部分中。

在另外一个示例性但非限定性的方面，提供了一种控制灌溉系统中的多个喷灌器部件的方法，该灌溉系统包括用来控制多个从控制器的主控制器，其中该从控制器与所述多个喷灌器部件中的一个或多个操作性相连，该方法包括沿着传输线布置多个电感耦合环路，并且使传输线和多个从控制器互耦；以及经传输线从主控制器发送信号到多个从控制器，以及经传输线从多个从控制器接收信号到主控制器。

附图说明

现在将结合下述附图来更详细地描述本发明。

图1是简化的示意图，显示了根据一个示例性但非限定性的实施方案的控制系统；

图2是从图1的控制系统中提取的主控制器的示意图；

图3是从图1的控制系统中提取的一个从控制器的放大示意图；

图4是图3所示的从控制器的更详细的示意图；

图5是一个备选实施方案中的从控制器的示意图；

图6是根据一个示例性实施方案的从控制器的电路板的透视图；

图7是图6所示的电路板的主视图；

图8是图6所示的电路板的俯视图；

图9是图6所示的电路板的旋转到垂直方向的侧视图；

图10是安装在壳体内的从控制器的电路板的透视图；

图11是图10所示的从控制器的以剖面形式显示的透视图；

图12显示了一个示例性的实施方案，其中主控制器和从控制器沿着刚性设置的灌溉线安装。

图13是另一个应用的透视图，其中主控制器安装在线性灌溉机器的一端，并且从控制器相邻于单个喷灌器地安装在从机器的架空构架上悬垂下来的下垂软管上；

图14是与图13相似的另一应用的示意图，但其中从控制器沿着架空构架的顶部安装；

图15是另外一个应用的透视图，其中主控制器安装在枢轴式灌溉机器的中心枢轴上，并且从控制器沿着机器的架空构架的顶部安装；并且

图16A和图16B示出了包括正弦波形电感耦合环路的备选电感耦合器，该耦合器显示为处于打开位置和闭合位置。

具体实施方式

为了便于理解，图1用简化形式显示了与例如灌溉机器一同使用的电感耦合的分布式控制系统10。主控制器12与传输线14相连接。主控制器12设置在控制系统10中，以将能量和命令数据输送到传输线14，并且进一步配置成接收由传输线14输送的状态和传感数据。

主控制器12输送到传输线14的能量是时分多路制式，具有小于约200kHz的频率，并且峰峰间振幅小于约48伏特。主控制器12输送到传输线14的数据指定为命令协议，其中数据调制成连续波的形式，然而其他形式的调制也可以采用，包括频移键控、相移键控、脉冲编码调制，或者其他形式的现有技术中已知的调制。

主控制器12从传输线14上接收的数据指定为状态协议，其中数据从连续波信号中解调，然而其他形式的调制也可以采用，包括频移键控、相移键控、脉冲编码调制，或者其他形式的现有技术中已知的调制。所传输的信号和所接收的信号的调制频率可以相同或不同，这取决于应用。在一个优选的实施方案中，所接收的载波频率小于约1000kHz。

传输线14是具有两个导体(见图3中的导体92a和92b)的平衡的传输线，这两个导体配置成携带差分信号。以这种方式，信号以最小的衰减沿着传输线14的长度传播，这是因为每个导体的场有效地抵消以减少辐射散发。传输线14具有特征阻抗值，其为传输线14的构造和环境的函数。在一个优选的实施方案中，传输线14的特征阻抗小于200欧姆。传输线14可以是双芯引线或双纹线类型的传输线，并且可以依据应用屏蔽或不屏蔽。

仍然参照图1，导体沿着传输线14形成多个耦合环路16，其中各耦合环路16的一部分路由通过耦合器18。各耦合环路16和相应的耦合器18的细节将在下文更详细地讨论。各耦合器18与子模块或从控制器20连接，其细节将在下文中更详细地讨论。线路终端22与传输线14的一端相连。在一个优选的实施方案中，线路终端22为电阻器，其具有大约等于传输线14的特征阻抗的电阻值。本领域技术人员可以认识到，其它类型的负载也可以用来作为线路终端22，例如电感性或电容性负载，这并不会偏离本发明的范围。

现在参照图2，主控制器12包括配置用来提供能量给多个子模块20(图1)中的每一个并与之通信的微控制器40。微控制器40与用户界面42相连，该用户界面42使得操作者可以配置和操作分布式控制系统10(图1)。微控制器40进一步连接到通信端口44，使得可与包括其它控制器的其它系统进行信息交换。

通过微控制器40生成载波信号46，以促进沿着传输线14的能量和数据的传输。取决于应用，载波信号46可以是矩形波或正弦波的形式。微控制器40进一步生成数据信号48，其反映了在微控制器40内定义的协议。与门电路50与载波信号46和数据信号48中的每一个相连，以提供大致由标号52所标示的调制输出信号。信号52经过信号滤波器54以移除多余的光谱假影，并且由传输驱动器56放大所得的信号。传输/接收开关58以接收关系连接到传输驱动器56提供的信号，并连接到巴伦变压器62，且配置成响应于微控制器40提供的开关控制信号60而通过连接器64a和64b提供差分的能量和数据信号给传输线14。

来自传输线14的差分返回数据信号通过巴伦变压器62作为单端信号传递到传输/接收开关58。微控制器40配置成可提供返回数据信号何时通过命令传输/接收开关58进入接收模式而从子模块20(图1)中传送出去的周期，因此，来自传输线14的信号路由到返回信号放大器66和返回信号滤波器55，之后到返回逻辑接收器68。在此处，所返回的信号调节成可以提供逻辑级数据，并且通过返回数据线70发送到微控制器40。

现在参照图3，图中显示了与耦合环路16相关联的从控制器20。该从控制器20包括连接到从控制组件80的耦合器18，其将在下文中更详细地描述。从控制组件80连接到螺线管82。螺线管82用来驱动喷灌器的部件，例如阀门(未示出)，但是也可用于其它的开关应用。另外，也可以使用其它的负载，例如步进电机，这并不偏离本发明的范围。在一个优选的实施方案中，螺线管82是双稳态保持式电磁阀。警告开关84连接到从控制组件80，并配置成提供可包括初始化的用户要求。从控制组件80还可连接到流量开关86，当导管中的流体的流速超过预设值时，流量开关86将提供触点闭合。其它的传感器可类似地连接到从控制组件80上，这并不偏离本发明的范围。

耦合器18由耦合器电感器88和耦合器闭合器90组成。这一组合形成了环型电感器，其特征是包含了磁通量。当耦合环路16和耦合器电感器88配置成如图3所示，并且耦合器闭合器90置于离耦合器电感器88很近且与之形成匹配关系时，形成了松散的电感或互耦，这使得能够传送能量和数据，这将在下文更详细地讨论。

传输线14包括第一导体92a和第二导体92b，它们结合起来配置成在传输线14的长度上传播差分信号。由于相应的导体92a和92b中的信号在属性上是差分的，几乎没有有用的能量能够耦合于传输线之间，这是因为每条线的场会抵消掉。然而，通过布置导体92b和形成环形的大致360°闭合的环路(大体上由标号94标示，此处称其为同相环路)，并且进一步取出导体92a并将其扭转，之后形成大致由标号96标示的环路(此处称其为反相环路)，则导体中的差分信号提供了同相场的局部区域，这样，它们叠加到耦合环路16的局部区域上。耦合环路16中出现的同相场的局部区域使得导体92a和92b中存在的和耦合器电感器88中存在的差分信号之间有效地电感耦合。在一个优选的实施方案中，耦合器18中使用的铁芯材料包括粉状铁氧体材料，其中当耦合器闭合器90与耦合器电感器88如下所述地匹配时，耦合电感器88的电感大约为150μH。另外，在一个优选的实施方案中，耦合环路16的电感小于1.4μH，并且耦合环路16的直径小于50mm。

已经发现，增大耦合环路16的电感会提高从传输线14到耦合器电感器88的能量传递，这有效地改变了耦合程度。出于这一原因，对于给定数量的子模块20而言存在着最佳程度的耦合，其中随着子模块20的数量的增大，耦合的程度应当减小，以保证所有子模块20的能量需求都被满足。

现在参照图4和图5，包括从控制组件80的子模块20通过耦合环路16与传输线14耦合。耦合器电感器88配置成将能量提取和感应到之前所讨论过的传输线14中。耦合器电感器88的一根导线连接到模块的共用接地上，而另一根导线连接到逻辑整流器100。相对于常见的从耦合环路16感应到耦合器电感器88中的交流电，逻辑整流器100提供正的脉冲直流电，并且由电容器102将其平稳化。电容器102处的平稳电压输送到电压调节器104的输入端。

电压调节器104为微控制器106和非易失存储器108提供稳定化的电压输出功率供给。非易失存储器108包括为子模块20提供独特标识符的身份地址。微控制器106还连接到之前讨论过的警告开关84和流量开关86上。

耦合器电感器88还连接到将来自耦合环路16的信号解调成数据信号的数据整流器110。这些信号通过形成了分压器的数据串联电阻器112和数据并联电阻器114来调节到适于与微控制器106相连的逻辑级。在此处，源于主控制器12(图1)的命令和数据提供给微控制器106，并配置成时序的、异步的和序列化的数据。本领域的技术人员可以认识到其它形式的数据编码也可以使用，这并不偏离本发明的范围。

微控制器106配置成只响应定向到与其嵌入式身份相匹配且存储在非易失存储器108中的命令和数据。当命令包括与非易失存储器108中的身份关于同步相位明确匹配的地址时，即出现所述的匹配，因此，多个子模块20可以实时同步的方式响应同一个命令。

耦合器电感器88连接到由电磁驱动电压开关控制线118控制的电磁驱动电压开关116上，所述电磁驱动电压开关控制线118由微控制器106控制。该线的控制将在下文中更详细地讨论。当电压开关116闭合时，从传输线14感应到耦合器电感器88的交流电提供给倍压器120。该倍压器利用二极管和电容器的组合来整流，并提供无源升压转换器。在一个优选的实施方案中，使用应用了威拉德级联拓扑制造样式的半波串联倍增器，然而其它类型的现有技术中已知的倍增器也可使用，这并不偏离本发明的范围。

来自倍增器120的能量存储到电磁驱动电压电容器122中。电磁驱动监控线124连接到电容器122和微控制器106上，使其可检测到电容器上的电压。如此，微控制器106可命令电磁驱动电压开关116，使得在电容器122上保持明确的目标电压。本领域的技术人员可以认识到其它用来维持明确的目标电压的方式，包括将电磁驱动电压开关116保持在离与电容器122并联的齐纳二极管很近的位置以维持目标电压。H桥电磁驱动器126以供应端的关系连接到电容器122上。电磁驱动器126以驱动关系连接到螺线管82，并能以正向和反向的方式驱动螺线管82，作为当微控制器106驱动H桥控制线128时对微控制器106所提供的命令的响应。在一个优选的实施例中，电磁驱动电压电容器122维持在充满电的状态，因而在发生功率或传输线故障时，螺线管82可设置到由用户预先设定的默认状态。输送到螺线管82的电流被引导通过H桥电流检测电阻器130，其中得到与通过螺线管82的电流成正比的电压，并且该电压可由电流检测线132提供给微控制器106。如此，在螺线管82的状态变化期间，微控制器106可监测沿着检测线132的基于时间变化的电压，以决定其运行状态。

单独地参照图4，耦合器电感器88进一步连接到数据返回整流器134，其整流从传输线14感应到耦合器电感器88上的交流电的负向脉冲。整流器134的阴极连接到其中存储了相对共用电位为负的电压的数据返回存储电容器136上，直到从子模块20到主控制器12的数据返回传输需要该电压时为止。微控制器106创建返回载波信号138，在一个优选的实施方案中，该信号的频率小于1000kHz。

微处理器106进一步提供反映了在微控制器106中定义的协议的数据信号140。与门电路142连接到返回载波信号138和数据信号140中的每一个，以提供大致由标号144标示的调制输出信号。返回电压开关146配置成响应调制输出信号144，以与信号144匹配的比率将电容器136承载的负电压转换回到耦合器电感器88中。如此，负电压将电流感应到耦合器电感器88中，在耦合环路16中造成磁场，其中差分返回数据信号将被感应至传输线14中，其将沿着传输线传播并回到主控制器12，在那里它将被接收并解码，如前所述。

现在参照图5的备选构造，大致由标号144标示的经调制的输出信号连接到传输耦合电容器150。传输线圈或电感器154缠绕在耦合器电感器88上或与之相邻地放置。传输线圈槽路电容器152与传输电感器154并联，以提供具有大约等于返回载波信号140的频率的谐振频率的LC电路。如此为传输电感器154提供电流，在耦合环路16中产生磁场，其中差分返回数据信号将被感应至传输线14中，其将沿着传输线传播并回到主控制器12中，在那里它将被接收并解码，如前所述。本领域技术人员可以认识到，其它的方式也可将返回数据从微控制器106耦合到传输线14，包括插入一个或多个与电感器154串联的二极管。

图6至9说明了示例性的从控制器的电路板156，其支撑了由电感器88和耦合器闭合器90形成的耦合器18。耦合器电感器88包括分裂的第一铁氧体铁芯部分158和缠绕在铁芯周围的绕组或线圈160。耦合器闭合器90由相匹配的分裂的第二铁氧体铁芯部分162形成。图10和11描述了安装在从控制器壳体164内的包括耦合器电感器88和耦合器闭合器90的从控制器板156，导体92a和92b以如图3所述的环型穿过该壳体164。壳体164构造成包括下体部分166和上盖部分168；其中，上盖部分168枢轴式地支撑在下体部分166之上，并可在闭合和打开位置之间移动，打开位置在图10中示出。通过将耦合器闭合器90支撑在壳体164的上盖部分168中，在打开壳体时就可容易地接触到耦合器88。

此处所描述的控制系统具有许多应用，例如在各种农业灌溉系统中，包括固定设置的、线性的和枢轴式的机器，其中许多单个的喷灌器携带在共用的供水管道或构架上。在示例性的构造中，主控制器12可以固定在机器的一端，而从控制器固定在相应的单个喷灌器的附近。各从控制器可连接到用于操作相应的喷灌器进口附近的阀门的螺线管(见图3中的螺线管82)、步进电机或其它合适的驱动装置。

此处所描述的分布式控制系统在农业灌溉中具有许多应用(但并不限于此)。

关于农业灌溉，图12说明了一种针对本发明的示例性但是非限定性的应用，其中单个的从控制器20(与主控制器12相连)固定在例如枪式喷灌器部件169的基底上，所述喷灌器部件169包括沿着固定设置的灌溉系统中的固定的地面接合管道170安装的阀门。

图13说明了另一个示例性的应用，其中主控制器12和单个的从控制器或模块20安装在线性的灌溉机器172上。在本实施方案中，子模块20置于与从架空构架176中悬垂下来的各个喷灌器175相连接的下垂软管174上。

图14说明了类似于图13所示的另一个示例性的应用，然而其中从控制器或模块20沿着线性的灌溉机器的架空构架176安装。

图15说明了类似于图14所示的另外一个示例性的应用，然而其中灌溉设备的形式为枢轴式机器178，垂直的管道部分180代表机器的中心枢轴。

图16A和16B显示了类似图6至10所示的备选电感耦合器组件，但是为了方便和清晰起见有所简化。在该备选构造中仅部分地显示了壳体164，下体部分182支撑了从控制器电路板184、分裂铁芯电感器部分186和绕组或线圈188。分裂铁芯耦合器闭合器190支撑在壳体的上盖部分(未示出)中。然而可以理解，如上盖部分168(图10至11)一样，该上盖部分可以从打开位置(图16A)枢轴旋转到闭合位置(图16B)，因此当闭合时，分裂铁芯电感器部分186和分裂铁芯耦合器闭合器190将围绕传输线导体192a和192b而闭合电感器耦合器。在此备选布置中，导体192a和192b布置形成了具有正弦波形式的形状的镜像环路，此处称为正弦环路，每个环路中的一对环路部分194、196布置成使得铁氧体的分裂铁芯耦合器闭合器190穿过环路。可以理解，包括电感耦合的电路与第一实施方案相同。只有环路有所变化，从大体上闭合的360°环路到“展开的”大致在线性路径上延伸的环路，其中每个环路上的弯曲半径大致相同。

虽然已经结合目前被认为最具实用性和优选的实施方案来描述了本发明，然而需要理解的是，本发明不限于公开的实施方案，而是相反地，本发明覆盖了各种修改的和等效的布置。

Claims (20)

1.一种分布式控制系统，其特征在于，包括：

主控制器，其连接到传输线上，并适于输送能量和数据到传输线以及接收来自传输线的数据；所述传输线包括配置成携带差分数据的第一导体和第二导体；

以及多个沿着传输线布置的耦合器，各耦合器包围了形成于所述传输线中的一对电感耦合环路，并且穿过线圈以在传输线和线圈之间建立互耦，所述线圈连接到一个或多个从控制器上；

其中，所述互耦允许从主控制器到一个或多个从控制器以及从一个或多个从控制器到主控制器的数据传送。

2.根据权利要求1所述的分布式控制系统，其特征在于，对于各电感耦合环路而言，所述第一导体和第二导体沿相反的方向延伸。

3.根据权利要求1所述的分布式控制系统，其特征在于，所述一个或多个从控制器使用螺线管来控制一个或多个喷灌器部件。

4.根据权利要求1所述的分布式控制系统，其特征在于，所述耦合器包括第一和第二分裂铁芯部分，它们共同地形成所述电感耦合环路从中穿过的环型铁芯，其中，第一或第二分裂铁芯部分穿过线圈。

5.根据权利要求4所述的分布式控制系统，其特征在于，所述第一和第二分裂铁芯部分由粉状铁氧体材料构成。

6.根据权利要求1所述的分布式控制系统，其特征在于，所述主控制器包括至少一个微控制器，所述微控制器连接到用户界面，允许操作者配置和操作所述分布式控制系统。

7.根据权利要求1所述的分布式控制系统，其特征在于，由所述微控制器控制的开关决定何时数据传输给所述一个或多个从控制器，以及何时从所述一个或多个从控制器上接收数据。

8.根据权利要求4所述的分布式控制系统，其特征在于，所述从控制器包括支撑了所述第一和第二分裂铁芯部分以及所述电感耦合环路的电路板。

9.根据权利要求8所述的分布式控制系统，其特征在于，还包括包围了所述电路板、所述第一和第二分裂铁芯部分以及所述电感耦合环路的壳体。

10.根据权利要求9所述的分布式控制系统，其特征在于，所述壳体包括下体部分和上盖部分，所述上盖部分能在打开位置和闭合位置之间移动，并且其中所述第一分裂铁芯部分和所述电感耦合环路支撑于所述上盖部分中，而所述第二分裂铁芯部分和线圈支撑于所述下体部分中。

11.根据权利要求1所述的分布式控制系统，其特征在于，所述一个或多个从控制器包括多个分别固定在沿着供水管道布置的喷灌器的基底部件上的从控制器。

12.根据权利要求1所述的分布式控制系统，其特征在于，所述一个或多个从控制器包括多个分别固定在与线性式或枢轴式灌溉机器的架空构架相连的下垂软管上的从控制器，各下垂软管支撑了由所述多个从控制器中的一个来控制的喷灌器。

13.根据权利要求1所述的分布式控制系统，其特征在于，所述一个或多个从控制器包括多个沿着线性式或枢轴式灌溉机器的架空构架安装的从控制器，其中多个下垂软管从所述架空构架上悬垂下来，并且各下垂软管支撑了由所述多个从控制器中的相应一个来控制的喷灌器。

14.根据权利要求1所述的分布式控制系统，其特征在于，所述电感耦合环路是环形的大致360°的闭合环路。

15.根据权利要求1所述的分布式控制系统，其特征在于，所述电感耦合环路是大致镜像的正弦环路。

16.用于将传输线和从控制器电耦合的耦合器组件，其中所述耦合器组件包括具有下体部分和上盖部分的壳体以及分裂铁芯，所述上盖部分能在打开位置和闭合位置之间移动，其中分裂铁芯的第一半体和形成在传输线中的电感耦合环路支撑于所述上盖部分中，而分裂铁芯的第二半体和线圈支撑于所述下体部分中。

17.根据权利要求16所述的电感耦合器组件，其特征在于，所述下体部分包括支撑着所述分裂铁芯的第二半体和线圈的从控制器电路板。

18.根据权利要求16所述的电感耦合器组件，其特征在于，所述电感耦合环路是环形的、大致360°的闭合环路。

19.根据权利要求16所述的电感耦合器组件，其特征在于，所述电感耦合环路是大致镜像的正弦环路。

20.一种用于控制灌溉系统中的多个喷灌器的方法，其特征在于，所述灌溉系统包括用来控制多个从控制器的主控制器，所述从控制器操作性连接到所述多个喷灌器部件中的一个或多个，所述方法包括：

(a)沿着传输线布置多个电感耦合环路，并且使所述耦合环路和所述多个从控制器互耦；以及

(b)经所述传输线从所述主控制器发送信号到所述多个从控制器，并且经所述传输线从所述多个从控制器接收信号到所述主控制器。