CN103327808B - 灌溉系统 - Google Patents

Abstract

本发明大体上涉及一种灌溉系统（10），包括：表面波发射器（12），其主要位于地下并由电子控制系统（14）控制；和表面波接收器（16），其位于地下并可操作地耦合到灌溉喷灌器（18A）上。在操作时，表面波发射器（12）由电子控制系统（14）激活，以在预定条件下传输表面波信号（20）。表面波信号（20）以相对较低的操作频率传输并由表面波接收器（16）接收以激活灌溉喷灌器（18A）。

Description

灌溉系统

技术领域

本发明大体上涉及一种例如用于网状灌溉高尔夫球场的灌溉系统。本发明还涉及一种表面波发射器，更具体而言涉及用于经由表面波信号远程控制灌溉系统的表面波发射器。

背景技术

目前存在两种灌溉控制系统，两者都取决于硬接线并因而经受由闪电事件引起的电涌效应。这两种系统可被这些事件损坏并在这些事件之后进行维护和修理。

（a）控制器/卫星系统

这些系统将主控制器并入居中地位于球场或在整个球场上定位的主控制器，这已知为卫星系统。喷灌器或螺线管致动的控制阀经由通过可长达200km的铜线传输的24V的信号操纵。从中央计算机到远程卫星的连通也可通过硬线实现。

（b）译码器型系统

这些系统从在整个球场上延伸的单个电缆（或称作腿的多个电缆）延伸。其可为2根或3根线，这些线用于供电和连通。这些系统如果在一个区域损坏，则可关闭整个系统直到修理。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种灌溉系统，包括：

表面波发射器，其包括驱动单极，该驱动单极位于地表之下且其驱动端位于地表处或地表附近，所述表面波发射器适于主要位于地下并由电子控制系统控制，以在预定条件下以相对较低的操作频率传输表面波信号；

表面波接收器，适于位于地下并可操作地耦合到灌溉喷灌器以响应低频表面波信号的地下分量来激活喷灌器。

优选地，表面波发射器适于主要正好位于地表之下，以有效地发射表面波的地面分量。

优选地，电子控制系统包括表面波发射器控制器，其可操作地耦合到表面波发射器以传输表面波信号的地下分量，从而激活多个灌溉喷灌器中的至少一个灌溉喷灌器。更优选地，表面波信号包括识别码，其响应多个喷灌器的相应表面波信号的地下分量而激活的一个喷灌器。甚至更优选地，表面波发射器控制器适于耦合到中央控制器或卫星控制器，该中央控制器或卫星控制器在预定条件下向表面波发射器控制器传输电子控制信号以指示表面波发射器向多个喷灌器传输表面波信号。

优选地，表面波发射器包括以曲折线构型串联连接的多个导体。更优选地，表面波发射器还包括一对对置的栅网元件，每个栅网元件提供连接在所述一对对置的栅网元件之间的用于多个导体的一系列连接装置。甚至更优选地，多个导体布置成内外阵列，所述内外阵列通过所述一对对置的栅网元件纵向间隔开并通过电磁屏径向或侧向分离。

优选地，表面波接收器安装到灌溉喷灌器上。更优选地，表面波接收器包括棒状天线元件，例如铁氧体磁棒，其检测表面波信号的地下分量的磁场。可替代地，表面波接收器是蛇形线构型的导体，以实现接收和传输能力。在该可替代的结构中，表面波接收器设计为与表面波发射器无线连通。

根据本发明的另一方面，提供一种表面波发射器，包括：

以曲折线构型串联连接的多个导体；

一对对置的栅网元件，每个栅网元件提供连接在所述一对对置的栅网元件之间的用于互连导体的多个连接装置，以形成导体的内外阵列；

位于内外阵列之间的电磁屏。

优选地，多个导体的内外阵列彼此同心地布置。更优选地，同心的内外阵列由圆柱形的电磁屏分离。甚至更优选地，圆柱形的电磁屏与多个导体的同心的内外阵列同心地布置。

优选地，所述一对对置的栅网元件中的每一个栅网元件包括印刷电路板，其具有用于串联地互连导体的内外阵列的多个连接装置。

优选地，表面波发射器还包括地面导电板，其在栅网元件之一处或与该栅网元件之一相邻地电连接到电磁屏。更优选地，表面波发射器进一步包括电容性负载板，其在对置的栅网元件处或与该对置的栅网元件相邻地电连接到导体中的另一个。甚至更优选地，连接到第一驱动元件和电容性负载板的相应的导体都位于导体的外阵列中。

优选地，表面波发射器配置为发射表面波信号的地下分量。

优选地，表面波发射器的相对较低的操作频率为3与30MHz之间，且更具体而言为13.56MHz。3至30MHz的操作频率为HF或电磁波谱的高频部分。

优选地，表面波接收器直接耦合到喷灌器或经由电磁铁操纵的阀耦合到一个或多个喷灌器上。

可以理解，表面波信号时电磁信号。

附图说明

为了更好地理解本发明的本质，现在将参照附图仅示例性地描述灌溉系统和表面波发射器的优选实施例，其中：

图1是根据本发明的灌溉系统的一个实施例的示意图；

图2是图1的灌溉系统的一部分的示意图，更具体而言是卫星控制器与其相应的表面波发射器和灌溉喷灌器一起的示意图；

图3是例如源自图1和2的灌溉系统的表面波发射器的一部分的透视图；

图4是图3的表面波的局部分解和局部剖视图；

图5是例如配合到图1和2的灌溉系统的卫星控制器的表面波发射器控制器 的示意性电路图；并且

图6是例如配合到图1和2的灌溉系统的灌溉喷灌器的表面波接收器控制器的示意性电路图。

具体实施方式

最佳在图1和2中示出整体由10表示的灌溉系统，其包括主要位于地下并由电子控制系统14控制的表面波发射器12和位于地下并可操作地耦合到灌溉喷灌器例如18A的表面波接收器16上。在操作时，表面波发射器12由电子控制系统14激活以在预定条件下传输表面波信号20，其分别由图1或2的虚线或波阵面示意性示出。表面波信号20以相对较低的操作频率传输并由表面波接收器16接收以激活灌溉喷灌器例如18A。

在优选形式中，本发明使用表面波来在表面波发射器12与表面波接收器16之间连通。这是传播的电磁波，其中用于在这些装置之间连通的能量并不辐射到自由空间，而是发射到地/空边界或地球表面，在此处其保持受约束和耦合并被认为以略低于光速的速度传播。表面波发射器例如12包括驱动单极（未示出），其至少部分地埋入以将表面波20有效地耦合到地/空界面上。在该实施例中，除了在表面上的单极接地层，表面波发射器12完全不可见。

如果位于地下的表面波接收器例如16A接收表面波信号20的地下分量以激活其对应的灌溉喷灌器例如18A，则表面波信号例如20可以在操作频率的范围传输。表面波发射器例如12A将有效地在3与30MHz之间的相对较低的频率、更具体而言在13.56MHz的ISM频率操作。该相对较低的频率确保生成适当的表面，但避免需要例如通过管理部门ACMA和FCC注册审批的典型的商用频率。表面波沿着地/空边界传播，并且由于仅存在信号的小空中分量，因此可以理解不需要遵守ACMA、FCC或其他管理机构要求。表面波发射器和接收器例如12和16应调谐到具有ISM频率的约5%或约600kHz的带宽的预期操作频率。3至30MHz的操作频率在HF或电磁波谱的高频部分中。在该发射器12和接收器16被埋入的实施例中，利用的是表面波的地下分量。

如图1所示，在该实施例中，电子控制系统包括与主控制器22无线连通的一个或多个卫星控制器例如21A至21n。在18孔高尔夫球场的典型设施中，存在用于各个孔的18个卫星21A至21R。每个卫星控制器例如21A典型地包括八个输出卡（未示出），每个输出卡具有八个输出端口（未示出），在用于每个卫星例如21A的大体由26A表示的数据总线上共同提供总共64个输入/输出（或站）。应该理解，卫星控制器可根据供应商&特定设施包括更多或更少的站。64个输入/输出（或站）在该实施例中连接到共用的表面波发射器控制器例如24A。表面波发射器控制器24A在该示例中经由互连电缆25（见图2）连接到对应的表面波发射器12A。在可替代的构型中，该系统不具有卫星控制器，并且表面波发射器直接由中央控制器或计算机控制。

灌溉系统10配置为使得表面波发射器控制器24在预定条件下指示表面波发射器例如12A发出表面波信号例如20以激活多个灌溉喷灌器中的至少一个灌溉喷灌器例如18A和18B。表面波信号例如20包括识别码，其对应于多个喷灌器中的至少一个喷灌器例如18A。该灌溉喷灌器18A和任何其他具有该识别码的喷灌器因此响应表面波信号例如20而激活。在一个实施例中，表面波信号20被传输以激活相关喷灌器例如18A时所处的预定条件包括一天中的实施灌溉的具体时间。

图3和4是根据本发明的另一方面的表面波发射器例如12的透视图（其防水罐被移除）。表面波发射器12包括通过一对对置的栅网元件32a和32b互连的多个导体30a至30h和31a至31h。导体30a至30h和31a至31h在该实施例中布置成由电磁屏34分离的相应的内外阵列（见图4）。在该实施例中，导体例如30a具有相同的长度并且在相对端部经由多个连接装置例如36a联接到相应的所述一对栅网元件32a和32b。连接装置例如36a设计为将位于外阵列中的导体之一例如30a联接到位于内阵列中的另一导体例如31a。相继地，导体30a的相对端部通过在相对的栅网元件或板32a上的电连接装置联接到下一个导体31a的适当端部上。导体例如30a分别呈导电棒的形式。导体30a至30h和31a至31h的内外阵列因此以曲折线构型串联连接。

导体30a至30h和31a至31h的内外阵列在该实施例中彼此同心地布置。电磁屏34成形为圆柱形并也与导体30a至30h和31a至31h的同心的内外阵列同心地布置。在该示例中，一对栅网元件方便地成形为圆形并呈印刷电路板的形式，其具有多个用于串联地互连导体例如30a和31a的多个连接装置例如36a。进一步，栅网元件或板32a/b提供用于所有导体和电磁屏34的机械支持。

表面波发射器12安装在分别与一对栅网元件32a和32b相邻地安装的电容性负载板38与发射器基板或接地板40之间。分隔器元件例如42a和44b将电容性负载板38和接地板40与其相应的栅网板32a和32b分离。发射器输入同轴连接器46连接到接地板40。因此，连接到输入连接器46的外导体30a电连接到接地板40。内部驱动导体可直接连接到外阵列的第一导体30a或者在连接到导体30a之前经过匹配的部件。电容性负载板呈导电盘38的形式，其安装在与其余组件电绝缘的分隔器例如42a上。位于外阵列中的最后的导体30h经由分隔器元件之一连接到电容性负载板38。电磁屏34屏蔽位于内阵列中的所有导体例如31a免受位于外阵列中的其他导体例如30a的辐射。位于外阵列中的最后的或第八个导体30h经由分隔器元件之一例如42b连接到电容性负载板。

该实施例的表面波接收器16利用由适当的磁性材料或铁磁体构成的磁棒天线，其以表面波信号的磁分量进行操作。可以理解，这种类型的接收装置作为接收器良好地操作，但在交互传输模式中表现很差。可替代地，表面波接收器16可具有蛇形线或曲折线式的构型，其以中间的电磁屏使自身具有接收和传输能力。这意味着，表面波接收器不仅用于接收表面波信号以触发对应的灌溉喷灌器，而且用于与表面波发射器或其他远程装置无线连通，以例如确认喷灌器的激活或远程诊断。该无线连通也可允许传感器读数例如土壤温度和土壤湿度含量的数据传输。

图5是例如连接到或配合到图1和2的灌溉系统10的卫星控制器例如21A的表面波发射器控制器24的示意性电路图。图5的上半部更具体地示出表面波发射器控制器24的电子器件，而下半部仅描绘出对应的卫星控制器例如21A的输出卡/端口。

表面波发射器控制器24在该示例中由本地24V的AC电源50供电。卫星数据总线26与总处理器52连通，该总处理器以用于各种喷灌器的适当代码（包括识别码）编程，其经由以太网接口53进行控制。主处理器52被查找表加载，该查找表将来自卫星控制器的“众多中的一个”输出转变成与卫星控制希望激活或关闭的喷灌器例如18A和18B对应的识别码。表面波发射器控制器24还包括RF调制器54、RF功率放大器56和发射器匹配单元58，其共同向表面波发射器12发出适当的加密信号。这在如下情况下发生，即：主控制器52检测到在与发出信号以将喷灌器例如18A打开或关闭的卫星控制器例如21A对应的数据总线26上任何可寻址的输入/输出（或站）的状态变化。在启动任何动作之前，表面波控制器检查在碰撞避免接收器57上的模拟输入线59以确保没有其他表面波发射器正在操作。这实际上形成CSMA系统。

主控制器52因而切换频移键控（FSK）调制控制线61，以产生用于所需的喷灌器例如18A的加密代码，包括用于将其打开或关闭的命令。连接到控制线61的RF调制器54产生稳定的FSK信号63。该FSK加密信号63由RF功率放大器56放大，以产生足够强的信号从而可靠地到达所有喷灌器例如18A。发射器匹配单元58将功率放大器56连接到表面波发射器12。

图6是例如配合到图1和2的灌溉系统10的灌溉喷灌器例如18A或18B之一的表面波接收器控制器60的示意性电路图。大体而言，表面波接收器控制器60设计为经由表面波接收器16接收表面波信号20，以在预定条件下或在需要实施灌溉的特定时间激活特定的灌溉喷灌器例如18A或更具体而言其螺线管致动器阀62。螺线管致动器阀可与多个例如3或4个喷灌器关联。

表面波接收器控制器60在该示例中包括RF前端放大器64、混频器IF和数据接收器66、嵌入式处理器68和双向开关70。在空置状态下，不存在表面波信号，只有RF放大器64和混频器IF66经由电池电源供电并操作。在该示例中，该可再充电单电池由在喷灌器或螺线管阀顶部的太阳能电池连续充电。容量使得需要一天中几小时的阳光来充满电池。混频器66的一个输出是模拟接收信号强度指示器（RSSI）线67。当进入的表面波信号20由表面波接收器16检测到 时，其由RF放大器64放大并由混频器IF66转变成基带信号。RSSI线67因而升高到由进入的信号20的强度设定的水平。如果RSSI线67的电压充分升高，则进入的信号将激活比较器69并为嵌入式处理器68提供电力。该嵌入式处理器68因而检查来自混频器IF66的加密数据71，以判断是否需要采取行动。如果进入的检测到的代码是正确的或匹配接收器16的识别码，则嵌入式处理器68激活充电泵73，该充电泵从电池65抽取能量并将其蓄入电容器组75中。嵌入式处理器68监视电容器组75上的电压，并且当其达到充分高的值时操作双向开关70以释放阻塞的螺线管线圈62中的能量从而将其关闭或打开。

在激活该优选实施例的灌溉系统10的一个或多个灌溉喷灌器例如18A和18B（或螺线管致动的控制阀）时涉及的大体步骤如下：

1、表面波发射器控制器例如24A在特定灌溉时间接收来自其主卫星控制器例如21A的电子信号；

2、表面波发射器控制器24A有效地将该电子信号转变为表面波信号20，该表面波信号经由对应的表面波发射器例如12A传输；

3、表面波信号20包括用于需要激活的一个灌溉喷灌器例如18A（或用于多于1个喷灌器的控制阀）的识别码，并且用于所提及的喷灌器例如18A的表面波接收器例如16A接收并识别指令以进行激活；

4、所提及的喷灌器例如18A向其电容器充分充电以激活对应的螺线管例如62从而打开灌溉喷灌器例如18A；

5、在充分的灌溉周期之后的预定时间，表面波发射器控制器24经由表面波信号20发出命令以向螺线管62释放脉冲并关闭对应的灌溉喷灌器例如18A（或控制阀）。

现在已详细描述了本发明的优选实施例的一些细节，对于本领域技术人员明显的是，灌溉系统和关联的表面波发射器至少具有如下优点：

1、利用表面波信号控制灌溉喷灌器的灌溉系统避免在卫星控制器与各个灌溉喷灌器之间的硬接线的需求；

2、无线安装意味着更低的安装和维护成本；

3、无线安装不易于受损坏硬接线系统的雷电袭击且不需要更换；

4、灌溉系统自身能够改装现有的系统例如卫星系统；

5、表面波信号以及优选的表面波的地下分量沿着空/地界面的传输被理解为避免遵守适用于空中传播的电磁传输的管理机构要求的需要；

6、与损失与距离的平方成反比的空中传播的电磁传输不同，所述实施例的表面限制波被理解为具有与距离成反比的能量损失，从而需要相对较低的优选传输的能量。

本领域技术人员将理解，在此描述的发明易于对具体所述的方案进行修改和变换。例如，特定系统构型可从所描述的更适用于高尔夫球场的那样进行改变。例如，灌溉系统可具有用于任意数量的灌溉喷灌器的普通家用的或灌溉设施。表面波接收器不需要构造为所描述的那样，而是可以具有任意普通结构，其允许表面波信号有效地激活灌溉喷灌器及其关联的表面波接收器。本质由前面的描述确定的所有这些修改和变换应被视为在本发明的范围内。

Claims (21)

1.一种灌溉系统，包括：

表面波发射器，其包括驱动单极，该驱动单极位于地表之下且其驱动端位于地表处或地表附近，所述表面波发射器适于主要位于地下并由电子控制系统控制以在预定条件下以3与30MHz之间相对较低的操作频率传输表面波信号；

表面波接收器，其适于位于地下并可操作地耦合到灌溉喷灌器以响应低频表面波信号的地下分量来激活该喷灌器。

2.根据权利要求1所述的灌溉系统，其中，表面波发射器适于主要正好位于地表之下，以有效地发射表面波信号的地下分量。

3.根据权利要求1所述的灌溉系统，其中，电子控制系统包括表面波发射器控制器，该表面波发射器控制器可操作地耦合到表面波发射器以发出表面波信号的地下分量，从而激活多个灌溉喷灌器中的至少一个喷灌器。

4.根据权利要求3所述的灌溉系统，其中，表面波信号包括识别码，该识别器对应于多个喷灌器中的响应表面波信号的地下分量而激活的所述一个喷灌器。

5.根据权利要求3或4所述的灌溉系统，其中，表面波发射器控制器适于耦合到中央控制器或卫星控制器，该中央控制器或卫星控制器在预定条件下向表面波发射器控制器发出电子控制信号，以指示表面波发射器向多个喷灌器发出表面波信号。

6.根据权利要求1所述的灌溉系统，其中，表面波发射器包括以曲折线构型串联连接的一个或多个导体。

7.根据权利要求6所述的灌溉系统，其中，表面波发射器还包括一对对置的栅网元件，每个栅网元件提供连接在所述一对对置的栅网元件之间的用于导体的一系列连接装置。

8.根据权利要求7所述的灌溉系统，其中，导体布置成内外阵列，所述内外阵列通过所述一对对置的栅网元件纵向间隔开并通过电磁屏径向或侧向分离。

9.根据权利要求1所述的灌溉系统，其中，表面波接收器安装到灌溉喷灌器上。

10.根据权利要求9所述的灌溉系统，其中，表面波接收器包括呈铁氧体磁棒形式的棒状天线元件，其检测表面波信号的地下分量的磁场。

11.根据权利要求9所述的灌溉系统，其中，表面波接收器是蛇形线构型的导体，以实现接收和传输能力。

12.一种表面波发射器，包括：

以曲折线构型串联连接的一个或多个导体；

一对对置的栅网元件，每个栅网元件提供连接在所述一对对置的栅网元件之间的用于互连导体的多个连接装置，以形成导体的内外阵列；

位于内外阵列之间的电磁屏。

13.根据权利要求12所述的表面波发射器，其中，导体的内外阵列彼此同心地布置。

14.根据权利要求13所述的表面波发射器，其中，同心的内外阵列由圆柱形的电磁屏分离。

15.根据权利要求14所述的表面波发射器，其中，圆柱形的电磁屏与导体的同心的内外阵列同心地布置。

16.根据权利要求12所述的表面波发射器，其中，所述一对对置的栅网元件中的每一个栅网元件包括印刷电路板，其具有用于串联地互连导体的内外阵列的多个连接装置。

17.根据权利要求12所述的表面波发射器，其中，表面波发射器还包括地面导电板，其在栅网元件之一处或与该栅网元件之一相邻地电连接到电磁屏。

18.根据权利要求17所述的表面波发射器，其中，表面波发射器进一步包括电容性负载板，其在对置的栅网元件处或与该对置的栅网元件相邻地电连接到导体中的另一个。

19.根据权利要求18所述的表面波发射器，其中，连接到第一驱动元件和电容性负载板的相应的导体都位于导体的外阵列中。

20.根据权利要求12至19中任一项所述的表面波发射器，其中，表面波发射器配置为发射表面波信号的地下分量。

21.根据权利要求1所述的灌溉系统，其中，相对较低的操作频率为13.56MHz。