CN103861762A - 一种智能节能喷水系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能节能喷水系统，其特征在于：包括有单片机、角度传感器、第一A/D转换器、电磁阀系统和喷水头；所述角度传感器的输出端通过第一A/D转换器连接至单片机的第一信号输入的；所述单片机的输出端通过电磁阀系统连接至喷水头。本发明采用单片机结合角度传感器以及湿度传感器控制灌溉，根据地面的湿度、不同植物对水的需求来控制浇灌；并通过电磁阀系统控制在纵向设置的喷水头的多孔来实现对不同距离的浇灌，从而实现对不同的作物面积的浇灌，减少了灌溉控制随意性，并能完全实现自动化管理。本发明作为一种智能节能喷水系统可广泛应用于灌溉设备领域。

Description

一种智能节能喷水系统
技术领域
本发明涉及灌溉设备领域，尤其是一种智能节能喷水系统。
背景技术
随着我国智能节能产品市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研发已成为国内企业关注的焦点。国内外智能节能产品的生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。现在很多公司都在对智能节能产品进行研究，研究较多的有智能节能灯，智能建筑材料，对于智能节能喷水头也有相应的研究。
我国大部分大、中城市严重缺水，而现行灌溉技术对水利用效率不高(有效利用率低于40％)，大量绿化用水被浪费掉。改善灌水技术，采用智能化，精准化灌溉，努力提高水的利用率势在必行。传统的绿化用水，多由水车拉至现场，用人工皮管大水漫灌，这种方法大约有80％的水由于深层渗漏及无效蒸发损失掉。近些年，管网供水，喷头喷洒的喷灌灌水法，日渐流行起来，但管网控制大部分仍采用手动法，这种方法随意性大，常常发生该灌水时，无人开阀，不该灌时又无人关阀。一边下雨一边喷水，草地变人工湖，马路变排水渠的情况屡见不鲜，采用这种方法，水的利用达不到好的效果。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种可以对不同的作物面积、地面的湿度、不同植物对水的需求不同实现自动灌溉且高效节能的智能节能喷水系统。
本发明所采用的技术方案是：一种智能节能喷水系统，包括有单片机、角度传感器、第一A/D转换器、电磁阀系统和喷水头；所述角度传感器的输出端通过第一A/D转换器连接至单片机的第一信号输入的；所述单片机的输出端通过电磁阀系统连接至喷水头。
进一步，还包括有湿度传感器和第二A/D转换器，所述湿度传感器的输出端通过第二A/D转换器连接至单片机的第二信号输入端。
进一步，所述喷水头为多孔喷头，所述多孔喷头的多个喷孔呈纵向排列，所述电磁阀系统为多孔电磁阀系统，所述多孔电磁阀系统用于对上述多孔喷头的多个喷孔进行控制。
进一步，所述多孔喷头的多个喷孔呈一排或多排纵向排列。
进一步，所述喷水头的入水口设置有稳流器。
进一步，所述喷水头的入水口设置有过滤器。
本发明的有益效果是：本发明采用单片机结合角度传感器以及湿度传感器控制灌溉，根据地面的湿度、不同植物对水的需求来控制浇灌；并通过电磁阀系统控制在纵向设置的喷水头的多孔来实现对不同距离的浇灌，从而实现对不同的作物面积的浇灌，减少了灌溉控制随意性，并能完全实现自动化管理。
附图说明
图1为本发明喷水系统的结构原理图；
图2为本发明的控制流程示意图；
图3为喷头结构图解以及喷射中心轨迹；
图4为矩形区域喷洒射程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
参照图1，一种智能节能喷水系统，包括有单片机、角度传感器、第一A/D转换器、电磁阀系统和喷水头；所述角度传感器的输出端通过第一A/D转换器连接至单片机的第一信号输入的；所述单片机的输出端通过电磁阀系统连接至喷水头。
参照图1，进一步作为优选的实施方式，还包括有湿度传感器和第二A/D转换器，所述湿度传感器的输出端通过第二A/D转换器连接至单片机的第二信号输入端。
进一步作为优选的实施方式，所述喷水头为多孔喷头，所述多孔喷头的多个喷孔呈纵向排列，所述电磁阀系统为多孔电磁阀系统，所述多孔电磁阀系统用于对上述多孔喷头的多个喷孔进行控制。
进一步作为优选的实施方式，所述多孔喷头的多个喷孔呈一排或多排纵向排列。
进一步作为优选的实施方式，所述喷水头的入水口设置有稳流器。
进一步作为优选的实施方式，所述喷水头的入水口设置有过滤器。
以下结合说明书附图说明本发明的具体实施例：
一个典型的自动灌溉系统都是由控制器、电磁阀和喷头组成。其中：控制器的作用是发布灌溉指令，相当于系统的神经中枢，电磁阀的作用是关闭和开启管路水流，喷头的作用是将水最终喷洒到给定区域。
本发明的智能节能喷水系统由硬件控制器系统和软件控制系统两大部分组成。智能喷头是基于传感元件，以及灵活多变的单片机编程系统来通过输入改变输出。整个控制系统的核心是电路系统，电路系统包括单片机组件部分和基本电路（如稳压稳流部分等）。硬件系统主要负责对传感器数据的采集和电磁阀的控制，软件系统由单片机对实际情况编程，负责对应输入与输出之间的关系，其具体工作流程可参照图2。
本发明中的角度传感器的作用是对场地的识别从而确定需要浇灌的面积，也可用光纤距离传感器代替。但是类似于光纤距离传感器这一类的传感器都基于发射一个信号，到反射端面后反射回来，另一根光纤接口接收这个反射回来的信号，根据对发送和接收信号的比较，即可得到对应距离。但是反射端面在一般环境中不好确定，有时需要加反射装置，所以光纤测距传感器不作为第一选择。
因此本发明选择角度传感器，角度传感器可以选择一个基准面然后转动时就可以知道转过的角度，一个角度范围对应一个喷头的喷水距离，这样就可以实现对所需浇灌的面积的确定。
本发明中湿度传感器的作用是探测土壤湿度，从而决定是否需要控制喷水头进行浇灌。每一种植物对水的需求量不一样，在植物所生长的土壤里安装一个（或者多个）湿度传感器，湿度传感器与喷头联系在一起，传感器的作用是时刻探测土壤湿度，一旦土壤湿度低于植物所需湿度时就传递给喷头一个信号，喷头通过接收到的信号自动启动整个喷水装置，喷头直接与自来水管相连。当湿度高于某一值时，湿度传感器再次传递给喷头一个信号，关闭喷水装置，从而实现自动管理。
电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀是用电磁的效应进行控制，主要的控制方式由继电器控制。这样，电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。
电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来挡住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。
本发明中电磁阀用于控制喷水孔的开闭，同时结合本发明中的喷头，实现对任意形状的面进行浇灌。
现有喷头结构主要由喷头体外壳、过滤器、驱动装置、限速装置、喷头顶盖板、内筒、换向调节限位装置喷嘴构成，该喷头在农业灌溉能取得广泛的应用，其性能特点已经满足市场上的需求，但不足的是该喷头只是广泛地被使用在圆形区域进行灌溉，而如对大棚菜地，花园等非圆形区域，即矩形区域上的应用尚有缺陷，因此我们课题小组将在现有喷头的基础上进行改进，能够很好地解决现有喷头在非圆形区域的局限性，更能够地大量地减少对水资源的利用。
针对此情况，本发明的喷水头对喷水头的喷嘴进行了改进，将其改成了多孔的结构，并采取多孔电磁阀电路系统对其进行控制，在矩形区域喷灌时，对于距离的远近，我们可以通过角度位移传感器对旋转喷头旋转角度的测量，经过A\D转换器的处理得到的信息，通过数字控制器来实现对多孔喷头的电磁伐开启从而达到对矩形区域的非等距进行喷灌。
参照图3和图4对本发明喷水头的工作原理进行分析：
喷头射程即喷洒湿润半径，单位为m。它决定着一位置上的灌溉面积、喷洒效率、喷灌强度等，是喷灌系统设计中一个很重要的指标，智能喷头对喷头的研究关键就在对多孔上射程的研究，经数学分析可以得到：
S=v sinαt
Figure 2014100695528100002DEST_PATH_IMAGE002
其中，S为喷嘴射程，v为弧面上的喷孔的法向流速，α为流速与铅垂方向夹角，g 重力加速度；
为了便于研究不同喷头的射程s，我们采取对流速v进行定量分析 假设v=5m/s，符合喷灌水流流速，h=2m，r=0.1m对喷孔进行编号分别为，i 取值1,2,3,4,5,6,7，且喷孔半径为=0.005m，各个喷孔对应的角度α（20~140）分别为20，40,60,80,100,120,140度
则对应的多孔喷头的射程
Figure DEST_PATH_IMAGE008
分别为：0.52m，1.11m，1.83m，2.37m，3.58m，4.33m，5.66m，因为当水喷洒在地表时，其喷洒半径与喷孔半径成正比，所以取
Figure DEST_PATH_IMAGE010
= 
Figure DEST_PATH_IMAGE012
=0.1m则在每个喷孔对应射程的喷洒半径为0.1m。
现对喷头在矩形区域喷洒射程分析，参照图4，喷头在矩形中心，对矩形区域设定边长分别为AB，AC，根据以上对多孔喷头射程的分析，我们可以设定OA=5.5m,OF=2m,AF=5m，矩形边界OA为当电磁阀开启全部喷孔达到的最大距离喷洒，OF为开启1，2，3号喷孔对应的最小距离喷洒，当角度传感器传给单片机一个角度值后，经其处理后可以获得喷头对应矩形边界的距离，从而可以选取对应开启喷孔的个数，然后通过程序设置确定喷头旋转角度α与开启喷孔
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
。
通过以上的设计思路，这样我们在现有喷头的基础上通过增加喷孔的数量从而实现了对非圆形区域的喷灌，同时在研究喷头的过程中，我们也可以通过其他方案来完成对矩形区域的喷灌，如智能控制的喷头倾角的改变等方案来完成。对于水的流速问题可以在喷头上安装稳流器，稳定水流的速度，使喷水孔的流速稳定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种智能节能喷水系统，其特征在于：包括有单片机、角度传感器、第一A/D转换器、电磁阀系统和喷水头；所述角度传感器的输出端通过第一A/D转换器连接至单片机的第一信号输入的；所述单片机的输出端通过电磁阀系统连接至喷水头。
2.根据权利要求1所述的一种智能节能喷水系统，其特征在于：还包括有湿度传感器和第二A/D转换器，所述湿度传感器的输出端通过第二A/D转换器连接至单片机的第二信号输入端。
3.根据权利要求1所述的一种智能节能喷水系统，其特征在于：所述喷水头为多孔喷头，所述多孔喷头的多个喷孔呈纵向排列，所述电磁阀系统为多孔电磁阀系统，所述多孔电磁阀系统用于对上述多孔喷头的多个喷孔进行控制。
4.根据权利要求1所述的一种智能节能喷水系统，其特征在于：所述多孔喷头的多个喷孔呈一排或多排纵向排列。
5.根据权利要求1所述的一种智能节能喷水系统，其特征在于：所述喷水头的入水口设置有稳流器。
6.根据权利要求1所述的一种智能节能喷水系统，其特征在于：所述喷水头的入水口设置有过滤器。
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