CN104542198A - 光伏灌溉自动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏灌溉自动控制方法，用于灌溉系统，所述灌溉系统包括光伏装置、灌溉装置和控制装置，所述光伏灌溉自动控制方法包括步骤：由所述光伏装置为所述灌溉装置和所述控制装置供电；由控制装置的微电脑时控开关，多时段控制所述灌溉装置的启停；对设置在所述灌溉装置的灌溉管路上的开关组件进行开闭控制，在所述灌溉管路内形成不同的水流路径进行灌溉。本发明合理的利用了太阳能，实现了无人值守、自供能、封闭循环并且自动灌溉农作物。

Description

光伏灌溉自动控制方法

技术领域

本发明涉及灌溉设备技术领域，尤其与一种光伏灌溉自动控制方法有关。

背景技术

农业灌溉设施的技术进步，对于农业发展有重大的意义。但现有的农田灌溉成套系统比较落后，抽水、储水、灌溉几乎全是手动控制，自动化程度非常低，随之带来很多问题，比如维护量大、水资源浪费等。

公开号为CN103210817A的专利文件公开了一种农田自动灌溉系统，包括多个农田喷水器，每个农田喷水器上均设有一个执行器节点，每个执行节点呈放射状连接有多个传感器节点，所述执行器网络通过电信号连接有数据处理单元和与数据处理单元相连的控制单元，所述传感器节点包括顺序连接的土壤湿度传感器、A/D转换器、单片机、无线芯片nRF9E5和GPRS无线通信模块，所述土壤湿度传感器、A/D转换器、单片机、无线芯片nRF9E5通过电源模块供电；所述执行器节点包括顺序连接的流量控制阀、ARM9微处理器、无线芯片nRF905和通信模块。

公开号为CN103535245A的专利文件公开了一种多灌区自动灌溉施肥机控制设备，包括供补水装置、吸肥装置、混合装置、灌溉与施肥装置、控制装置，所述供补水装置和吸肥装置分别与混合装置连接，所述灌溉与施肥装置与混合装置连接，所述控制装置分别与补水装置、吸肥装置、混合装置、灌溉与施肥装置连接并接收检测信号、输出控制信号。

上述灌溉设备虽然实现了灌溉的自动化，但未使用清洁能源，也没有把喷灌和滴灌两种灌溉方式有机结合。

因此，需要开发一种光伏灌溉自动控制方法，以解决上述技术问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的为提供一种光伏灌溉自动控制方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种光伏灌溉自动控制方法，用于灌溉系统，所述灌溉系统包括光伏装置、灌溉装置和控制装置，所述光伏灌溉自动控制方法包括步骤：由所述光伏装置为所述灌溉装置和所述控制装置供电；由控制装置的微电脑时控开关，多时段控制所述灌溉装置的启停；对设置在所述灌溉装置的灌溉管路上的开关组件进行开闭控制，在所述灌溉管路内形成不同的水流路径进行灌溉。

本发明的有益效果在于，本发明能够有效利用太阳能，并实现自动封闭循环，而且尽可能少地使用外部电源。实现了整个灌溉过程的自动化，土壤湿度传感器与滴灌管路、喷灌管路的相互配合，在保证最佳灌溉效果的同时减少了用水量，在实用性大大加强的前提下增加了灌溉系统的演示效果，能够直观的感受到光伏对灌溉的影响。而且增加了整个灌溉系统运行的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例的光伏灌溉自动控制方法所应用的灌溉系统的灌溉装置的示意图。

图2为本发明实施例的光伏灌溉自动控制方法的控制原理示意图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是，本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

下面参考附图和优选实施例对技术方案作详细说明。

如图1和图2所示，本发明实施例的光伏灌溉自动控制方法，用于灌溉系统，灌溉系统包括灌溉装置、光伏装置和控制装置。其中，光伏装置所发电量，给灌溉装置和控制装置供电。

图1为本发明实施例的光伏灌溉自动控制方法所应用的灌溉系统的灌溉装置的管路连接图。

如图1所示，灌溉装置包括储水容器、灌溉管路和开关组件。其中，储水容器包括高位储水罐601和低位储水罐701；其中，高位储水罐601的液位上限位置高于低位储水罐701的液位上限位置；高位储水罐601的液位下限位置高于低位储水罐701的液位下限位置。

灌溉管路包括用水管路、用于向所述储水容器进水的进水管路、用于向所述用水管路供水的供水管路和演示管路，其中，用水管路包括滴灌管路和喷灌管路。开关组件，设置在灌溉管路上，通过控制装置的控制器对开关组件的开闭控制，在灌溉管路内形成不同的水流路径。开关组件包括四类，分别为控制开关、电磁阀、手动常开阀和手动常闭阀，其中，除手动常闭阀311单独设置之外，电磁阀和手动常闭阀是成对设置，且是并联设置。

其中，进水管路包括自来水进水管路901、低罐进水管路913和高罐进水管路905。自来水进水管路901也即外部水源进水管路，低罐进水管路913上设置有手动常开阀201。自来水进水管路901上设置有电磁阀101和手动常闭阀301；高罐进水管路905上设置有电磁阀105和手动常闭阀305。

供水管路包括直供管路911、低罐供水管路904和高罐供水管路906，其中自来水进水管路901分支出直供管路911和低罐进水管路913；而高罐供水管路907一端连接高位储水罐601，另一端与直供管路911汇合后，连接于用水管路。直供管路911上设置有手动常闭阀311；低罐供水管路904上设置有电磁阀104和手动常闭阀304；高罐供水管路906上设置有电磁阀106和手动常闭阀306。

演示管路包括第一演示管路902和第二演示管路903，其中，第一演示管路902连接在低位储水罐701与直供管路911之间，第二演示管路903连接在低位储水罐701与连接点A之间。其中，第一演示管路902上设置有电磁阀102和手动常闭阀302，第二演示管路903上设置有电磁阀103和手动常闭阀303。

用水管路包括滴灌管路907、第一喷灌管路908、第二喷灌管路909和第三喷灌管路910，但这仅是实施例，本发明并不限定滴灌管路和喷灌管路的个数。滴灌管路907上设置有电磁阀107、手动常开阀202、手动常开阀204和手动常闭阀307；而第一喷灌管路908、第二喷灌管路909和第三喷灌管路910上分别设置有电磁阀108、109和110，以及手动常闭阀308、309、310。另外，灌溉管路还包括两段共用管路，即共用管路912和共用管路914，共用管路912连接在低位储水罐701与连接点B之间，而共用管路914是连接点A与连接点B之间的管路，共用管路912是第二循环管路903、低罐供水管路904和高罐进水管路905的共用管路，而共用管路914是第二循环管路903和高罐进水管路905的共用管路。

灌溉装置中各开关组件的功能说明如下：

电磁阀101：控制外部注水(自来水)的流通，即控制是否往低位储水罐701内注水(或者是否直接由自来水灌溉)。电磁阀101打开，手动常开阀201保持常开，手动常闭阀302保持常闭，则是进行低位储水罐701注水；电磁阀101打开，手动常开阀201关闭，手动常闭阀311打开，则是自来水直接灌溉，自来水直接灌溉是一种应急措施，当低位储水罐701和高位储水罐601都没有水时，需要进行自来水直接灌溉；电磁阀101关闭，则停止向低位储水罐701注水或停止灌溉。本发明的光伏灌溉自动控制方法，优选的使用自来水作为外部水源，但本发明并不局限于此，也可使用井水、河水等作为外部水源。

电磁阀102、103：主要用于水循环演示，打开时进行水循环演示，关闭时进行正常的注水或灌溉。演示路径将在以下的内容中提及。

电磁阀104：用于灌溉及水循环演示的控制，电磁阀104打开时进行喷灌或水循环，电磁阀104关闭时进行高位储水罐601的正常注水或滴灌。

电磁阀105：用于控制高位储水罐601的注水或者水循环演示，电磁阀103和电磁阀105打开，手动常闭阀303、305关闭时，潜水泵801工作，开始给高位储水罐601注水，电磁阀105关闭时进行水循环演示或滴灌。

电磁阀106：用于控制正常使用时(非演示时)的滴灌和喷灌，打开时进行滴灌或者喷灌，关闭时滴灌或者喷灌停止。

电磁阀107：滴灌总阀，与手动常开阀202和手动常开阀204配合控制滴灌，电磁阀107、手动常开阀202和手动常开阀204打开时进行滴灌，电磁阀107关闭时滴灌停止，也可以关闭手动常开阀202和手动常开阀204使得滴灌停止。

电磁阀108、109、110：用于控制三路喷灌，手动常闭阀308、309、310处于关闭状态，当其中一路喷灌单独工作时其它两路电磁阀关闭。

手动常开阀201、手动常闭阀311：控制低位储水罐701的正常补水及故障时灌溉水的来源；低位储水罐701正常补水时，手动阀常开阀201打开，手动常闭阀302关闭，系统故障时，进行应急供水，手动常开阀201关闭，手动常闭阀302打开，由自来水直接进行灌溉。

手动常开阀202、204、205：手动常开阀202、204设置于滴灌管路907的上下游，用于手动停止滴灌；滴灌管路97和第一喷灌管路908之间设置有手动常开阀205。手动常开阀202、205，与电磁阀107、108、109、110配合，完成滴灌或喷灌；手动常开阀202用于隔离水循环演示与灌溉，手动常开阀205用于隔离滴灌与喷灌。这里的隔离，意味着在进行水循环演示的时候不进行灌溉，在进行滴灌时，不进行喷灌。

手动常闭阀302、303、304、305、306、307、308、309、310：对应各自并联的电磁阀，并联的电磁阀正常工作时保持常闭，并联的电磁阀故障时，打开。

潜水泵801：设置在低位储水罐701内，当喷灌或者滴灌时管路压力低时给管路加压，或者用于为演示管路的水循环演示提供水循环动力。通常情况下，高位储水罐601处于高位，本身的压差(高位储水罐601与滴灌管路907、喷灌管路908、909、910的压差)能够满足喷灌或者滴灌对于压力的要求。

潜水泵801是由光伏组件发出的直流电经逆变器逆变后的交流电供电，各电磁阀由蓄电池和升压器提供电源，为了保证稳定可靠运行，可采用市电作为保障电源。

图2为本发明中光伏灌溉自动控制方法的控制原理图。

如图2所示，本发明实施例的光伏灌溉自动控制方法，其中，所述光伏装置包括光伏组件、蓄电池、逆变器、变频器及升压器。

光伏组件：吸收太阳能，将太阳能转换为电能并输送到蓄电池进行存储；

逆变器：将蓄电池中的直流电转换为交流电；

变频器：根据光伏组件供电电压的变化调节频率保证潜水泵正常运行，给潜水泵801提供电源。

升压器：将蓄电池的直流电升压后作为电磁阀的电源；

如图2所示，所述控制装置包括：液位传感器、土壤湿度传感器、压力传感器、微电脑时控开关和作为控制器的单片机，控制器也可以为可编程逻辑控制器(PLC)。

控制开关：用于控制潜水泵801，接收单片机的控制信号，将变频器和潜水泵801接通，以使潜水泵801开始工作；

液位传感器：包括液位传感器501、502、503、504，液位传感器501安装在高位储水罐601的液位上限位置，液位传感器502安装在高位储水罐601的液位下限位置；液位传感器503安装在低位储水罐701的液位上限位置，液位传感器504安装在低位储水罐701的液位下限位置；液位传感器501、502、503、504将检测到的实时液位信号传递给单片机；

土壤湿度传感器：埋设在待喷灌和/或滴灌的大田里，土壤湿度传感器实时检测土壤湿度，并将土壤湿度信号反馈给单片机，土壤湿度在正常范围内时，正常进行灌溉，一旦检测到土壤湿度过大，也即超过设定湿度上限时，单片机会控制相应的控制喷灌和滴灌的电磁阀和潜水泵801停止工作，以停止灌溉，并可同时报警。

压力传感器401，设置在用水管路上，具体是安装在电磁阀106和手动常开阀202之间的管路上，压力传感器401将管道压力(水压)信号上传到单片机；进行喷灌时，压力传感器401实时检测管道压力，当管道压力下降时，压力传感器401检测到压力减小的信号后，具体的是减小到小于一压力设定值时，将此信号反馈给单片机，单片机控制电磁阀106打开，进行补水，以进行管道补压。

微电脑时控开关：连接于控制器，用于系统工作时间的设定，并控制着整个灌溉系统的启动、关闭以及定时工作。

单片机：接收各个传感器(液位传感器、土壤湿度传感器、压力传感器401)上传的信号，控制各个电磁阀的开启与关闭，以及控制潜水泵801的启停。

本发明实施例的光伏灌溉自动控制方法所应用的灌溉系统，工作过程如下：

1、定时开启关闭。采用微电脑时控开关多时段控制所述灌溉装置的启停，控制着整个系统的启动、关闭以及定时工作；例如，11:30-14:30不宜进行喷灌，此时间段内使电磁阀105、106、107、108、109、110线圈失电关闭，电磁阀102、电磁阀104线圈得电打开，电磁阀103线圈失电关闭，并且保持手动常闭阀302的常闭，进行比较大范围水循环，具体循环路经为第一循环管路902、直供管路911、第一共用管路912和低罐供水管路904；或者电磁阀103打开，电磁阀102、电磁阀104关闭，进行小范围的水循环，循环路径为第二循环管路903、第二共用管路914和第一共用管路912；或者电磁阀102、电磁阀103关闭，电磁阀104、电磁阀107打开进行滴灌。

在灌溉完成及光照条件允许的情况下，为了展示光伏灌溉作用，可利用以上的大范围水循环和小范围水循环的两个循环路径，进行两种水循环展示。

2、自动注水及抽水。系统启动以后，首先通过液位传感器503和504检测低位储水罐701内的液位，如果处于低液位，液位传感器504给单片机一反馈信号，单片机处理该反馈信号，控制电磁阀101打开往低位储水罐701内注水(同时保持手动常开阀201的常开，手动常闭阀302的常闭)，当到达高液位时，液位传感器503给出反馈信号，单片机根据控制要求进行喷灌、水循环或者往高位储水罐601内注水。往高位储水罐601注水时，首先重复上述往低位储水罐701注水的过程，确保低位储水罐701处于高液位的前提下往高位储水罐601内注水。在光照条件允许的情况下(保证光伏组件的电力供应)，单片机发出信号启动潜水泵801，关闭电磁阀101、103、104、106，打开电磁阀105，低位储水罐701中的水经过第一共用管路912、第二共用管路914和高罐进水管路905，进入高位储水罐601。高位储水罐601加水过程中，单片机始终检测液位传感器501的高液位信号，到达高液位时，关闭潜水泵801或进行水循环。高液位，也即液位达到液位上限位置。

3、自动灌溉。白天时，灌溉系统启动后，在光照条件充足的情况下，单片机接收到低位储水罐701的液位传感器503的高液位信号以后，控制电磁阀101、102、103、105、106、107关闭，同时保持手动常开阀202、205的常开，启动潜水泵801进行喷灌，进行喷灌时，可采用3路喷灌分时开启的方式，例如电磁阀108先开启半小时，同时电磁阀109、110关闭；同理，电磁阀109开启时，电磁阀108、110关闭；电磁110开启时，电磁阀108、109关闭，可每路喷灌工作半小时，白天重复4次该过程，喷灌过程完成后控制开关给潜水泵801断电，停止喷灌(关闭电磁阀108、109、110)。

进行滴灌，高位储水罐601没水时，可先由低位储水罐701往高位储水罐601里注水，当检测到液位传感器501的高液位信号时，单片机控制潜水泵801停转，并且打开电磁阀106、107，关闭电磁阀102、104、108、109、110，同时保持手动常闭阀302处于常闭状态，手动常开阀202、204处于常开状态，进行滴灌；滴灌过程中如果高位储水罐601中水到达低液位，则在光照条件允许的情况下再次启动对高位储水罐601的加水过程。

夜晚时，只进行滴灌，控制过程与白天滴灌控制过程类似，只是直到高位储水罐601水用完时不能再补水，在整个灌溉过程中，单片机不断接收来自土壤湿度传感器的土壤湿度信号，一旦检测到土壤湿度过大时，单片机控制相应的电磁阀及潜水泵801停止灌溉并报警。

4、应急灌溉。当整个系统出现故障时，可以关掉手动常开阀201，打开手动常闭阀302，同时打开手动常闭阀301，直接用自来水进行灌溉。

本发明实施例的光伏灌溉自动控制方法的具体步骤，可以如下：

步骤1：所有电磁阀在灌溉系统启动前处于关闭状态，手动常开阀处于打开状态，手动常闭阀处于关闭状态；当设定的滴灌时间到来时，微电脑时控开关发出指令，使电磁阀106、电磁阀107打开，利用高位储水罐601与滴灌管路107之间的高度压差进行滴灌；当到达喷灌时间(通常白天进行)，微电脑时控开关发出指令，关闭电磁阀106、107，打开电磁阀104、108、109，同时保持手动常开阀202、205的常开，启动潜水泵801，利用低位储水罐701中的贮水进行喷灌；

启动潜水泵801进行喷灌，采用3路喷灌分时开启，电磁阀108先开启半小时，同时电磁阀109、110关闭；同理，电磁阀109开启时，电磁阀108、110关闭；110开启时，108、109关闭，每路喷灌喷半小时，白天重复4次该过程，喷灌过程完成后控制开关给潜水泵801断电，停止喷灌(关闭电磁阀108、109、110)。

步骤2：当低位储水罐701或者高位储水罐601水位低于设定值时，单片机通过控制开关组件启动注水程序；当土壤湿度下降到小于设定湿度下限时，单片机启动滴灌或者喷灌程序；当管道压力降低到设定管道压力之下时，启动补压程序；当需要进行水循环演示时，单片机打循环管路，进行水循环演示。

灌溉系统启动以后，首先通过液位传感器503和504检测低位储水罐701内的液位，如果低于低位储水罐701的设定低液位，液位传感器504给单片机一反馈信号，单片机处理该反馈信号，控制电磁阀101打开往低位储水罐701内注水(同时保持手动常开阀201的常开，手动常闭阀311的常闭)；当到达设定高液位时，液位传感器503给出反馈信号，单片机处理该反馈信号，控制电磁阀101关闭。

低位储水罐701到达设定高液位时，单片机可以根据控制要求进行喷灌、水循环或者往高位储水罐601内注水。往高位储水罐601注水时，确保低位储水罐701处于高液位的前提下往高位储水罐601内注水。在光照条件允许的情况下，单片机发出信号，开启电磁阀105，关闭电磁阀106，停止滴灌，启动潜水泵801，高位储水罐601加水，单片机始终检测液位传感器501的高液位信号，到达高液位时液位传感器501发出信号，单片机发出信号，关闭潜水泵801、电磁阀105，终止高位储水罐601加水；开启电磁阀106继续滴灌。滴灌过程中如果高位储水罐601中水到达设定低液位，则在光照条件允许的情况下再次启动加水过程。夜晚时，只进行滴灌，控制过程与白天滴灌控制过程类似，只是直到高位储水罐601水用完时不能再补水。

在整个灌溉过程中，单片机不断接收来自土壤湿度传感器的土壤湿度信号，一旦检测到土壤湿度过大，大于设定湿度上限时，单片机控制相应的电磁阀及潜水泵801停止灌溉并报警。当需要停止滴灌时，关闭电磁阀106和107；当需要停止喷灌时，单片机发出指令，关闭电磁阀108、109或者110；如果需要完全停止喷灌，单片机发出指令，电磁阀104、108、109和110全部关闭，停止潜水泵801的工作。

进行喷灌时，压力传感器401实时检测管道压力，当管道压力下降到设定管道压力之下时，压力传感器401检测到压力减小的信号后将此信号反馈给单片机，单片机控制电磁阀106打开，进行管道补压。

在灌溉完成及光照条件允许的情况下，为了展示光伏灌溉作用，进行两种水循环的展示。第一种是通过对电磁阀103的控制进行小范围内展示，单片机发出指令，关闭电磁阀104、105，打开电磁阀103，进行水循环演示；第二种则是通过电磁阀102、104的开启，进行较大范围的水循环演示，同时关闭电磁阀103、105、106、107、108、109、110，并且保持手动常闭阀311的常闭。

步骤3：当灌溉系统出现故障时，可以关掉手动常开阀201，打开手动常闭阀311，同时打开手动常闭阀301，直接用自来水进行灌溉。

本发明的光伏灌溉自动控制方法，能够有效利用太阳能，并实现自动封闭循环，而且尽可能少地使用外部电源。实现了整个灌溉过程的自动化，土壤湿度传感器与滴罐管路、喷灌管路的相互配合，在保证最佳灌溉效果的同时减少了用水量，在实用性大大加强的前提下增加了系统的演示效果，能够直观的感受到光伏对灌溉的影响。而且该控制系统增加了整个灌溉系统运行的稳定性，减少了后期的维护量。

本领域技术人员应当意识到在不脱离本发明所附的权利要求所揭示的本发明的范围和精神的情况下所作的更动与润饰，均属本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光伏灌溉自动控制方法，用于灌溉系统，所述灌溉系统包括光伏装置、灌溉装置和控制装置，其特征在于，所述光伏灌溉自动控制方法包括步骤：

由所述光伏装置为所述灌溉装置和所述控制装置供电；

由控制装置的微电脑时控开关，多时段控制所述灌溉装置的启停；

对设置在所述灌溉装置的灌溉管路上的开关组件进行开闭控制，在所述灌溉管路内形成不同的水流路径进行灌溉。

2.如权利要求1所述的光伏灌溉自动控制方法，其特征在于，还包括步骤：设定的滴灌时间到来时，所述微电脑时控开关发出指令，使所述灌溉管路中的高罐供水管路上的电磁阀、滴灌管路上的电磁阀打开，利用所述灌溉装置中的高位储水罐与所述滴灌管路的高度压差进行滴灌。

3.如权利要求2所述的光伏灌溉自动控制方法，其特征在于，还包括步骤：当设定的喷灌时间到来时，所述微电脑时控开关发出指令，关闭所述高罐供水管路上的电磁阀、滴灌管路上的电磁阀，开启所述灌溉管路中的低罐供水管路上的电磁阀并分时开启其中一个喷灌管路上的电磁阀，启动灌溉装置的低位储水罐中的潜水泵，利用低位储水罐中的贮水进行喷灌。

4.如权利要求3所述的光伏灌溉自动控制方法，其特征在于，还包括步骤：往所述高位储水罐注水时，重复往所述低位储水罐注水的过程，确保所述低位储水罐中的液位到达液位上限位置。

5.如权利要求1所述的光伏灌溉自动控制方法，其特征在于，喷灌或者滴灌的大田里埋设有土壤湿度传感器，灌溉过程中，所述灌溉装置的控制器不断接收来自土壤湿度传感器的土壤湿度信号，检测到土壤湿度大于设定湿度上限时，所述控制器控制相关开关组件停止灌溉并报警。

6.如权利要求5所述的光伏灌溉自动控制方法，其特征在于，还包括步骤，当土壤湿度下降到小于设定湿度下限时，启动滴灌或者喷灌程序。

7.如权利要求6所述的光伏灌溉自动控制方法，其特征在于，进行喷灌时，设置在灌溉管路的用水管路的压力传感器实时检测管道压力，当管道所述管道压力下降到设定管道压力之下时，所述控制器控制灌溉管路中的高罐供水管路打开，进行管道补压。

8.如权利要求7所述的光伏灌溉自动控制方法，其特征在于，还包括步骤：在灌溉完成时，通过连接于所述低位储水罐的第一循环管路及灌溉管路中的高罐供水管路、第一共用管路进行水循环演示。

9.如权利要求8所述的光伏灌溉自动控制方法，其特征在于，还包括步骤：在灌溉完成时，通过连接于所述低位储水罐的第二循环管路及灌溉管路中的第二共用管路、所述第一共用管路进行水循环演示。

10.如权利要求3所述的光伏灌溉自动控制方法，其特征在于，当所述灌溉系统出现故障时，所述低位储水罐的进水管路上的手动常开阀关闭，连接外部水源进水管路与用水管路的直供管路上的手动常闭阀打开，直接用自来水进行灌溉。