CN105766568A - 一种田间精量节水灌溉控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种田间精量节水灌溉控制器，采用低功耗ZigBee芯片和低功耗ARM主控电路，以及低压充电驱动电磁阀方案，使用4节普通5号碱性干电池组供电，可驱动四路12V电压脉冲的电磁阀开关，且可保持装置工作两个灌溉季以上；本发明与四路灌溉电磁阀配套使用，可以准确监测每个灌溉控制阀的工作状态和累积流量，并可方便快捷地组建低功耗田间自动化灌溉系统，整个装置成本低、工程实施成本低、运维费用低，有利于自动化精准灌溉系统的推广应用。

Description

一种田间精量节水灌溉控制器

技术领域

本发明涉及一种田间精量节水灌溉控制器，属于农田水利灌溉技术领域。

背景技术

灌溉控制器一般作为自动化灌溉系统的一部分，主要用于自动化灌溉系统中接收上位机系统的控制指令，实现对所辖的电磁阀的开启和关闭控制。由于自动化灌溉系统主要应用于农业领域，多数灌溉自动化系统处于应用示范阶段，享有政府农业补贴等优惠政策，因此，当前在自动化灌溉系统及其装置的设计和应用上偏重于功能满足要求，在成本和可维护性设计方面较欠缺。一旦需要大规模推广应用，系统功能差异不大，成本必然成为用户首要考虑的因素。

目前的灌溉控制器主要是采用无线(卫星、ZigBee、GSM/GPRS)技术的自动化灌溉系统或控制装置。中国发明专利公开号为CN102200767A公开了卫星灌溉系统控制器，采用低功率无线数据自动传输器来进行数据传输；中国发明专利公开号为CN104770274A公开了无线通信终端远程智能灌溉控制装置，采用手机卡即采用GSM进行通信；中国发明专利公开号为CN102550371A公开了一种基于物联网技术的小区或别墅用自动化灌溉控制系统及方法，介绍了采用ZigBee技术方案的，但无阀门状态反馈采集，且功耗状态未标明。中国发明专利公开号为CN103120113A公开了一种基于ZigBee小型区域灌溉系统，采用了ZigBee技术。中国发明专利公开号为CN104285763A公开了基于物联网的太阳能精准灌溉系统，采用的是现地有线链接配合3G模块无线远传的方式。中国发明专利公开号为CN104335882A公开了一种无线精确灌溉控制系统中采用了无线射频模块通信，然后通过继电器模块来控制泵及电磁阀的开启和关闭。中国发明专利公开号为CN104396700A公开了一种远程灌溉控制系统采用3G或GSM模块，供电方式采用可充电电池组配合太阳能板。中国发明专利公开号为CN104460403A公开了栽培环境监测及灌溉控制系统现场无线传输装置，介绍了采用ZigBee作为无线方式，但未介绍灌溉控制单元，仅对电磁阀进行驱动。中国发明专利公开号为CN105046924A公开了基于物联网的农田智能灌溉控制系统及其运行方法，介绍了结合ZigBee和GSM模块的控制系统。

目前灌溉控制系统的灌溉控制器技术上主要存在以下缺点：

1)成本高、影响推广使用

当前的灌溉控制器或灌溉控制系统，若采用有线的通信及电源供给方式，则铺设电缆的成本较高且妨碍农田耕作，基本上不适合大规模田间灌溉的应用；因此，现有的设计多采用无线方式，无线方式有GSM/GPRS及ZigBee等无线技术，但由于GSM/GPRS运行中需付费，导致用户在购置装置后，还需持续投入，农业领域的用户对成本敏感，导致GSM/GPRS的无线通信方式也会影响产品的推广使用。ZigBee作为一种低功耗的无线通信技术，比较适合作为灌溉控制器的通信方式。此外，产品的整体设计方案，决定了装置的成本，决定了产品是否值得推广。

2)功耗高，需配备太阳能板和蓄电池

由于当前装置多采用太阳能板和蓄电池供电，未提及使用普通碱性干电池供电方式，这跟装置的功耗密切相关，由此可推断出当前装置在设计方案上，未进行低功耗设计或存在不足，无法使用低电压的碱性干电池组驱动需大电流及高电压的电磁阀门。装置功耗高，需额外配置太阳能板和蓄电池，一方面增加系统的整体成本，另一方面，系统的防盗等维护成本也相应增加。

3)功能缺失，无电磁阀阀门状态监测功能；

现有的灌溉控制器，没有所控制的电磁阀阀门工作状态的反馈，用户无法准确获知每个灌溉控制阀的工作状态，无法及时发现问题、排除故障，可能会导致装置故障进一步恶化，无法保证灌溉系统的运行性能。

4)功能缺失，无精确流量计量功能

当前的灌溉控制器，集成了温度、商情采集、甚至于温度、气象等信息的采集，但这种方式，功能多成本高。大规模田间灌溉自动化系统中，所需的控制器数量众多，分布广泛，但整个田间的温度、气象信息甚至墒情信息差异不大，监测数量需求远少于控制器的数量。灌溉控制器的主要作用，应实现对阀门的开启关闭控制，此外，要实现准确感知阀门工作状态，准确计量通过所控阀门的水量，从而为实现精量灌溉提供条件。当前的阀门控制器，在自身精确流量计量方面还有欠缺。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种低功耗、低成本、组网方便，具备电磁阀阀门状态监测功能和流量计量功能的田间精良节水灌溉控制器，从而适合大规模田间灌溉自动化系统的工程应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种田间精量节水灌溉控制器，包括主控ARM电路和与之相连的电源管理电路、升压控制电路、正反向驱动电路、电磁阀阀门状态检测电路、电磁阀流速检测电路、ZigBee通信电路、定时中断电路、实时时钟电路，还包括干电池组、12V可调升压电路、充电及蓄能电路、四路通道驱动选择电路、四路通道状态检测选择电路以及与灌溉控制器配套使用的四路具备状态反馈功能的电磁阀；

所述干电池组与电源管理电路相连，为灌溉控制器提供4～6.4V区间的工作电源；

所述升压控制电路连接12V可调升压电路，ARM主控电路一旦接收到上位机灌溉控制系统的阀门开启或关闭命令，则开启升压控制电路，升压控制电路控制12V可调升压电路，可调升压电路通过可变分压电阻的调节，将低电压升压至12V左右，实现对充电及蓄能电路的充电；

所述正反向驱动电路连接四路通道驱动选择电路，正反向驱动电路通过四路通道驱动选择电路选定四路具备状态反馈功能的电磁阀中待驱动的一路电磁阀，开启充电及蓄能电路的快速放电，实现大电流脉冲驱动电磁阀开启或者关闭；

所述电磁阀阀门状态检测电路用于检测电磁阀阀门开度状态；

所述电磁阀流速检测电路用于检测流经开启的电磁阀的累积流量；

所述定时中断电路用于定时将电磁阀流速检测电路唤醒执行流速测量任务；

所述实时时钟电路用于记录电磁阀阀门开启和关闭的时间；

所述电源管理电路为主控ARM电路、四路通道驱动选择电路、电磁阀阀门状态检测电路、四路通道状态检测选择电路、ZigBee通信电路、实时时钟电路提供工作电源；

所述主控ARM电路通过ZigBee通信电路与上位机灌溉控制系统进行无线组网和通信。

前述的主控ARM电路采用ARM芯片STM32L151。

前述的12V可调升压电路和充电及蓄能电路之间增设充电限流电路，实现对充电及蓄能电路的小电流充电，直至充满。

前述的电磁阀阀门状态检测电路检测电磁阀阀门开度状态的过程如下：

当执行电磁阀阀门开启动作后，主控ARM电路启动电磁阀阀门状态检测电路，并通过四路通道状态检测选择电路选择开启四路具备状态反馈功能的电磁阀中的一路电磁阀，电磁阀阀门状态检测电路为电磁阀内的光电距离变送电路板供3.3V的电压，并采集光电距离变送电路板反馈的阀门开关距离的电压信号，通过标定的电压——开度校准曲线得到阀门的开度，从而实现对电磁阀阀门开度状态的检测。

前述的电磁阀流速检测电路检测流经开启的电磁阀的累积流量的过程如下：

若电磁阀正常开启，主控ARM电路启动电磁阀阀门流速检测电路，测量开启的一路电磁阀内置的转速表的数值，即获得了当前电磁阀进水口的流速，测量过程中，通过定时中断电路，定时将电磁阀阀门流速检测电路唤醒执行流速测量任务，测量完毕后，主控ARM电路控制整个电路进入低功耗休眠状态，直到接收到电磁阀阀门关闭指令并确认电磁阀阀门已经处于关闭状态，通过实时时钟电路记录本次电磁阀阀门开启和关闭的时间，然后计算出本次操作流经该路电磁阀的累积流量，计算公式为：

$Q=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_0^{\mathrm{\Δ}T}\frac{{\mathrm{\πD}}^2}{4}{V}_{i}dt$

其中，Q为本次电磁阀阀门开启后流经该电磁阀的累积流量，T为本次电磁阀阀门开启持续时间，ΔT为定时中断电路定时测量的周期，D为电磁阀进水口的内径；V_i为定时测量到的流速。

本发明所达到的有益效果：

1、本发明选用了低功耗ZigBee通信芯片和低功耗ARM主控芯片STM32L151，以及四节普通碱性干电池组低压驱动12V电磁阀的充电驱动方案，通过对装置整体电路设计的创新，使装置能够在4～6V电池组供电下工作保持两个灌溉季以上。由于方案设计上的不同，使本发明能够使用四节普通碱性干电池，首先带来的优点是电池仓和装置的一体化设计，其次，电池容易购买替换方便，装置安装拆卸方便，从而降低了产品的制造成本和维护成本。

2、本发明具备电磁阀阀门状态检测电路，可以实现对所控制的四路电磁阀阀门状态的检测，相比其它灌溉控制器无阀门状态检测，本发明可以准确获知每个电磁阀的工作状态，便于及时发现问题、排除故障，避免阀门堵塞造成的干管爆管等事故发生，提高运行的设备良好率，降低运行维护成本，保证灌溉系统的运行性能。

3、本发明结合控制器获取的电磁阀流速数据和本身记录的开启关闭时间，可精确计算出流过阀门的流量，从而精确计算出田间各电磁阀支管的流量总和，再结合干管配置的流速计量设备，即可得到本灌溉系统的田间有效的水利用系数，同时，也为干支管存在的跑水漏水情况提供检测依据。

附图说明

图1是本发明的灌溉控制器的结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的灌溉控制器由四节普通5号碱性干电池组1、电源管理电路2、低功耗主控ARM电路3、升压控制电路4、12V可调升压电路5、充电限流电路6、充电及蓄能电路7、正反向驱动电路8、四路通道驱动选择电路9、电磁阀阀门状态检测电路10、电磁阀流速检测电路11、四路通道状态检测选择电路12、ZigBee通信电路13、配置接口电路14、定时中断电路15、实时时钟电路16、RS232接口现地调试电路17、电池组监测电路18以及与本发明配套使用的四路具备状态反馈功能的电磁阀19组成。

本发明的主要功能是接受上位机灌溉控制系统的指令，实现对所控制的四路电磁阀阀门的开启和关闭，检测阀门的工作状态和对流经本阀门的流量进行计量，并在满足上述功能的前提下，通过设计方案的创新优化，尽可能降低装置的制造成本和后期运维成本，以便进行大规模田间灌溉系统的应用。

本发明采用了用户容易购买的四节普通5号碱性干电池组1用作电源，为灌溉控制器提供4～6.4V区间(单节电池有效电压区间为1～1.6V)的工作电源，并以此为基础进行整体的低功耗设计和高电压驱动电路设计。电源管理电路2为本发明主控ARM电路3、四路通道驱动选择电路9、电磁阀阀门状态检测电路10、四路通道状态检测选择电路12、ZigBee通信电路13、配置接口电路14、实时时钟电路16、RS232接口现地调试电路17提供工作电源，不仅支持碱性干电池组供电，也为太阳能配合蓄电池供电提供了选择接口。低功耗主控ARM电路3采用了低功耗ARM芯片STM32L151，该芯片具备多种低功耗运行模式，内部资源丰富，特别适合低功耗应用，低功耗主控ARM电路3通过ZigBee通信电路13与上位机灌溉控制系统进行无线组网和通信，ZigBee通信电路13采用了低功耗的ZigBee通信芯片，具有极低的休眠功耗，且具备自适应自组网功能。

低功耗ARM主控电路3一旦接收到上位机灌溉控制系统的阀门开启或关闭命令，则开启升压控制电路4，升压控制电路4控制12V可调升压电路5，可调升压电路5通过可变分压电阻的调节，即可将低电压升压至12V左右，实现对充电及蓄能电路7的充电；由于电池组放电电流过大时，电压会显著降低，导致电路重启，为了防止大电流充电对系统的影响，在12V可调升压电路5和充电及蓄能电路7之间增设充电限流电路6，实现对充电及蓄能电路7的小电流充电，直至充满。然后，低功耗主控ARM电路3开启控制正反向驱动电路8，正反向驱动电路8通过四路通道驱动选择电路9，选定四路具备状态反馈功能的电磁阀19中待驱动的一路电磁阀，开启充电及蓄能电路7的快速放电，实现大电流脉冲驱动电磁阀开启或者关闭。

当本发明执行阀门开启动作后，为检测电磁阀的阀门是否按指令正确动作，低功耗主控ARM电路3启动电磁阀阀门状态检测电路10，并通过四路通道状态检测选择电路12选择开启四路具备状态反馈功能的电磁阀19中的一路电磁阀；电磁阀阀门状态检测电路10为电磁阀内的光电距离变送电路板供3.3V的电压，并采集光电距离变送电路板反馈的阀门开关距离的电压信号，通过标定的电压——开度校准曲线得到阀门的开度，从而实现对电磁阀阀门开度状态的检测。若电磁阀阀门未正常开启，本发明则记录故障状态，并将故障信号反馈给上位机灌溉控制系统，这种功能极大地方便了用户及时了解电磁阀阀门的工作状态，便于及时排障，避免阀门堵塞造成的干管爆管等可能出现的事故。

若电磁阀正常开启，低功耗主控ARM电路3启动电磁阀阀门流速检测电路11，测量开启的一路电磁阀内置的转速表的数值，即获得了当前电磁阀进水口的流速；因电磁阀进水口保持满管，电磁阀的流速乘以进水口的面积，再乘以阀门打开的时间，即可得到累积流量。因为流速在开启过程中是变化的数值，因此，为了取得尽可能准确的实时转速(流速)，则每间隔一段时间进行一次流速的测量，因此，通过定时中断电路15，定时将模块唤醒执行流速测量任务，测量完毕后，主控ARM电路3即控制整个电路进入低功耗休眠状态，以尽可能节省电源消耗，延长电池使用时间。直到接收到阀门关闭指令并确认阀门已经处于关闭状态，则根据各定时测量测得的流速，累加各时间段的流量，即得到流进阀门相对准确的流量值。实时时钟电路16则记录本次阀门开启和关闭的时间，主控ARM电路3将该数值存储并发送给上位机，作为上位机操作过程信息予以记录。

流经电磁阀的累积流量，计算公式为：

$Q=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_0^{\mathrm{\Δ}T}\frac{{\mathrm{\πD}}^2}{4}{V}_{i}dt$

其中：

在上式中，D为电磁阀进水口的内径；V_i为定时测量到的流速；ΔT为定时测量的周期；T为本次阀门开启持续时间，Q为本次阀门开启后流进该路电磁阀的累积流量。

通过综合考虑系统功耗以及计算流量的准确性，选择合适的定时测量的周期ΔT(使V_i尽可能等效于实时流速)，即可得到较为精确的流量数据。主控ARM芯片通过上述计算，得到累积流量后执行存储操作，再将流量数据上报给灌溉控制系统。通过这种方式，本发明可以提供所控制的各分支管路的准确流量，再配合安装于干管的流量计量装置，即可分析得出该灌区准确的水利用系数，以及干管和分支管路的流量差值，为判断管路是否存在跑水漏水情况提供检测依据。

本发明除上述主要功能外，还配置接口电路14和RS2332接口现场调试电路17，为现场程序更新和功能调试提供便利，配置电池组监测电路18，用于实现对电池组电压的实时监测，一旦电池电压过低，则进行告警，提醒用户及时更新装置电池，这几个电路的存在，均是为了使本发明的安装运维更加便利和人性化，使本发明更适合大规模工程应用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种田间精量节水灌溉控制器，其特征在于，包括主控ARM电路和与之相连的电源管理电路、升压控制电路、正反向驱动电路、电磁阀阀门状态检测电路、电磁阀流速检测电路、ZigBee通信电路、定时中断电路、实时时钟电路，还包括干电池组、12V可调升压电路、充电及蓄能电路、四路通道驱动选择电路、四路通道状态检测选择电路以及与灌溉控制器配套使用的四路具备状态反馈功能的电磁阀；

所述干电池组与电源管理电路相连，为灌溉控制器提供4～6.4V区间的工作电源；

所述升压控制电路连接12V可调升压电路，ARM主控电路一旦接收到上位机灌溉控制系统的阀门开启或关闭命令，则开启升压控制电路，升压控制电路控制12V可调升压电路，可调升压电路通过可变分压电阻的调节，将低电压升压至12V左右，实现对充电及蓄能电路的充电；

所述正反向驱动电路连接四路通道驱动选择电路，正反向驱动电路通过四路通道驱动选择电路选定四路具备状态反馈功能的电磁阀中待驱动的一路电磁阀，开启充电及蓄能电路的快速放电，实现大电流脉冲驱动电磁阀开启或者关闭；

所述电磁阀阀门状态检测电路用于检测电磁阀阀门开度状态；

所述电磁阀流速检测电路用于检测流经开启的电磁阀的累积流量；

所述定时中断电路用于定时将电磁阀流速检测电路唤醒执行流速测量任务；

所述实时时钟电路用于记录电磁阀阀门开启和关闭的时间；

所述电源管理电路为主控ARM电路、四路通道驱动选择电路、电磁阀阀门状态检测电路、四路通道状态检测选择电路、ZigBee通信电路、实时时钟电路提供工作电源；

所述主控ARM电路通过ZigBee通信电路与上位机灌溉控制系统进行无线组网和通信。

2.根据权利要求1所述的一种田间精量节水灌溉控制器，其特征在于，所述主控ARM电路采用ARM芯片STM32L151。

3.根据权利要求1所述的一种田间精量节水灌溉控制器，其特征在于，所述12V可调升压电路和充电及蓄能电路之间增设充电限流电路，实现对充电及蓄能电路的小电流充电，直至充满。

4.根据权利要求1所述的一种田间精量节水灌溉控制器，其特征在于，所述电磁阀阀门状态检测电路检测电磁阀阀门开度状态的过程如下：

当执行电磁阀阀门开启动作后，主控ARM电路启动电磁阀阀门状态检测电路，并通过四路通道状态检测选择电路选择开启四路具备状态反馈功能的电磁阀中的一路电磁阀，电磁阀阀门状态检测电路为电磁阀内的光电距离变送电路板供3.3V的电压，并采集光电距离变送电路板反馈的阀门开关距离的电压信号，通过标定的电压——开度校准曲线得到阀门的开度，从而实现对电磁阀阀门开度状态的检测。

5.根据权利要求1所述的一种田间精量节水灌溉控制器，其特征在于，所述电磁阀流速检测电路检测流经开启的电磁阀的累积流量的过程如下：

若电磁阀正常开启，主控ARM电路启动电磁阀阀门流速检测电路，测量开启的一路电磁阀内置的转速表的数值，即获得了当前电磁阀进水口的流速，测量过程中，通过定时中断电路，定时将电磁阀阀门流速检测电路唤醒执行流速测量任务，测量完毕后，主控ARM电路控制整个电路进入低功耗休眠状态，直到接收到电磁阀阀门关闭指令并确认电磁阀阀门已经处于关闭状态，通过实时时钟电路记录本次电磁阀阀门开启和关闭的时间，然后计算出本次操作流经该路电磁阀的累积流量，计算公式为：

$Q=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\∫}_0^{\mathrm{\Δ}T}\frac{{\mathrm{\πD}}^2}{4}{V}_{i}dt$

其中，Q为本次电磁阀阀门开启后流经该电磁阀的累积流量，T为本次电磁阀阀门开启持续时间，ΔT为定时中断电路定时测量的周期，D为电磁阀进水口的内径；V_i为定时测量到的流速。