CN106577191A - 一种新型喷淋灌溉控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种喷淋灌溉控制系统，该系统包括：电路控制模块及与电路控制模块连接的无线传感器信号通信模块、无线WiFi模块、供电模块、输出模块、控制信号接收模块、电磁阀、A/D转换模块；所述A/D转换模块连接无线湿度传感器，所述无线湿度传感器设置在草坪下的土壤表层，采集土壤里的干湿度信号，所述无线湿度传感器检测到的湿度信号通过A/D模块转换，将标准的电流模拟信号转换为湿度数字信号，输入到电路控制模块；智能灌溉系统不仅可以提高源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本。

Description

一种新型喷淋灌溉控制系统
技术领域
本发明涉及喷淋灌溉技术，具体的说是涉及一种喷淋灌溉控制系统。
背景技术
水资源被浪费的原因是技术精度达不到，美国有4,500万个仅是安有简易计时器的喷淋灌溉系统，它们在时间控制上还可以，但精准度不高。Spain称，城市喷淋灌溉系统占城市用水的58％，这些被浪费的水资源每年生产54.4万吨温室气体。
在中国喷淋农业用水量约占总用水量的80％左右，由于农业喷淋灌溉效率普遍低下，水的利用率仅为45％，而水资源利用率高的国家已达70％～80％，因而，解决农业喷淋灌溉用水的问题，对于缓解水资源的紧缺是非常重要的。
不仅美国，英国也开始关注节水问题。英国节能信托基金会和能源部警告，随着越来越多的家庭开始节约能源，使用热水可能会超过取暖成为制造二氧化碳的主要途径。
本发明最相近似的实现方案：目前有一些喷淋装置，通过有线连接pc机监测，进行喷淋灌溉但是不适合家庭使用。
现有的灌溉方案有一个定时器，通过定时器计算时间，时长，进行灌溉，但是对于目前各家的线路，面积，与合理的灌溉时间，是没有办法界定的，所以灌溉的准确合理程度是非常低的，造成的浪费等使得人们进行更多的花销在这上面。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明要解决的技术问题在于提供了一种喷淋灌 溉控制系统。
为解决上述技术问题，本发明通过以下方案来实现：一种喷淋灌溉控制系统，该系统包括：
电路控制模块及与电路控制模块连接的无线传感器信号通信模块、无线WiFi模块、供电模块、输出模块、控制信号接收模块、电磁阀、A/D转换模块；
所述A/D转换模块连接无线湿度传感器，所述无线湿度传感器设置在草坪下的土壤表层，采集土壤里的干湿度信号，所述无线湿度传感器检测到的湿度信号通过A/D模块转换，将标准的电流模拟信号转换为湿度数字信号，输入到电路控制模块；
所述无线WiFi模块通过路由器连接云端服务器；
所述电路控制模块将信息传送给无线WiFi模块，所述无线WiFi模块将信息传送给配置好的路由器，路由器转发至云端服务器，云端服务器将搜集的信息存储，再结合当前的用户地区天气情况进行智能灌溉决策，并将决策信号传达给路由器，路由器接收决策信号并将该决策信号传送给电路控制模块，电路控制模块通过该灌溉决策将控制信息传给执行部分的电磁阀，电磁阀依据控制信号控制灌溉开或关；并在下一次灌溉之前无线传感器采集新的数据，并通过无线通讯模块上传服务器并存储以便为以后做出决策。
进一步的，所述电路控制模块包括型号为SH79F166A单片机，该单片机电连接型号为HF-LPB100的无线WIFI模块、型号为SI4432的高性能射频收发器、型号为DS1302的低功耗实时时钟芯片。
进一步的，所述供电模块的电路中电连接有型号为LM2576HVS-3.3的稳压器。
进一步的，所述无线传感器信号通信模块电路中连接有型号为PMC234CS单 片机，该单片机电连接型号为SI4432的高性能射频收发器、型号为FP6293的电流模式的升压型DC-DC转换器、型号为DS1302的低功耗实时时钟芯片、型号为24C01的存储芯片。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：智能灌溉系统不仅可以提高源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本。基于传感器技术的智能灌溉系统是发展高效农业和精细农业的必由之路。本发明灌溉系统实现了不需要人的直接参与，由系统自动实现灌溉，人的作用只是调整控制程序和检修控制设备。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明电路控制模块总电路图。
图2为图1中的无线WIFI电路放大图。
图3为图1中的射频收发器电路接口放大图。
图4为图1中的单片机电路放大图。
图5为图1中的单片机接口电路图。
图6为图1中的低功耗实时时钟芯片电路图。
图7为图1中的WIFI接口电路图。
图8为图1中的单片机电路下方连接的电路放大图。
图9为本发明电源模块电路图。
图10为本发明无线传感器信号通信模块总电路图。
图11为图10中的射频收发器电路的接口电路图。
图12为图10中的单片机电路放大图。
图13为图10中的单片机电路左侧部分的电路放大图。
图14为图10中的与单片机电路连接的转换器电路放大图。
图15为本发明控制信号接收模块电路图。
图16为图15中的右侧部分的电路放大图。
图17为图15中的控制信号接收模块射频收发器电路放大图。
图18为图15中的左侧部分的电路放大图。
图19为图15中的上侧部分的电路放大图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参照附图1～19，本发明的一种喷淋灌溉控制系统，该系统包括：电路控制模块及与电路控制模块连接的无线传感器信号通信模块、无线WiFi模块、供电模块、输出模块、控制信号接收模块、电磁阀、A/D转换模块；所述A/D转换模块连接无线湿度传感器，所述无线湿度传感器设置在草坪下的土壤表层，采集土壤里的干湿度信号，所述无线湿度传感器检测到的湿度信号通过A/D模块转换，将标准的电流模拟信号转换为湿度数字信号，输入到电路控制模块；所述无线WiFi模块通过路由器连接云端服务器；所述电路控制模块将信息传送给无线WiFi模块，所述无线WiFi模块将信息传送给配置好的路由器，路由器转发至云端服务器，云端服务器将搜集的信息存储，再结合当前的用户地区天气情况进行智能灌溉决策，并将决策信号传达给路由器，路由器接收决策信号并 将该决策信号传送给电路控制模块，电路控制模块通过该灌溉决策将控制信息传给执行部分的电磁阀，电磁阀依据控制信号控制灌溉开或关；并在下一次灌溉之前无线传感器采集新的数据，并通过无线通讯模块上传服务器并存储以便为以后做出决策。
如图1～8所示，所述电路控制模块包括控制电路1，该控制电路1包括型号为SH79F166A单片机，SH79F166A单片机上设置有第一单片机电路103该单片机电连接型号为HF-LPB100的无线WIFI模块、型号为SI4432的高性能射频收发器、型号为DS1302的低功耗实时时钟芯片。所述射频收发器上设置有接头102，所述无线WIFI模块上设置有WIFI电路101，所述WIFI电路101连接有WIFI接头104、WIFI DEBUG接头106，所述低功耗实时时钟芯片上设置有实时时钟芯片电路105，所述单片机电路103下侧部分连接两个晶振电路107。
如图9所示，所述供电模块的电路中电连接有型号为LM2576HVS-3.3的稳压器，该稳压器中设置有电源电路2，LM2576HVS-3.3芯片电连接一DB107-S桥式整流二极管，该桥式整流二极管连接P6KE47CA瞬态抑制二极管。
如图10～14所示，所述无线传感器信号通信模块电路3中连接有型号为PMC234CS单片机，该单片机电连接型号为SI4432的高性能射频收发器、型号为FP6293的电流模式的升压型DC-DC转换器、型号为DS1302的低功耗实时时钟芯片、型号为24C01的存储芯片。SI4432的高性能射频收发器电路中设置有第二接头301，PMC234CS单片机设置有第二单片机电路302，所述第二单片机电路302左侧部分的电路303连接有DS1302的低功耗实时时钟芯片电路、24C01的存储芯片电路、电源输入电路，所述升压型DC-DC转换器设置有DC-DC转换器电路304。
请参照附图15～19，图15为本发明控制信号接收模块电路4，控制信号接 收模块电路4右侧部分的电路连接有第三接头401，控制信号接收模块电路4中设置有控制信号接收模块射频收发器电路402，该控制信号接收模块射频收发器电路402中的芯片型号为SI4432，所述控制信号接收模块射频收发器电路402的左侧部分的电路连接有开关电路403，所述控制信号接收模块射频收发器电路402的上侧部分电路中连接有10R/0.2W的电阻404，该电阻404分别与三个电容连接，三个电容另一端分别接地，该三个电容的电容量大小分别是100pF、100nF、1μF。
本发发明要解决的问题包括系统可以自动开启喷淋，也可以自动关闭喷淋；可以实现土壤太干时增大喷灌量，太湿时减少喷灌量。要实现此功能就要充分利用可编程控制器的控制作用。系统要实现自动感测土壤湿度的功能必须要有土壤湿度传感器。水量多少的控制，通过不断修正的数据和算法，采用机器学习的方法，进行估算。加入天气因素的考虑，通过天气预报和实时的监测结果，结合在预先设定的标准湿度，传感器采集的湿度模拟信号转换成数字信号，通过信号的变换后，按照相应的算法进行的喷淋操作。
智能灌溉系统工作原理 灌溉系统工作时，无线湿度传感器采集土壤里的干湿度信号，检测到的湿度信号通过A/D模块转换，将标准的电流模拟信号转换为湿度数字信号，输入到电路控制模块。其中用户可使用手机应用预先设定的标准湿度值，也可由用户通过手机应用选择植物种类与土壤类型，来确定标准湿度值，实际测得的湿度信号与标准湿度比较，可以分为：在这个范围内，超出这个范围，小于这个范围三种情况。电路控制部分将信息交给无线WiFi模块，无线WiFi模块将信息传送给之前配置好的路由器，路由器转发至云端服务器，云端服务器将搜集的信息存储，再结合当前的用户地区天气情况进行智能灌溉决策，并将决策传达返回给无线通信模块，并传送给电路控制模块将控制信息 传给执行部分(电磁阀)，控制开关。并在下一次浇灌之前无线传感器采集新的数据，并通过无线通讯模块上传服务器并存储以便为以后做出决策。
每种植物都有适合其生长的湿度，湿度过大，植物的根系就会在土壤中腐烂，湿度过小，就不足以满足植物生长所需要的水分。灌溉就是最大限度地满足土壤的湿度在适宜植物生长的湿度范围之内。经资料查证最适宜草坪生长的湿度是50％-60％RH。此信号与50％-60％RH比较，可以分为：大于，等于，小于三种情况。系统按可编程控制器内预先编好的程序自动按一定的灌水量进行灌溉。最终实现不需要人的直接参与，由系统自动实现灌溉，人的作用只是调整控制程序和检修控制设备。
可编程控制器、传感器、变频器是实现智能灌溉不可缺少的设备。但要想使整个草坪都得到相同的水量，对草坪实现均匀而智能的灌溉，必须要设计一套完整的系统。一套完整的智能灌溉系统由水源、电源、可编程控制器、开关量、模拟量输入、现场仪表，显示面板等组成。
电源模块：稳定可靠的电源供应是整个系统安全、可靠运行的重要前提，要求电源模块稳定、可靠，留有一定的功率余量。
可编程控制器主控模块：负责发出和接收各种运行程序指令，是整个控制系统的中枢部分，要求具有高可靠性和稳定性，通信方式灵活，具有可扩展的功能。
开关量、模拟量输入、输出模块：该部分是可编程控制器装置正确接收信息和发出指令的关键设备，要求有高可靠性、稳定性，能实现某些电、磁的隔离功能。
机器学习：通过大量的数据收集以及相同相近地区的数据分析，确定最省水的浇灌方式，节约用水为了最大限度地节约喷灌用水和实现智能控制，灌溉 系统必须具备以下功能：
1.数据采集功能：可接收土壤湿度传感器采集的模拟量。模拟量信号的处理是将模拟信号转变成数字信号(A/D转换)。
2.控制功能：具有定时控制、循环控制的功能，用户可根据需要灵活选用控制方式。
①自动控制功能：可编程控制器通过程序将传感器检测的湿度信号与预先设定的标准湿度范围值相比较，如果检测的湿度值超出了设定湿度值，(低于设定值则调大电动机转速，高于设定值则调小电动机转速)则自动调节电动机转速，进行灌溉操作。
②定时控制功能：系统可对电磁阀设定开、关时间，当灌溉的湿度值达到设定的湿度值时，电动机自动停止灌溉。
③循环控制功能：用户在可编程控制器内预先编好控制程序，分别设定起始时间、结束时间、灌溉时间、停止时间，系统按设定好的时间自动循环灌溉。
3.变速功能：当前所测的土壤湿度值与预先设定的最适宜草坪生长的湿度值比较，分为大于、等于、小于三种结果，即可将湿度分为高湿度、中湿度、低湿度三种状态。在控制面板上表现为高湿度、中湿度、低湿度三个指示灯。变频器根据土壤湿度的三个状态自动调节电动机的转速，电动机设有高速，中速，低速3种旋转速度，分别对应高速，中速，低速三个指示灯。
4.自动转停功能：控制系统根据土壤的干湿度情况自动启动喷灌，控制电动机以所需的转速转动，喷头喷灌5分钟，停2分钟，再喷5分钟后自动停转。
5.阴雨天适量喷或自动停止：利用湿度传感器的开关量作为一个可编程控制器的输入信号，实现控制相关程序的功能。
6.省电功能：定时控制器在断电时正常计时，故采用其作为可编程控制器 的电源控制。在定时灌溉控制时间之内，由定时器接通可编程控制器的电源，可编程控制器按预先编制的程序依次打开各控制设备电源，并根据输入信号的变化随时调整程序的执行。在非系统工作时间里，定时器自动断开可编程控制器的电源，这样既减少了系统耗费的电能又延长了设备的使用寿命。
7.急停功能：当出现紧急意外事故时，按下急停按钮，电动机立即停止运转，阀门关闭，喷头停止灌溉。
8.故障自动检测功能：当灌溉系统出现故障，如水管破裂(水压为零)，传感器故障，电动机故障，变频器故障，电磁阀故障等，水泵立即停止运行，电磁阀关闭，故障报警灯闪烁并伴有警笛声响起。操作人员可以按下“消音”按钮以解除铃响，但故障指示灯仍在闪烁，直到故障消除，故障指示灯才自动停止闪烁。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种喷淋灌溉控制系统，其特征在于，该系统包括：
电路控制模块及与电路控制模块连接的无线传感器信号通信模块、无线WiFi模块、供电模块、输出模块、控制信号接收模块、电磁阀、A/D转换模块；
所述A/D转换模块连接无线湿度传感器，所述无线湿度传感器设置在草坪下的土壤表层，采集土壤里的干湿度信号，所述无线湿度传感器检测到的湿度信号通过A/D模块转换，将标准的电流模拟信号转换为湿度数字信号，输入到电路控制模块；
所述无线WiFi模块通过路由器连接云端服务器；
所述电路控制模块将信息传送给无线WiFi模块，所述无线WiFi模块将信息传送给配置好的路由器，路由器转发至云端服务器，云端服务器将搜集的信息存储，再结合当前的用户地区天气情况进行智能灌溉决策，并将决策信号传达给路由器，路由器接收决策信号并将该决策信号传送给电路控制模块，电路控制模块通过该灌溉决策将控制信息传给执行部分的电磁阀，电磁阀依据控制信号控制灌溉开或关；并在下一次灌溉之前无线传感器采集新的数据，并通过无线通讯模块上传服务器并存储以便为以后做出决策。
2.根据权利要求1所述的一种喷淋灌溉控制系统，其特征在于：所述电路控制模块包括型号为SH79F166A单片机，该单片机电连接型号为HF-LPB100的无线WIFI模块、型号为SI4432的高性能射频收发器、型号为DS1302的低功耗实时时钟芯片。
3.根据权利要求1所述的一种喷淋灌溉控制系统，其特征在于：所述供电模块的电路中电连接有型号为LM2576HVS-3.3的稳压器。
4.根据权利要求1所述的一种喷淋灌溉控制系统，其特征在于：所述无线传感器信号通信模块电路中连接有型号为PMC234CS单片机，该单片机电连接型号为SI4432的高性能射频收发器、型号为FP6293的电流模式的升压型DC-DC转换器、型号为DS1302的低功耗实时时钟芯片、型号为24C01的存储芯片。
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