CN106612867B - 开闭环结合的水肥一体自动浇灌系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种开闭环结合的水肥一体自动浇灌系统及其控制方法，该系统包括输送和控制装置，输送装置包括多组储液池和送单元，各输送单元均包括进水、进肥和出液管；各进水、进肥及出液管上均连接阀门；各储液池和输送单元与预设区域及其控制装置一一对应；控制装置为移动数传模块、无线传感网以及继电器；该系统包含开环、闭环两个部分，开环部分接收、执行命令，实现水肥混灌，闭环部分感知土壤湿度，实现自动灌水；控制装置中，移动数传模块用于接收手机客户端下达的命令；无线传感网用于传输、分析、执行命令；继电器用于实现命令的动作；本系统开闭环部分均可独立工作。

Description

开闭环结合的水肥一体自动浇灌系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及土壤灌溉技术领域，更具体地，涉及一种开闭环结合的水肥一体自动浇灌系统及其控制方法。

背景技术

目前大多自动灌溉系统依据土壤湿度情况，采用阈值控制。如温室自动灌溉系统、果园自动灌溉系统等。这些系统通常只能进行水分的灌溉作业，适宜在封闭环境，如日光温室中使用，没有考虑施肥方面，难以满足多种种植环境下作物不同生理期的需水、需肥要求。

有些系统采用人工启闭机电设备，实现了水肥的混灌，但难以做到精量施肥，目前这类半自动化系统在日光温室中，仍有大量应用。人工劳动强度大，且效率较低。

发明内容

本发明提供一种开闭环结合的水肥一体自动浇灌系统及其控制方法，用于克服现有技术的缺陷，旨在降低人工劳动，提高作业效率和液肥利用率。

为实现上述目的，本发明提供一种开闭环结合的水肥一体自动浇灌系统，包括输送装置和控制装置，其中：

所述输送装置包括：

储液池，用于储存水肥混合液；

多组输送单元，分别与所述储液池连接，每组所述输送单元均包括进水管、进肥管和出液管，其中进水管与出液管之间有一根短接管，每根所述进水管、进肥管、出液管以及短接管上均连接有一个阀门；

所述控制装置包括：

网关，用于通过移动通信网络接收所述命令，命令有施肥、停止、查询预设节点状态等类型；

WSN，用于指令、数据的获取与传递，数据的分析与业务逻辑的控制，以及指令的执行；

网关终端由WSN终端节点实现，所述WSN终端节点用于通过串口从网关获取指令及参数，并对指令进行预分析；

控制终端由WSN终端节点实现，所述WSN终端节点用于接收由网关终端传递的指令和参数，控制一组所述输送单元中的所述入水、入肥和输出阀门，并向所述网关终端发送工作状态信息、向所述WSN协调节点发送所述该组输送单元所处开闭环的状态信息；

协调节点由WSN协调器实现，所述WSN协调器用于建网，协调开闭环工作，接收所述控制终端的开闭环状态信息。

进一步地，所述水肥药一体自动浇灌系统还包括：

多个土壤湿度传感器模块，每个传感器的感应端插入一个预设区域的土壤中，用于感应所述预设区域的土壤湿度，并在所述预设区域的土壤湿度发生变化时输出不同幅值的电平信号；

采集终端由WSN终端节点实现，所述WSN终端节点通过所述土壤湿度传感器模块，采集所述预设区域土壤湿度信息，并将该信息发送给所述协调节点，所述采集终端不承担数据中继传送的任务；

采集路由由WSN路由节点实现，所述WSN路由节点通过所述土壤湿度传感器模块，采集所述预设区域土壤湿度信息，将该信息发送给所述协调节点，并承担数据中继传送的任务；

协调节点由WSN协调器实现，所述协调节点还用于接收所述采集终端或所述采集路由传递的所述预设区域的土壤湿度信息，当某组所述预设区域处于闭环状态时，所述协调节点依土壤湿度信息，对所述控水终端下达指令，当所述预设区域处于开环状态时，所述协调节点仍接收其土壤湿度信息，但不进行业务逻辑判断，不对所述控水终端下达指令；

控水终端由WSN终端节点实现，所述WSN终端节点用于接收所述协调节点发出的灌水指令，依此控制各组所述输送单元中入水、输出间的短接阀门，实现所述预设区域自动灌水的启动和停止。

进一步地，所述传感器包括：

土壤湿度探头，用于感应土壤湿度，并在土壤湿度发生变化时导通或断开电路，从而产生不同幅值的电平，从而复位、置位光耦继电器；

所述光耦继电器，输入端连接所述土壤湿度探头，输出端为常开触点，其中一个触点作为输出端，连接所述采集终端或采集路由的输入IO口，输出端另一个触点接地，当土壤湿润时，探头导通，置位所述继电器，此时输出端与地短接，从而输出低电平，当土壤干燥时，探头断开，继电器复位，此时输出端悬空，相当于向所述采集终端或采集路由输出高电平。

进一步地，所述阀门包括电磁阀，每个所述电磁阀的控制端均通过继电器与所述控制终端连接。

进一步地，每个所述控制终端包括至少三个IO端口，每个所述IO端口均连接一个所述继电器，然后通过所述继电器连接电磁阀，其中第一IO端口与入水管的电磁阀相连，第二IO端口与入肥管的电磁阀相连，第三IO端口与输液管的电磁阀相连。

为实现上述目的，本发明还提供一种水肥一体自动浇灌系统控制方法，包括以下步骤：

手机客户端向预设的目标节点发出命令，经移动通信网络传递给所述网关；

所述网关接收到所述命令后，通过所述串口将所述命令传递给所述网关终端；

所述网关终端对接收自所述网关的命令进行预分析，以判明指令类型，确定指令是否正确，并拒绝垃圾信息，并确定指令状态信息，若为施肥、停止命令，则依通信簇将命令、参数等数据传递给命令中指定的所述控制终端，若为查询命令，则获取保存于所述网关终端中的所述控制终端提交的工作状态信息，然后对下达正确指令的手机客户端进行回应，反馈指令状态或控制终端的工作状态；

预设的所述控制终端依通信簇接收所述指令、参数并执行控制动作，通过控制IO端口，从而控制继电器，继而控制电磁阀，向对应于预设的所述控制终端的预设区域施肥。

进一步地，所述控制方法还包括以下步骤：

所述预设的所述控制终端接收所述施肥命令，依从参数数据中获得的灌溉量、水肥比例，以及系统中预存的入水流速、入肥流速、输出流速计算出入水时间、入肥时间、输出时间，取入水时间、入肥时间中较小者为第一预设时间，二者间的差值为第二预设时间，输出时间为第三预设时间

所述控制终端相应的第一IO端口、第二IO端口发送复位指令，同时进水、进肥，以充分混合水肥，并缩短作业时间；

所述第一IO端口、第二IO端口接收所述复位指令输出低电平，打开相连的入水阀、入肥阀，达到第一预设时间时，预设控制终端向第一IO端口或第二IO端口发送置位指令，关闭时间值较短的阀门，保持时间值较长的阀门的打开状态，直至第二预设时间超时，预设控制终端才向尚未置位的IO端口发出置位指令，控制所需时间值较长的阀门关闭；

所述第一IO端口、第二IO端口全部置位后，输入作业结束，所述控制终端向第三IO端口发送复位指令，打开输出阀开始输出，向所述预设区域进行水肥混灌，直至第三预设时间超时，此时向第三IO端口发送置位指令，关闭输出阀，结束施肥作业；

所述预设的所述控制终端接收所述停止命令，立即置位第一IO端口、第二IO端口，关闭相连的入水、入肥电磁阀，同时复位第三IO端口，打开输出阀，直至第三预设时间超时，然后置位第三IO端口，关闭输出阀；

所述第一IO端口、第二IO端口、第三IO端口接收所述置位指令输出高电平，从而复位与端口相连的所述继电器，使得与所述第一IO端口连接的入水阀、与所述第二IO端口连接的入肥阀以及与所述第三IO端口连接的输出阀门分别关闭；

所述第一IO端口、第二IO端口、第三IO端口接收所述复位指令输出低电平，从而置位与端口相连的所述继电器，使得与所述第一IO端口连接的入水阀、与所述第二IO端口连接的入肥阀以及与所述第三IO端口连接的输出阀分别打开。

为实现上述目的，本发明进一步提供一种水肥一体自动浇灌系统控制方法，包括以下步骤：

与每个所述土壤湿度传感器模块对应连接的采集终端或采集路由，通过将IO设置为输入，从而接收所述土壤湿度传感器模块的输出，从而获取所述预设区域的湿度信息，并将所述湿度信息号传递给所述协调节点；

所述协调节点接收所述预设区域的湿度信息，首先判断所述预设区域是否处于开环状态，若是则抛弃数据，不进行任何动作，否则，若湿度信息为土壤缺水，则通过所述控水终端的IO端口，向所述缺水的所述预设区域下达灌水指令，若湿度信息表明土壤湿润，则通过所述控水终端的IO端口，向所述湿润的所述预设区域下达停止灌水指令；

所述采集终端或采集路由布设于所述预设区域，并与预设区域一一对应，所述控水终端的IO端口与所述各组输送单元中短接入水、输出管道的电磁阀一一对应，即所述控水终端的IO端口与所述预设区域一一对应。

进一步地，所述采集终端或采集路由对应的所述控水终端接收所述灌水命令及停止灌水命令，并执行控制动作，通过复位、置位相应的IO端口，使得继电器置位、复位，从而控制所述电磁阀执行相应动作，完成向所述预设区域灌水，包括：

与所述采集终端或采集路由对应的所述控水终端接收所述灌水命令，对所述控水终端端口中相应的一个发送复位指令；

所述IO端口中相应的一个接收所述复位指令输出低电平，置位与所述的一个IO端口连接的继电器，从而打开相应的所述一组输送单元中短接入水、输出管道的电磁阀；

所述IO端口中相应的一个接收所述置位指令输出高电平，复位与所述IO端口连接的继电器，从而关闭相应的所述一组输送单元中短接入水、输出管道的电磁阀。

为实现上述目的，本发明还提供一种浇灌系统控制方法，包括以下步骤：

所述协调节点接收来自于各传感器的湿度信号，并检查标识；

所述控制终端接收通过所述网关终端送达的施肥命令，在开始工作时，向所述协调节点发送开闭环状态信息，所述协调节点接收信息后，将其标识为开环状态，此时所述协调节点仍接收与该所述控制终端相应的所述预设区域的湿度信息，但不处理，保证开环部分的顺利作业；

所述控制终端接收通过所述网关终端送达的施肥命令，在开始工作时，向所述网关终端发送工作状态为忙的信息，所述网关终端接收信息后，不再接收针对与此所述控制终端对应的所述预设区域的施肥作业指令；

所述控制终端接收通过所述网关终端送达的施肥命令，在结束工作时，向所述协调节点发送开闭环状态信息，所述协调节点接收信息后，将其标识为闭环状态，此时所述协调节点接收与该所述控制终端相应的所述预设区域的湿度信息，并进行分析处理，保证闭环部分的顺利作业；

所述控制终端接收通过所述网关终端送达的施肥命令，在结束工作时，向所述网关终端发送工作状态为就绪的信息，所述网关终端接收信息后，可以再次接收针对与此所述控制终端对应的所述预设区域的施肥作业指令；

所述协调节点启动时，将各预设区域的开闭环标识设为闭环，这样即便没有开环部分，闭环系统也能正常工作；

所述控制终端启动时，立即向协调节点、网关终端发送开始工作的状态信息，并通过第三IO端口，打开输出电磁阀，按储液池已满的状态进行输出操作，这是为了避免产生无人值守状态下，上次施肥作业中，突遇停电，从而导致储液池中液体不断累积，而影响所述施肥作业的现象；

由所述协调节点的逻辑可知，所述水肥一体自动浇灌系统，即便没有闭环部分，开环部分也能正常工作。

本发明提供的开闭环结合的水肥一体浇灌系统及其控制方法，采用WSN技术，降低了成本，实现了面向农业生产实际的水肥一体分区共网精量自动施用；使用过程如下：如果需要向预设区域的农作物施肥，用户(移动客户端)发送施肥命令，该命令中包含有与预设区域指示、灌溉量、水肥比例等信息，依次通过移动通信网络、所述网关、串口、所述网关终端将该命令传递给控制终端，控制终端接收并分析上述命令，获取控制参数，并执行控制动作，操作阀门动作，向预设区域施肥；至于灌水，则由所述采集终端或采集路由、所述协调节点、所述控水终端形成的闭环系统，进行全自动控制，无需人为干预。并可通过对比试验，评估水肥药一体精量自动化施用的经济优势、环境优势，以建立可广泛推广应用的水肥一体分区共网精量自动施用的技术模式。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的水肥一体自动浇灌系统结构示意图；

图2为图1中传感器的原理图；

图3为本发明实施例二提供的浇灌系统指令预分析的流程图；

图4为图3中步骤S90执行后，控制终端的控制方法流程图；

图5为本发明实施例二中优选地目标节点端口布控图；

图6为系统的典型工作时序图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本发明提供一种水肥一体自动浇灌系统，包括输送装置和控制装置，其中：

输送装置包括多个储液池和多组输送单元(未标识)；储液池用于储存水肥混合液；以储液池1及其配套的一组输送单元为例，每组输送单元均包括进水管2、进肥管3和输出管4，且每组输送单元均与一个独立的储液池1相连；每根进水管2均连接有一个入水阀21，每根进肥管3均连接有一个入肥阀31，每根输出管4上均连接有一个输出阀41，此外，在进水管2和输出管4之间，还有一根短接管5，每根短接管5上均连接有一个短接阀51，短接管5接于入水阀21的输入端之前，接于输出阀41的输出端之后；

控制装置包括手机客户端0、网关6、网关终端7、控制终端8、控水终端9、采集节点10、协调节点11以及土壤湿度传感器模块12；手机客户端0用于向预设的控制终端8发出施肥命令；网关6用于通过移动通信网络50接收施肥命令，并通过串口通信60将此命令传递给网关终端7；网关终端7用于接收并预分析施肥命令，拒绝垃圾信息，将正确的命令、参数通过WSN的2.4G无线信道20下达到各控制终端8，并通过写串口，将对正确指令的回应信息通过网关6经由移动通信网络50反馈给移动客户端0；各控制终端8依通信簇从WSN无线信道20接收发给自己的控制参数；每个控制终端8通过不同的IO口连接一组继电器81～83，各继电器分别连接一组输送单元中的入水阀21、入肥阀31、输出阀41；并根据控制参数，控制IO口的输出，从而控制继电器动作，进而控制上述阀门的动作。

手机客户端0可以是手机、电脑或其他智能终端；用户通过手机(或电脑)经由移动网(或因特网)将指令下达至网关6，网关终端7通过读串口得到指令，通过解析指令，从而屏蔽垃圾信息，得到正确指令，并由指令获得灌溉量、肥水比率等信息以及指向的控制终端8，然后将上述信息按通信簇经由WSN无线信道20发送给预设的控制终端8，同时，对移动客户端0进行回应；预设的控制终端8接收到命令参数后，进行解算，依灌溉量、水肥比例、流速参数计算出入水阀21、入肥阀31、输出阀41等的打开次序及时间，然后通过控制GPIO(通用输入输出，简称为IO)的输出来控制继电器81～83，依解算出的次序和时间分别控制入水阀21、入肥阀31，输出阀41的打开、关闭动作，实现液肥的灌溉，在预设的控制终端8开始工作时和结束工作时，均按通信簇经由WSN无线信道20向协调节点发送开闭环状态信息，向网关终端发送工作状态信息。

本实施例中，每个目标节点8控制一组阀门，即入水阀21、入肥阀31，输出阀41。

进一步地，水肥一体自动浇灌系统还包括多个土壤湿度传感器模块12和多个采集节点(采集终端或采集路由)10；每个传感器模块12的感应端插入一个预设区域30的土壤中，用于感应预设区域30的土壤湿度，并在预设区域30的土壤湿度发生变化时能输出不同幅值的电平信号；每个采集节点10将一个IO口设为输入，并将该IO口连接一个传感器模块12的信号输出端，用于获取电平信号，各采集节点10每分钟采样一次，并将采样取得的电平信号转换为字符串信息，该信息经WSN无线信道20传输给协调节点11；协调节点11除承担建网、协调开闭环工作等任务外，还用于接收反映土壤湿度的字符串信息，并在闭环状态下(闭环状态下，入水阀21、入肥阀31、输出阀41均不动作，即关闭)依土壤湿度信息，向预设的控水终端9下达指令，以控制短接阀51的打开和关闭，从而实现自动灌水的控制；控水终端9用于接收灌水命令，并通过控制预设的IO口的输出，以控制与该IO口相连的继电器91的动作，进而控制短接阀51的动作，完成向传感器模块12所在的预设区域30的自动灌水作业。

进一步地，传感器模块12包括土壤湿度探头和光耦继电器；土壤湿度探头用于感应土壤湿度，在土壤湿度发生变化时，探头的导通性发生变化，土壤湿润时探头导通，使得光耦继电器的信号输入端得电，土壤干燥时探头断开，使得光耦继电器的信号输入端失电；光耦继电器输入端连接土壤湿度探头，输出端为一对常开触点，其中一个触点接地，输出端另一个触点作为输出端，向采集节点10输出电平信号。

当土壤干燥时，传感器模块12的光耦继电器复位，此时输出触点悬空，相当于向采集节点10输出高电平；

当土壤湿润时，传感器模块12的光耦继电器置位，此时输出触点与地短接，向采集节点10输出低电平。

进一步地，入水阀21、入肥阀31和输出阀41均采用电磁阀，每个电磁阀的控制端均通过一继电器与控制终端8的一个IO端口连接。每个控制终端8通过入水继电器81连接一组输送单元中的入水阀21，通过入肥继电器82连接该组输送单元中的入肥阀31，通过输出继电器83连接输出阀41；

这些设备中，电磁阀既是控制系统最终的控制目标，也是入水、入肥以及实施灌溉等动作的执行设备，因此需围绕着电磁的控制，再选择其他设备。本方案中，所选全铜电磁阀的主要参数为DC 24V(伏特)、2A(安培)，管径为32mm，与灌溉管网所用的PPR管相匹配，电磁阀在失电情况下，阀门关闭。

选定的电磁阀的负载电流为2A(安培)，因此需选择触点能承受此负载的继电器，同时继电器的控制电压需与无线传感器网节点(控制终端8、控水终端9)IO端口的输出电平相互匹配，经过测试，选择了HL 52S直流继电器模块(DC 5V)，该模块的触点可承受250v、10A的负载，该直流继电器模块为2路继电器模块，各路继电器均提供常开、常闭两组触点，低电平触发。为了配合电磁阀的动作，选择采用了常开触点。

实施中，协调节点11的型号为FB2530BB，网关终端7的型号为FB2530EB，网关终端7带9针RS232串口(母)；WSN中的其它终端节点和路由节点的型号均为FB2530BB；采集终端、采集路由、协调节点的2.4G信号发射板型号为FB2530RF-A，带有鞭状天线，网关终端、控制终端、控水终端的2.4G信号发射板型号为FB2530RF。WSN中，各节点采用稳压器供电时，直流电平为5V，采用电池供电时，为3V(即一对5号电池)，信号发射板为FB2530BB、FB2530EB板载，无需单独供电。此外，两类节点GPIO输出电平均为3V，满足直流继电器的触发需要。

为了实现较为精确的灌溉量的控制，需测得各类管道的流量，如入水流量、入肥流量、输出流量，等关键参数。项目采用WL-25数显流量计，可测流量范围为10～120L/min，管径为32mm，与PPR管相匹配，流量计自带电源。

进一步地，参见图5，每个控制终端8至少使用了三个IO端口，每个IO端口均连接一个继电器，并控制一个电磁阀，这样通过一个控制终端8能够控制一组输出单元中的三个电磁阀，大大减少了控制终端8的配置数量。

实施例二

参见图3，本发明实施例提供一种水肥一体自动浇灌系统指令预分析方法，包括以下步骤：

步骤S10，；移动控制终端向预设的控制终端8发出命令(开始施肥、终止施肥、状态查询)，经移动通信网络50，送至网关6；

在使用过程中，例如，用户根据自己的经验向某区域内的种植物施肥，首先明确预设区域30的编号，然后再编辑短信(也可由安卓APP调用SMS服务)发送命令，命令有施肥、中止、查询三种，其中施肥命令需要包含预设区域30的编号以及施肥量、水肥比等参数信息，其余命令需包含预设区域30的编号等参数信息。

步骤S20，网关终端7通过串口回调函数，读串口，获取由网关6转发的指令；这里的指令可以以短信的方式转发；

步骤S30，分析施肥指令，可以理解为网关终端7对获取的短信进行预分析；

步骤S31，判断是否为预设指令，可理解为网关终端7分析获取的短信的格式，判断短信是指令还是垃圾信息，若为垃圾信息，则抛弃，且不对移动客户端进行回应，若为指令，继续进行分析；若是预设指令，则执行步骤32，若不是预设指令则执行步骤40，抛弃指令，不作回应；

步骤S32，，则进一步判断是否为状态查询指令，可以理解为网关终端7分析指令是否为查询指令，若不是查询指令，则继续判断是否为其它类型的指令，若是，则执行步骤S35继续判断该查询指令格式是否正确；若指令为查询指令，且格式正确或完备，则执行步骤S70，设回应信息为预设控制终端的工作状态信息；将控制终端8当前的工作状态信息作为回应信息，若指令为查询指令，但格式不正确或不完备，则执行步骤S50，设回应信息为指令错；将命令错作为回应信息，然后执行步骤S80，即网关终端7通过写串口，将回应信息送至网关6，并经移动通信网返回给移动客户端；

判断查询指令是否为其它类型的指令包括：

步骤S33，判断是否为中止指令；网关终端7分析指令是否为中止指令，若不是中止指令，则必为施肥指令，并在判断S34、S37中对其进行分析，若是中止指令，则执行步骤S36，继续判断该中止指令格式是否正确，若指令为中止指令但格式不完备，则执行步骤S50，若指令为中止指令且格式正确或完备，则执行步骤S60，设置回应信息为指令正确，并执行步骤S38，继续判断控制终端8当前是否处于忙碌态，且尚未进入输出作业，若是则执行步骤S90，依通信簇，将指令、参数发送至预设的控制终端；即依对应的通信簇通过WSN无线信道20将指令、参数发送至控制终端8，然后执行步骤S80，写串口，将回应信息送至网关，并通过移动通信网送达移动客户端；若不是则不向控制终端8发送任何信息直接执行步骤S80；

其中S34，判断指令格式是否正确且参数是否有效；此时指令必定为施肥指令，因此网关终端7直接判断施肥指令的格式、参数是否正确，若不正确，执行步骤S50，若正确执行步骤S60，随后执行步骤37，判断预设的控制终端是否处于就绪态；判断预设控制终端8当前的工作状态是否处于就绪态，若是执行步骤S90后再执行步骤S80，否则直接执行步骤S80。

进一步地，参见图4～6，图3中步骤S90执行后，预设控制终端8的控制方法，包括：

判断S901，由通信簇可知送达命令的类型；可理解为预设的控制终端8接收网关终端7依通信簇经WSN无线信道20传来的命令、参数，由通信簇可知送达的命令是中止命令还是施肥命令；

步骤S920，解析参数信息，提取数据；可理解为从接收的信息中解算出参数数据；

步骤S930，依灌溉量、水肥比例、入水流速、入肥流速、输出流速，计算出入水、入肥、输出时间，保存至全局变量；可理解为依从参数数据中获得的灌溉量、水肥比例，以及系统中预存的入水流速、入肥流速、输出流速计算出入水时间、入肥时间、输出时间，取入水时间、入肥时间中较小者为第一预设时间，二者间的差值为第二预设时间，输出时间为第三预设时间；

步骤S940，调用开始函数，向网关终端发送忙碌状态信息，向协调节点发送开环状态信息；可理解为预设控制终端8调用开始函数，依通信簇向网关终端7发送预设控制终端8的工作状态信息(忙碌)，向协调节点11发送预设控制终端8的开闭环状态信息(开环)；

步骤S950，按入水、入肥时间中较小者，同时打开入水阀、入肥阀；可理解为预设控制终端8的第一IO端口8a，第二IO端口8b分别输出低电平，使继电器81、继电器82置位，从而打开电磁阀21、电磁阀31；

步骤S960，较小时间超值时，关闭相应的阀门，保持另一阀门的打开，直至差值时间超时，才关闭另一阀门；可理解为达到第一预设时间时，预设控制终端8按较短时间值，向端口8a或端口8b发送置位指令，关闭时间值较短的阀门，保持时间值较长的阀门的打开状态，直至第二预设时间超时，预设控制终端8才控制所需时间值较长的阀门关闭；

步骤S970，按全局变量中保存的输出时间，执行输出；可理解为此时输入工作已完成，预设控制终端8通过第三IO端口8c，置位继电器83，从而打开阀门41，进行输出作业，直至第三预设时间超时，这时预设控制终端8的8c端口，复位继电器83，从而关闭阀门41，结束输出作业；

步骤S980，输出结束后，调用结束函数，向网关终端发送就绪状态信息，向协调节点发送闭环状态信息；可理解为预设控制终端8调用结束函数，依通信簇向网关终端发送就绪状态信息，向协调节点发送闭环状态信息；

步骤S910，立即停止入水、入肥操作，打开输出阀；可理解为若命令为中止命令，则预设控制终端8立即置位端口8a、端口8b，复位继电器81、继电器82，从而关闭入水、入肥电磁阀，然后调用步骤S970，步骤S980。

开环部分较为关键之处包括以下几个部分：网关终端的串口数据分析，通过串口数据分析，提取正确的指令，并解算命令参数，这决定了系统正确执行移动客户端意图、排除干扰信息的能力；控制终端的状态报告，通过开闭环状态报告，使得系统中各预设区域的开环、闭环部分得以协调工作，通过工作状态报告，使得移动客户端的指令得以有序执行；各节点通信簇(输入输出簇)的设计和匹配，这决定了WSN中的信息在节点中有目的的传送，决定了信源节点、信宿节点间有序、协调的工作；各节点的事件设计，这决定了各个节点的工作是有序、按节拍进行的；IO端口的使用，通过设定，将IO端口用作输出或输入，使得采集节点(采集终端或采集路由，下同)能够获得土壤湿度信息，使得控制终端、控水终端能够通过IO端口驱动继电器，进而控制电磁的打开和关闭，从而实现指令完成所需的动作。系统采用C语言进行编写。

实施例三

参见图6，图6提供了系统闭环部分的工作时序，本发明实施例还提供一种闭环自动控水系统的控制方法，包括以下步骤：

时序由采集节点发出，采集节点以预设的频率，定期采集指定的预设区域的土壤湿度信息，采集节点的IO端口设为输入，接收土壤湿度传感器模块输出的电平信号，采集节点通过每个与之相连的土壤湿度传感器模块获取土壤湿度信号，将其转换为字符串信息，并将湿度信息传递给协调节点；

协调节点接收到湿度信息后，首先查看预设区域是否处于闭环状态，若预设区域处于闭环状态，协调节点进入下一时序，否则不予理睬；

协调节点对来自闭环状态下的预设区域的土壤湿度信息进行分析，执行业务逻辑；

协调器根据业务逻辑的结果，向控水终端下达进行自动灌水作业的指令，若预设区域缺水则启动灌水作业，否则启动停止灌水作业；

控水终端依通信簇接收到指令后，按指令进行自动灌水作业，控水终端的IO端口设为输出，并与预设区域一一对应，若为灌水作业，则使得与预设区域对应IO端口输出低电平，从而置位与该IO端口相连的继电器，打开短接电磁阀，执行灌水作业，若为停止灌水作业，控水终端使得该IO端口输出高电平，复位相连的继电器，关闭短接电磁阀。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种开闭环结合的水肥一体自动浇灌系统，其特征在于，包括输送装置、控制装置和土壤湿度传感器模块，其中：

所述输送装置包括：

储液池，用于储存水肥混合液；

多组输送单元，分别与所述储液池连接，每组所述输送单元均包括进水管、进肥管和出液管，其中进水管与出液管之间有一根短接管，每根所述进水管、进肥管、出液管以及短接管上均连接有一个阀门；

所述控制装置包括：

网关，用于通过移动通信网络接收命令，所述命令有施肥、停止、查询预设节点状态等类型；

WSN，用于指令、数据的获取与传递，数据的分析与业务逻辑的控制，以及指令的执行；

网关终端由WSN终端节点实现，所述WSN终端节点用于通过串口从网关获取指令及参数，并对指令进行预分析；

控制终端由WSN终端节点实现，所述WSN终端节点用于接收由网关终端传递的指令和参数，控制一组所述输送单元中的所述进水管、进肥管和出液管的阀门，并向所述网关终端发送工作状态信息、向所述WSN的协调节点发送所述该组输送单元所处开闭环的状态信息；

所述协调节点由WSN协调器实现，所述WSN协调器用于建网，协调开闭环工作，接收所述控制终端的开闭环状态信息；

土壤湿度传感器模块包括：

土壤湿度探头，用于感应土壤湿度，并在土壤湿度发生变化时导通或断开电路，从而复位、置位光耦继电器；

所述光耦继电器，输入端连接所述土壤湿度探头，输出端为一对常开触点，其中一个触点作为输出端，连接采集终端或采集路由的输入IO口，输出端另一个触点接地，当土壤湿润时，探头导通，置位光耦继电器，此时输出端与地短接，从而输出低电平，当土壤干燥时，探头断开，继电器复位，此时输出端悬空，相当于向所述采集终端或采集路由输出高电平。

2.根据权利要求1所述的开闭环结合的水肥一体自动浇灌系统，其特征在于，所述水肥一体自动浇灌系统还包括：

多个土壤湿度传感器模块，每个传感器的感应端插入一个预设区域的土壤中，用于感应所述预设区域的土壤湿度，并在所述预设区域的土壤湿度发生变化时输出不同幅值的电平信号；

采集终端由所述WSN终端节点实现，所述WSN终端节点通过所述土壤湿度传感器模块，采集所述预设区域土壤湿度信息，并将该信息发送给所述协调节点，所述采集终端不承担数据中继传送的任务；

采集路由由WSN路由节点实现，所述WSN路由节点通过所述土壤湿度传感器模块，采集所述预设区域土壤湿度信息，将该信息发送给所述协调节点，并承担数据中继传送的任务；

协调节点由WSN协调器实现，所述协调节点还用于接收所述采集终端或所述采集路由传递的所述预设区域的土壤湿度信息，当某组所述预设区域处于闭环状态时，所述协调节点依土壤湿度信息，对控水终端下达指令，当所述预设区域处于开环状态时，所述协调节点仍接收其土壤湿度信息，但不进行业务逻辑判断，不对所述控水终端下达指令；

所述控水终端由WSN终端节点实现，所述WSN终端节点用于接收所述协调节点发出的灌水指令，依此控制各组所述输送单元中入水、输出间的短接阀门，实现所述预设区域自动灌水的启动和停止。

3.根据权利要求1～2任一项所述的开闭环结合的水肥一体自动浇灌系统，其特征在于，所述阀门包括电磁阀，每个所述电磁阀的控制端均通过所述继电器与所述控制终端连接；每个所述控制终端包括至少三个IO端口，每个所述IO端口均连接一个所述继电器，然后通过所述继电器连接电磁阀，其中第一IO端口与入水管的电磁阀相连，第二IO端口与入肥管的电磁阀相连，第三IO端口与输液管的电磁阀相连。

4.一种开闭环结合的水肥一体自动浇灌系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

手机客户端向预设的目标节点发出命令，经移动通信网络传递给网关；

所述网关接收到所述命令后，通过串口将所述命令传递给网关终端；

所述网关终端对接收自所述网关的命令进行预分析，以判明指令类型，确定指令是否正确，并拒绝垃圾信息，并确定指令状态信息，若为施肥、停止命令，则依通信簇将命令、参数等数据传递给命令中指定的控制终端，若为查询命令，则获取保存于所述网关终端中的所述控制终端提交的工作状态信息，然后对下达指令的所述手机客户端进行回应，反馈指令状态或控制终端的工作状态；

预设的控制终端依通信簇接收所述指令、参数并执行控制动作，通过控制IO端口，从而控制继电器，继而控制电磁阀，向对应于预设的所述控制终端的预设区域施肥；

预设的所述控制终端在开始和完成控制动作后，均向所述网关终端、协调节点反馈工作状态信息、开闭环状态信息；

对于正确的指令，所述网关终端通过串口将回应信息传送给网关，并经移动通信网络发送给所述手机客户端。

5.根据权利要求4所述的开闭环结合的水肥一体自动浇灌系统控制方法，其特征在于，所述预设的所述控制终端接收所述命令，执行控制动作，控制阀门动作，向对应于预设的所述控制终端的预设区域施肥，包括：

所述预设的所述控制终端接收施肥命令，依从参数数据中获得的灌溉量、水肥比例，以及系统中预存的入水流速、入肥流速、输出流速计算出入水时间、入肥时间、输出时间，取入水时间、入肥时间中较小者为第一预设时间，二者间的差值为第二预设时间，输出时间为第三预设时间

所述控制终端相应的第一IO端口、第二IO端口发送复位指令，同时进水、进肥，以充分混合水肥，并缩短作业时间；

所述第一IO端口、第二IO端口接收所述复位指令输出低电平，打开相连的入水阀、入肥阀，达到第一预设时间时，预设控制终端向第一IO端口或第二IO端口发送置位指令，关闭时间值较短的阀门，保持时间值较长的阀门的打开状态，直至第二预设时间超时，预设控制终端才向尚未置位的IO端口发出置位指令，控制所需时间值较长的阀门关闭；

所述第一IO端口、第二IO端口全部置位后，输入作业结束，所述控制终端向第三IO端口发送复位指令，打开输出阀开始输出，向所述预设区域进行水肥混灌，直至第三预设时间超时，此时向第三IO端口发送置位指令，关闭输出阀，结束施肥作业；

所述预设的所述控制终端接收所述停止命令，立即置位第一IO端口、第二IO端口，关闭相连的入水、入肥电磁阀，同时复位第三IO端口，打开输出阀，直至第三预设时间超时，然后置位第三IO端口，关闭输出阀；

所述第一IO端口、第二IO端口、第三IO端口接收所述置位指令，输出高电平，从而复位与端口相连的所述继电器，使得与所述第一IO端口连接的入水阀、与所述第二IO端口连接的入肥阀以及与所述第三IO端口连接的输出阀门分别关闭；

所述第一IO端口、第二IO端口、第三IO端口接收所述复位指令，输出低电平，从而置位与端口相连的所述继电器，使得与所述第一IO端口连接的入水阀、与所述第二IO端口连接的入肥阀以及与所述第三IO端口连接的输出阀分别打开。

6.一种水肥一体自动浇灌系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

与每个土壤湿度传感器模块对应连接的采集终端或采集路由，通过将IO设置为输入，从而接收所述土壤湿度传感器模块的输出，从而获取预设区域的湿度信息，并将所述湿度信息传递给协调节点；

所述协调节点接收所述预设区域的湿度信息，首先判断所述预设区域是否处于开环状态，若是则抛弃数据，不进行任何动作，否则，若湿度信息为土壤缺水，则通过控水终端的IO端口，向所述缺水的所述预设区域下达灌水指令，若湿度信息表明土壤湿润，则通过所述控水终端的IO端口，向所述湿润的所述预设区域下达停止灌水指令；

所述采集终端或采集路由布设于所述预设区域，并与预设区域一一对应，所述控水终端的IO端口与各组输送单元中短接入水、输出管道的电磁阀一一对应，即所述控水终端的IO端口与所述预设区域一一对应。

7.根据权利要求6所述的水肥一体自动浇灌系统控制方法，其特征在于，与所述采集终端或采集路由对应的所述控水终端接收灌溉命令及停止灌溉命令，并执行控制动作，通过复位、置位相应的IO端口，使得继电器置位、复位，从而控制所述电磁阀执行相应动作，完成向所述预设区域灌水，包括：

与所述采集终端或采集路由对应的所述控水终端接收所述灌溉命令，对所述控水终端的IO端口中相应的一个发送复位指令；

所述IO端口中相应的一个接收所述复位指令输出低电平，以使与一个所述IO端口连接的继电器动作，从而打开相应的一组所述输送单元中短接入水、输出管道的电磁阀；

所述IO端口中相应的一个接收置位指令输出高电平，以使与所述IO端口连接的继电器动作，从而关闭相应的一组所述输送单元中短接入水、输出管道的电磁阀。

8.一种浇灌系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

协调节点接收来自于各传感器的湿度信号，并检查标识；

控制终端接收通过网关终端送达的施肥命令，在开始工作时，向所述协调节点发送开闭环状态信息，所述协调节点接收信息后，将其标识为开环状态，此时所述协调节点仍接收与控制终端相应的预设区域的湿度信息，但不处理，保证开环部分的顺利作业；

所述控制终端接收通过所述网关终端送达的施肥命令，在开始工作时，向所述网关终端发送工作状态为忙的信息，所述网关终端接收信息后，不再接收针对与此所述控制终端对应的所述预设区域的施肥作业指令；

所述控制终端接收通过所述网关终端送达的施肥命令，在结束工作时，向所述协调节点发送开闭环状态信息，所述协调节点接收信息后，将其标识为闭环状态，此时所述协调节点接收与该所述控制终端相应的所述预设区域的湿度信息，并进行分析处理，保证闭环部分的顺利作业；

所述控制终端接收通过所述网关终端送达的施肥命令，在结束工作时，向所述网关终端发送工作状态为就绪的信息，所述网关终端接收信息后，可以再次接收针对与此所述控制终端对应的所述预设区域的施肥作业指令；

所述协调节点启动时，将各预设区域的开闭环标识设为闭环，这样即便没有开环部分，闭环系统也能正常工作；

所述控制终端启动时，立即向协调节点、网关终端发送开始工作的状态信息，并通过第三IO端口，打开输出电磁阀，按储液池已满的状态进行输出操作；

由所述协调节点的逻辑可知，所述浇灌系统，即便没有闭环部分，开环部分也能正常工作。