CN107581033A - 一种基于太阳能的微灌溉系统恒压供水自动控制装置 - Google Patents

Abstract

一种基于太阳能的微灌溉系统恒压供水自动控制装置包括太阳能电池板、充放电管理、蓄电池、太阳辐射强度检测、电源电路、自动提水控制系统、水泵、无线通信模块、蓄水池、水位检测、小功率太阳能电池板。利用液位传感器YZ‑YO‑LAG1在线检测建设于高处的蓄水池的水位，根据水位信息控制DP‑60提水至蓄水中，并使其水位在滴灌过程中维持于某一固定高度来实现恒压供水。蓄水池的水位检测信息及DP‑60的启停通过无线通信模块CC1100进行无线传输和控制。

Description

一种基于太阳能的微灌溉系统恒压供水自动控制装置

所属技术领域

本发明涉及一种供水自动控制装置，尤其是一种基于太阳能的微灌溉系统恒压供水自动控制装置。

背景技术

微灌具有节水节肥、省工、节能以及对土壤和地形适应性强等特点，微灌系统日益广泛地被应用于发展设施农业、节水农业、生态建设等方面，是农作物高产、高效、优质的重要技术手段。在微灌的过程中，管道中水压或水流的稳定性对灌溉均匀性，尤其是对文丘里施肥装置、水力驱动施肥装置等自动施肥装置的施肥性能，有着显著的影响。

目前，一些中小规模的果园、温室、苗圃等直接以自来水管为水源，或将利用建设于高处的蓄水池中的水作为水头进行自流滴灌。但自来水管中的水压会随着小区居民的用水量波动，特别是在用水高峰期甚至可能会因供水不足而不能提供滴灌所需的水压；蓄水池的水位会随着滴灌的进行逐渐降低，其水头压力也不断下降，从而使得整个滴灌过程中的灌溉、施肥效果不一致。因此有必要在微灌系统中采取恒压措施，以使在灌溉全过程中灌水或施肥均匀、稳定。对此，很多科研人员也开展了相关的研究，主要集中于根据灌溉需水量实时调节出水量的恒压灌溉系统和为灌溉管网实时提供稳定水压的恒压供水系统，这些系统均采用变频器对水泵机组调频调速的方式实现恒压控制，并取得了较好地实际应用效果，但对于中小规模果园、温室、苗圃等的微灌系统而言，其成本相对较高，且需电力供应，从而限制了其适用性。

发明内容

本发明提供一种以太阳能供电的恒压供水装置，以实现整个灌溉过程的均匀性和稳定性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于太阳能的微灌溉系统恒压供水自动控制装置包括太阳能电池板、充放电管理、蓄电池、太阳辐射强度检测、电源电路、自动提水控制系统、水泵、无线通信模块、蓄水池、水位检测、小功率太阳能电池板。该装置采用以太阳能供电驱动小功率直流水泵的方式，将水提到建设于高处的蓄水池中，并利用蓄水池中的水作为水头进行自流滴灌，同时通过控制蓄水池的水位维持在某一恒定值来实现恒压供水。在滴灌过程中，实时检测蓄水池的水位，当水位低于某一设定值时则控制水泵进行提水。由于实际应用中，蓄水池与水泵控制端有一定的距离，为便于安装和布线，采用无线通信模块实现蓄水池水位检测与水泵控制的无线通信与控制，而且采用另一个小功率太阳能电池板为蓄水池端的水位检测电路及无线通信模块供电。为最大程度地利用太阳能，采用相应传感器检测太阳辐射强度，并根据检测值与蓄电池的荷电状态，选择直接以太阳能电池板或蓄电池为水泵控制电路供电。为降低控制电路的功耗，装置采用低功耗单片机MSP430F2132作为控制器，同时采用分时分区供电的低功耗设计手段进行软应件设计。

所述水泵控制包括水泵启停控制、水泵供电方式的选择与切换。

所述水泵启停控制采用软启动和软停止的方式控制水泵的启停，即采用变占空比的PWM控制方式，避免尖峰脉冲电流的出现。

所述水泵供电方式的选择与切换采用两种方式为水泵供电：蓄电池或太阳能电池板。当太阳辐射足够强，太阳能电池板输出的功率能直接驱动水泵工作，且蓄电池处于满电荷状态时，则采用太阳能电池板为水泵直接供电，以最大程度地利用太阳能；在其它情况下则采用蓄电池供电。考虑到水泵启动时所需的启动电流较大，为保证水泵的可靠启动，在采用太阳能电池板直接供电时，先通过蓄电池使水泵正常启动后，再将电源切换为太阳能电池板。

蓄水池的水位控制包括蓄水池端的电源电路、蓄水池水位检测、蓄水池无线控制。

所述蓄水池端的电源电路是用一个独立的电源为水位检测电路、无线通信模块及相关电路供电。采用一块峰值功率为0.9W的3V太阳能电池板感应太阳能，通过太阳能收集电路将能量储存于3.7V、1400mA·h的锂电池中，作为蓄水池端的整个电路的供电电源。然后将锂电池电压稳压至3.3V为单片机、无线通信模块供电，以及升压至9V为水位检测电路供电。所述太阳能收集电路由升压芯片LTC3105及其相应的外围元器件组成，通过该电路可将太阳能电池板的输出电压升压至4.2V，向锂电池充电。

所述蓄水池水位检测采用二线制液位变送器YZ-YO-LAG1（输入电压为9～12V，量程为2m，输出信号为4～20mA，精度为满量程时的0.25%）实现。该电路主要由液位变送器YZ-YO-LAG1、运算放大器AD8667以及外围的阻容元件组成。

所述蓄水池无线控制采用CC1101无线通信模块和全向吸盘天线来实现水泵控制端与蓄水池端之间的无线通信。以使水泵控制端能及时了解蓄水池的水位，并将水位与设定值比较，进行水泵的启停控制。为方便描述通信双方，将水泵控制端定义为主机，蓄水池水位检测端定义为从机。采用在滴灌时段范围内每5min进行1次通信，在非滴灌时段内每30min进行1次通信以同步时间。为进一步降低通信的功耗，在通信过程中，从机采用无线唤醒的工作模式，并将无线唤醒工作模式的周期设1s，接收时间窗口的占空比设为6.25%，即接收时间窗口为62.5ms，当从机在接收时间窗口内侦听到数据时，则唤醒从机进行数据的无线接收状态；而主机的发送模式与从机相配套，即在1s周期内以每隔62.5ms发送一次数据包的形式持续发送。在通信过程中，主机每持续发送1s的数据后，等待1s以接收从机的反馈信息，而从机在接收到主机的数据包时则延时1s后再发送给主机，使从机的发送时刻发生在主机的接收时间段内，即，每完成1次通信至少需要2s。如果在一个通信周期（2s）内不能通信成功，则重新启动下一个周期的通信，当重复进行了10个通信周期仍不能实现双方的通信，则认为此次通信失败，并停止水泵工作（若此时水泵处于运行状态）以防止水泵继续工作使水溢出蓄水池，然后直接进入下一次通信。

本发明的有益效果是，该太阳能供电的恒压供水装置在任何时刻均能为滴灌提供水源，并且在整个滴灌过程中使管道中的水压保持相对恒定；能适用于野外及无电力到达的地区；有较高的自动化程度，整个控制过程无需人力投入，以节约劳力成本；造价成本相对较低，兼具实用性和经济性，易于在广大农户中推广应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是恒压供水自动控制装置原理框图。

图2是水泵的启停控制电路原理图。

图3是水泵的电源选择电路原理图。

图4是太阳能收集电路原理图。

具体实施方式

在图1中，基于太阳能的微灌溉系统恒压供水自动控制装置包括太阳能电池板、充放电管理、蓄电池、太阳辐射强度检测、电源电路、自动提水控制系统、水泵、无线通信模块、蓄水池、水位检测、小功率太阳能电池板。该装置采用以太阳能供电驱动小功率直流水泵的方式，将水提到建设于高处的蓄水池中，并利用蓄水池中的水作为水头进行自流滴灌，同时通过控制蓄水池的水位维持在某一恒定值来实现恒压供水。在滴灌过程中，实时检测蓄水池的水位，当水位低于某一设定值时则控制水泵进行提水。由于实际应用中，蓄水池与水泵控制端有一定的距离，为便于安装和布线，采用无线通信模块实现蓄水池水位检测与水泵控制的无线通信与控制，而且采用另一个小功率太阳能电池板为蓄水池端的水位检测电路及无线通信模块供电。为最大程度地利用太阳能，采用相应传感器检测太阳辐射强度，并根据检测值与蓄电池的荷电状态，选择直接以太阳能电池板或蓄电池为水泵控制电路供电。

在图2中，水泵的启停控制采用变占空比的PWM控制方式，VIN与输入电源相连，Vout与水泵的电源端相连，IO_PWM与单片机的I/O端口相连，Q7是型号为SUD50P06-15L的大功率P沟道MOS管，其最大导通电流为50A。当要启动水泵时，使与IO_PWM相连的单片机I/O端口输出的PWM波的占空比以1%的步进从0缓慢地增大到100%，PWM波在每个占空比下的维持时间为20ms。当要停止水泵时，则采用相同的方式使PWM波的占空比从100%降至0。由于进行PWM控制的工作频率为20kHz，从而完成一次软启动或软停止过程需要2s。

在图3中，水泵的供电方式选择和切换电路，当SUN、BATT分别为1、0时，选择太阳能电池板直接为水泵供电；当SUN、BATT分别为0、1时，选择蓄电池为水泵供电。

在图4中，太阳能收集电路主要由升压芯片LTC3105及其相应的外围元器件组成，通过该电路可将太阳能电池板的输出电压升压至4.2V，向锂电池充电。当太阳能电池板的输出电压低于0.225V时，则LTC3105自动进入静态电流为10µA的掉电模式，当太阳能电池板的输出电压高于0.25V时，则自动启动LTC3105将太阳能储存于锂电池中。

水位检测电路采用二线制液位变送器YZ-YO-LAG1（输入电压为9～12V，量程为2m，输出信号为4～20mA，精度为满量程时的0.25%）实现蓄水池水位的检测，其电路主要由液位变送器YZ-YO-LAG1、运算放大器AD8667以及外围的阻容元件组成。电阻R6的阻值为1Ω，用于将YZ-YO-LAG1输出的4～20mA电流信号转化为4～20mV的电压信号。AD8667与电阻R2、R3和R4组成一个增益为100的放大电路，将4～20mV的电压信号放大至0.4～2V，以便单片机进行ADC转换。

Claims (8)

1.一种基于太阳能的微灌溉系统恒压供水自动控制装置包括太阳能电池板、充放电管理、蓄电池、太阳辐射强度检测、电源电路、自动提水控制系统、水泵、无线通信模块、蓄水池、水位检测、小功率太阳能电池板。

2.根据权利要求1所述的一种基于太阳能的微灌溉系统恒压供水自动控制装置，其特征在于，所述水泵控制包括水泵启停控制、水泵供电方式的选择与切换。

3.根据权利要求2所述的一种基于太阳能的微灌溉系统恒压供水自动控制装置，其特征在于，所述水泵启停控制采用软启动和软停止的方式控制水泵的启停，即采用变占空比的 PWM 控制方式。

4.根据权利要求2所述的一种基于太阳能的微灌溉系统恒压供水自动控制装置，其特征在于，所述水泵供电方式的选择与切换，当太阳辐射足够强，太阳能电池板输出的功率能直接驱动水泵工作，且蓄电池处于满电荷状态时， 则采用太阳能电池板为水泵直接供电，以最大程度地利用太阳能；在其它情况下则采用蓄电池供电；考虑到水泵启动时所需的启动电流较大，为保证水泵的可靠启动，在采用太阳能电池板直接供电时，先通过蓄电池使水泵正常启动后，再将电源切换为太阳能电池板。

5.根据权利要求1所述的一种基于太阳能的微灌溉系统恒压供水自动控制装置，其特征在于，所述蓄水池的水位控制包括蓄水池端的电源电路、蓄水池水位检测、蓄水池无线控制。

6.根据权利要求5所述的一种基于太阳能的微灌溉系统恒压供水自动控制装置，其特征在于，所述蓄水池端的电源电路是采用一块峰值功率为 0.9 W 的 3 V太阳能电池板感应太阳能，通过太阳能收集电路将能量储存于 3.7 V、 1400 mA·h 的锂电池中，作为蓄水池端的整个电路的供电电源；然后将锂电池电压稳压至 3.3 V 为单片机、无线通信模块供电，以及升压至 9 V 为水位检测电路供电。

7.根据权利要求5所述的一种基于太阳能的微灌溉系统恒压供水自动控制装置，其特征在于，所述蓄水池水位检测采用二线制液位变送器 YZ-YO-LAG1 （输入电压为 9～12 V，量程为 2 m，输出信号为 4～20 mA，精度为满量程时的 0.25%）实现。

8.根据权利要求5所述的一种基于太阳能的微灌溉系统恒压供水自动控制装置，其特征在于，所述蓄水池无线控制采用 CC1101 无线通信模块和全向吸盘天线来实现水泵控制端与蓄水池端之间的无线通信。