CN110896831A - 一种能实时自动调节喷灌强度的智能绿地喷灌系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能实时自动调节喷灌强度的智能绿地喷灌系统与方法,包括喷头模块、和电动调节阀模块等。喷头模块由均匀分布的喷头组成,用于给绿地喷水;传感器模块包括湿度感应器、流量传感器和压力传感器,分别用于感知土壤湿度和灌溉管路里内流量及压力,将信号传输给控制器;控制模块先根据土壤湿度判断是否进行喷灌,再计算土壤入渗速度;根据0.9倍土壤入渗速度确定喷灌强度,根据喷灌强度和服务面积计算单个喷头出水量,再确定电动调节阀开启度并打开电动调节阀,控制喷头出水量,引起喷灌系统管网中流量和压力的变化,流量和压力数据被实时反馈给控制模块,实现精确智能变频喷灌。本发明结构简单,科学安全,能够有效节约用水、人力与能源。
Description
技术领域
本发明属于市政工程园林绿化及海绵城市领域,具体涉及一种能实时自动调节喷灌强度的智能绿地喷灌系统与方法。
背景技术
伴随着我国人口的增加与经济的快速发展,水资源短缺问题愈发严重,已在我国很多地区影响到人们的正常生活;而且近年来随着“海绵城市”概念的提出,水资源的有效利用越来越受到人们的重视。加之随着当代社会的发展,人工费越来越昂贵,各领域都必将走上自动化、节能化、智能化的道路。
经对大量实验报告分析得出,大多城市绿地土壤为粘性土,而粘性土因为结合水的黏滞阻力,只有水力梯度增大到起始水力梯度,克服了结合水黏滞阻力后,水才能在土中渗透流动,随着土壤湿度的上升,即土壤含水量的增加,土壤中结合水含量增加,土壤颗粒对水分子吸力减小,进而使土层渗透性降低。具体关系体现为随着土壤湿度的逐渐上升,土壤渗透性持续下降,且下降速率由快变慢,通过某类土壤的入渗实验可得二者具体关系如图1所示。如能科学利用这种关系,则可土壤湿度的变化,实时自动调节喷灌强度,有效避免喷灌时水不溢出而节约用水。
我国目前小区绿地喷灌多为人工浇灌,少数采用自动喷头喷灌。采用自动喷灌时,多数没有充分考虑上述土壤湿度与土壤渗透性之间的关系,只是通过开启关闭的逻辑控制来简单粗放进行灌溉,导致人力、水资源、电力的大量浪费;少数自动喷灌虽然考虑到土壤湿度与土壤渗透性之间的规律,但它们仅机械地把湿度和喷头出水量进行简单分级,并没有真正准确利用和把握土壤入渗速度和土壤湿度的定量函数关系,进而没有真正准确地根据各地土壤湿度实时自动调节所需的喷灌强度,依然无法真正实现智能喷灌、节约用水。
发明内容
本发明旨在针对背景技术中所涉及的缺陷,提供了一种能实时自动调节喷灌强度的智能绿地喷灌系统与方法。
本发明采用以下技术方案来实现的:
一种能实时自动调节喷灌强度的智能绿地喷灌系统,包括喷头模块、传感器模块、电动调节阀模块和控制模块;其中,
喷头模块由均匀分布的喷头组成,用于给绿地喷水加湿;
传感器模块包括湿度传感器、流量传感器和压力传感器,在测量土壤湿度的同时,精确测量喷头处的水压和流量,便于及时反馈给控制模块调节喷灌强度;
电动调节阀模块包括电动调节阀;
控制模块包括控制器,该控制器能够将接收的实时土壤湿度数据,通过喷头出水量与其开启度的函数关系式转化成喷头的实时开启度数据,再通过电信号发送给电动调节阀模块,并控制电动调节阀的开启程度。
本发明进一步的改进在于,所述喷头使用埋地式可调喷头,当喷头处水压大于预设值时升出地面进行喷水,压力下降至预设值时喷头降回地下停止作业。
本发明进一步的改进在于,控制器内有自控单元及线路,能够根据土壤类型和湿度数据,确定土壤入渗速度与土壤湿度的函数关系式;建立喷头出水量与其开启度的函数关系式,单位绿地面积的喷头总出水量即喷灌强度;使得喷灌强度为土壤入渗速度的0.9倍,即喷灌强度低于土壤入渗速度,保证一直处于低强度喷灌状态,能够使灌溉水充分渗入到下层土壤,不产生地面积水和径流。
本发明进一步的改进在于,所述电动调节阀采用电动调节蝶阀。
本发明进一步的改进在于,控制模块还包括警戒单元和计时单元,警示单元用于土壤湿度低于警戒值时控制电动调节阀开启喷头喷水,计时单元用于设定好喷灌时间后系统定时喷灌。
本发明进一步的改进在于,该系统的配水管网采用并联设置,用于保证每个电动调节阀的水压。
一种能实时自动调节喷灌强度的智能绿地喷灌方法,该方法基于上述一种能实时自动调节喷灌强度的智能绿地喷灌系统,包括以下步骤:
1)将喷头均匀安置于所需喷灌绿地的地面下,将湿度传感器置于所需测量土壤湿度的地面下,埋深低于植被根系1cm~3cm,每个喷头前端水管上按离喷头距离由近到远顺序分别安装压力传感器、流量传感器和电动调节阀,所有传感器及电动调节阀通过电线电缆和A/D转换器连接控制器;
2)控制器中根据土壤湿度,先确定土壤入渗速度,再将土壤入渗速度乘以0.9得到喷头的喷灌强度,然后将喷灌强度乘以单个喷头喷灌面积得到单个喷头的出水量,根据单个喷头的出水量与电动调节阀开启度的函数关系确定电动调节阀的开启度;
3)湿度传感器将检测到的绿地土壤湿度数据实时传输给控制器,控制器首先判断是否开启电动阀,当土壤湿度低于下限40%时,则开启电动调节阀;并按照步骤2)所述转换关系确定电动调节阀的开启度,使市政管网中的水进入喷灌系统管网,喷灌系统管网中水的流量增加随之水压上升,压力上升至预设值时喷头升起进行喷灌;
4)在喷灌的过程中,湿度传感器实时获得土壤湿度数据,根据相应的湿度数值,调整电动调节阀的开启度,实现变频控制的效果,即随着土壤湿度的上升,土壤含水量增加,土壤渗透性越来越差的同时,系统喷水的水量也越来越小,与土壤渗水性变化进行匹配,使喷水流量始终小于土壤可渗透量,从而保证喷灌强度一直小于土壤入渗速度;
5)在变频控制的过程中,通过流量传感器和水压传感器随时检测喷头处的流量和水压并及时将数据传输给控制器,控制器通过比对湿度数据和流量压力数据关系来调节电动调节阀下一步动作,使得湿度数据的上升保持匀速,从而实现对系统喷灌的反馈调节,更好地实现对喷灌水量的精确控制;
6)当喷灌持续一定时间后,湿度传感器检测的湿度达到预设上限100%时,控制器控制电动调节阀关闭,导致喷头处流量减为零,水压也随之归零,喷头降至地下停止喷水作业,喷灌完成。
本发明具有如下有益的技术效果:
本发明提供的一种能实时自动调节喷灌强度的智能绿地喷灌系统与方法,实现绿地喷灌自动化,基本无需人为操作,系统根据土壤湿度自动对绿地进行维护,且考虑到土壤下渗特性使自动控制更加科学;系统采用埋地可调喷头,不工作时降入地下,隐蔽美观,且不易绊倒行人造成伤害;显示模块、压力传感器和流量传感器的加入使喷水强度的控制更加精确,保证用户对系统工作状态时时可知;电动调节阀在控制器的控制下实现喷水强度随土壤湿度的增加逐渐减小,避免土壤湿度上升渗水性下降导致的水资源浪费;工作时间点可由用户设定,可以设定在深夜等无人时间段,避免喷洒时;造成困扰,且可减少白天浇灌水分蒸发损耗。管线和传感器埋地防水处理避免仪器损坏,且美观安全。
进一步,所述喷头模块中包括的喷头使用埋地式可调喷头,可通过管网中压力变化控制升降开闭,相比其他类型喷头埋地喷头具有隐蔽性、均匀性、节水性、美观性的优点,更适合用于小区绿地喷灌。
进一步,所述电动调节阀采用电动调节蝶阀,开启后使市政管网的水进入喷灌系统管网,使管网中压力增大从而控制喷头喷水,同时可在控制模块根据土壤湿度和渗透性关系曲线图的控制下逐渐减小开启角度,实现喷水量随着土壤湿度上升逐渐减小的变频喷灌。
进一步,所述湿度感应器可以控制多个喷头以节约成本,也可增加数量与每个喷头对应,做到可以精确开启关闭某一个或某几个喷头,有效控制喷水范围,避免局部缺水就使整个系统喷水导致水资源浪费。
进一步,所述传感器模块包括湿度传感器、流量传感器、压力传感器,测量土壤湿度同时,精确测量喷灌管网中的压力和流量,便于及时反馈调节喷水强度,更好的实现变频喷灌。
进一步,所述控制模块不仅包括警戒单元还包括计时单元,上述警示单元用于土壤湿度低于警戒值时控制阀门开启喷头喷水,计时单元用于设定好喷灌时间后系统定时喷灌。
附图说明
图1为土壤含水率与土壤透水性能关系曲线图。
图2为本发明一种能实时自动调节喷灌强度的智能绿地喷灌系统的示意图,双实线表示输水管,单实线表示防水电缆。
附图标记说明:1为控制器,2为湿度传感器,3为电动调节阀,4为压力传感器,5为埋地喷头,6为流量传感器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做出进一步的说明。
如图2所示,本发明提供的一种能实时自动调节喷灌强度的智能绿地喷灌系统,包括湿度传感器2,所述湿度传感器2通过A/D转换器与控制器1输入端相连接,所述控制器1输出端与电动调节阀3相连接,所述电动调节阀3安装在喷头5的输水管上,所述喷头5与电动调节阀3中间的水管中还设置有流量传感器6和压力传感器4,所述流量传感器6和压力传感器4都与控制器1输入端相连接。
进一步的,系统工作之前需根据土壤含水率和土壤渗水性能关系预先在控制器1里设置湿度警戒值和喷水流量减弱速率,从而使电动调节阀3正常开闭。
进一步的,系统工作之前需根据实际植被和土壤情况将喷头5的喷水角度、雾化程度调至最佳状态。
进一步的,系统配水管网布置应如图2尽量保证每个电动调节阀前端水压相同,以保证系统正常工作。
更进一步的,湿度传感器2与喷头5之间的距离及其埋地深度要根据场地土壤实际情况和植被生长特性确定。
本发明提供的一种能实时自动调节喷灌强度的智能绿地喷灌方法,包括如下步骤:
1)将上述喷头5均匀安置于所需喷灌绿地的地下,将湿度传感器2置于所需测量土壤湿度的地表下,埋深应略低于植被根系1cm~3cm,每个喷头5前端水管上按离喷头距离由近到远顺序分别安装压力传感器4、流量传感器6和电动调节阀3,所有传感器及电动调节阀通过电线电缆和A/D转换器连接控制器1,控制器1中根据土壤含水率和土壤渗水能力关系图预设土壤湿度与喷水流量关系,即由关系图可知当前土壤含水率对应的土壤最大渗水能力,以mm/min计,乘以所需喷灌面积得最大喷水总流量,实际单个喷头喷水流量应小于最大喷水总流量除以喷头数。
2)湿度传感器2将检测到的绿地土壤湿度数据实时传输给控制器1,控制器1根据土壤湿度控制各管段上的电动调节阀3是否开启,当土壤墒情达到一定下限(湿度传感器检测土壤含水率小于40%)时则开启阀门使市政管网中的水进入系统管网,系统管网中水的流量增加随之水压上升,压力上升至预设值时喷头5升起进行喷灌。
3)在灌溉的过程中,湿度传感器2实时获得土壤湿度数据,根据相应的湿度,调整电动调节阀3的开启程度,实现变频控制的效果,也就是随着土壤湿度的上升,土壤含水量增加,土壤渗透性越来越差的同时,系统喷水的水量也越来越小,与土壤渗水性变化进行匹配,使喷水流量始终小于土壤可渗透量,从而保证喷水速率一直小于土壤入渗速度,这样灌溉的水分能够更好的被土壤吸收,避免出现土壤表层很湿润而底层湿润不足的问题,节约水资源且利于植被生长。
4)在变频控制的过程中,通过流量传感器6和水压传感器4来时时检测喷头处的流量和水压并及时将数据传输给控制器1,控制器1通过比对湿度数据和流量压力数据关系来调节电动调节阀下一步动作,尽可能使湿度数据的上升保持匀速,从而实现对系统喷灌的反馈调节,更好的实现对喷灌水量的精确控制。
5)当喷灌持续一定时间后,湿度传感器2检测的湿度达到预设上限时,控制器1控制电动调节阀3关闭,导致喷头处流量减为零,水压也随之归零,喷头5降至地下停止喷水作业,喷灌完成。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施方法仅限于此,对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单的推演和替换,都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (7)
1.一种能实时自动调节喷灌强度的智能绿地喷灌系统,其特征在于,包括喷头模块、传感器模块、电动调节阀模块和控制模块;其中,
喷头模块由均匀分布的喷头(5)组成,用于给绿地喷水加湿;
传感器模块包括湿度传感器(2)、流量传感器(6)和压力传感器(4),在测量土壤湿度的同时,精确测量喷头(5)处的水压和流量,便于及时反馈给控制模块调节喷灌强度;
电动调节阀模块包括电动调节阀(3);
控制模块包括控制器(1),该控制器(1)能够将接收的实时土壤湿度数据,通过喷头(5)出水量与其开启度的函数关系式转化成喷头(5)的实时开启度数据,再通过电信号发送给电动调节阀模块,并控制电动调节阀(3)的开启程度。
2.根据权利要求1所述的一种能实时自动调节喷灌强度的智能绿地喷灌系统,其特征在于,所述喷头(5)使用埋地式可调喷头,当喷头(5)处水压大于预设值时升出地面进行喷水,压力下降至预设值时喷头(5)降回地下停止作业。
3.根据权利要求1所述的一种能实时自动调节喷灌强度的智能绿地喷灌系统,其特征在于,控制器(1)内有自控单元及线路,能够根据土壤类型和湿度数据,确定土壤入渗速度与土壤湿度的函数关系式;建立喷头(5)出水量与其开启度的函数关系式,单位绿地面积的喷头(5)总出水量即喷灌强度;使得喷灌强度为土壤入渗速度的0.9倍,即喷灌强度低于土壤入渗速度,保证一直处于低强度喷灌状态,能够使灌溉水充分渗入到下层土壤,不产生地面积水和径流。
4.根据权利要求1所述的一种能实时自动调节喷灌强度的智能绿地喷灌系统,其特征在于,所述电动调节阀(3)采用电动调节蝶阀。
5.根据权利要求1所述的一种能实时自动调节喷灌强度的智能绿地喷灌系统,其特征在于,控制模块还包括警戒单元和计时单元,警示单元用于土壤湿度低于警戒值时控制电动调节阀(3)开启喷头喷水,计时单元用于设定好喷灌时间后系统定时喷灌。
6.根据权利要求1所述的一种能实时自动调节喷灌强度的智能绿地喷灌系统,其特征在于,该系统的配水管网采用并联设置,用于保证每个电动调节阀(3)的水压。
7.一种能实时自动调节喷灌强度的智能绿地喷灌方法,其特征在于,该方法基于权利要求1至6中任一项所述的一种能实时自动调节喷灌强度的智能绿地喷灌系统,包括以下步骤:
1)将喷头(5)均匀安置于所需喷灌绿地的地面下,将湿度传感器(2)置于所需测量土壤湿度的地面下,埋深低于植被根系1cm~3cm,每个喷头(5)前端水管上按离喷头距离由近到远顺序分别安装压力传感器(4)、流量传感器(6)和电动调节阀(3),所有传感器及电动调节阀(3)通过电线电缆和A/D转换器连接控制器(1);
2)控制器(1)中根据土壤湿度,先确定土壤入渗速度,再将土壤入渗速度乘以0.9得到喷头(5)的喷灌强度,然后将喷灌强度乘以单个喷头喷灌面积得到单个喷头(5)的出水量,根据单个喷头(5)的出水量与电动调节阀(3)开启度的函数关系确定电动调节阀(3)的开启度;
3)湿度传感器(2)将检测到的绿地土壤湿度数据实时传输给控制器(1),控制器(1)首先判断是否开启电动阀(3),当土壤湿度低于下限40%时,则开启电动调节阀(3);并按照步骤2)所述转换关系确定电动调节阀(3)的开启度,使市政管网中的水进入喷灌系统管网,喷灌系统管网中水的流量增加随之水压上升,压力上升至预设值时喷头(5)升起进行喷灌;
4)在喷灌的过程中,湿度传感器(2)实时获得土壤湿度数据,根据相应的湿度数值,调整电动调节阀的(3)开启度,实现变频控制的效果,即随着土壤湿度的上升,土壤含水量增加,土壤渗透性越来越差的同时,系统喷水的水量也越来越小,与土壤渗水性变化进行匹配,使喷水流量始终小于土壤可渗透量,从而保证喷灌强度一直小于土壤入渗速度;
5)在变频控制的过程中,通过流量传感器(6)和水压传感器(4)随时检测喷头处的流量和水压并及时将数据传输给控制器(1),控制器(1)通过比对湿度数据和流量压力数据关系来调节电动调节阀下一步动作,使得湿度数据的上升保持匀速,从而实现对系统喷灌的反馈调节,更好地实现对喷灌水量的精确控制;
6)当喷灌持续一定时间后,湿度传感器(2)检测的湿度达到预设上限100%时,控制器(1)控制电动调节阀(3)关闭,导致喷头(5)处流量减为零,水压也随之归零,喷头(5)降至地下停止喷水作业,喷灌完成。
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