CN111322446A - 一种智控蜗轮蜗杆副无级定位球阀控制系统及物联网自动灌溉系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线智控蜗轮蜗杆副无级定位球阀控制系统，包括现场端的阀体、电动执行装置和阀门控制器；用于远程监控现场端的远程端，现场端的阀门控制器和远程端之间建立无线数据传输和管控，阀门控制器与电动执行装置之间电连接，电动执行装置的输出轴和阀体内的球阀转动轴之间以同轴牙嵌入式连接；实现智控球阀在开、关以及开关之间进行无级自锁定位流量，本发明还公开了应用无线智控蜗轮蜗杆副无级定位球阀控制系统的一种物联网自动灌溉系统。

Description

一种智控蜗轮蜗杆副无级定位球阀控制系统及物联网自动灌 溉系统

技术领域

本发明涉及一种基于球阀的流体流量的控制领域，尤其是涉及一种智控蜗轮蜗杆副无级定位球阀控制系统及应用该系统的物联网自动灌溉系统。

背景技术

球阀系统是一种常用流体流量控制系统，如：自来水、池塘水、水库水或者冷却、机油和药液等系统供水，普通球阀在灌溉浇水实行中的状态是开启、关闭两种状态，也不能对球阀的阀前、阀后的流量进行调节。因此，出现智能电动执行机构控制球阀，球阀的开关定位直接通过电动执行器接受电控制信号，能够获得最快响应时间，实现控制也更为合理、方便、经济，因而受到用户的欢迎。

现有的阀门电动执行机构存在着控制方式落后，可靠性不高，缺乏完善的保护和故障报警措施以及必要的通信手段等问题，使得现有的阀门电动执行机构不便于安全合理的调试和维护，也不能根据生产的实际要进行参数的现场调整，不能组成网络进行远程控制。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种无线智控蜗轮蜗杆副无级定位球阀控制系统，能够实现物联网远程精确控制球阀定位。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种无线智控蜗轮蜗杆副无级定位球阀控制系统，其特征在于，包括：

现场端，所述现场端包括阀体、电动执行装置、阀门控制器；

远程端，所述远程端用于远程监控现场端的运行情况，以及根据现场端的实际运行情况经过运算分析，相应的调整现场端的控制参数；

所述现场端的阀门控制器和远程端之间建立无线数据传输，形成远程管控，所述阀门控制器与电动执行装置之间电连接，所述电动执行装置的输出轴和阀体内的球阀转动轴之间以同轴牙嵌入式连接；

所述阀门控制器接收远程端的控制信号，并根据接收的控制信号控制电动执行装置对球阀在开、关以及开关之间进行无级自锁定位。

进一步地，所述电动执行装置包括蜗轮蜗杆副减速机构、定位开关机构和电机，所述蜗轮蜗杆副减速机构包括至少一级蜗轮蜗杆副，所述电机与阀门控制器电连接，所述电机的输出轴与蜗轮蜗杆副减速机构的一级蜗杆固定连接，所述定位开关机构安装在蜗轮蜗杆副减速机构的末级蜗轮上，所述末级蜗轮与球阀的转动轴之间以同轴牙嵌入式连接，所述定位开关机构与阀门控制器电连接。

进一步地，所述定位开关机构采用定位装置或定位装置与传感器的组合装置；

当阀门控制器接收到定位装置或定位装置与传感器的组合装置或远程端的控制信号，所述阀门控制器智能控制电机按照控制信号中的预设参数进行运行，电机带动蜗轮蜗杆副进行减速增扭来驱动球阀工作，同时，定位开关机构同步跟随末级蜗轮的转动转换成相应的球阀流量开度定位信号，通过阀门控制器无线控制，并将球阀流量开度定位信号传输至远程端。

进一步地，所述球阀的输出口径的形状与尺寸需要符合球阀的开度与流量输出的线性关系，所述球阀的开度与流量输出的线性关系根据流体力学伯努利方程理论建立。

进一步地，所述蜗轮蜗杆副中的蜗轮-蜗杆的中心为连体中空，且与球阀本体连接的蜗轮蜗杆副在承受轴向力的一端采用球面设计，在中空处安装有与之相匹配的转动轴，转动轴的两端通过轴承与球阀本体的壳体支撑定位连接。

进一步地，所述蜗轮蜗杆副减速机构由一级或多级蜗轮蜗杆副相互串联形成立体结构，电机的输出轴与蜗杆蜗轮副之间可以根据空间布局需求在相互啮合的情况下形成任意倾斜角度。

进一步地，所述定位装置包括逻辑定位开关电路板和开关接触片，所述逻辑开关电路板和开关接触片之间相对滑压接触转动，通过逻辑开关电路板和开关接触片之间的相对滑压接触转动角度形成定位和开关信号电传至阀门控制器控制电机启停实现球阀智能精确定位。

进一步地，所述定位装置与传感器的组合装置为角定位传感器，末级蜗轮驱动球阀转动一定角度后，所述角定位传感器感应到蜗轮蜗杆副带动球阀转动的角度并转换成定位和开关信号发送至阀门控制器上。

进一步地，所述阀门控制器可与球阀本体一体或分体设置，所述阀门控制器包括无线接收单元和中央处理单元，所述无线接收单元与远程端建立无线连接，并接收远程端的指令，所述中央处理单元为存储经由无线接收单元接收的控制预设置的计划表，根据存储的计划表来智控球阀，并且可以记录运行时间、定位、流体流量、压力参数信息和计费信息。

进一步地，所述阀门控制器的运行模式包括睡眠模式和无线通信模式，所述睡眠模式下，所述阀门控制器与远程端保持无通信，所述无线通信模式下，所述阀门控制器接收远程控制器端发送的所有数据信号，所述睡眠模式和无线通信模式之间周期性交替，且周期间隔可以根据需求在远程端进行相应预设和修改。

进一步地，所述阀体内设有多级独立密封保护，所述阀体在连接的管道上均设立单向阀，所述单向阀随着阀内的压力变化调节开闭，保持内外压力平衡。

采用上述结构后，本发明和现有技术相比所具有的优点是：本发明具有结构简单、紧凑小巧、功能强大、噪音小、制造成本低、使用方便等特点，可广泛应用于农田、草坪、庭院、阳台和工业流体控制等场所，本发明实现了无线连接，实现无线通信管控，避免了各种电信号对球阀定位的干扰，大大提高了球阀定位的可靠性，对球阀的驱动控制的更加精准，便于发现问题和解决问题。

本发明在上述一种无线智控蜗轮蜗杆副无级定位球阀控制系统的基础上，提供给了应用该系统的一种物联网自动灌溉系统，包括上述无线智控蜗轮蜗杆副无级定位球阀控制系统，所述现场端还包括光敏、温湿度传感器环境数据采集装置，图像采集装置，各种可控电磁阀装置，所述阀门控制器可升级为物联网控制器，物联网控制器通过有线或无线的方式与环境数据采集装置，图像采集装置和电磁阀装置建立连接并运行管控；

还包括服务器，与物联网控制器建立无线连接，集成了多个物联网控制器的数据信息；所述远程端为客户监控终端，与服务器建立局域网，从服务器上读取相应现场端的参数数据，并根据需要再将调整、预设参数通过服务器传输至物联网控制器，并实现物联网有效管理运行。

采用上述结构后，本发明和现有技术相比所具有的优点是：可以实现远程无线控制，无需人员现场操作，降低人工成本、提高生产效率；用户可设置自动灌溉每个灌溉组的启动时间和停止时间用户可设置自动定量灌溉控制，灌溉停止阈值；利用系统进行定量排水；灌溉过程中，系统将持续监测管道水压和管道流量，当水压或流量出现异常时，系统将自动暂停灌溉并发出警报，系统维护正常后人工继续灌溉进程。

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是实施例一一种无线智控蜗轮蜗杆副无级定位球阀控制系统的系统框图；

图2是实施例一中电动执行装置的结构示意图(爆炸图)；

图3是实施例一中阀体的结构示意图(爆炸图)；

图4是实施例一中阀门控制器的一种安装示意图；

图5是实施例一一种无线智控蜗轮蜗杆副无级定位球阀控制系统的示例图；

图6是实施例二一种物联网自动灌溉系统的系统框图；

图7是实施例二一种物联网自动灌溉系统的示例图。

具体实施方式

以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。

实施例一：

见图1至图5所示：一种无线智控蜗轮蜗杆副无级定位球阀控制系统，包括：现场端1，包括阀体10，电动执行装置20和阀门控制器30；

远程端2，用于远程监控现场端1的运行情况，以及根据现场端1的实际运行情况经过运算分析，相应的调整现场端1的控制参数；

现场端1的阀门控制器30和远程端2之间建立无线数据传输，阀门控制器30与电动执行装置20之间电连接，电动执行装置20的输出轴和阀体10内的球阀转动轴之间以同轴牙嵌入式盲键连接；

阀门控制器30接收远程端2的控制信号，并根据接收的控制信号控制电动执行装置20对球阀在开、关以及开关之间进行无级自锁定位。

具体的，电动执行装置20包括蜗轮蜗杆副减速机构210、定位开关机构220和电机230，蜗轮蜗杆副减速机构210包括至少一级蜗轮蜗杆副211，电机230与阀门控制器30电连接，电机230的输出轴与蜗轮蜗杆副减速机构210的一级蜗杆固定连接，定位开关机构220安装在蜗轮蜗杆副减速机构210的末级蜗轮上，末级蜗轮与球阀的转动轴之间同轴固定连接，定位开关机构220与阀门控制器30电连接；

当阀门控制器接收远程端的控制信号，阀门控制器智能控制电机按照控制信号中的预设参数进行运行，电机带动蜗轮蜗杆副进行减速增扭来驱动球阀，同时定位开关机构跟随末级蜗轮的转动转换成相应的定位信号通过阀门控制器传输至远程端。

上述蜗轮蜗杆副211的蜗轮-蜗杆的中心均为中空设计，在中空处固定相匹配的转动轴211-1，转动轴211-1的两端通过轴承与球阀本体的壳体固定。

上述蜗轮蜗杆副减速机构210由一级或多级蜗轮蜗杆副211相互串联形成立体结构，蜗杆与蜗轮之间可以根据空间布局需求在相互啮合的情况下形成倾斜角度灵活布置，蜗轮蜗杆副减速机构210的传动方式也可以灵活采用圆柱齿轮、轮齿轮、斜齿轮、圆锥齿轮、行星齿轮和少齿差等方法来实现大减速比、增扭驱动；立体结构改变了传统平面很多圆柱等齿轮布局的方式，在单位空间里布置出大减速比。

该蜗轮蜗杆副减速机构能将电机的高转速、低扭矩动力输出，减速成为低噪音、低转速、高扭矩后传至末端蜗轮动力输出，再传至转动球阀开闭度来控制流体流量和压力，并且实现空间立体垂直紧凑布局和自锁。

上述定位开关机构220可以为单独的定位装置或定位装置与传感器的组合装置，当阀门控制器接收到定位装置或定位装置与传感器的组合装置或远程端的控制信号，阀门控制器智能控制电机按照控制信号中的预设参数进行运行，电机带动蜗轮蜗杆副进行减速增扭来驱动球阀工作，同时，定位开关机构同步跟随末级蜗轮的转动转换成相应的球阀流量开度定位信号，通过阀门控制器无线控制，并将球阀流量开度定位信号传输至远程端。

上述定位装置包括定位开关电路板221和开关接触片222，开关电路板221和开关接触片222之间相对滑压接触转动，通过开关电路板221和开关接触片222之间的转动角度实现定位，通过开关接触片222与开关电路板221之间的接触产生开关信号，并将定位信号和开关信号发送至阀门控制器30上。

上述定位装置与传感器的组合装置由角定位传感器(图中未示)代替，末级蜗轮驱动球阀转动一定角度后，角定位传感器感应到球阀转动的角度并转换成角度信号发送至阀门控制器上。

本实施例提供了一种电动执行装置20，包括两级蜗轮蜗杆副211，电机230的输出轴与一级蜗杆211-2同轴连接，一级蜗轮211-3与二级蜗杆211-4同轴连接，一级蜗杆211-2与一级蜗轮211-3啮合，二级蜗杆211-4与二级蜗轮211-5啮合，一级蜗杆211-2的转动轴211-1与二级蜗杆211-4的转动轴211-1在水平平面上相互垂直，二级蜗杆的转动轴与二级蜗轮的转动轴在竖直平面上相互垂直，两极蜗轮蜗杆副211构成三维立体排布的结构，各个转动轴211-1的两端通过轴承212均固定在箱体240上，保持蜗轮蜗杆减速机构210的稳定，减少了蜗轮蜗杆运作过程中的噪音，开关电路板221和开关接触片222套接在二级蜗轮211-5与箱体240箱盖250之间，且固定套接在二级蜗轮211-5的转动轴211-1上，通过相对滑压接触转动产生逻辑开关，控制球阀的开关和定位信号，阀门控制器按照预设的程序运行，随着电机的转动产生请求开关和定位信号发送至远程端。远程端，根据需求控制电机的开、停或者任意设定时间的转动。

具体的，阀门控制器30可与球阀本体一体或分体设置，可以安装在球阀外与太阳能电池板一起，也可以安装与球阀本体上形成一体，阀门控制器30包括无线接收单元310和中央处理单元320，无线接收单元310与远程端2建立无线连接，并接收远程端2的指令，中央处理单元320为存储经由无线接收单元310接收的控制预设置的计划表，存储的计划表来操作球阀，并且可以记录定位、流体流量、压力参数信息。

具体的，阀门控制器30的运行模式包括睡眠模式和无线通信模式，睡眠模式下，阀门控制器30与远程端2保持无通信，无线通信模式下，阀门控制器30接收远程端2发送的所有数据信号，睡眠模式和无线通信模式之间周期性交替，且周期间隔可以根据需求在远程端进行相应预设的修改。

基于无线连接的阀门控制器30的操作，可以设置各种“全开”、“全关”和它们之间通过标定的任意“局部开、关之间”无级自锁定位置或者定时间长短。并且这些时间可以被设置以每天发生或仅在某个预先编程日期发生。如果特殊需要调整所述系统的唤醒间隔，通过智能手机APP或PC座机发出超越控制信号至物联网控制器，就可改变常规智能操作设置流量。

具体的，阀体10内设有多级独立密封保护，阀体10在连接的管道上均设立单向阀(图中未示)，单向阀随着阀内的压力变化调节开闭，保持内外压力平衡。其中蜗轮蜗杆减速机构210就安装于独立的密闭容腔内，可以避免湿、水、气和温度等引起腐蚀电气零部件、线路板和连接线头相互干扰而可靠性下降；箱体240和箱盖250之间设有密封垫260，电动执行装置20与阀体10之间都加装了密封件。

采用实施例一具有结构简单、紧凑小巧、功能强大、噪音小、制造成本低、使用方便等特点，可广泛应用于农田、草坪、庭院、阳台和工业流体控制等场所，实现了无线连接运行，避免了各种电信号对球阀定位的干扰，大大提高了球阀定位的可靠性，对球阀的驱动控制的更加精准，便于发现问题和解决问题。

实施例二：

如图6和图7所示，一种物联网自动灌溉系统，包括

现场端1’：光敏、温湿度传感器等环境数据采集装置40’，图像采集装置50’，各种可控电磁阀装置10’，电动执行装置20’，物联网控制器30’，物联网控制器30’通过有线或无线的方式与环境数据采集装置40’，图像采集装置50’和电磁阀装置10’建立连接并运行；

服务器3’：与物联网控制器30’建立无线连接，集成了多个物联网控制器30’的数据信息通信并运行；

远程端2’：为客户监控终端，与服务器3’建立局域网，从服务器3’上读取相应现场端1’的参数数据，并根据需要再将调整、预设参数通过服务器3’传输至物联网控制器30’。

其中，无线通讯借助470M无线和物联网高度集成的GPS定位、移动通信、开锁球阀电子锁等技术，根据需要选择网络GPRS模式或短信GSM模式两种通讯方式用无线传输，可用手动、微机定位装置和智能手机APP云技术来联合智控该系统中各阀体中的球阀，可以实现自动控制其流量、自动喷药、自动施肥、自动灌溉、无线采集、无线控制、视频监控和异地控制等。

具体的，上述物联网控制器可以支持远程控制和现场管理控制，在远程控制模式下，该设备参数(如发送周期或报警阈值等)可由用户短信设置，系统周期性将农业或者工业环境温、湿度等数据发送至用户手机。若当前环境值超出设定阈值，该设备主动推送SMS报警短信，及时提示用户处理。在现场端的用户可在现场通过键盘、液晶屏与设备交互，实时查看或设置参数。

实施例二提供的物联网自动灌溉系统实现远程无线控制，无需人员现场操作，降低人工成本、提高生产效率；用户可设置自动灌溉每个灌溉组的启动时间和停止时间用户可设置自动定量灌溉控制，灌溉停止阈值；利用系统进行定量供排水；灌溉过程中，系统将持续监测管道水压和管道流量，当水压或流量出现异常时，系统将自动暂停灌溉并发出警报，系统维护正常后人工继续灌溉进程。

实施例一和实施例二中球阀的输出口径的形状和尺寸的大小与球阀的开度和流量的输出有线性关系，实施例一和实施例二中建立了控制球阀旋转角度、时间和长短与球阀开度大小关系理论的控制方法，借助于伯努利方程：

压力势+能动能+重力势能＝p1+1/2ρv12+ρgh1＝p2+1/2ρv22+ρgh2＝C；

式中，p为流体中某点的压强，v为流体该点的流速，ρ为流体密度，g为重力加速度，h为该点所在高度，C(Constant)是一个常量；

得到流速与压强的关系推论为：等高流动时，流体的流速越大，压强越小；反之，流体的流速越小，压强越大。

根据球阀用途和需求等，借助于上述伯努利方程理论建模，设计出阀体进出口径的形状、大小和长度等。

Claims (12)

1.一种无线智控蜗轮蜗杆副无级定位球阀控制系统，其特征在于，包括：

现场端，所述现场端包括阀体、电动执行装置、阀门控制器；

远程端，所述远程端用于远程监控现场端的运行情况，以及根据现场端的实际运行情况经过运算分析，相应的调整现场端的控制参数；

所述现场端的阀门控制器和远程端之间建立无线数据传输，形成远程管控，所述阀门控制器与电动执行装置之间电连接，所述电动执行装置的输出轴和阀体内的球阀转动轴之间以同轴牙嵌入式连接；

所述阀门控制器接收远程端的控制信号，并根据接收的控制信号控制电动执行装置对球阀在开、关以及开关之间进行无级自锁定位。

2.根据权利要求1所述的一种无线智控蜗轮蜗杆副无级定位球阀控制系统，其特征在于：所述电动执行装置包括蜗轮蜗杆副减速机构、定位开关机构和电机，所述蜗轮蜗杆副减速机构包括至少一级蜗轮蜗杆副，所述电机与阀门控制器电连接，所述电机的输出轴与蜗轮蜗杆副减速机构的一级蜗杆固定连接，所述定位开关机构安装在蜗轮蜗杆副减速机构的末级蜗轮上，所述末级蜗轮与球阀的转动轴之间以同轴牙嵌入式连接，所述定位开关机构与阀门控制器电连接。

3.根据权利要求2所述的一种无线智控蜗轮蜗杆副无级定位球阀控制系统，其特征在于：所述定位开关机构采用定位装置或定位装置与传感器的组合装置；

当阀门控制器接收到定位装置或定位装置与传感器的组合装置或远程端的控制信号，所述阀门控制器智能控制电机按照控制信号中的预设参数进行运行，电机带动蜗轮蜗杆副进行减速增扭来驱动球阀工作，同时，定位开关机构同步跟随末级蜗轮的转动转换成相应的球阀流量开度定位信号，通过阀门控制器无线控制，并将球阀流量开度定位信号传输至远程端。

4.根据权利要求3所述的一种无线智控蜗轮蜗杆副无级定位球阀控制系统，其特征在于：所述球阀的输出口径的形状与尺寸需要符合球阀的开度与流量输出的线性关系，所述球阀的开度与流量输出的线性关系根据流体力学伯努利方程理论建立。

5.根据权利要求3所述的一种无线智控蜗轮蜗杆副无级定位球阀控制系统，其特征在于：所述蜗轮蜗杆副中的蜗轮-蜗杆的中心为连体中空，且与球阀本体连接的蜗轮蜗杆副在承受轴向力的一端采用球面设计，在中空处安装有与之相匹配的转动轴，转动轴的两端通过轴承与球阀本体的壳体支撑定位连接。

6.根据权利要求5所述的一种无线智控蜗轮蜗杆副无级定位球阀控制系统，其特征在于：所述蜗轮蜗杆副减速机构由一级或多级蜗轮蜗杆副相互串联形成立体结构，电机的输出轴与蜗杆蜗轮副之间可以根据空间布局需求在相互啮合的情况下形成任意倾斜角度。

7.根据权利要求3所述的一种无线智控蜗轮蜗杆副无级定位球阀控制系统，其特征在于：所述定位装置包括逻辑定位开关电路板和开关接触片，所述逻辑开关电路板和开关接触片之间相对滑压接触转动，通过逻辑开关电路板和开关接触片之间的相对滑压接触转动角度形成定位和开关信号电传至阀门控制器控制电机启停实现球阀智能精确定位。

8.根据权利要求3所述的一种无线智控蜗轮蜗杆副无级定位球阀控制系统，其特征在于：所述定位装置与传感器的组合装置为角定位传感器，末级蜗轮驱动球阀转动一定角度后，所述角定位传感器感应到蜗轮蜗杆副带动球阀转动的角度并转换成定位和开关信号发送至阀门控制器上。

9.根据权利要求1所述的一种无线智控蜗轮蜗杆副无级定位球阀控制系统，其特征在于：所述阀门控制器可与球阀本体一体或分体设置，所述阀门控制器包括无线接收单元和中央处理单元，所述无线接收单元与远程端建立无线连接，并接收远程端的指令，所述中央处理单元为存储经由无线接收单元接收的控制预设置的计划表，根据存储的计划表来智控球阀，并且可以记录运行时间、定位、流体流量、压力参数信息和计费信息。

10.根据权利要求8所述的一种无线智控蜗轮蜗杆副无级定位球阀控制系统，其特征在于：所述阀门控制器的运行模式包括睡眠模式和无线通信模式，所述睡眠模式下，所述阀门控制器与远程端保持无通信，所述无线通信模式下，所述阀门控制器接收远程控制器端发送的所有数据信号，所述睡眠模式和无线通信模式之间周期性交替，且周期间隔可以根据需求在远程端进行相应预设和修改。

11.根据权利要求1所述的一种无线智控蜗轮蜗杆副无级定位球阀控制系统，其特征在于：所述阀体内设有多级独立密封保护，所述阀体在连接的管道上均设立单向阀，所述单向阀随着阀内的压力变化调节开闭，保持内外压力平衡。

12.一种物联网自动灌溉系统，其特征在于：包括权利要求1-11任一项所述的无线智控蜗轮蜗杆副无级定位球阀控制系统，所述现场端还包括光敏、温湿度环境数据采集装置，图像采集装置，各种可控电磁阀装置，所述阀门控制器升级为物联网控制器，物联网控制器通过有线或无线的方式与环境数据采集装置，图像采集装置和电磁阀装置建立连接并运行管控；

还包括服务器，与物联网控制器建立无线连接，集成了多个物联网控制器的数据信息；

所述远程端为客户监控终端，与服务器建立局域网，从服务器上读取相应现场端的参数数据，并根据需要再将调整、预设参数通过服务器传输至物联网控制器。

Images