CN113261495A - 一种风光互补系统的农作物灌溉装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风光互补系统的农作物灌溉装置，属于灌溉技术领域，用于解决现有灌溉技术不节约水力资源和电力资源的问题，包括控制器，一种风光互补系统的农作物灌溉装置，所述控制器连接有显示屏，所述控制器还连接比较器，比较器通信连接有传感监测模块，控制器信号连接有太阳能跟踪组件，所述控制器连接有开关，所述开关分别与电池电量显示器、太阳能充电模块电连接，所述太阳能充电模块电连接有锂电池，太阳能充电模块通信连接有随风发电组件，所述随风发电组件与太阳能跟踪组件相连接，所述控制器连接有继电器模块，所述继电器模块电连接有水泵，所述水泵连接有水管，本发明在灌溉时，充分利用太阳能，精准控制灌溉水量，节能减排。

Description

一种风光互补系统的农作物灌溉装置
技术领域
本发明属于灌溉技术领域，具体是一种风光互补系统的农作物灌溉装置。
背景技术
随着我们经济社会的发展和能源的不断破坏和滥用，导致局部地区出现能源溃泛和利用率的低的现象。为了改善这一情况，很多地方采用不间断灌溉技术对土壤进行灌溉，浪费了大量的水资源，且土壤达到饱和度后易造成植物根部腐烂；同时，不间断灌溉技术也浪费了大量的电力资源，为此，我们提出一种风光互补系统的农作物灌溉装置。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种风光互补系统的农作物灌溉装置。
本发明所要解决的技术问题为：
(1)如何改变土壤的不间断灌溉技术，从而避免浪费大量的水资源的问题；
(2)如何改变不间断灌溉技术浪费大量电力资源的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种风光互补系统的农作物灌溉装置，包括控制器，所述控制器连接有显示屏，所述控制器还连接比较器，比较器通信连接有传感监测模块，控制器信号连接有太阳能跟踪组件，所述控制器连接有开关，所述开关分别与电池电量显示器、太阳能充电模块电连接，所述太阳能充电模块电连接有锂电池，太阳能充电模块通信连接有随风发电组件，所述随风发电组件与太阳能跟踪组件相连接，所述控制器连接有继电器模块，所述继电器模块电连接有水泵，所述水泵连接有水管。
进一步地，传感监测模块具体为设置在土壤中的湿度传感器和温度传感器，湿度传感器用于监测土壤的湿度数据，温度传感器用于监测土壤的温度数据，并将湿度数据和温度数据发送至控制器。
进一步地，所述太阳能跟踪组件包括云台基座、中间转向座、转向舵机、固定板转向座、太阳能板和光敏电阻，所述云台基座上侧设置有中间转向座，所述中间转向座上侧设置有转向舵机，所述转向舵机上侧安装有固定板转向座，所述固定板转向座上安装有太阳能板，所述光敏电阻设置在太阳能板的边缘位置。
进一步地，所述随风发电组件包括底座、转轴、电机座、横杆、摆尾、风扇和风力发电机，所述底座上安装有转轴，所述转轴上安装有横杆，所述横杆上固定有电机座，所述电机座内部装配有风力发电机，所述风力发电机的输出端安装有风扇，所述横杆远离风扇的一端安装有摆尾。
进一步地，系统还包括土壤分析模块、计时模块和定位模块，所述控制器与光敏电阻相连接，所述定位模块用于定位太阳能板的位置信息，并将位置信息发送至控制器；所述光敏电阻用于检测反馈的各个方向的光强数据，并将光强数据传输至控制器；所述计时模块用于对灌溉时间进行计时，并将计时信息发送至控制器；所述控制器依据光强数据控制转向舵机进行转动；所述控制器将湿度数据、温度数据、计时信息、位置信息和光强数据传输至土壤分析模块；所述土壤分析模块用于土壤数据进行分析；所述土壤分析模块将停止灌溉信号发送至控制器，所述控制器依据停止灌溉信号生成控制指令加载至水泵，水泵接收到控制指令后停止工作。
进一步地，所述土壤分析模块的分析过程具体如下：
步骤一：将太阳能板所在土壤内设置若干个检测区域，并将检测区域标记为u，u＝1，2，……，z，z为正整数；检测区域内设置若干个传感监测模块；
步骤二：获取检测区域的土壤湿度值Su和土壤温度值Wu；获取检测区域的植被数，并将植被数标记为ZBu；
步骤三：利用公式
Figure BDA0003066762980000031
计算得到检测区域的需水值；
步骤四：按照需水值的大小将检测区域进行灌溉排序，并利用通过计时模块实时记录每个检测区域的灌溉时间GTu；
步骤五：实时获取检测区域的土壤湿度值、土壤温度值和灌溉时间，土壤湿度值、土壤温度值和灌溉时间结合土壤含水率曲线计算得到检测区域的实时临界值LJu；
步骤六：实时临界值与预设临界值进行比对，若实时临界值大于等于预设临界值，则生成停止灌溉；若实时临界值小于预设临界值，则不进任何操作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、该本发明通过风光互补作用将清洁能源用于农作物的灌溉，节省了电力设施的投入成本和农业生产用水，间接避免了不可再生能源的损耗；同时检测数据准确，精准实现水分和养分的时间和用量控制，实现农作物的优质生长。
2、本发明中的智慧农业中节能节水节肥灌溉方面，适用于日照时间长、平原广袤、水资源缺乏地区的农林业，实现智能控制灌溉用水用肥，同时利用太阳能与风能互补进行发电驱动灌溉装置，从而达到节能节水的效果；本发明可以有效提高清洁能源利用率，缓解局部地区能源短缺和滥用的问题。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中太阳能跟踪组件的结构示意图；
图3为本发明中随风发电组件的结构示意图；
图4为本发明的土壤含水率曲线图；
图5为本发明的系统框图。
图中：1、显示屏；2、比较器；3、传感监测模块；
4、太阳能跟踪组件；41、云台基座；42、中间转向座；43、转向舵机；44、固定板转向座；
5、随风发电组件；51底座；52、转轴；53、电机座；54、横杆；55、摆尾；
6、控制器；7、电池电量显示器；8、太阳能充电模块；9、开关；10、锂电池；11、水泵；12、水管；13、继电器模块。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明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，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图5所示，一种风光互补系统的农作物灌溉装置，包括显示屏1、比较器2、传感监测模块3、太阳能跟踪组件4、随风发电组件5、控制器6、电池电量显示器7、太阳能充电模块8、开关9、锂电池10、水泵11、水管12以及继电器模块13，所述控制器6连接有显示屏1，所述控制器6还连接比较器2，所述比较器2通信连接有传感监测模块3，所述控制器6信号连接有太阳能跟踪组件4，所述控制器6连接有开关9，所述开关9分别与电池电量显示器7、太阳能充电模块8电连接，所述太阳能充电模块8电连接有3.7V的锂电池10，所述太阳能充电模块8通信连接有随风发电组件5，所述随风发电组件5与太阳能跟踪组件4相连接，所述控制器6连接有继电器模块13，所述继电器模块13电连接有水泵11，所述水泵11连接有水管12；
其中，控制器6为Arduino控制器6，比较器2可以作为一个1位模/数转换器ADC；
所述传感监测模块3具体为设置在土壤中的湿度传感器和温度传感器，湿度传感器用于监测土壤的湿度数据，温度传感器用于监测土壤的温度数据，并将湿度数据和温度数据发送至控制器6，该设计根据湿度、氮磷钾等肥料等传感器检测数据与不同农作物的水分和氮磷钾等肥料的需求标准的对比，运用比较程序的调制，从而精准控制灌溉的水肥用量和时间，同时水分和养分以喷灌的方式灌溉。此系统实现了智能、精准灌溉，大大提高了水肥资源利用率。一种风光互补系统的农作物灌溉装置充分彰显了本次主题，达到了节能减排的实际应用效果；
请参阅图2所示，太阳能跟踪组件4包括云台基座41、中间转向座42、转向舵机43、固定板转向座44、太阳能板和光敏电阻，所述云台基座41上侧设置有中间转向座42，所述中间转向座42上侧设置有转向舵机43，所述转向舵机43上侧安装有固定板转向座44，所述固定板转向座44上安装有太阳能板，所述光敏电阻设置在太阳能板的边缘位置，通过光敏电阻上检测反馈的各个方向的光强大小，驱使转向舵机43带动太阳能板转向最强光强处，从而有效提高了太阳能资源的利用率和太阳能转化为电能的效率；
请参阅图3所示，随风发电组件5包括底座51、转轴52、电机座53、横杆54、摆尾55、风扇和风力发电机，所述底座51上安装有转轴52，所述转轴52上安装有横杆54，所述横杆54上固定有电机座53，所述电机座53内部装配有风力发电机，所述风力发电机的输出端安装有风扇，所述横杆54远离风扇的一端安装有摆尾55，随风发电组件5将风扇、风力发电机和随风360°转动支架进行组合，利用外界自然风吹动风扇，驱动风力发电机进行发电，此外结合了随风360°转动支架，更好地充分利用了各个方向上风力。此系统能够提高风能资源利用率和风能转化为电能效率，且结构简单；
请参阅图5所示，所示系统还包括土壤分析模块、计时模块和定位模块，所述控制器6与光敏电阻相连接，所述定位模块用于定位太阳能板的位置信息，并将位置信息发送至控制器6；所述光敏电阻用于检测反馈的各个方向的光强数据，并将光强数据传输至控制器6；所述计时模块用于对灌溉时间进行计时，并将计时信息发送至控制器6；所述控制器6依据光强数据控制转向舵机43进行转动；所述控制器6将湿度数据、温度数据、计时信息、位置信息和光强数据传输至土壤分析模块；所述土壤分析模块用于土壤数据进行分析，分析过程具体如下：
步骤一：将太阳能板所在土壤内设置若干个检测区域，并将检测区域标记为u，u＝1，2，……，z，z为正整数；检测区域内设置若干个传感监测模块3；
步骤二：获取检测区域的土壤湿度值Su和土壤温度值Wu；获取检测区域的植被数，并将植被数标记为ZBu；
步骤三：利用公式
Figure BDA0003066762980000061
计算得到检测区域的需水值，式中a1和a2均为比例系数固定数值，且a1和a2的取值均大于零，e为自然常数；
步骤四：按照需水值的大小将检测区域进行灌溉排序，并利用通过计时模块实时记录每个检测区域的灌溉时间GTu；
步骤五：实时获取检测区域的土壤湿度值、土壤温度值和灌溉时间，土壤湿度值、土壤温度值和灌溉时间结合土壤含水率曲线计算得到检测区域的实时临界值LJu；
步骤六：实时临界值与预设临界值进行比对，若实时临界值大于等于预设临界值，则生成停止灌溉；若实时临界值小于预设临界值，则不进任何操作；
所述土壤分析模块将停止灌溉信号发送至控制器6，所述控制器6依据停止灌溉信号生成控制指令加载至水泵11，水泵11接收到控制指令后停止工作；
同时，系统还包括动力设备成本、管材及附件成本和运行成本三部分，其中动力设备成本为水泵11的费用；管材及附件单价参考互联网上某同一厂家；运行成本包括水费和电费，单价均假设为自来水水价为5元/立方米，电费为0.49元/千瓦时，水源距离农业用地的距离为10米。一年灌溉时间为150天，喷灌系统一次灌水持续时间为0.5小时。为简便计算，忽略系统中沿程和局部损失的影响。管道管径计算方法：对于单独的压力输水管12道，管径计算采用公式(1)；用水量计算采用公式(2)；系统用电主要为水泵11电量消耗，用电量计算采用公式(3)。
Figure BDA0003066762980000071
式中：D为管道直径，m；v为管道流速，m/s，通常为1～3m/s，此处取1.5m/s；Q为管道流量，m3/s。
V＝qt (2)
式中：V为用水量，m3；q为系统流量，m3/h；t为系统运行时间，h。
W＝pt (3)
式中：W为用电量，kWh；p为泵功率，kW；t为系统运行时间，h。
根据所选八孔喷头流量，代入式(1)和式(2)，计算管道管径和用水量。根据泵功率代入式(3)计算用电量。其中喷头性能参数：工作压力：1.3-3公斤、流量：0-70升、射程：1米；水管(12)流量：10立方米/小时，管径：8毫米。经计算，喷灌系统用水量为10立方米/小时×0.5小时×150天＝750立方米，水费为750立方米×5元/立方米＝3750元，用电量为3×0.5小时×150天＝225千瓦时，电费为225千瓦时×0.49元/千瓦时＝110.25元。
上述公式均是去量化取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最近真实情况的一个公式，公式中的预设参数由本领域的技术人员根据实际情况进行设置。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种风光互补系统的农作物灌溉装置，包括控制器(6)，其特征在于，所述控制器(6)连接有显示屏(1)，所述控制器(6)还连接有比较器(2)，比较器(2)通信连接有传感监测模块(3)，控制器(6)信号连接有太阳能跟踪组件(4)，所述控制器(6)连接有开关(9)，所述开关(9)分别与电池电量显示器(7)、太阳能充电模块(8)电连接，所述太阳能充电模块(8)电连接有锂电池(10)，太阳能充电模块(8)通信连接有随风发电组件(5)，所述随风发电组件(5)与太阳能跟踪组件(4)相连接，所述控制器(6)连接有继电器模块(13)，所述继电器模块(13)电连接有水泵(11)，所述水泵(11)连接有水管(12)。
2.根据权利要求1所述的一种风光互补系统的农作物灌溉装置，其特征在于，传感监测模块(3)具体为设置在土壤中的湿度传感器和温度传感器，湿度传感器用于监测土壤的湿度数据，温度传感器用于监测土壤的温度数据，并将湿度数据和温度数据发送至控制器(6)。
3.根据权利要求1所述的一种风光互补系统的农作物灌溉装置，其特征在于，所述太阳能跟踪组件(4)包括云台基座(41)、中间转向座(42)、转向舵机(43)、固定板转向座(44)、太阳能板和光敏电阻，所述云台基座(41)上侧设置有中间转向座(42)，所述中间转向座(42)上侧设置有转向舵机(43)，所述转向舵机(43)上侧安装有固定板转向座(44)，所述固定板转向座(44)上安装有太阳能板，所述光敏电阻设置在太阳能板的边缘位置。
4.根据权利要求1所述的一种风光互补系统的农作物灌溉装置，其特征在于，所述随风发电组件(5)包括底座(51)、转轴(52)、电机座(53)、横杆(54)、摆尾(55)、风扇和风力发电机，所述底座(51)上安装有转轴(52)，所述转轴(52)上安装有横杆(54)，所述横杆(54)上固定有电机座(53)，所述电机座(53)内部装配有风力发电机，所述风力发电机的输出端安装有风扇，所述横杆(54)远离风扇的一端安装有摆尾(55)。
5.根据权利要求1所述的一种风光互补系统的农作物灌溉装置，其特征在于，系统还包括土壤分析模块、计时模块和定位模块，所述控制器(6)与光敏电阻相连接，所述定位模块用于定位太阳能板的位置信息，并将位置信息发送至控制器(6)；所述光敏电阻用于检测反馈的各个方向的光强数据，并将光强数据传输至控制器(6)；所述计时模块用于对灌溉时间进行计时，并将计时信息发送至控制器(6)；所述控制器(6)依据光强数据控制转向舵机(43)进行转动；所述控制器(6)将湿度数据、温度数据、计时信息、位置信息和光强数据传输至土壤分析模块；所述土壤分析模块用于土壤数据进行分析；所述土壤分析模块将停止灌溉信号发送至控制器(6)，所述控制器(6)依据停止灌溉信号生成控制指令加载至水泵(11)，水泵(11)接收到控制指令后停止工作。
6.根据权利要求5所述的一种风光互补系统的农作物灌溉装置，其特征在于，所述土壤分析模块的分析过程具体如下：
步骤一：将太阳能板所在土壤内设置若干个检测区域，并将检测区域标记为u，u＝1，2，……，z，z为正整数；检测区域内设置若干个传感监测模块(3)；
步骤二：获取检测区域的土壤湿度值Su和土壤温度值Wu；获取检测区域的植被数，并将植被数标记为ZBu；
步骤三：利用公式
Figure FDA0003066762970000021
计算得到检测区域的需水值；
步骤四：按照需水值的大小将检测区域进行灌溉排序，并利用通过计时模块实时记录每个检测区域的灌溉时间GTu；
步骤五：实时获取检测区域的土壤湿度值、土壤温度值和灌溉时间，土壤湿度值、土壤温度值和灌溉时间结合土壤含水率曲线计算得到检测区域的实时临界值LJu；
步骤六：实时临界值与预设临界值进行比对，若实时临界值大于等于预设临界值，则生成停止灌溉；若实时临界值小于预设临界值，则不进任何操作。
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