CN117178858A - 用于智能灌溉的能量自主无电池系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于智能灌溉的能量自主无电池系统。一种灌溉系统包括流体耦合在入口管和出口管之间的第一阀，以及流体耦合在入口管和功率采集器之间的第二阀。响应于流体流过功率采集器，功率采集器在功率输出处生成电功率。能量存储单元耦合到该功率输出以存储所生成的电压。比较电路将所生成的电压与阈值进行比较。当所生成的电压小于阈值时，控制电路使第二阀允许流体流过第二阀，从而当所生成的电压小于阈值时引起由功率采集器生成电功率。当所生成的电压至少等于阈值时，比较电路使第二阀阻止流体流，从而当所生成的电压至少等于阈值时终止由功率采集器生成电功率。

Description

用于智能灌溉的能量自主无电池系统

技术领域

本公开涉及智能灌溉领域，并且更具体地，涉及利用水流来向控制系统的阀的电子器件提供电功率的智能灌溉系统。

背景技术

用于农业的智能灌溉系统是复杂的系统，在大面积的农业用地之上延伸。这样的智能灌溉系统利用电子控制单元来提供精确控制的水输送。由这样的电子控制单元利用的电功率的输送可能是一个挑战。

例如，由于在其之上利用智能灌溉系统的这些大面积的用地，以及这样的农业用地通常位置偏远的事实，这样的电子控制单元与配电网的连接是不切实际的或不可能的。此外，由太阳能电池板再充电的可再充电电池的使用不太理想，这是因为位于偏远位置中的太阳能电池板可能被盗，并且如所述的，农业用地通常位置偏远。又进一步地，虽然使用隐藏或掩埋的电池可以避免偷盗，但是这样的电池要手动移除并且异地再充电。这是相当劳动密集的，从而导致这种方法也不太理想。

因此，需要对智能灌溉系统领域的进一步发展。

发明内容

本文公开了一种灌溉系统，该灌溉系统包括：入口管，其被配置为接收加压水；第一可控阀，其具有与入口管流体连通地耦合以从入口管接收加压水的第一阀入口并且具有与出口管流体连通地耦合的第一阀出口；第一阀驱动器，其被配置为响应于第一控制信号而控制第一可控阀；第二可控阀，其具有与入口管流体连通地耦合以接收加压水的第二阀入口并且具有第二阀出口；以及第二阀驱动器，其被配置为响应于第二控制信号而控制第二可控阀。功率采集器具有与第二阀出口流体连通地耦合的采集器入口并且具有与排水管流体连通地耦合的采集器出口，功率采集器被配置为响应于加压水流过功率采集器而在功率输出处生成电功率。

能量存储单元电耦合在功率输出和接地之间，并且被配置为存储跨能量存储单元的生成的电压。比较电路被配置为将生成的电压与至少一个阈值进行比较，并且生成指示生成的电压是否大于至少一个阈值以及生成的电压是否小于至少一个阈值的至少一个比较输出信号。控制电路被配置为：当比较电路指示生成的电压小于至少一个阈值时，生成第二控制信号，使得第二阀驱动器使第二可控阀允许加压水流过第二可控阀，从而当比较电路指示生成的电压小于至少一个阈值时引起由功率采集器生成电功率；以及当比较电路指示生成的电压至少等于至少一个阈值时，生成第二控制信号，使得第二阀驱动器使第二可控阀阻止加压水流过第二可控阀，从而当比较电路指示生成的电压至少等于至少一个阈值时终止由功率采集器生成电功率。

控制电路可以被配置为：当期望向与灌溉系统相关联的区域输送水时，生成第一控制信号，使得第一阀驱动器使第一可控阀允许加压水流过第一可控阀。此外，通信接口可以耦合到控制电路，并且通信接口可以接收与向与灌溉系统相关联的区域输送水相关的命令，其中控制电路被配置为基于由通信接口接收的命令而生成第一控制信号，使得第一阀驱动器使第一可控阀允许加压水流过第一可控阀。

环境传感器可以耦合到控制电路，并且环境传感器可以生成指示是否应该开始向与灌溉系统相关联的区域输送水的信号并且向控制电路发送该信号。控制电路可以被配置为基于由环境传感器生成的信号而生成第一控制信号，使得第一阀驱动器使第一可控阀允许加压水流过第一可控阀。

通信接口可以是无线通信接口。

感测电路可以被配置为生成指示生成的电压的感测信号，并且比较电路可以通过将感测信号与至少一个阈值进行比较来将生成的电压与至少一个阈值进行比较。

感测电路可以是耦合在功率输出和接地之间的分压器，其中感测信号被生成为在分压器的分接头处的感测电压。

功率采集器可以被配置为利用至少在采集器入口中诱发的振动以在功率输出处生成电功率。

比较电路可以是至少一个比较器，该至少一个比较器被配置为将生成的电压与至少一个阈值进行比较，并且将至少一个比较输出信号生成为指示生成的电压是否大于至少一个阈值和生成为指示生成的电压是否小于至少一个阈值。

模数转换器可以被配置为生成表示生成的电压的数字值，并且比较电路和控制电路可以被集成在微控制器内。

电压转换器可以被配置为接收生成的电压并且从生成的电压产生经转换的电压，并且第一阀驱动器和第二阀驱动器可以由经转换的电压供电。

电压调节器可以被配置为接收经转换的电压并且从经转换的电压产生经调节的电压，并且控制电路可以由经调节的电压供电。

至少一个阈值可以包括下阈值和上阈值，并且至少一个比较输出信号可以包括第一比较信号和第二比较信号，其中比较电路被配置为将生成的电压与下阈值进行比较，并且当生成的电压小于下阈值时断言第一比较信号。比较电路可以被配置为将生成的电压与上阈值进行比较，并且当生成的电压大于上阈值时断言第二比较信号。控制电路可以被配置为响应于第一比较信号的断言而生成第二控制信号，使得第二阀驱动器使第二可控阀允许加压水流过第二可控阀。控制电路可以被配置为响应于第二比较信号的断言而生成第一控制信号，使得第二阀驱动器使第二可控阀阻止加压水流过第二可控阀。

本文还公开了一种延长智能灌溉系统的维护间隔的方法，智能灌溉系统包括流体连通地耦合在系统入口管和系统出口管之间的第一可控阀。该方法包括：将第二可控阀流体耦合在系统入口和功率采集器之间，使得当第二可控阀打开时，流体从系统入口流入功率采集器中，其中当流体流过功率采集器时功率采集器生成功率；存储由功率采集器生成的功率；监测所存储的功率；当所存储的功率不足以用于系统操作时打开第二可控阀；以及当所存储的功率足以用于系统操作时关闭第二可控阀，使得当所存储的功率足以用于系统操作时，功率采集器不操作。

存储由功率采集器生成的功率可以是将由功率采集器生成的功率存储为跨超级电容器的电压。

监测所存储的功率可以是监测跨超级电容器存储的电压。

当跨超级电容器存储的电压下降到低于下阈值时，所存储的功率可以不足以用于系统操作。

当跨超级电容器存储的电压上升到变成等于较高阈值时，所存储的功率可以足以用于系统操作。

该方法还可以包括基于经由通信接口接收的命令打开第一可控阀。

当跨超级电容器存储的电压的分压版本下降到低于下阈值时，所存储的功率可以不足以用于系统操作，并且当跨超级电容器存储的电压的分压版本上升到变成等于较高阈值时，所存储的功率可以足以用于系统操作。

附图说明

图1是本文公开的第一智能灌溉系统的示意性框图。

图2是本文公开的第二智能灌溉系统的示意性框图。

图3是第一智能灌溉系统的示意性框图，其中示出了能量存储元件、传感器和比较电路的第一潜在实现细节。

图4是第一智能灌溉系统的示意性框图，其中示出了能量存储元件、传感器和比较电路的第二潜在实现细节。

图5是第一智能灌溉系统的示意性框图，其中示出了能量存储元件、传感器和比较电路的第三潜在实现细节。

图6是并入了图1的第一智能灌溉系统的多个实例的智能草坪喷洒器系统的图解性框图。

具体实施方式

以下公开内容使得本领域技术人员能够制造和使用本文公开的主题。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，本文描述的一般原理可以应用于除以上详述的那些之外的实施例和应用。本公开不旨在限于所示的实施例，而是要被给予与本文公开或建议的原理和特征一致的最宽范围。

现在参考图1描述第一智能灌溉系统10。智能灌溉系统10被容纳在耐环境的壳体11内。流体管道12包括入口管12a，加压水通过该入口管12a进入壳体11。第一电磁阀22具有与入口管12a流体连通地耦合的入口和与出口管12d流体连通地耦合的出口，加压水通过该出口管12d离开壳体13，其中第一电磁阀22的致动由驱动信号DRV1选择性地控制。通过对第一电磁阀22的适当驱动，可以将通过输出管12d的水的流量控制在从零流量到最大流量的范围内。该输出管12d可以连接到水分配装置，诸如喷洒器，以实现对在其上安装有智能灌溉系统10的农业用地的期望浇水。

第二电磁阀13具有与入口管12a流体连通地耦合的入口和与采集器入口管12b流体连通地耦合的出口，其中第二电磁阀的致动由驱动信号DRV2控制。功率采集器14(例如，生成电功率的水轮机，或利用压电、电磁或静电方法以采用由管中的水流诱发的振动来生成电功率的装置)流体连接在采集器入口管12b和采集器出口管12c之间。在该实施例中，采集器出口管12c离开壳体11，并且可以被布置为简单地排到地面上或中，或者排到收集罐中。通过对第二电磁阀13的适当驱动，可以将通过功率采集器14的流体流的量控制在从零流量到最大流量的范围内。

尽管阀22和13在上文和下文中被描述为是电磁阀，但是阀可以是任何类型的。

从入口12a、通过电磁阀13、通过采集器入口管12b、通过功率采集器14本身以及通过采集器出口管12c出去的加压水流导致由功率采集器14生成电功率，诸如DC电功率。在功率生成期间由功率采集器14输出的电流用于对能量存储元件32充电，能量存储元件32连接在功率采集器14的功率输出端子和接地之间，其中所生成的电压Vgen因此跨能量存储元件32生成。

传感器33连接在功率采集器14的功率输出端子和接地之间，其中感测信号SNS由传感器33生成。比较电路18接收感测信号SNS作为输入，并在其输出处输出指示感测信号SNS是高于还是低于阈值的比较输出CMP。

电压转换器15(例如，DC/DC电压转换器，诸如低压降调节器)接收所生成的电压Vgen，并将经转换的电压Vconv提供给电压调节器16(例如，低压降调节器)以及阀驱动器20和21。电压调节器16输出经调节的电压Vreg以向通信接口19(例如，蓝牙低能量收发器)和微控制器17供电。通信接口19与微控制器17双向通信，并且微控制器接收比较输出CMP以及可选的一个或多个环境传感器31(例如，湿度传感器)的输出作为输入，并且分别向阀驱动器20和21提供输出控制信号CTRL1和CTRL2。

特别地，输出控制信号CTRL1由微控制器17基于内部编程、基于来自环境传感器31的数据或基于经由通信接口19接收的数据来提供。驱动器20从控制信号CTRL1生成用于第一电磁阀22的驱动信号DRV1。由于第一电磁阀22用于调节到水分配装置的水流量，所以控制信号CTRL1因此控制到水分配装置的水流量。

输出控制信号CTRL2由微控制器17基于比较输出CMP来提供，从而控制通过电磁阀13并进而通过功率采集器14的水流量——因此，输出控制信号CTRL2控制由功率采集器14的功率生成。由于功率采集器14可以具有移动部分(例如，考虑到水轮机的情况)，并且由于移动部分随时间磨损，不期望将智能灌溉系统10的维护间隔延长到尽可能长，因此期望功率采集器14尽可能不频繁地移动/操作。因此，微控制器17使用传感器33来监测跨能量存储装置32的电压Vgen的状态，并使用比较电路18来确定跨能量存储装置的电压Vgen何时下降到低于一个或多个阈值和上升到高于一个或多个阈值。当微控制器17已经确定跨能量存储装置32的电压Vgen已经下降到低于一个或多个阈值(例如，下降到低于第一阈值)时，微控制器17生成控制信号CTRL2，以便使驱动器21生成驱动信号DRV2，使得控制电磁阀13以允许水流过采集器14，从而生成用于对能量存储装置32再充电的功率。当跨能量存储装置32的电压Vgen由于采集器14的功率生成提供的再充电而上升到高于一个或多个阈值(例如，上升到高于第二阈值，第二阈值是比第一阈值高的值)时，微控制器17生成控制信号CTRL2，以便使驱动器21生成驱动信号DRV2，使得关闭电磁阀13以终止水流过采集器14，从而一旦能量存储装置32被充分充电就停止采集器14的操作。这将采集器14的操作时间减少到最小，从而增加了采集器14的使用寿命并增大了智能灌溉系统10的维护间隔，这是因为当期望对能量存储装置32充电时，电磁阀13打开以允许水流过采集器14，否则不允许水流过采集器14。

如图2所示，在另一配置中，采集器输出管12c’可以连接到出口管12d。

现在参考图3描述另一可能的实现选项。能量存储装置32可以是超级电容器Cs。此外，传感器33可以是由串联连接的电阻器R1和R2形成的电阻分压器，其连接在功率采集器14的功率输出端子和接地之间，其中在电阻器R1和R2之间的分接头N1处生成感测电压VSNS。比较电路18可以是比较器，该比较器具有被连接以接收感测电压VSNS的反相输入端子、被连接以接收参考电压Vref1的非反相输入端子以及输出，在该输出处生成比较输出CMP，并且将比较输出CMP传递到微控制器17。这里，当VSNS下降到低于参考电压Vref1时，比较电路18断言比较输出CMP，并且当VSNS上升到高于参考电压Vref1时，比较电路18解除断言比较输出CMP。

现在参考图4描述又一可能的实现选项。能量存储装置32可以是超级电容器Cs。此外，传感器33可以是由串联连接的电阻器R1和R2形成的电阻分压器，其连接在功率采集器14的功率输出端子和接地之间，其中在电阻器R1和R2之间的分接头N1处生成感测电压VSNS。比较电路包括第一比较器18a，该第一比较器18a具有被连接以接收感测电压VSNS的非反相输入端子、被连接以接收参考电压Vref2(其高于Vref1)的反相输入端子以及输出，在该输出处生成比较输出CMP2，并将比较输出CMP2传递到微控制器17。这里，当VSNS上升到高于参考电压Vref2时，比较电路18a断言比较输出CMP2。

比较电路包括第二比较器18b，该第二比较器18b具有被连接以接收感测电压VSNS的非反相输入端子、被连接以接收参考电压Vref2的反相输入端子以及输出，在该输出处生成比较输出CMP2，并将比较输出CMP2传递到微控制器17。这里，当VSNS下降到低于参考电压Vref1时，比较电路18a断言比较输出CMP1。

如所述的，参考电压Vref1低于参考电压Vref2。因此，当比较输出CMP1被断言时，微控制器17启动功率生成——当电压Vgen已经下降到低于下阈值时启动功率生成。然后，当比较输出CMP2被断言时，微控制器17终止功率生成——当电压Vgen已经增大到匹配或超过较高阈值时终止功率生成。

如图5所示，代替使用比较器，可以使用模数转换器(ADC)18’来数字化VSNS。在这种情况下，微控制器17从ADC18’接收VSNS的数字化版本，执行与一个或多个存储的阈值的上述比较，并且基于该比较，如上所述相应地启动并引起功率生成。

智能灌溉系统10的壳体11可以是小的，并且其尺寸被设置为适配在典型孔中，该典型孔形成于地面中以容纳喷洒器，并且当壳体的尺寸被如此设置时，智能灌溉系统10的其它部件的尺寸可以相应地被设置为适配在壳体内。因此，图6中示为智能灌溉系统10(1),…,10(n)的智能灌溉系统的多个实例可以被安装在单个场地内并从相同水管接收水。这里，环境传感器31可以是湿度传感器。这允许形成图6所示的智能喷洒器系统5，智能喷洒器系统5对干燥的场地(例如草坪)的部分进行浇水(因为每个智能灌溉系统10(1),…,10(n)基于其湿度传感器接通或断开)，从而通过避免对足够潮湿的场地的区域进行浇水来节省大量的水。

可以对本文已经描述和图示的内容进行修改和变化，而不会由此脱离如所附权利要求中限定的本公开的范围。

虽然已经关于有限数目的实施例描述了本公开，但受益于本公开的本领域技术人员将认识到，可以设想到不脱离如本文所公开的本公开的范围的其它实施例。因此，本公开的范围将仅由所附权利要求限制。

Claims (20)

1.一种灌溉系统，包括：

入口管，其被配置为接收加压水；

第一可控阀，其具有与所述入口管流体连通地耦合以从所述入口管接收所述加压水的第一阀入口，并且具有与出口管流体连通地耦合的第一阀出口；

第一阀驱动器，其被配置为响应于第一控制信号而控制所述第一可控阀；

第二可控阀，其具有与所述入口管流体连通地耦合以接收所述加压水的第二阀入口，并且具有第二阀出口；

第二阀驱动器，其被配置为响应于第二控制信号而控制所述第二可控阀；

功率采集器，其具有与所述第二阀出口流体连通地耦合的采集器入口，并且具有与排水管流体连通地耦合的采集器出口，所述功率采集器被配置为响应于加压水流过所述功率采集器而在功率输出处生成电功率；

能量存储单元，其电耦合在所述功率输出和接地之间，并且被配置为存储跨所述能量存储单元的生成的电压；

比较电路，其被配置为将所述生成的电压与至少一个阈值进行比较，并且生成指示所述生成的电压是否大于所述至少一个阈值以及所述生成的电压是否小于所述至少一个阈值的至少一个比较输出信号；以及

控制电路，其被配置为：

当所述比较电路指示所述生成的电压小于所述至少一个阈值时，生成所述第二控制信号，使得所述第二阀驱动器使所述第二可控阀允许所述加压水流过所述第二可控阀，从而当所述比较电路指示所述生成的电压小于所述至少一个阈值时引起由所述功率采集器生成所述电功率；以及

当所述比较电路指示所述生成的电压至少等于所述至少一个阈值时，生成所述第二控制信号，使得所述第二阀驱动器使所述第二可控阀阻止所述加压水流过所述第二可控阀，从而当所述比较电路指示所述生成的电压至少等于所述至少一个阈值时终止由所述功率采集器生成所述电功率。

2.根据权利要求1所述的灌溉系统，其中所述控制电路被配置为：当期望向与所述灌溉系统相关联的区域输送水时，生成所述第一控制信号，使得所述第一阀驱动器使所述第一可控阀允许所述加压水流过所述第一可控阀。

3.根据权利要求2所述的灌溉系统，还包括耦合到所述控制电路的通信接口；其中所述通信接口接收与向与所述灌溉系统相关联的所述区域输送水相关的命令；并且其中所述控制电路被配置为基于由所述通信接口接收的命令而生成所述第一控制信号，使得所述第一阀驱动器使所述第一可控阀允许所述加压水流过所述第一可控阀。

4.根据权利要求2所述的灌溉系统，还包括耦合到所述控制电路的环境传感器；其中所述环境传感器生成指示是否应该开始向与所述灌溉系统相关联的所述区域输送水的信号并且向所述控制电路发送所述信号；并且其中所述控制电路被配置为基于由所述环境传感器生成的所述信号而生成所述第一控制信号，使得所述第一阀驱动器使所述第一可控阀允许所述加压水流过所述第一可控阀。

5.根据权利要求3所述的灌溉系统，其中所述通信接口包括无线通信接口。

6.根据权利要求1所述的灌溉系统，还包括感测电路，所述感测电路被配置为生成指示所述生成的电压的感测信号；并且其中所述比较电路通过将所述感测信号与所述至少一个阈值进行比较来将所述生成的电压与所述至少一个阈值进行比较。

7.根据权利要求6所述的灌溉系统，其中所述感测电路包括耦合在所述功率输出和接地之间的分压器，其中所述感测信号被生成为在所述分压器的分接头处的感测电压。

8.根据权利要求1所述的灌溉系统，其中所述功率采集器被配置为利用至少在所述采集器入口中诱发的振动以在所述功率输出处生成所述电功率。

9.根据权利要求1所述的灌溉系统，其中所述比较电路包括至少一个比较器，所述至少一个比较器被配置为将所述生成的电压与所述至少一个阈值进行比较，并且将所述至少一个比较输出信号生成为指示所述生成的电压是否大于所述至少一个阈值和生成为指示所述生成的电压是否小于所述至少一个阈值。

10.根据权利要求1所述的灌溉系统，还包括模数转换器，所述模数转换器被配置为生成表示所述生成的电压的数字值；并且其中所述比较电路和所述控制电路被集成在微控制器内。

11.根据权利要求1所述的灌溉系统，还包括电压转换器，所述电压转换器被配置为接收所述生成的电压并且从所述生成的电压产生经转换的电压；并且其中所述第一阀驱动器和所述第二阀驱动器由所述经转换的电压供电。

12.根据权利要求11所述的灌溉系统，还包括电压调节器，所述电压调节器被配置为接收所述经转换的电压并且从所述经转换的电压产生经调节的电压；并且其中所述控制电路由所述经调节的电压供电。

13.根据权利要求1所述的灌溉系统，其中所述至少一个阈值包括下阈值和上阈值；其中所述至少一个比较输出信号包括第一比较信号和第二比较信号；其中所述比较电路被配置为将所述生成的电压与所述下阈值进行比较，并且当所述生成的电压小于所述下阈值时断言所述第一比较信号；其中所述比较电路被配置为将所述生成的电压与所述上阈值进行比较，并且当所述生成的电压大于所述上阈值时断言所述第二比较信号；其中所述控制电路被配置为响应于所述第一比较信号的断言而生成所述第二控制信号，使得所述第二阀驱动器使所述第二可控阀允许所述加压水流过所述第二可控阀；并且其中所述控制电路被配置为响应于所述第二比较信号的断言而生成所述第一控制信号，使得所述第二阀驱动器使第二可控阀阻止所述加压水流过所述第二可控阀。

14.一种延长智能灌溉系统的维护间隔的方法，所述智能灌溉系统包括流体连通地耦合在系统入口管和系统出口管之间的第一可控阀，所述方法包括：

将第二可控阀流体耦合在所述系统入口和功率采集器之间，使得当所述第二可控阀打开时，流体从所述系统入口流入所述功率采集器中，其中当流体流过所述功率采集器时所述功率采集器生成功率；

存储由所述功率采集器生成的所述功率；

监测存储的所述功率；

当存储的所述功率不足以用于系统操作时打开所述第二可控阀；以及

当存储的所述功率足以用于系统操作时关闭所述第二可控阀，使得当存储的所述功率足以用于系统操作时所述功率采集器不操作。

15.根据权利要求14所述的方法，其中存储由所述功率采集器生成的所述功率包括将由所述功率采集器生成的功率存储为跨超级电容器的电压。

16.根据权利要求15所述的方法，其中监测存储的所述功率包括监测跨所述超级电容器存储的所述电压。

17.根据权利要求16所述的方法，其中当跨所述超级电容器存储的所述电压下降到低于下阈值时，存储的所述功率不足以用于系统操作。

18.根据权利要求16所述的方法，其中当跨所述超级电容器存储的所述电压上升到变成等于较高阈值时，存储的所述功率足以用于系统操作。

19.根据权利要求14所述的方法，还包括基于经由通信接口接收的命令而打开所述第一可控阀。

20.根据权利要求16所述的方法，其中当跨所述超级电容器存储的所述电压的分压版本下降到低于下阈值时，存储的所述功率不足以用于系统操作，并且其中当跨所述超级电容器存储的所述电压的所述分压版本上升到变成等于较高阈值时，存储的所述功率足以用于系统操作。