CN1440639A - 农田区域精量灌溉光照强度传感变送器 - Google Patents

Abstract

一种涉及室外农田区域精量灌溉光照强度传感系统，尤指一种应用在人工栽培区域环境与农田精量灌溉控制技术等方面的农田区域精量灌溉光照强度传感变送器。该装置是室外气象要素的光照强度传感器和计算机精量灌溉控制系统组成，包含有室外气象传感参数、农田土壤水势、现场控制机及局部数字通讯的软、硬件组成，完成对农田灌溉各电动执行器的全程调控，该装置的光照强度传感变送器与上位计算机或现场控制装置相连接。本发明的优点：能提高光系统环境的使用范围，有良好的线性特性曲线，高光子转换效率，园弧玻璃透光感光面积大，光谱响应广，体积小、重量轻，低能秏，使用方便，节省能耗、保护环境、提高生产效率和经济效益等。

Description

农田区域精量灌溉光照强度传感变送器

所属技术领域

本发明涉及一种室外农田区域精量灌溉光照强度传感系统，尤指一种应用在人工栽培区域环境与农田精量灌溉控制技术等方面的农田区域精量灌溉光照强度传感变送器。

背景技术

随着农业科学技术的日益发展，工厂化农业技术的研究将进一步日趋深入，尤其在人工栽培区域环境与农田精量灌溉控制技术等方面，充分利用计算机控制技术深化农业灌溉各领域的研究，使相关学科之间相互渗透互相促进日趋明显。为了节省我国缺水地区宝贵的水资源，农田精量灌溉就显的异常重要。节省能耗、保护环境、提高生产效率和经济效益，就必须依赖于高新技术对农田精量控制用水的应用和依靠计算机控制技术的软、硬件投入才能得以实现，目前国内尚未见有与本发明相类似的产品，本发明中的光照强度传感变送器就是按要求设计制作完成的一项系统关键部件。

发明内容

为了克服上述不足之处，本发明的主要目的旨在提供一种将室外气象要素的光照强度结合先进的电子单片控制技术，使用于农田区域灌溉的精量调控和管理，使得农田作物生长在最佳的灌溉环境下且获得最好的节水效果。

本发明要解决的技术问题是：要解决适用于我国不同地区生态气候条件的农田墒情预报与灌溉决策支持系统软件，还要解决农田灌溉精量控制系统的硬件与之配套等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该装置的光照强度传感变送器与上位计算机或现场控制装置相连接，并与计算机精量灌溉控制系统相关联，构成一个分布式农田区域精量灌溉计算机控制系统，该装置是室外气象要素的关键部件之一。

所述的农田区域精量灌溉光照强度传感变送器的光照强度传感变送器由光辐射衰减级、光辐射感应级、滤波驱动级、抗干扰输出保护级及外壳组成，在其光辐射比例衰减器的前端为太阳光辐射入园弧玻璃透光罩，其后端的光辐射感应器与光电模拟转换相连接，光电模拟转换与低通滤波相连接，低通滤波与电压跟随驱动相连接，在电压跟随驱动和低通滤波的模块之间接入抗干扰自恢复电源，电压跟随驱动连接着输出保护电路和模拟信号输出，是一个实施在以现场控制计算机为中心的农田精量灌溉控制系统中的关键部件。

所述的农田区域精量灌溉光照强度传感变送器的计算机精量灌溉控制系统由上位计算机、现场控制装置、室外气象系列传感变送器(温度、湿度、风速、风向、雨量)、农田水势传感变送器、精量灌溉控制系统软件、精量灌溉控制应用软件、电气驱动控制装置、水泵、电动机、电磁阀、报警装置及其相应接口等组成。

所述的农田区域精量灌溉光照强度传感变送器的光辐射比例衰减器为100∶1的透光衰减器。

所述的农田区域精量灌溉光照强度传感变送器的抗干扰自恢复电源的自恢复保险丝输出端承受外接短路和为60V的电源错接，其最后输出信号通过必要的保护电路向外输出0V～3.3V精确模拟量。

一种农田区域精量灌溉光照强度传感变送器的运行方式是：上位计算机通过串行接口通讯与农田灌溉现场的现场控制装置相联，除必要的土壤或基质水势传感变送器外，室外气象重要的参数之一就是光照强度传感变送器与上位计算机或现场控制装置相联，构成一个分布式农田区域精量灌溉计算机控制系统。在系统进行运行的过程中，光照强度传感变送器实时采集现场日照强度瞬时变化参数，在一定时间范围内进行平均，然后进入灌溉控制模块中与区域种植作物类别、温度、湿度、风速、风向、雨量以及农田的土壤或基质的参数进行比较、分析，形成区域精量灌溉控制决策，决定对某一区域农田灌溉现场实施精量灌溉。

其工作步骤是：

步骤1.系统启动：启动计算机农田精量灌溉计算机控制系

    统；

步骤2.控制模式设定：进入控制模式设定区域，手动或自

    动设定；

步骤3.各类作物灌溉参数：设置各类作物灌溉参数及水

    势；

步骤4.室外动态环境参数：设置室外动态环境参数及室外

    温湿度、光照强度、风速风向与雨量；

步骤5.作物选择：选择区域种植作物的类别；

步骤6. 灌溉区域扫描：系统进入灌溉区域扫描。

步骤7.实时比较分析：对所有设定的灌溉参数、所选作物、

    土壤实时水势、气象实时参数、进行比较分析；

步骤8.动态延迟驱动输出：完成对某一区域灌溉的决策，

    进入动态延迟驱动输出，决定启停灌溉水池水泵，决定

    开闭管道电磁阀。

步骤9.循环控制：在计算机模拟操作平台上，可周而复始循

    环控制；

步骤10.结束。

本发明的有益效果是：系统在运行时可根据室外光照强度的实时变化及比较其他必要的参数，系统即可进入农田精量灌溉控制系统，进行精确精量灌溉，不仅达到农田节水的目的，也省去了大量的必须的人工设定参数输入工作，给用户带来了极大方便；在灌溉系统光照强度传感变送器设计中，采用了标准化、模块化和系列化的设计，是一个具有高可靠性、抗强干扰的实用灌溉自动化系统；在电压跟随器驱动和低通滤波模块之间专门接入了抗干扰自恢复电源，大大提高了光照强度传感变送器抗干扰性能和使用环境要求，有效避免了因模拟量信号长距离和外界电源波动异常而有可能造成的输出信号紊乱现象；此外，本发明还具有：(1)特性动态范围广(0μW/cm²～100000μW/cm²)：提高室外光环境的使用范围，不因亮度差异大而造成信号紊乱现象；(2)良好的线性特性曲线：入射光源强度和输出讯号大小成良好的正比关系，降低信号补偿处理成本；(3)高光子转换效率：很微弱的入射光照射都能被记录下来，若配合光电倍增强管，即使在暗夜景物仍然还可以测得其光系统变化；(4)园弧玻璃透光感光面积大：利用180°圆弧玻璃透光罩可接受全方位日照角度变化；(5)光谱响应广：能检测很宽波长范围的光(300～1100nm/s)，增加系统使用弹性，扩大系统应用领域；(6)体积小、重量轻：采用轻质耐腐蚀的铝合金外壳，顶部为圆弧玻璃罩，全密封防水标准；(7)低能秏，电荷传输效率信噪比高，传输距离长且不受强电磁场影响；(8)品质稳定，坚固，不易老化，使用方便，可大批量生产及节省能耗、保护环境、提高生产效率和经济效益等。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图1是本发明工作原理方框图；

附图2是本发明运行方式的工作步骤方框图；

附图3是本发明的自恢复保护电路图；

附图中标号说明：

1-太阳光辐射；

2-园弧玻璃透光罩；

3-光辐射比例衰减器；

4-光辐射感应器；

5-光电模拟转换；

6-低通滤波；

7-电压跟随驱动；

8-抗干扰自恢复电源；

9-输出保护电路；

10-模拟信号输出；

11-系统启动；

12-控制模式设定；

13-各类作物灌溉参数；

14-室外动态环境参数；

15-作物选择；

16-灌溉区域扫描；

17-实时比较分析；

18-动态延迟驱动输出；

19-自恢复保险丝。

具体实施方式

请参阅附图1、3所示，本发明的光照强度传感变送器与上位计算机或现场控制装置相连接，并与计算机精量灌溉控制系统相关联，构成一个分布式农田区域精量灌溉计算机控制系统，该装置是室外气象要素的关键部件之一。

所述的农田区域精量灌溉光照强度传感变送器的光照强度传感变送器由光辐射衰减级、光辐射感应级、滤波驱动级、抗干扰输出保护级及外壳组成，在其光辐射比例衰减器3的前端为太阳光辐射1入园弧玻璃透光罩2，其后端的光辐射感应器4与光电模拟转换5相连接，光电模拟转换5与低通滤波6相连接，低通滤波6与电压跟随驱动7相连接，在电压跟随驱动7和低通滤波6的模块之间接入抗干扰自恢复电源8，电压跟随驱动7连接着输出保护电路9和模拟信号输出10，外壳由全铝合金材料按防水要求制作而成，是一个实施在以现场控制计算机为中心的农田精量灌溉控制系统中的关键部件。

所述的农田区域精量灌溉光照强度传感变送器的计算机精量灌溉控制系统还包括由上位计算机、现场控制装置、室外气象系列传感变送器(温度、湿度、风速、风向、雨量)、农田水势传感变送器、精量灌溉控制系统软件、精量灌溉控制应用软件、电气驱动控制装置、水泵、电动机、电磁阀、报警装置、及其相应接口等组成。

所述的农田区域精量灌溉光照强度传感变送器的光辐射比例衰减器3为100∶1的透光衰减器。当室外的日光辐射经园弧透光玻璃折射，经100∶1透光衰减器后，在光辐射感应器的最佳感应范围内转换成模拟信号。由于室外的日光强度是按规律周期动态变化的，但在某一段较短的时间区域内太阳光是相对稳定的。为了排除外界干扰，不受强电磁场影响须经过低通滤波平滑补偿，进一步提高信噪比。由于光子转换效率高，很微弱的入射光照射都能被记录下来，良好的线性特性电压跟随器驱动使入射光源强度和输出讯号大小成良好的正比关系，远距离驱动能力也得以很大的提高。

所述的农田区域精量灌溉光照强度传感变送器的抗干扰自恢复电源的自恢复保险丝19输出端承受外接短路和为60V的电源错接，最后输出信号通过必要的保护电路向外输出0V～3.3V精确模拟量。

本发明的工作条件及技术参数为：

使用电压(交流)：          170V～250V

工作电压(直流)：          9V～12V

环境工作温度：            -20℃～60℃

环境工作相对湿度：        20％～95％

模拟量输出范围：          0V～3.3V

相应光强输出范围：        0μW/cm²～100000μW/cm²

模拟量转换线性误差        ≤0.1V/‰

输出极限保护自恢复：      短路

输出极限错接电压：         ≤60V

响应时间：                 ≤100μS

本发明的内在结构为：光辐射比例衰减器(100∶1)、光辐射感应器(TSL245)、抗干扰自恢复电源(R135)、低通滤波(RC)、电压跟随驱动(TIL4502)、输出保护电路(1N5231B)、模拟信号输出接口(XS12)。外部结构为：园弧R25mm玻璃透光罩、轻质耐腐蚀的铝合金圆柱外壳，外型尺寸：(H：150mm Φ80mm)  重量：(Wg：1000g)。

请参阅附图2所示，一种农田区域精量灌溉光照强度传感变送器的运行方式是：上位计算机通过串行接口通讯与农田灌溉现场的现场控制装置相联，除必要的土壤或基质水势传感变送器外，室外气象重要的参数之一就是光照强度传感变送器与上位计算机或现场控制装置相联，构成一个分布式农田区域精量灌溉计算机控制系统。在系统进行运行的过程中，光照强度传感变送器实时采集现场日照强度瞬时变化参数，在一定时间范围内进行平均，然后进入灌溉控制模块中与区域种植作物类别、温度、湿度、风速、风向、雨量以及农田的土壤或基质的参数进行比较、分析，形成区域精量灌溉控制决策，决定对某一区域农田灌溉现场实施精量灌溉。

本发明的工作步骤是：

步骤1.系统启动11：启动计算机农田精量灌溉计算机控制

    系统；

步骤2.控制模式设定12：进入控制模式设定区域，手动或

    自动设定；

步骤3.各类作物灌溉参数13：设置各类作物灌溉参数及水

    势；

步骤4.室外动态环境参数14：设置室外动态环境参数及室

    外温湿度、光照强度、风速风向与雨量；

步骤5.作物选择15：选择区域种植作物的类别；

步骤6.灌溉区域扫描16：系统进入灌溉区域扫描。

步骤7.实时比较分析17：对所有设定的灌溉参数、所选作

    物、土壤实时水势、气象实时参数、进行比较分析；

步骤8.动态延迟驱动输出18：完成对某一区域灌溉的决

    策，进入动态延迟驱动输出，决定启停灌溉水池水泵，

    决定开闭管道电磁阀。

步骤9.循环控制：在计算机模拟操作平台上，周而复始循

    环控制；

步骤10.结束。

以下举一运行实例来进一步说明本发明：为了节省我国缺水地区宝贵的水资源，充分利用计算机控制技术应用与农田精量灌溉就显得异常重要。节省能耗、保护环境、提高生产效率和经济效益，就必须依赖于高新技术对农田精量控制用水的应用和依靠计算机控制技术的软、硬件投入才能得以实现。田间精量灌溉计算机控制系统具有灌溉流程综合控制，系统故障报警，灌溉系统画面操作平台和信息处理。系统对于能实现多道灌溉程序控制，进行大面积灌水提高精确量和均匀度，进行生产过程量化控制，实现和完成对田间精量控制用水设备的一系列复杂操作程序，起到了人工操作不可替代的作用。

启动计算机农田精量灌溉计算机控制系统，进入控制模式设定区域(手动/自动)，设置作物灌溉参数(水势等)，设置动态环境参数(室外温湿度、光照强度、风速风向、雨量等)，系统进入灌溉区域扫描，对所有设定的灌溉参数、所选作物、土壤实时水势、气象实时参数、进行比较分析，完成对某一区域灌溉的决策，进入动态延迟驱动决定启停灌溉水池水泵，决定开闭管道电磁阀。所有的水泵、管道、电磁阀的实时工作状态都及时反映在计算机模拟操作平台上，周而复始循环控制。本发明的光照强度传感器在系统运行时，及时反馈光强实时参数至控制中心再结合室外气象参数，决定某区域的灌溉程序。可想而知，要实现农田精量灌溉，本发明所起的是极其重要的。

Claims (6)

1、一种农田区域精量灌溉光照强度传感变送器，其特征在于：光照强度传感变送器与上位计算机或现场控制装置相连接，并与计算机精量灌溉控制系统相关联。

2、根据权利要求1所述的农田区域精量灌溉光照强度传感变送器，其特征在于：所述的光照强度传感变送器由光辐射衰减级、光辐射感应级、滤波驱动级、抗干扰输出保护级及外壳组成，在其光辐射比例衰减器的前端为太阳光辐射入园弧玻璃透光罩，其后端的光辐射感应器与光电模拟转换相连接，光电模拟转换与低通滤波相连接，低通滤波与电压跟随驱动相连接，在电压跟随驱动和低通滤波的模块之间接入抗干扰自恢复电源，电压跟随驱动连接着输出保护电路和模拟信号输出。

3、根据权利要求1所述的农田区域精量灌溉光照强度传感变送器，其特征在于：所述的计算机精量灌溉控制系统有上位计算机、现场控制装置、室外气象系列传感变送器、农田水势传感变送器、精量灌溉控制系统软件、精量灌溉控制应用软件、电气驱动控制装置、水泵、电动机、电磁阀、报警装置、及其相应接口。

4、根据权利要求1、2所述的农田区域精量灌溉光照强度传感变送器，其特征在于：所述的光辐射比例衰减器为100：1透光衰减器。

5、根据权利要求1、2所述的农田区域精量灌溉光照强度传感变送器，其特征在于：所述的抗干扰自恢复电源的自恢复保险丝输出端承受外接短路和为60V的电源错接。

6、一种农田区域精量灌溉光照强度传感变送器的运行方式，其特征在于：上位计算机通过串行接口通讯与农田灌溉现场的现场控制装置相联，其工作步骤是：步骤1.系统启动：启动计算机农田精量灌溉计算机控制系

统；步骤2.控制模式设定：进入控制模式设定区域，手动或自

动设定；步骤3.各类作物灌溉参数：设置各类作物灌溉参数及水

势；步骤4.室外动态环境参数：设置室外动态环境参数及室外

温湿度、光照强度、风速风向与雨量；步骤5.作物选择：选择区域种植作物的类别；步骤6.灌溉区域扫描：系统进入灌溉区域扫描。步骤7.实时比较分析：对所有设定的灌溉参数、所选作物、

土壤实时水势、气象实时参数、进行比较分析；步骤8.动态延迟驱动输出：完成对某一区域灌溉的决策，

进入动态延迟驱动输出，决定启停灌溉水池水泵，决定

开闭管道电磁阀。步骤9.循环控制：在计算机模拟操作平台上，周而复始循

环控制；步骤10.结束。

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