CN200997815Y - 都市绿地节水灌溉无线监控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型都市绿地节水灌溉无线监控装置，包括若干土壤温度水分传感器、PC机、中央控制器、无线通讯模块、若干用于绿地喷灌系统的阀门控制器及相应的阀门。中央控制器和阀门控制器分别设有第一、第二通讯模块，并通过第一通讯模块与土壤温度水分传感器相连。PC机与中央控制器通过无线通讯模块无线相连。土壤温度水分传感器为多个，分别置于距地表不同深度的土壤层中。本实用新型都市绿地节水灌溉无线监控装置的优点是：可以同时测量土壤的温度和水分，防止过量灌溉，达到灌溉水被植物根系有效吸收而没有下渗的目的，灌溉效果好、使用方便，有利于推广应用。

Description

都市绿地节水灌溉无线监控装置

技术领域

本实用新型涉及监控装置，特别涉及一种都市绿地节水灌溉无线监控装置。

背景技术

近几十年来，水资源的紧张情况仍在加剧，已成为世界许多国家政府的燃眉之急，我国更是首当其冲。随着经济的飞速发展，北部地区在农、林、园林绿化灌溉等方面的耗水量持续加大，水资源供需矛盾越发突出，节约用水从而降低生产成本、提高产量成为现代农林业科技革命的发展潮流。目前节水灌溉技术相对薄弱的现实成为该潮流的瓶颈。在现代化都市中，绿地是必不可少且应用最广泛的景观，同时也是灌溉用水大户，有巨大的节水潜力。控制绿地的灌溉装置使土壤含水量稳定在一个合理的水平，既不会过量灌溉又不会造成绿地缺水，这样的监控装置目前尚未有见。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种可以同时测量土壤的温度和水分，防止过量灌溉，达到灌溉水被植物根系有效吸收而没有下渗，灌溉效果好、使用方便的都市绿地节水灌溉无线监控装置。

为达到上述目的，本实用新型都市绿地节水灌溉无线监控装置，包括若干土壤温度水分传感器和用于绿地喷灌系统的若干阀门，还包括PC机、中央控制器、第一无线通讯模块和若干阀门控制器，其中，所述中央控制器设有第一控制器和与其相连的第一通讯模块以及第二无线通讯模块，所述阀门控制器设有第二控制器和与其相连的第二通讯模块以及阀门控制模块，所述阀门控制模块与各所述阀门分别相连，所述第一控制器通过所述第一通讯模块和第二通讯模块与所述第二控制器相连，并通过所述第一通讯模块与土壤温度水分传感器相连，所述PC机与所述中央控制器通过所述第二无线通讯模块和所述第一无线通讯模块无线相连。

本实用新型都市绿地节水灌溉无线监控装置，其中所述土壤温度水分传感器有若干组，每组为3个，分别置于距地表8cm-12cm、12cm-20cm和20cm-30cm的土壤层中。

本实用新型都市绿地节水灌溉无线监控装置，其中所述中央控制器进一步设有与第一控制器相连的存储模块、日历时钟模块和第一电源模块，所述阀门控制器进一步设有与第二控制器相连的第二电源模块。

本实用新型都市绿地节水灌溉无线监控装置，其中所述第一通讯模块和第二通讯模块通过RS-485总线相连。

本实用新型都市绿地节水灌溉无线监控装置，其中所述第一控制器采用型号为SPCE061A的芯片。

本实用新型都市绿地节水灌溉无线监控装置的优点是：

1.土壤温度水分传感器分三层竖直排列，水平埋放，可以有效检测地表下30cm范围内土壤温度和水分的变化情况，结合上位机控制算法，使系统可以将上层土壤的含水量控制在设定的范围内，保持中层土壤含水量稳定，从而达到灌溉水被植物根系有效吸收而没有下渗的目的。使用时根据实际情况设置合理的土壤水分上下限，可以防止过量灌溉，此即本系统的节水意义；

2.对土壤信息的采集不再局限于水分，而是同时测量土壤的温度和水分，可以从这两个方面考察土壤的状态，综合分析做出更符合实际情况的判断；

3.对土壤信息的采集不再局限于表层，而是检测多层土壤水分和温度的变化，相对而言具有更充分的灌溉决策依据，并且对灌溉效果的评估更准确，便于修正灌溉策略达到最优控制；

4.系统的可扩展性突出，不仅便于添加新型传感器，实现土壤信息或者环境信息(如太阳辐射、风速、气温以及植物生理指标等)的多元采集，而且在深度上可以向土壤更深层延伸。

5.上位机软件简洁，对操作人员的计算机水平要求低，经过半小时培训即可完全掌握系统的全部操作。

下面将结合实施例参照附图进行详细说明，以对本实用新型的目的、特征和优点有深入的理解。

附图说明

图1为本实用新型都市绿地节水灌溉无线监控装置的方框图；

图2为本实用新型都市绿地节水灌溉无线监控装置的系统示意图；

图3为本实用新型测量装置中土壤温度水分传感器的安装示意图；

图4为本实用新型测量装置中第一控制器的电路图；

图5为本实用新型测量装置中第一无线通讯模块的电路图；

图6为本实用新型测量装置中第二无线通讯模块的电路图；

图7为本实用新型测量装置中存储模块的电路图；

图8为本实用新型测量装置中日历时钟模块的电路图；

图9为本实用新型测量装置中第一通讯模块的电路图；

图10为本实用新型测量装置中第一电源模块的电路图；

图11为本实用新型测量装置中第二控制器的电路图；

图12为本实用新型测量装置中第二通讯模块的电路图；

图13为本实用新型测量装置中阀门控制模块的电路图；

图14为本实用新型测量装置中第二电源模块的电路图。

具体实施方式

下面以实施例对技术方案做详细说明。

参照图1，本实用新型都市绿地节水灌溉无线监控装置，主要包括上位监控计算机(PC机)、中央控制器、土壤温度水分传感器和阀门控制器四部分，具体包括若干土壤温度水分传感器4、PC机1、中央控制器2、第一无线通讯模块7、若干用于绿地喷灌系统的阀门控制器5及相应的阀门6。

中央控制器2设有第一控制器20和与其相连的第一通讯模块25以及第二无线通讯模块21。阀门控制器5设有第二控制器50和与其相连的第二通讯模块52以及阀门控制模块51，阀门控制模块51与各阀门6分别相连。第一控制器20采用型号为SPCE061A的芯片。第一通讯模块25和第二通讯模块52通过RS-485总线相连，第一控制器20通过第一通讯模块25和第二通讯模块52与第二控制器50相连，并通过第一通讯模块25与土壤温度水分传感器4相连。PC机1与中央控制器2通过第一无线通讯模块7和第二无线通讯模块21无线相连。

中央控制器2还设有与第一控制器20相连的存储模块22、日历时钟模块23和第一电源模块26，阀门控制器5还设有与第二控制器50相连的第二电源模块53。

下面说明本实用新型都市绿地节水灌溉无线监控装置的电路原理及信号走向；

使用本装置的前提是绿地的喷管系统已经安装完毕。参照图2，PC机1与中央控制器2之间采用无线通讯方式，中央控制器2与土壤温度水分传感器4和阀门控制器5之间采用RS-485总线连接。使用时按照绿地喷灌系统的分区将绿地划分为若干区域，每一区域设置一个土壤信息检测点，参照图3，每个检测点安装3个一组的土壤温度水分传感器4(竖直排列，水平安装)，均连接至RS-485总线；将阀门控制器5的输入端连至RS-485总线，输出端安装在区域内喷灌系统的阀门6上，阀门6采用电磁阀，正负极对应相接。

参照图3，在本实用新型都市绿地节水灌溉无线监控装置的实施例中，每组土壤温度水分传感器4为3个，分别置于距地表8cm-12cm、12cm-20cm和20cm-30cm的土壤层中，分三层竖直排列，水平埋放。绿地草坪草的根系一般比较短，约10cm，因此地表以下10cm内土壤(上层土壤)的含水量是系统的控制对象，在10cm处安装土壤水分传感器监测其水分变化。在15cm和25cm处安装的传感器用于监测中层(地表以下10cm至20cm)和下层(距地表20cm以下)土壤的水分变化情况，以监测灌溉水的下渗和地下水的向上补给情况。系统采用模糊控制及开关量控制相结合的双位控制算法，能将上层土壤的含水量控制在设定的范围内，保持中层土壤含水量稳定，从而使灌溉水能被植物根系吸收而不会出现过量灌溉导致水分下渗的情况，也不会出现地下水向上补给导致地下水长期亏损的情况，以此达到节约灌溉水和保护地下水资源的目的。

在PC机1的软件中设置每个土壤信息检测点的土壤水分上、下限，作为灌溉决策阈值；建立检测点与相应区域中阀门控制器5的对应关系，用于控制喷灌系统的阀门6；设置实时采集土壤含水量数据的时间步长，以及适宜的灌溉时间段。

参照图4至图14，当数据采集时间来临时，PC机1通过第一和第二无线通信模块25、52向中央控制器2发送土壤信息采集命令(信号走向1)，中央控制器2解析命令并通过第一通讯模块25向RS-485总线上相应的土壤温度水分传感器4发送采集指令(信号走向2)；土壤温度水分传感器4根据采集指令测量土壤的温度和含水量并将数据返回给中央控制器2(信号走向3)，再由其返回给PC机1(信号走向4)。PC机1对得到的土壤信息(温度和含水量)进行分析处理，将处理结果与事先设定的土壤水分阈值作比较，再根据比较结果向中央控制器2发送阀门操作命令(信号走向5)，中央控制器2解析命令并向RS-485总线上相应的阀门控制器5下达开(或关)指令(信号走向6)；阀门控制器5输出开(关)信号并向中央控制器2返回确认信息(信号走向7)，最后中央控制器2将此确认信息发送给PC机1(信号走向8)。此后，PC机1等待下一次数据采集时间的到来，周而复始，构成一个闭环控制的绿地自动灌溉装置。其中：

信号走向1：参照图5、6、4，由PC机1串口的3脚TXD→第一无线通讯模块7(型号为SRWF-1)的7脚RX→第二无线通讯模块21(型号为SRWF-1)的4脚TXD→第二无线通讯模块21中74LS245的16脚→74LS245的4脚→第一控制器20的IOB7 RXD；

信号走向2：参照图4、9，由第一控制器20的IOB10 TXD→第一通讯模块25中MAX485芯片的4管脚T→第一通讯模块25中MAX485的A B口→RS-485总线→土壤温度水分传感器4；

信号走向3：参照图4、9，由土壤温度水分传感器4→RS-485总线→第一通讯模块25中MAX485的A B口线→第一通讯模块25中MAX485的1脚R→第一控制器20的IOB7 RXD；

信号走向4：参照图4、5、6，由第一控制器20的IOB10 TXD→74LS245的2脚→74LS245的18脚→第二无线通讯模块21的3脚RXD→第一无线通讯模块7的6脚TX→PC机1串口的2脚RXD；

信号走向5：同信号走向1；

信号走向6：参照图4、9、12、11，由第一控制器20的IOB10 TXD→第一通讯模块25中MAX485芯片的4管脚T→第一通讯模块25中MAX485的A B口→RS-485总线→第二通讯模块52中MAX485的A B口线→第二通讯模块52中MAX485的1脚R→第二控制器50的10脚RXD；

信号走向7：参照图11、12、9、4，由第二控制器50的11脚TXD→第二通讯模块52中MAX485芯片的4管脚T→第二通讯模块52中MAX485的A B口线→RS-485总线→第一通讯模块25中MAX485的A B口线→第一通讯模块25中MAX485的1脚R→第一控制器20的IOB7 RXD；

信号走向8：同信号走向4。

下面以本实用新型都市绿地节水灌溉无线监控装置的实施例说明使用的方法。

假设某绿地按照喷灌系统的控制分区可以分为A B C三个区域，分别在各个区域中选择一个土壤含水量具有代表性的地点作为信息检测点命名为a b c，各点均垂直埋放3个土壤温度水分传感器。以A区a点为例介绍系统的工作过程。首先进行系统参数的设置，设a点的土壤含水量上限为30％，下限为27％，系统每过半小时采集一次土壤信息(即实时采集的时间步长为0.5h)，按照北京市草坪的夏季灌溉规律，可以灌溉的时间段为上午5:30至9:30，下午3:30至6:00，将这两段时间设置为系统的适宜灌溉时间。系统启动后开始计时，半小时后进行一次数据采集，然后将得到的a点信息(土壤温度和含水量)做处理，得到一个土壤含水量数据，将此数据与a点的土壤含水量上下限作比较，如果处于上下限中间则不作进一步处理，如果高于上限且A区中电磁阀已打开，则向A区的阀门控制器发送阀门关闭命令，若低于下限则判断系统当前时间是否处于适宜灌溉时间段，是则向A区的阀门控制器发送阀门打开命令，若不是则不作进一步处理，至此完成一个监控周期，系统等待下次采集时间的到来。

本实用新型都市绿地节水灌溉无线监控装置的特点是：

1.土壤温度水分传感器分三层竖直排列，水平埋放，可以有效检测地表下30cm范围内土壤温度和水分的变化情况，结合上位机控制算法，使系统可以将上层土壤的含水量控制在设定的范围内，保持中层土壤含水量稳定，从而达到灌溉水被植物根系有效吸收而不下渗的目的。使用时根据实际情况设置合理的土壤水分上下限，可以防止过量灌溉，此即本系统的节水意义；

2.对土壤信息的采集不再局限于水分，而是同时测量土壤的温度和水分，可以从这两个方面考察土壤的状态，综合分析做出更符合实际情况的判断；

3.对土壤信息的采集不再局限于表层，而是检测多层土壤水分和温度的变化，相对而言具有更充分的灌溉决策依据，并且对灌溉效果的评估更准确，便于修正灌溉策略达到最优控制；

4.系统的可扩展性突出，不仅便于添加新型传感器，实现土壤信息或者环境信息(如太阳辐射、风速、气温以及植物生理指标等)的多元采集，而且在深度上可以向土壤更深层延伸。

5.上位机软件简洁，对操作人员的计算机水平要求低，经过半小时培训即可完全掌握系统的全部操作，有利于推广应用。

Claims (5)

1.一种都市绿地节水灌溉无线监控装置，包括若干土壤温度水分传感器(4)和用于绿地喷灌装置的若干阀门(6)，其特征在于：还包括PC机(1)、中央控制器(2)、第一无线通讯模块(7)和若干阀门控制器(5)，其中，所述中央控制器(2)设有第一控制器(20)和与其相连的第一通讯模块(25)以及第二无线通讯模块(21)，所述阀门控制器(5)设有第二控制器(50)和与其相连的第二通讯模块(52)以及阀门控制模块(51)，所述阀门控制模块(51)与各所述阀门(6)分别相连，所述第一控制器(20)通过所述第一通讯模块(25)和第二通讯模块(52)与所述第二控制器(50)相连，并通过所述第一通讯模块(25)与土壤温度水分传感器(4)相连，所述PC机(1)与所述中央控制器(2)通过所述第一无线通讯模块(7)和所述第二无线通讯模块(21)无线相连。

2.根据权利要求1所述的都市绿地节水灌溉无线监控装置，其特征在于：其中所述土壤温度水分传感器(4)有若干组，每组为3个，分别置于距地表8cm-12cm、12cm-20cm和20cm-30cm的土壤层中。

3.根据权利要求1或2所述的都市绿地节水灌溉无线监控装置，其特征在于：其中所述中央控制器(2)进一步设有与第一控制器(20)相连的存储模块(22)、日历时钟模块(23)和第一电源模块(26)，所述阀门控制模块(5)进一步设有与第二控制器(50)相连的第二电源模块(53)。

4.根据权利要求3所述的都市绿地节水灌溉无线监控装置，其特征在于：其中所述第一通讯模块(25)和第二通讯模块(52)通过RS-485总线相连。

5.根据权利要求4所述的都市绿地节水灌溉无线监控装置，其特征在于：其中所述第一控制器(20)采用型号为SPCE061A的芯片。

Images