CN201919444U - 灌溉自动控制系统 - Google Patents

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CN201919444U
CN201919444U CN2011200418067U CN201120041806U CN201919444U CN 201919444 U CN201919444 U CN 201919444U CN 2011200418067 U CN2011200418067 U CN 2011200418067U CN 201120041806 U CN201120041806 U CN 201120041806U CN 201919444 U CN201919444 U CN 201919444U
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China
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valve
control
rtu
control module
irrigation
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CN2011200418067U
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Inventor
崔春亮
阿不都·沙拉木
雷建花
申祥民
李刚
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新疆水利水电科学研究院
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    • Y02A40/10Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production in agriculture
    • Y02A40/22Improving land use; Improving water use or availability; Controlling erosion

Abstract

本实用新型公开了一种灌溉自动控制系统,由操作控制器、首级程控RTU、次级程控RTU和传感反馈型直流脉冲电磁水力阀配套组成,灌溉时将灌溉制度或灌溉设计图纸输入操作控制器,操作控制器可根据灌溉程序或通过触摸屏手动点击设计图纸上的田间电磁水力阀的开关指令,通过无线系统将灌溉指令发送到首级程控RTU,开关电磁水力阀,同时安装在电磁水力阀上安装的流量反馈传感器将电磁阀的运行状态通过次级程控RTU反馈到操作控制器,用户可以足不出户就能轻松控制田间灌溉流量,可对田间灌溉情况和电磁水力阀运行情况了如指掌。本实用新型适于农民操作,成本低,易于普及,大大降低灌溉自动化控制系统的投资,提供光能驱动,节约电能。

Description

灌溉自动控制系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及用于农业用浇灌设备,特别是灌溉自动控制系统。 背景技术
[0002] 国外相关技术报道:在灌溉自动化、智能化灌溉方面,国外的同类技术和产品主要 有:以色列TALGIL灌溉系统、以色列Eldar-shany灌溉系统、美国Rainbird灌溉系统。
[0003] 以色列TALGIL灌溉系统主要的灌溉控制系统有大田灌溉控制系统系列和温室灌 溉控制系统,主打产品主要用于大田灌溉控制系统。其中大田灌溉控制系统有“Meteor” 灌溉控制系列和“Dream”灌溉控制系列。前者为有线控制田间电磁阀,一般用于面积较小 的系统,技术成熟、技术含量一般;后者功能强大,控制面积大,能够接收田间土壤水肥传感 器、自动流量仪等信息并分析、实现自动灌溉和施肥,能够实现无线控制次级程控RTU和电 磁阀,主控制器还能够通过GSM手机卡实现远程控制。
[0004] 以色列Elda Shany灌溉系统主打产品是“fetlileo2000”大田灌溉控制系统,也 可用于温室灌溉控制。可实现无线控制,标准输出控制64个电磁阀,可扩展至352个电磁 阀。美国rainbird灌溉系统设可实现无线远程控制电磁阀,主要用于园林绿化和高尔夫球 场绿化。
[0005] 随着国家西部大开发战略的实施,近几年我国北方以及中西部干旱地区节水灌溉 技术发展迅速,到2009年底,以新疆为例,新疆(除新疆生产建设兵团外)共建成田间高效节 水灌溉面积1000万亩。新疆地膜棉花栽培面积已超过2000万亩。已取得了显著的节水效 果,特别是新疆主要经济作物棉花的膜下滴灌技术得到了大面积推广和应用,随着棉花膜 下滴灌技术的完善和推广,大田棉花膜下滴灌自动化控制技术成为棉花膜下滴灌技术新的 发展方向。新疆棉花滴灌自动化控制技术主要以大面积推广应用为目的,在推广过程中,能 否节支、增效是关键,由于进口自动化控制系统一次性投资较高,棉花滴灌自动化控制系统 要继续推广发展,就必须让自动化控制系统走国产化的道路,制造出我国农民看得懂用得 起的自动化控制系统,否则购置价格高昂的自动化控制系统则严重制约我国农业自动灌溉 技术的发展。
实用新型内容
[0006] 本实用新型的目的在于提供一种灌溉自动控制系统,适用于农民操作,成本低,易 于农田普及,大大降低了灌溉自动化控制系统的投资,提供光能驱动,节约电能。
[0007] 本实用新型的目的是这样实现的:一种灌溉自动控制系统,包括RTU主板、输水管 道、水泵、施肥泵和变频器,水泵由变频器通过电信号以控制其转速,水泵将水通过输水管 道并经过滤器、施肥装置至在田间配置的电磁开关阀,并从电磁开关阀的出水阀口通过田 间布置的滴管带泄流出,本自动灌溉系统由一个操作控制器、一个首级程控RTU、次级程控 RTU和上述所说的电磁开关阀构成;
[0008] 所述的操作控制器由主控天线、总无线控制模块、灌溉控制模块、LED彩色触摸屏和电源组成,总无线控制模块以电信号配合连接控制模块LED彩色触摸屏和灌溉控制模 块,主控天线配合连接总无线控制模块的信号收发端口,总无线控制模块接收经主控天线 所收发的Zigbee无线信号,由总无线控制模块所收发的Zigbee无线信号传送至LED彩色 触摸屏和灌溉控制模块,并经灌溉控制模块处理、传送至LED彩色触摸屏以被显示在其触 摸屏上,电源通过供电线路使总无线控制模块、灌溉控制模块和LED彩色触摸屏接收电能 而被驱动工作;
[0009] 所述的首级程控RTU由主无线控制模块、主RTU主板、水泵控制模块和施肥泵控制 模块组成,水泵控制模块和施肥泵控制模块通过主无线控制模块收发Zigbee无线信号并 经电缆控制上述水泵、施肥泵;
[0010] 所述的次级程控RTU由受控天线、太阳能电池板、子无线控制模块、子RTU主板、太 阳能充电模块和蓄电池组成,太阳能电池板、子无线控制模块、太阳能充电模块分别通过子 RTU主板上相应设置的接口与子RTU主板相配合连接,子RTU主板通过子无线控制模块收 发Zigbee无线信号,由光能驱动工作的太阳能电池板将光能转换成电能经太阳能充电模 块处理、电驱动子RTU主板和子无线控制模块工作,并将多余电能经太阳能充电模块转存 至蓄电池;可将光能转化为电能的太阳能电池板和受控天线固装在竖立固定于田间的各个 支杆的顶端上;
[0011] 所述的电磁开关阀为传感反馈型直流脉冲电磁水力阀,传感反馈型直流脉冲电磁 水力阀由电信号控制开关的电磁阀和水力开关阀构成,电磁阀通过水力驱动阀瓣在水力开 关阀的阀体内动作以通断水力开关阀和调控其流过其阀体的水流量,水力开关阀阀体两端 阀口相对称,阀体其位于两阀口之间的中部阀体内周壁为向阀体内腔凸起的流线形曲面, 两端阀口中心之间的连线位于中部阀体阀腔内,中部阀体的过流断面小于两端阀口的过流 断面,在位于阀体的出水阀口处的阀体上安装着可测量流过阀体的水流量的流量传感器;
[0012] 操作控制器中的总无线控制模块通过Zigbee无线信号分别与首级程控RTU中的 主无线控制模块、次级程控RTU中的子无线控制模块保持收发通信连接,操作控制器中的 灌溉控制模块通过Zigbee无线信号经次级程控RTU中的子RTU主板使传感反馈型直流脉 冲电磁水力阀的开关、流量得到控制,传感反馈型直流脉冲电磁水力阀上安装的流量传感 器将传感反馈型直流脉冲电磁水力阀的流量由次级程控RTU中的子RTU主板通过Zigbee 无线信号反馈至操作控制器中的LED彩色触摸屏和灌溉控制模块,操作控制器中的灌溉控 制模块通过Zigbee无线信号经首级程控RTU中的主RTU主板控制水泵控制模块开关变频 器且控制施肥泵控制模块开关施肥泵;所述的流量传感器和电磁阀由次级程控RTU中的太 阳能电池板通过太阳能充电模块或蓄电池供电驱动工作。
[0013] 本系统是通过实践研究自主研发出适用于农民操作,大大降低了灌溉自动化控制 系统的投资,人机操作界面简单直观,适合不同文化水平的人操作。该系统的研发不仅促进 新疆水科院科技产业化发展进程,更重要的是为新疆滴灌区的高效、精准管理提供技术及 设备保障,对新疆节水灌溉农业的可持续发展有着深远的意义,完全达到“棉花膜下滴灌精 准灌溉管理技术”的要求。本实用新型由(灌溉)操作控制器、首级程控RTU、次级程控RTU 和传感反馈型直流脉冲电磁水力阀配套组成,灌溉时将灌溉制度或灌溉设计图纸输入操作 控制器,操作控制器可根据灌溉程序或通过触摸屏手动点击设计图纸上的田间电磁水力阀 的开关指令,通过无线系统将灌溉指令发送到首级程控RTU,开关电磁水力阀,同时安装在电磁水力阀上的流量反馈传感器将电磁阀的运行状态通过次级程控RTU反馈到操作控制 器,用户可以足不出户就能轻松控制田间灌溉流量,可对田间灌溉情况和电磁水力阀运行 情况了如指掌。本实用新型适于农民操作,适合不同文化水平的人操作,成本低,易于农田 普及,大大降低了灌溉自动化控制系统的投资,提供光能驱动,节约电能。
附图说明
[0014] 下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0015] 图1为本实用新型总系统的结构示意图;
[0016] 图2为本实用新型的操作控制器的结构示意图;
[0017] 图3为本实用新型的首级程控RTU的结构示意图;
[0018] 图4为本实用新型的次级程控RTU的结构示意图;
[0019] 图5为本实用新型的次级程控RTU安装在支杆上的安装位置结构示意图;
[0020] 图6为本实用新型传感反馈型直流脉冲电磁水力阀的外部结构示意图;
[0021] 图7为图6的局部剖视结构示意图。
具体实施方式
[0022] 一种灌溉自动控制系统,如图1所示,包括RTU主板、输水管道8、水泵1、施肥泵和 变频器4,水泵1由变频器4通过电信号以控制其转速,水泵1将水通过输水管道8并经过 滤器2、施肥装置3至在田间配置的电磁开关阀10,并从电磁开关阀10的出水阀口通过田 间布置的滴管带9泄流出,其特征是:本自动灌溉系统由一个操作控制器6、一个首级程控 RTO5、次级程控RTUll和上述所说的电磁开关阀10构成;
[0023] 如图2所示,所述的操作控制器6由主控天线7、总无线控制模块19、灌溉控制模 块17、LED彩色触摸屏16和电源18组成,总无线控制模块19以电信号配合连接控制模块 LED彩色触摸屏16和灌溉控制模块17,主控天线7配合连接总无线控制模块19的信号收 发端口,总无线控制模块19接收经主控天线7所收发的Zigbee无线信号,由总无线控制模 块19所收发的Zigbee无线信号传送至LED彩色触摸屏16和灌溉控制模块17,并经灌溉 控制模块17处理、传送至LED彩色触摸屏16以被显示在其触摸屏上,电源18通过供电线 路使总无线控制模块19、灌溉控制模块17和LED彩色触摸屏16接收电能而被驱动工作; 所述的操作控制器6中的总无线控制模块19、灌溉控制模块17、LED彩色触摸屏16和电源 18组成配合安装在机壳15内,LED彩色触摸屏16安装在机壳15壳壁上,其具有显示屏的 一面外露出机壳15 ;主控天线7外置于机壳15壳顶安装。
[0024] 如图3所示,所述的首级程控RTO5由主无线控制模块26、主RTU主板25、水泵控 制模块27和施肥泵控制模块28组成,水泵控制模块27和施肥泵控制模块28通过主无线 控制模块26收发Zigbee无线信号并经电缆控制上述水泵1、施肥泵;
[0025] 如图4和图6所示,所述的次级程控RTUll由受控天线13、太阳能电池板12、子无 线控制模块22、子RTU主板21、太阳能充电模块120和蓄电池组成23,太阳能电池板12、子 无线控制模块22、太阳能充电模块120分别通过子RTU主板21上相应设置的接口与子RTU 主板21相配合连接,子RTU主板21通过子无线控制模块22收发Zigbee无线信号,由光能 驱动工作的太阳能电池板12将光能转换成电能经太阳能充电模块120处理、电驱动子RTU主板21和子无线控制模块22工作,并将多余电能经太阳能充电模块120转存至蓄电池23 ; 可将光能转化为电能的太阳能电池板12和受控天线13固装在竖立固定于田间的各个支杆 14的顶端上;
[0026] 如图7和图8所示,所述的电磁开关阀10为传感反馈型直流脉冲电磁水力阀,其 各个对应组成部件为:29-电信号线;30-电磁阀;31-水力开关;32-过水管;33-进水管; 34-腔体充水管;35-排水孔;36-阀盖;37-阀体;38-进水孔;39-阀体进水口 ;40-阀体出 水口 ;41-充水管接头;42-螺丝;43-弹簧;44-阀瓣;45-流量传感器。
[0027] 如图7和图8所示,传感反馈型直流脉冲电磁水力阀由电信号控制开关的电磁阀 30和水力开关阀构成,电磁阀30通过水力驱动阀瓣47在水力开关阀的阀体37内动作以 通断水力开关阀和调控其流过其阀体37的水流量,水力开关阀阀体37两端阀口相对称,阀 体37其位于两阀口之间的中部阀体内周壁为向阀体37内腔凸起的流线形曲面,两端阀口 中心之间的连线位于中部阀体阀腔内,中部阀体的过流断面小于两端阀口的过流断面,在 位于阀体37的出水阀口 40处的阀体上安装着可测量流过阀体37的水流量的流量传感器 45 ;
[0028] 综合上述图1至图7所示,操作控制器6中的总无线控制模块19通过Zigbee无 线信号分别与首级程控RTO5中的主无线控制模块洲、次级程控RTUll中的子无线控制模块 22保持收发通信连接,操作控制器6中的灌溉控制模块17通过Zigbee无线信号经次级程 控RTUll中的子RTU主板21使传感反馈型直流脉冲电磁水力阀的开关、流量得到控制,传 感反馈型直流脉冲电磁水力阀上安装的流量传感器12将传感反馈型直流脉冲电磁水力阀 的流量由次级程控RTUll中的子RTU主板21通过Zigbee无线信号反馈至操作控制器中6 的LED彩色触摸屏16和灌溉控制模块17,操作控制器6中的灌溉控制模块17通过Zigbee 无线信号经首级程控RTO5中的主RTU主板25控制水泵控制模块27开关变频器4且控制 施肥泵控制模块观开关施肥泵;所述的流量传感器45和电磁阀由次级程控RTUll中的太 阳能电池板12通过太阳能充电模块120或蓄电池23供电驱动工作。
[0029] 如图3所示,所述的首级程控RTO5安装在机箱M内;如图4所示,所述的每一套次 级程控RTUl 1单独配合安装在一个机盒20内,如图5所示,配合内装有一套次级程控RTUl 1 的每一机盒固装于每一支杆14的杆体上。
[0030] 本实用新型特点如下:
[0031] 1、操作控制器
[0032] 操作控制器由操作控制器主机箱、天线、天线杆组成。操作控制器主机箱由LED彩 色触摸屏、灌溉控制模块、总无线控制模块和电源组成。
[0033] 操作控制器是整个系统的控制中心,由于采用基于zigbee基础的网络协议与次 级程控RTU进行信息交换,此网络协议为自主研发的无线点传输协议,此网络协议全免费。 将灌溉程序中设定的指令转换成无线电信号,通过天线发送到次级程控RTU,再由次级程控 RTU通过电缆线将指令传送给电磁阀实现灌溉作业。管理人员可以通过操作控制器了解所 有灌区的灌溉状态和灌溉历史记录。
[0034] 2、首级程控RTU
[0035] 首级程控RTU由RTU控制盒、天线、电源组成。首级程控RTU控制盒由主RTU主板、 主无线控制模块、水泵控制模块、施肥泵控制模块。首级程控RTU通过接收来自操作控制器的无线指令,控制首部水泵变频器、施肥泵的开关。
[0036] 3、次级程控RTU
[0037] 次级程控RTU由:RTU控制盒、天线、太阳能板、天线杆。RTU控制盒内包括子RTU 主板、子无线电控制模块、太阳能充电模块、和蓄电池。次级程控RTU通过接收来自操作控 制器的无线指令,开启或关闭相应地址的电磁阀,同时电磁阀的流量(反馈)传感器将电磁 阀的开关状态信息通过次级程控RTU发送给操作控制器。
[0038] 4、传感反馈型直流脉冲电磁水力阀
[0039] 传感反馈型直流脉冲电磁水力阀是整个系统的最末端执行机构,它负责最终将水 输送到滴灌带中,它接收来自次级程控RTU的开关指令,并通过流量(反馈)传感器将电磁 阀的运行状态通过次级程控RTU发送到操作控制器。
[0040] 本实用新型系统功能特征:
[0041] ①操作控制器选用高品质液晶触摸屏,可触摸和鼠标操作。
[0042] ②操作控制器内置手动操作和程序自动控制灌溉两种模式。
[0043] ③手动模式只需点击屏幕上的电磁阀就能轻松开关电磁阀。
[0044] ④自动模式只需输入灌溉程序就能自动完成灌溉。
[0045] ⑤电磁阀具有运行状态反馈功能,无需下地,电磁阀的运行状态显示在控制器屏
眷上ο
[0046] 本实用新型自动化控制系统的创新点:
[0047] 1、传感反馈型直流脉冲电磁水力阀:本实用新型研制的传感反馈型直流脉冲电 磁水力阀较进口自动阀在结构上做了一系列创新:①采用直线阀体过水断面设计,特殊的 隔膜结构设计,增大了阀体过水面积,降低水头损失,实现了大流量的目的;②采用自动和 手动两种开启模式,两种开启模式较进口电磁阀只有自动开启模式更进一步提高了灌溉系 统的可靠性;③水力开关阀出口端添加设计了流量(反馈)传感器,及时向操作控制器传递 阀体的开关信号,实现无人值守。本项目研制的农用反馈式直流脉冲电磁阀具有造价低、大 流量,体积小,工作可靠性高等特点。
[0048] 2、次级程控RTU,解决了进口 RTU系统功耗大、造价高、电磁阀控制数量有限的缺 点。本项目研制的次级程控RTU在功能上做了一系列创新①RTU通讯地址采用IP地址, 灌溉系统控制的电磁阀数量不受限制,可满足大面积的灌溉系统实现自动化;②RTU程序 可升级,预留功能扩展;③采用工控元器件,能在极端高温、低温和湿度环境下正常工作; ④RTU无线传输距离长,覆盖面积大,有效传输半径6Km。⑤RTU由太阳能供电系统供电,确 保了无人管理的区域的正常供电,做到无故障、免维护。
[0049] 3、自主研发本实用新型的操作控制器,解决了采用进口自动控制器价格高,系统 界面操作难的问题。自主研发的操作控制器从设备材质、功能、应用软件等方面做了创新: ①选用高品质液晶触摸屏,可触摸和鼠标操作,方便操作人员。②系统内置手动操作和程序 自动控制灌溉两种模式。系统操作使用较引进设备更方便。③操作控制器和RTU的通讯协 议是基于Zigbee协议的基础上自主研发的“Xishui”网络通讯协议。④通过实践研究,对 进口应用软件进行了改造,实现了灌溉系统自动控制软件程序的自主开发,操作控制器内 置程序采用IP网络地址,由6位十六进制数组组成,保证灌溉控制系统控制电磁水力阀的 数量不受限制。本实用新型与进口产品对比如下列表格所示:
1、传感反馈型直流脉冲电磁水力阀主要性能指标、关键技术及对比
Figure CN201919444UD00091
[0053] 2、次级RTU主要性能指标、关键技术及对比:
[0054]
Figure CN201919444UD00092
[0055]
3、自主研发的操作控制器主要性能指标、关键技术及对比:
Figure CN201919444UD00093

Claims (2)

1. 一种灌溉自动控制系统,包括RTU主板、输水管道(8)、水泵(1)、施肥泵和变频器 ,水泵(1)由变频器(4)通过电信号以控制其转速,水泵(1)将水通过输水管道(8)并 经过滤器O)、施肥装置⑶至在田间配置的电磁开关阀(10),并从电磁开关阀(10)的出 水阀口通过田间布置的滴管带(9)泄流出,其特征是:本自动灌溉系统由一个操作控制器 (6)、一个首级程控RTU(5)、次级程控RTU(Il)和上述所说的电磁开关阀(10)构成;所述的操作控制器(6)由主控天线(7)、总无线控制模块(19)、灌溉控制模块(17)、LED 彩色触摸屏(16)和电源(18)组成,总无线控制模块(19)以电信号配合连接控制模块LED 彩色触摸屏(16)和灌溉控制模块(17),主控天线(7)配合连接总无线控制模块(19)的信 号收发端口,总无线控制模块(19)接收经主控天线(7)所收发的Zigbee无线信号,由总 无线控制模块(19)所收发的Zigbee无线信号传送至LED彩色触摸屏(16)和灌溉控制模 块(17),并经灌溉控制模块(17)处理、传送至LED彩色触摸屏(16)以被显示在其触摸屏 上,电源(18)通过供电线路使总无线控制模块(19)、灌溉控制模块(17)和LED彩色触摸屏 (16)接收电能而被驱动工作;所述的首级程控RTU®由主无线控制模块(¾)、主RTU主板(25)、水泵控制模块(XT) 和施肥泵控制模块08)组成,水泵控制模块(XT)和施肥泵控制模块08)通过主无线控制 模块06)收发Zigbee无线信号并经电缆控制上述水泵(1)、施肥泵;所述的次级程控RTU(Il)由受控天线(13)、太阳能电池板(12)、子无线控制模块02)、 子RTU主板(21)、太阳能充电模块(120)和蓄电池组成(23),太阳能电池板(12)、子无线 控制模块(22)、太阳能充电模块(120)分别通过子RTU主板上相应设置的接口与子 RTU主板相配合连接,子RTU主板通过子无线控制模块0¾收发Zigbee无线 信号,由光能驱动工作的太阳能电池板(1¾将光能转换成电能经太阳能充电模块(120)处 理、电驱动子RTU主板和子无线控制模块0¾工作,并将多余电能经太阳能充电模块 (120)转存至蓄电池03);可将光能转化为电能的太阳能电池板(12)和受控天线(13)固 装在竖立固定于田间的各个支杆(14)的顶端上;所述的电磁开关阀(10)为传感反馈型直流脉冲电磁水力阀,传感反馈型直流脉冲电 磁水力阀由电信号控制开关的电磁阀(30)和水力开关阀构成,电磁阀(30)通过水力驱动 阀瓣G7)在水力开关阀的阀体(37)内动作以通断水力开关阀和调控其流过其阀体(37) 的水流量,水力开关阀阀体(37)两端阀口相对称,阀体(37)其位于两阀口之间的中部阀体 内周壁为向阀体(37)内腔凸起的流线形曲面,两端阀口中心之间的连线位于中部阀体阀 腔内,中部阀体的过流断面小于两端阀口的过流断面,在位于阀体(37)的出水阀口 00)处 的阀体上安装着可测量流过阀体(37)的水流量的流量传感器G5);操作控制器(6)中的总无线控制模块(19)通过Zigbee无线信号分别与首级程控 RTU(5)中的主无线控制模块(¾)、次级程控RTU(Il)中的子无线控制模块0¾保持收 发通信连接,操作控制器(6)中的灌溉控制模块(17)通过Zigbee无线信号经次级程控 RTU(Il)中的子RTU主板使传感反馈型直流脉冲电磁水力阀的开关、流量得到控制,传 感反馈型直流脉冲电磁水力阀上安装的流量传感器(1¾将传感反馈型直流脉冲电磁水力 阀的流量由次级程控RTU(Il)中的子RTU主板通过Zigbee无线信号反馈至操作控制 器中(6)的LED彩色触摸屏(16)和灌溉控制模块(17),操作控制器(6)中的灌溉控制模 块(17)通过Zigbee无线信号经首级程控RTU(¾中的主RTU主板0¾控制水泵控制模块(27)开关变频器(4)且控制施肥泵控制模块08)开关施肥泵;所述的流量传感器G5)和 电磁阀由次级程控RTU(Il)中的太阳能电池板(12)通过太阳能充电模块(120)或蓄电池 (23)供电驱动工作。
2.根据权利要求1所述的灌溉自动控制系统,其特征是:所述的首级程控RTU(5)安装 在机箱04)内;所述的每一套次级程控RTU(11)单独配合安装在一个机盒OO)内,配合内 装有一套次级程控RTU(Il)的每一机盒固装于每一支杆(14)的杆体上。
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