CN205266529U - 一种自动节水灌溉的无线网络终端节点 - Google Patents

一种自动节水灌溉的无线网络终端节点 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种自动节水灌溉的无线网络终端节点，包括ZigBee模块、温湿度传感器、供水支路电磁阀，还包括太阳能电池板和充电电池，太阳能电池板与充电电池电连接，充电电池分别与ZigBee模块、温湿度传感器、供水支路电磁阀电连接，ZigBee模块还分别与温湿度传感器、供水支路电磁阀电连接。无线网络终端节点完成土壤温湿度检测及相应供水支路电磁阀控制，与主控设备组成灌溉控制系统，实现适合作物不同生长阶段的无人值守自动节水灌溉控制，具有系统布局柔性高、便于操作管理、成本较低等特点，特别适用大面积田块的自动节水灌溉控制。

Description

一种自动节水灌溉的无线网络终端节点
技术领域
本实用新型涉及一种自动节水灌溉的无线网络终端节点，属于节水灌溉技术领域。
背景技术
如今，淡水资源的日益匮乏与人力成本的逐步增加使得自动节水灌溉技术已经成为现代化农林牧副业用水灌溉发展的重要方向。无人值守的自动节水灌溉设备需要满足包括：土壤温湿度数据采集、供水支路通断独立控制、供水控制等等诸多基本功能要求。对于大面积田块的自动节水灌溉控制，由于供水支路和土壤温湿度测试点位较多，如果采用长距离连线的方式进行用电供给与采集数据传输，则存在布局困难、系统柔性低以及对管理造成障碍等诸多不利问题。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型提供一种完全利用太阳能电池供电的自动节水灌溉无线网络终端节点，利用若干无线网络终端节点与主控设备等共同组成自动节水灌溉的设备系统，完成无人值守的自动节水灌溉工作。
本实用新型的技术方案如下：
一种自动节水灌溉的无线网络终端节点，包括ZigBee模块、温湿度传感器、供水支路电磁阀；其特征在于，还包括太阳能电池板和充电电池，太阳能电池板与充电电池电连接，充电电池分别与ZigBee模块、温湿度传感器、供水支路电磁阀电连接，ZigBee模块还分别与温湿度传感器、供水支路电磁阀电连接。
优选的，所述充电电池选用锂聚合物电池。此设计的好处在于，锂电池容量高、体积小、重量轻、安全性好。
优选的，所述温湿度传感器选用土壤温湿度一体化传感器。此设计的好处在于，采用一体化的温湿度传感器集成度高、方便施工安装，节省施工时间。
优选的，所述供水支路电磁阀为直流电池阀IBV-101G。
优选的，所述太阳能电池板通过充电电池充电管理电路与充电电池电连接。
优选的，所述充电电池通过ZigBee模块用电变换电路与ZigBee模块电连接。
优选的，所述充电电池通过温湿度传感器用电变换电路与温湿度传感器电连接。
优选的，所述充电电池通过供水支路电磁阀用电变换电路与供水支路电磁阀电连接。
优选的，所述ZigBee模块还分别通过温湿度传感器用电变换电路、供水支路电磁阀用电变换电路与温湿度传感器、供水支路电磁阀电连接。
该自动节水灌溉的无线网络终端节点的使用过程如下：
由主控设备根据作物的不同生长阶段向终端节点无线发送土壤湿度上、下限监控参数及土壤温度上限监控参数；终端节点利用温湿度传感器周期性地采集土壤温湿度信息，并与存储的土壤湿度上、下限监控参数及土壤温度上限监控参数比较，当温度超过上限监控参数或者湿度低于下限监控参数时，向主控设备发送灌溉请求信息；主控设备根据终端节点发送的请求信息决策是否灌溉供水，若主控设备供给灌溉用水则向终端节点发送灌溉命令，所有土壤湿度没有达到湿度控制上限的终端节点都打开供水支路电磁阀进行灌溉操作，当土壤湿度达到上限监控参数时，终端节点关闭供水支路电磁阀并向主控设备发送该终端节点灌溉结束信息，当所有终端节点结束灌溉操作时，主控设备结束灌溉供水。
一种自动节水灌溉系统，包括自动节水灌溉主控设备，及多个上述自动节水灌溉的无线网络终端节点。
本实用新型的有益效果在于：
1、本实用新型自动节水灌溉的无线网络终端节点利用太阳能电池板供电、充电电池蓄电，避免了传统有线式灌溉土壤湿度数据采集供电存在的铺线麻烦、连线复杂的问题，其工序简单、施工安装方便。
2、利用本实用新型中的ZigBee模块，实现了终端节点的无线传输，将各个终端节点的灌溉请求信号或结束灌溉信号无线传输给主控设备，主控设备根据灌溉请求信息或结束灌溉信息控制灌溉供水，达到准确实施节水灌溉的目的。
3、本实用新型自动节水灌溉的无线网络终端节点无需额外电源供电，利用清洁能源太阳能即可满足终端节点的工作，节约了用电资源。
4、本实用新型自动节水灌溉的无线网络终端节点，在满足无线网络终端节点的功能要求的同时，又具有系统布局柔性高、便于操作管理、成本较低的特点。
附图说明
图1为本实用新型的结构原理示意图。
其中：1为太阳能电池板；2为充电电池充电管理电路；3为充电电池；4为土壤温湿度一体化传感器用电变换电路；5为ZigBee模块用电变换电路；6为供水支路电磁阀用电变换电路；7为土壤温湿度一体化传感器；8为ZigBee模块；9为供水支路电磁阀。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本实用新型做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
一种自动节水灌溉的无线网络终端节点，包括ZigBee模块8、温湿度传感器7、供水支路电磁阀9、太阳能电池板1、充电电池3，充电电池充电管理电路2、ZigBee模块用电变换电路5、温湿度传感器用电变换电路4、供水支路电磁阀用电变换电路6；太阳能电池板1通过充电电池充电管理电路2与充电电池3电连接，充电电池3通过ZigBee模块用电变换电路5与ZigBee模块8电连接、通过温湿度传感器用电变换电路4与温湿度传感器7电连接、通过供水支路电磁阀用电变换电路6与供水支路电磁阀9电连接，ZigBee模块8还分别与温湿度传感器用电变换电路4、供水支路电磁阀用电变换电路6电连接。其结构原理如图1所示。
其中，本实施例中温湿度传感器选用土壤温湿度一体化传感器，太阳能电池板通过充电电池充电管理电路2为充电电池3充电，充电电池3通过土壤温湿度一体化传感器用电变换电路4、ZigBee模块用电变换电路5和供水支路电磁阀用电变换电路6分别给土壤温湿度一体化传感器7、ZigBee模块8和供水支路电磁阀9供电；ZigBee模块8利用土壤温湿度一体化传感器7采集土壤的温湿度数据；ZigBee模块8还分别连接控制土壤温湿度一体化传感器用电变换电路4与供水支路电磁阀用电变换电路9的输出。
ZigBee模块8主芯片选用集2.4GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE多种功能的增强型8051CPU芯片CC2530；土壤温湿度一体化传感器7选用已校准数字信号输出的温湿度复合传感器STH11，该传感器具有微功耗、较高检测精度(±3％)等特点，利用SCK、DATA双线制串行接口与ZigBee模块8的主芯片CC2530进行数据交互；ZigBee模块8利用土壤温湿度一体化传感器7周期性地采集土壤温湿度数据，且只有在采集数据超过设定阈值时才发送信息，因此，ZigBee模块8与土壤温湿度一体化传感器7的工作耗能相对较低。
充电电池3的最小容量选择主要由耗能较高的供水支路电磁阀9的功率和一次灌溉最大用时决定。本实施例中，供水支路电磁阀9选用口径80mm的直流电磁阀IBV-101G，其工作参数为：额定电压DC24V、瞬间激活电流370ma、吸持电流190ma，若每次最大灌溉用时不超过2小时，则每次灌溉操作供水支路电磁阀9的工作用电量不超过9200ma.v.h；考虑到ZigBee模块8与土壤温湿度一体化传感器7等部分用电以及用电变换效率的因素，充电电池3选用额定电压3.7V、容量2ah的充电电池组，足以满足终端节点完成一次灌溉的用电要求。
供水支路电磁阀用电变换电路6采用高效DC-DC转换芯片MAX629，完成充电电池3至供水支路电磁阀9的升压用电转换，同时，ZigBee模块8通过对MAX629使能引脚/SHDN的电平控制，实现供水支路电磁阀用电变换电路6的电能输出控制，即只有进行灌溉时才让供水支路电磁阀用电变换电路6有能量输出，以驱动打开供水支路电磁阀9。
太阳能电池板1是无线网络终端节点的能量来源，通过充电电池3的储能满足终端节点的工作供电要求。选用太阳能电池板1考虑因素较多，但是主要考虑高功耗部件供水支路电磁阀9的用电量与用电时间以及必要的充电时间。以每天灌溉一次的超常规灌溉模式进行选择：在标准光照条件下选用输出额定电压5V、额定电流840ma的太阳能电池组，标准光照4小时即可最多获得能量16800ma.v.h，完全可以满足本实施例选用的供水支路电磁阀9的无线网络终端节点工作用电要求。
充电电池充电管理电路2采用具有太阳能电池最大功率点跟踪功能的充电电池充电管理集成电路CN3791，当太阳能电池板1的电流输出能力降低时，CN3791内部电路能够自动跟踪太阳能电池板1的最大功率点，最大限度地利用太阳能电池板1的输出功率，高效地实现太阳能至充电电池3的电能转换。
土壤温湿度一体化传感器用电变换电路4与ZigBee模块用电变换电路5均选用低压差DC-DC转换芯片ADP3330进行供电转换；所不同的是：ZigBee模块用电变换电路5采用始终供电的工作方式，而土壤温湿度一体化传感器用电变换电路4的芯片ADP3330使能端由ZigBee模块8控制，只有采集土壤温、湿度数据时才控制土壤温湿度一体化传感器用电变换电路4输出供电。
将实施例1所述的自动节水灌溉的无线网络终端节点，以及主控设备组成自动节水灌溉系统，实现无人值守的自动节水灌溉的方法如下：
(1)根据作物的不同生长阶段，主控设备利用其中的ZigBee模块向自动节水灌溉的无线网络终端节点发送土壤湿度监控的下限与上限参数以及温度监控的上限参数，无线网络终端节点接收并中转相关工作参数；
(2)无线网络终端节点周期性地利用土壤温湿度一体化传感器7检测土壤的温、湿度实时数据；
(3)当检测到土壤湿度达到下限参数或者土壤温度高于上限参数时，无线网络终端节点向主控设备发送灌溉请求信息；主控设备根据接收的请求信息判断土壤整体墒情，若符合喷灌条件则输送灌溉用水并向无线网络终端发送灌溉命令；所有未达到土壤湿度上限参数的无线网络终端节点均开通相应的供水支路电磁阀用电变换电路6的供电输出；喷灌期间若无线网络终端节点检测的土壤湿度高于上限参数时则控制关闭供水支路电磁阀用电变换电路6并向主控设备发送灌溉结束信息；当所有无线网络终端节点灌溉结束，主控设备则关闭灌溉供水，结束一次灌溉过程。
无线网络终端节点若出现设备异常如：土壤温湿度一体化传感器7、供水支路电磁阀9或者充电电池充电管理电路2出现故障则向主控设备发送工作状态信息。

Claims (9)

1.一种自动节水灌溉的无线网络终端节点，其特征在于，包括ZigBee模块、温湿度传感器、供水支路电磁阀；其特征在于，还包括太阳能电池板和充电电池，太阳能电池板与充电电池电连接，充电电池分别与ZigBee模块、温湿度传感器、供水支路电磁阀电连接，ZigBee模块还分别与温湿度传感器、供水支路电磁阀电连接。
2.如权利要求1所述的无线网络终端节点，其特征在于，所述充电电池选用锂聚合物电池。
3.如权利要求1所述的无线网络终端节点，其特征在于，所述温湿度传感器选用土壤温湿度一体化传感器。
4.如权利要求1所述的无线网络终端节点，其特征在于，所述供水支路电磁阀为直流电池阀IBV-101G。
5.如权利要求1所述的无线网络终端节点，其特征在于，所述太阳能电池板通过充电电池充电管理电路与充电电池电连接。
6.如权利要求1所述的无线网络终端节点，其特征在于，所述充电电池通过ZigBee模块用电变换电路与ZigBee模块电连接。
7.如权利要求1所述的无线网络终端节点，其特征在于，所述充电电池通过温湿度传感器用电变换电路与温湿度传感器电连接。
8.如权利要求7所述的无线网络终端节点，其特征在于，所述充电电池通过供水支路电磁阀用电变换电路与供水支路电磁阀电连接。
9.如权利要求8所述的无线网络终端节点，其特征在于，所述ZigBee模块还分别通过温湿度传感器用电变换电路、供水支路电磁阀用电变换电路与温湿度传感器、供水支路电磁阀电连接。
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