CN205389817U - 一种微灌用自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微灌用自动控制系统，用于包括滴灌和微喷灌的农业微灌作业，包括主控器和遥控器，主控器包括红外接收器，遥控器包括红外发射器，遥控器通过红外无线传输数据至主控器，所述遥控器具有键盘和显示屏，所述的主控器连接有土壤湿度传感器、雨量传感器和电磁阀，通过土壤湿度传感器和雨量传感器进行土壤湿度和雨量检测，并且向电磁阀发出开、闭控制指令。所述的遥控器内置时钟。所述主控器和遥控器均采用低电压微静态功耗芯片，且采用电池也可采用太阳能充电电池作为电源。主控器的运行模式参数在遥控器上编辑完成并保存后，用红外无线传输至主控器。

Description

一种微灌用自动控制系统

技术领域

本实用新型属于农业灌溉设备技术领域，特别涉及一种微灌用自动控制系统。

背景技术

农业生产中的微灌(包括滴灌、微喷灌)作业，可以控制需要微灌作业范围的温、湿度，为作物提供良好的生长条件，因此被世界各国广泛采用。滴灌可大量节省水、电、人工，其优越性日渐受人们重视。微灌系统一般由尾部：滴头、微喷头、防滴阀；首部：泵组、过滤器、施肥器、电器控制柜；中间连接：干、支管道、阀门等零部件组成，以往对这些部件的开关控制均是由人工进行操作的。由于微灌作业时间较长，开关次数频繁，人工费时且不易掌握灌水施肥的准确性，随着电子技术的发展，国内外先后逐渐采用了自动控制技术。与本技术方案较接近的现有技术有，美国的Hunter公司的WVS系统和美国雨鸟公司的CYCLIK控制装置，它们都是由电子技术装置的自动控制系统，对微灌系统部件进行操纵控制，实现了自动化灌溉，但是，它们存在一定的不足。

美国雨鸟公司的电子控制系统是有线输入控制模式，编程器与控制器间需要用插头连接，程序输入后再将插头拔下移走。插头裸露在外面，野外或水下工作存在不可靠因素。

而美国Hunter公司，为无线控制，其编程遥控器可在30米距离内进行控制，一则传送的距离有限，同时，其无线控制是采用电磁波原理，这种装置的结构较复杂，造价较高，电耗大，不适宜我国国内经济薄弱和偏远地区推广使用。

目前国内现有的主要用于温室的灌溉控制器，大都是有线控制，由于微灌系统一般应用面积较大，而且微灌用水的泵站常常离控制阀门较远，采用有线形式，很长的导线埋在地下，常会出现不慎被压坏碰、勾断的现象，尤其在我国广大农村的规划还跟不上，有时是这边规划设计安装好，下一个项目又要另行规划设计开挖，将别说是电线就连灌溉管道都被挖坏。还有，有时掩埋时间长了，电线老化，也常会出现短路，使控制出现故障，导致整个控制系统瘫痪，甚至对人身安全造成威胁。而且导线埋入土壤中，对清查修复工作也带来困难。因此弊端明显，难以在我国广大农村特别是在西北贫困少雨地区推广。有些科研院校虽以单片机为核心研制出有线小型智能化灌溉控制器，但尚存在以下问题：

控制器以8031等为核心，通常还需加EPROM，RAM以及显示接口芯片(如8279)等，键盘及显示器等。带来的问题是静态功耗达到数十毫瓦及至数百毫瓦级以上。又因输出一般采用继电器驱动电磁阀方式，运行时维持电流较大。使得这一系统一般都需接入220V工频电源，经变压器减压、整流，以获得低压直流源供系统使用。由于工频电源极易引进干扰，为可靠稳定地工作，往往需在软件、硬件上采用一系列抗干扰措施。这些都使得装置的体积增大，本体及安装成本增加，便携性、移动性减低，难以适应野外工作环境。

近年有不少使用无线传输模块ZigBee节点控制传输方式进行传感器网络技术传输，这种形式可进行远距离信号传输，但是系统复杂，价格远高于本技术方案，并且需无线传输网络运行使用费或者建设无线发射基站，建成后有一定的使用成本。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种微灌用自动控制系统，用于包括滴灌和微喷灌的农业微灌作业。

本实用新型的技术方案是，一种微灌用自动控制系统，用于包括滴灌和微喷灌的农业微灌作业，包括主控器和遥控器，主控器包括红外接收器，遥控器包括红外发射器，遥控器通过红外无线传输数据至主控器。

遥控器具有的微处理器除了连接键盘和显示屏，还连接红外发射器。

主控器的微处理器连接有土壤湿度传感器、雨量传感器和电磁阀，电磁阀连接微灌系统，主控器的微处理器还连接红外接收器。

遥控器内置时钟。

主控器和遥控器的微处理器均采用低电压微静态功耗芯片，且采用电池或太阳能充电电池作为电源。

所述主控器的运行模式参数在遥控器上编辑完成并保存后，用红外无线传输至主控器。

主控器的运行模式中包括时刻型模式，所述时刻型模式是指：在设定的时间段内进行灌溉，包括日期(年、月、日)、时、分设定，可每天运行，也可间隔某些天数运行，灌溉时间时、分、秒可调。

主控器的运行模式还包括：时刻+时间间隔型、土壤湿度控制型和雨量控制型。

所述的时刻+时间间隔型，在时刻型模式内再设置时间间隔，可对每天任意个不同灌溉时间段内进行时间间隔设定，时间间隔以时、分、秒任意设定；

所述的土壤湿度控制型，用土壤湿度传感器测定土壤湿度，在设定的时间段内，主控器采集土壤湿度实测值，与设定值比较，实测值达到设定下限或上限时，主控器打开电磁阀，电磁阀开启供水灌溉，关闭电磁阀有两种情况，一种是到达设定的灌溉时间时，主控器关闭电磁阀，停止供水；另一种是测定的湿度大于设定值时电磁阀关闭，停止供水；

所述的雨量控制型，当电磁阀在设定的时间点打开喷雾时，主控器通过雨量传感器监测喷雾所接收的雨量喷雾次数(每接收到单位面积上某个设定值的水量时传感器记录一次，如每0.5毫米深的雨量记录一次，也可用其它雨量传感器没定，有相应的设置值)，当检测到所接收的雨量达到设定的雨量次数后电磁阀自动关闭喷雾，主控制器也停止雨量检测。

主控器运行模式包括的时刻+湿度型和时刻+雨量型，

所述时刻+湿度型，是指在预定时间段内运行土壤湿度控制型模式，

所述时刻+雨量型，是指在预定时间段内运行雨量控制型模式。

本实用新型由遥控器设置灌溉参数并发送给主控器，主控器采集传感器信号并与设置参数比较，当达到设定灌溉开启(关闭)值时，主控单元向电磁阀发出开、闭指令实施灌溉系统的自动控制。其主控单元由信息采集电路、信号隔离电路、遥控接受器、微处理器、驱动电路及电源等部件组成。

本实用新型的微处理器采用低功耗芯片，其内置FLASH程序存储器和RAM数据存储器，可满足控制器程序的装载及运行数据的存取和中转，以此为核心构建的单片机系统。勿需增置程序和数据存储等外围器件，也勿需在线路板上设计数据和地址线，从而使硬件构成非常简单。故对微功耗的控制器设计极为有利。微处理器的工作电压仅为1.8～3.6V，在休眠状态下典型电流不到1μA，故其本身能耗极低。

本实用新型主控单元的输出驱动，充分考虑到尽量减低功耗，采用驱动芯片来驱动自锁电磁阀工作,该芯片静态电流小于2μA。通过微处理器按控制逻辑输出相应的脉冲信号，使驱动芯片驱动自锁电磁阀打开或关闭。电磁阀打开或关闭完成后，芯片处于静态状态，在实际工作条件下，电磁阀状态改变的次数是有限的，故在绝大部分时间，是不消耗任何能量的。

本实用新型与通常采用键盘进行命令输入的方式不同，它采用遥控器对主控制器的运行模式进行设置和修改，本实用新型提供的无线控制装置采用红外发射接受控制方式。对各电磁阀的开停时序和周期的命令由遥控器的键盘编辑完成并发射后，由控制器的红外线接收器接收并传输到微处理器存储。本遥控器由液晶显示、键盘等组成，发送遥控信号采用三极管驱动红外二极管，电路简单、体积小、功耗低。

主控制器所需的参数由遥控器设置好并保存在遥控器中，遥控器内置时钟，并通过红外线发送到主控单元中，红外接收器接收到信号后，相应发光管发光，遥控器开启自控装置的同时设置(输入)实时时间，自控装置进入运行状态。当达到设定的开启时刻时，微处理器开始采集信号并与设定参数比较来决定是否发送开启电磁阀的脉冲，当达到设定的关闭时刻时，微处理器发送关闭电磁阀脉冲通过驱动电路来驱动电磁阀；本自动控制装置用4节5号电池组作电源，有4种工作模式。

1、时刻型：即在某一设定的时间内进行灌溉，有日期(年、月、日)、时、分设定，可每天循环(每天这个时刻打开电磁阀进行灌溉)、天循环(过几天这个时刻打开电磁阀)灌溉。一只遥控器可设置50组电磁阀，每组阀可有5个不同的灌溉时间段(时、分)设定，灌溉时间时、分、秒可调，最大为23小时59分59秒。

2、时刻+时间间隔型，本型以时刻型作先导，在时刻型(时、分)内再设置时间间隔，可对每天任意个不同灌溉时间间隔进行设定，可每天循环，也可按周期(天)循环，间隔时、分、秒任意设定，一只遥控器可设置50组以上电磁阀，每组阀可设置5个不同的灌溉时刻段，每天循环，也可按周循环，时间间隔时、分、秒任意设定。。

3、土壤湿度控制型，用土壤湿度传感器测定土壤湿度，在设定的某一时间内，微处理器采集传感器测定的土壤湿度实时值，与设定值比较，实测值达到设定下限(或上限，根据选用的湿度传感器而定)时，微处理器打开电磁阀脉冲，电磁阀开启向系统供水灌溉。关阀有两种模式，一种是到达设定的灌溉时间时，微处理器再发一反向脉冲给电磁阀关闭，停止供水；另一种是测定的湿度大于设定值时电磁阀关闭，停止供水。

4、雨量控制型，当电磁阀按设定的时间打开时，控制器通过雨量传感器监测雨量(喷雾)次数，在喷雾状态时，本雨量传感器每接受到一次最小雨量，即0.5mm雨量记录一次，可设置到9999次，相当于降雨量为5米深，一般只需用到400—500次。当检测到设定的雨量次数后电磁阀自动关闭喷雾，并停止雨量检测。

以上4种工作模式，第1工作模式为基本模式，与其它3种功能可结合使用，可满足不同的灌溉要求。其它3种模式运行必须捕捉到启动时刻点后自控装置才能启动，即构成三种模式，简单示例如下：

时刻+时间间隔型：在8:00(工作起点)-9:00(工作终点)之中，每隔5秒开阀浇灌，持续3秒关阀。在第二个时间段，12:00(工作起点)-14:00(工作终点)之中重复上述的工作和停止时间。一天内可设置有5个不同的时间段重复也可不重复的工作和停止时间。

时刻+湿度型：自控装置在8:00(工作起点)-9:00(工作终点)之间，如微处理器开启检测，当检测到传感器测定的土壤湿度实时值低于(或高于，根据选用的湿度传感器而定)设定值时，则打开电磁阀进行灌溉，当达到设定的工作时间或检测到土壤湿度达到设定值时电磁阀关闭。

时刻+雨量型：自控装置在8:00(工作起点，开启电磁阀)-9:15(工作终点)之间，如雨量传感器接收到的雨量达到设定次数时，则关闭电磁阀。(收集雨量次数时间一定要小于喷雾时间，否则直到终点9:15才关闭电磁阀。)

通过遥控器可进行手动操作和自动操作切换，当切换至手动操作时，可通过遥控器手动打开、关闭电磁阀；当切换至自动操作时，主控器按设定的模式和参数进行工作。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型的四种模式工作的有益效果基本涵盖了农业上所有的灌溉自动化需求，尤其是对育苗时期需要保持土壤和空气的一定湿度，就需要每隔几分钟喷雾几秒钟(时间+时间间隔型)，并且是24小时连续几个月的工作，这是人工很难达到的。

多种运行模式的方便设置，使得本控制装置对不同地区，不同的生态环境，不同的作物，不同的农艺要求都具有极其广泛的适应性。由于避免了布线，其工程造价很小，运行成本也极为低廉。同时由于不使用工频电源，杜绝了干扰信号自交流电源线的侵入，还极大地提高了本装置工作的可靠性、稳定性、安全性。对于大量使用在野外环境、尤其是边远山区、大面积使用往往长时间无人监管的灌溉控制系统，直接使用干电池供电，不但可使装置体积大大下降，从而使其更便于安装、携带，尤为重要的是大大减少干扰故障产生的机率，使之工作更为可靠。

本实用新型借助遥控器的显示窗口对命令进行编辑，主控制器可省去显示部分，故进一步简化了硬件结构，并使命令输入的操作更为方便。

本实用新型提供的无线控制装置采用遥控器编程红外发射接收控制方式，以及多种模式的短时间隔循环不间断控制，不仅解决了农业微灌的精准控制，也使得主控单元可以实现超小型智能化独特的设计，大大减低了装置的静态功耗，使之成为一台微功耗、超小型(主线路板仅6×6cm²)，密封性能好，便于携带、移动的性价比高且特别适合野外工作环境的装置。尤其适用于潮湿雨淋的作业环境，这是一般自控装置所不能达到的。也没有额外的使用费用，不象远程无线控制多数要通过网络，每月有一定网络使用费，这对没有网络覆盖的广大农村来说也是制约推广的一个重要方面。

附图说明

图1是本实用新型控制系统示意图。

其中，1——遥控器键盘；2——遥控器；3——遥控器显示屏；4——发射器；5——主控器；6——接收器；7——雨量、湿度传感器；8——电磁阀；9——主控器干电池电源；10——遥控器干电池电源。

具体实施方式

本实用新型由遥控器键盘1输入将指令由遥控器2通过红外发射器4传送给主控器5，再由主控器5按照指令要求的控制模式向电磁阀8发出执行指令，控制电磁阀8的开、闭，在自反馈模式下通过土壤湿度、雨量传感器7进行土壤湿度、雨量检测反馈信号给主控器5，根据指令设置进行电磁阀8的开、闭控制。

微处理器采用低功耗芯片，其内置FLASH程序存储器和RAM数据存储器，通过简化硬件，改进输出驱动方式，采用遥控器替代键盘等几个方面措施，有效地降低了装置的功耗，本装置仅需4节1.5V电池即可维持运行1年以上。本实用新型提供的无线控制装置采用遥控器编程红外发射接收控制方式。遥控器2和主控器5均采用低电压微静态功耗且内置硬件更为丰富的微处理器芯片，使外围器件大为减少。微处理器的工作电压仅为1.8～3.6V，在休眠状态下典型电流不到1μA。

该装置的输出驱动芯片驱动自锁电磁阀工作,该芯片静态电流小于2μA。通过微处理器按控制逻辑输出相应的脉冲信号，使驱动芯片驱动自锁电磁阀打开或关闭。电磁阀打开或关闭完成后，芯片处于静态状态，在实际工作条件下，电磁阀状态改变的次数是有限的，故在绝大部分时间，是不消耗任何能量的。

本装置采用遥控器2对主控器5的运行模式进行修改，对各电磁阀的启停时序和周期的命令由遥控器2的键盘1编辑完成并发射后，由主控器5接收并存储到主控器微处理器中。

主控制器5所需的参数由遥控器2设置好并保存在遥控器2中，遥控器2内置时钟，再通过红外线发送，由主控器5的接收器6接收，主控器5信号接收成功时相应发光管发光，然后用遥控器2开启自控装置的同时设置(输入)实时时间,自控装置进入运行状态。当达到设定的开启时刻时,主控器5开始采集土壤湿度、雨量传感器7的信号并与设定参数比较来决定是否发送开启电磁阀8，当达到设定的关闭时刻时,由主控器5发送关闭电磁阀命令来驱动电磁阀8的关闭；本自动控制装置用4节5号电池组9作主控器电源，本自控系统有4种工作模式。

1、时刻型；2、时刻+时间间隔型；3、土壤湿度控制型；4、以雨量型控制。

所述的雨量控制型，当电磁阀在设定的时间点打开喷雾时，主控器通过雨量传感器监测喷雾所接收的雨量次数(每接收到单位面积上某个设定值的水量时传感器记录一次，如每0.5mm记录一次。也可用其它方式的传感器测量，对应设置相的参数。)，当检测到所接收的雨量达到设定的雨量次数(值)后电磁阀自动关闭喷雾，主控制器也停止雨量检测。

以上四种工作模式，模式1与其它三种功能可结合使用，其它三种模式运行必须捕捉到启动时刻点后自控装置才能启动，即构成三种模式，时刻+时间间隔型、时刻+湿度型和时刻+雨量型。

简单示例如下：

时刻+时间间隔型：在8:00(工作起点)-9:00(工作终点)之中，每隔5秒开阀浇灌，持续3秒关阀。这种时间段在一天内可以有5组数据供设置并每组的数据可重复也可不重复设置。

时刻+湿度型：自控装置在8:00(工作起点)-9:00(工作终点)之间，如微处理器检测到传感器测定的土壤湿度实时值低于(或高于，根据选用的湿度传感器而定)设定值时，则打开电磁阀进行灌溉，当达到设定的工作时间或检测到土壤湿度达到设定值时电磁阀关闭。

时刻+雨量型：自控装置在8:00(工作起点，开启电磁阀)-9:15(工作终点)之间，如雨量传感器接收到的雨量达到设定次数时，则关闭电磁阀。(收集雨量次数时间一定要小于喷雾时间，否则直到终点9:15才关闭电磁阀。)

本遥控器2具有手动操作和自动操作切换功能，当切换至手动操作时，可通过遥控器手动打开、关闭电磁阀；当切换至自动操作时，主控器5按设定的模式和参数进行工作。

Claims (1)

1.一种微灌用自动控制系统，用于包括滴灌和微喷灌的农业微灌作业，其特征在于，包括主控器和遥控器，主控器包括红外接收器，遥控器包括红外发射器，遥控器通过红外无线传输数据至主控器，

遥控器具有的微处理器除了连接键盘和显示屏，还连接红外发射器，

主控器的微处理器连接有土壤湿度传感器、雨量传感器和电磁阀，电磁阀连接微灌系统，主控器的微处理器还连接红外接收器，

遥控器内置时钟，

主控器和遥控器的微处理器均采用低电压微静态功耗芯片，且采用电池或太阳能充电电池作为电源。