CN207355132U - 一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置，所述渐进式定点精准远程控制浇灌装置包括金属箱体、中央控制器、湿度采集设备、浇灌设备、无线通讯设备和警报设备。本实用新型使用单片机作为核心主板，其具有的高性能可实现多种复杂操作与指令；设置两个传感器可更为准确获得植物各个部位土壤湿度；实现了精准浇水，模拟土壤渗透速率表，动态进行浇水量调整，中间预留空隙时间以等待水分下渗，随后按更新湿度自动调整补水量，以此保证在不积水条件下慢慢逼近适宜湿度；与用户端的远程通信大大提高系统稳定与灵活性，用户可即时了解作物情况，如装置发生异常情况亦可即时向用户发送警报。

Description

一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置

技术领域

本实用新型涉及作物定点浇灌技术领域，具体涉及一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置。

背景技术

目前对作物浇灌大多依靠人工作业，耗时耗力成本较高，传统浇灌方式较难掌握合理的浇灌量以及科学的浇灌方式，并且常常需要人工值守作业，无法实现远程控制。

现有解决精准浇灌方案大多较为死板，对于水量的控制以及微调处理十分粗糙，缺乏动态调控灌溉量的方案，以致无法实现精准灌溉。目前市场上自动浇水器绝大多数不能很好地控制每日浇水量，尤其是对于中、小、微型植物每日耗水量范围仅有4克至50克水的情况，几乎没有浇水器能在此范围很好地控制每日浇水量。优良的自动浇水器必须具备让用户根据植物的每日耗水量调整不同的浇水速度，即每日浇水量必须可调整。不能让用户调整浇水速度的浇水器是不合理的，因为不能适应植物生长的实际需要。

其次，大多浇水器产品并未考虑用户对于植物生长的了解情况，单一体化浇水器，使得出现异常情况只能等待用户自行发现，而不能即时发出异常报告，并未从真正意义上替代人工浇灌。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置，用以解决目前作物浇灌不能掌握合理的浇灌量的问题。

为实现上述目的，本实用新型公开了一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置，所述渐进式定点精准远程控制浇灌装置包括金属箱体、中央控制器、湿度采集设备、浇灌设备、无线通讯设备和警报设备，所述中央控制器安装至所述金属箱体内部，所述湿度采集设备、所述浇灌设备、所述无线通讯设备和所述警报设备分别连接至所述中央控制器主板上，所述湿度采集设备包括第一湿度传感器和第二湿度传感器，所述第一湿度传感器和所述第二湿度传感器分别置于浇灌地土层下并保持10cm的深度差，所述无线通讯设备安装于金属箱体顶部，所述警报设备安装于金属箱体外侧上部。

本实用新型公开的上述一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置，所述第一湿度传感器和所述第二湿度传感器分别置于浇灌地土层下5-10cm和15-20cm的位置。

本实用新型公开的上述一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置，所述第一湿度传感器和第二湿度传感器尾端分别使用螺栓固定于支撑杆上安装孔中，所述支撑杆一端连接至中央控制器主板，所述支撑杆另一端延伸出金属箱体底部并伸入至浇灌地土层下，所述第一湿度传感器和第二湿度传感器的通讯线及电源线从支撑杆中心穿过连接至中央控制器主板。

本实用新型公开的上述一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置，所述第一湿度传感器和所述第二湿度传感器的前端具有多根探针，所述第一湿度传感器和所述第二湿度传感器前端的多根探针平行放置。

本实用新型公开的上述一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置，所述浇灌设备包括：水泵、软性水管、输水钢管和花洒蓬莲头，所述水泵置于金属箱体一侧的地面上，所述水泵连接至中央控制器主板上，所述水泵与中央控制器之间设置有继电器开关，水泵出水口与软性水管一端连接，软性水管的另一端连接至倾斜安装在金属箱体侧面的输水钢管一端，输水钢管另一端连接花洒蓬莲头。

本实用新型公开的上述一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置，所述花洒蓬莲头通过锥形支架连接在输水钢管的一端，所述花洒蓬莲头高于土壤5cm并朝向作物根部，所述花洒蓬莲头与输水钢管连接的位置设置有电磁阀，所述电磁阀连接至中央控制器主板上。

本实用新型公开的上述一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置，所述花洒蓬莲头为漏口均匀分布的花洒，所述花洒蓬莲头的倾斜度为15°，所述花洒蓬莲头与第一湿度传感器和第二湿度传感器的探针中端垂直对齐。

本实用新型公开的上述一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置，所述无线通讯设备包括通讯模块和无线通讯天线，所述通讯模块通过螺纹固定于金属箱体内部顶部，所述无线通讯天线底部用磁铁条吸附在金属箱体顶部并以有线方式连接至所述通讯模块。

本实用新型公开的上述一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置，所述警报设备包括LED指示灯和蜂鸣器，所述LED指示灯和蜂鸣器连接至中央控制器主板上。

本实用新型还公开了一种渐进式定点精准远程控制浇灌方法，所述渐进式定点精准远程控制浇灌方法包括：中央控制器周期性控制湿度采集设备进行湿度采集；分层置于浇灌地土层下的第一湿度传感器和第二湿度传感器获取不同深度土壤水分容积量X₁和X₂，其中，所述第一湿度传感器和所述第二湿度传感器之间保持10cm的深度差；中央控制器接到传送来的土壤水分容积量X₁和X₂，计算10cm深度间湿度区域值X₃，其中，X₃＝X₂×0.75+X₁×0.25；得到X₃值后与植物种植适宜湿度范围的最低值进行比较；当X₃<植物种植适宜湿度范围的最低值+0.05时，中央控制器打开继电器开关将水泵控制电路闭合，水泵开启将水抽出并通过软性水管输送至输水钢管，打开花洒蓬莲头处的电磁阀，花洒蓬莲头喷水进行浇灌；浇灌中按照预设函数控制继电器开关进行浇灌，其中，所述预设函数为基于植物种植适宜湿度范围模拟获得的防溢出渐变灌溉量二次函数；及中央控制器控制第一湿度传感器和第二湿度传感器在数据采集周期内在关闭水泵后经有效渗透时间后进行数据采集以实时计算获得浇灌后的X₃，所述有效渗透时间为水泵打开时间的10倍；中央控制器控制第一湿度传感器和第二湿度传感器及水泵循环检测湿度数据和浇灌，直到X₃接近植物种植适宜湿度范围的最高值时停止浇灌；中央控制器将不同时间段的多次X₃值通过无线通讯设备发送至用户端后进入低功耗休眠模式；及预定时间时后中央控制器恢复工作模式，重新进行数据采集以及灌溉作业。

本实用新型具有如下优点：

本实用新型使用单片机作为核心主板，其具有的高性能可实现多种复杂操作与指令；设置两个传感器可更为准确获得植物各个部位土壤湿度；实现了精准浇水，模拟土壤渗透速率表，动态进行浇水量调整，中间预留空隙时间以等待水分下渗，随后按更新湿度自动调整补水量，以此保证在不积水条件下慢慢逼近适宜湿度；与用户端的远程通信大大提高系统稳定与灵活性，用户可即时了解作物情况，如装置发生异常情况亦可即时向用户发送警报。

附图说明

图1为本实用新型公开的一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置的浇灌命令响应示意框图。

图2为本实用新型公开的一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置的结构示意图。

图3为本实用新型公开的一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置的中央控制器主板的结构示意图。

图4为本实用新型公开的基于兰花适宜生存土壤湿度范围模拟获得的防溢出渐变灌溉量二次函数的曲线图。

图5为本实用新型公开的一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置的水泵的水泵抽水速率图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

实施例1

参考图1和图2，本实施例公开的一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置包括金属箱体01、中央控制器02、湿度采集设备03、浇灌设备04、无线通讯设备05和警报设备06，中央控制器02安装至金属箱体01内部，湿度采集设备03、浇灌设备04、无线通讯设备05和警报设备06分别连接至中央控制器02主板上，湿度采集设备03包括第一湿度传感器07和第二湿度传感器08，第一湿度传感器07和第二湿度传感器08分别置于浇灌地09土层下并保持10cm的深度差，无线通讯设备05安装于金属箱体01顶部，警报设备06安装于金属箱01体外侧上部。

参考图2，第一湿度传感器07和第二湿度传感器08分别置于浇灌地09土层下5-10cm和15-20cm的位置，具体位置视植物品种而定，第一湿度传感器07和第二湿度传感器08尾端分别使用螺栓固定于支撑杆10上安装孔11中，支撑杆11一端连接至中央控制器02主板，支撑杆11另一端延伸出金属箱体01底部并伸入至浇灌地09土层下，第一湿度传感器07和第二湿度传感器08的通讯线及电源线从支撑杆11中心穿过连接至中央控制器02主板，第一湿度传感器07和第二湿度传感器08的前端具有多根探针12，第一湿度传感器07和第二湿度传感器08前端的多根探针12平行放置。

参考图2，浇灌设备04包括：水泵13、软性水管14、输水钢管15和花洒蓬莲头16，水泵13置于金属箱体01一侧的浇灌地09地面上，水泵13连接至中央控制器02主板上，水泵13与中央控制器02之间设置有继电器开关17，水泵13出水口与软性水管14一端连接，软性水管14的另一端连接至倾斜安装在金属箱体01侧面的输水钢管15一端，输水钢管15另一端连接花洒蓬莲头16，花洒蓬莲头16通过锥形支架(图中未示出)连接在输水钢管15的一端，花洒蓬莲头16高于土壤5cm并朝向作物根部，花洒蓬莲头16与输水钢管15连接的位置设置有电磁阀(图中未示出)，电磁阀连接至中央控制器主板上，即采取水泵与电磁阀组合提高灌溉精度，花洒蓬莲头16为漏口均匀分布的花洒，花洒蓬莲头16的倾斜度为15°，花洒蓬莲头16与第一湿度传感器07和第二湿度传感器08的探针12中端垂直对齐。

参考图2，无线通讯设备05包括通讯模块18和无线通讯天线19，通讯模块18通过螺纹固定于金属箱体01内部顶部，无线通讯天线19底部用磁铁条20吸附在金属箱体01顶部并以有线方式连接至通讯模块18，另外，警报设备06包括LED指示灯和蜂鸣器，LED指示灯和蜂鸣器连接至中央控制器主板上。

参考图1，中央控制器02用于接收与处理采集数据，三小时进行一次湿度采集，中央控制器02按照预设函数处理数据后控制继电器开关17使用灌溉曲线进行浇灌，随后中央控制器02进入休眠，休眠周期三小时；中央控制器02与无线通讯设备05连接，远距离与用户端21通讯，发送湿度域值曲线、缺水警报、实时湿度信息，用户端21手动下达浇灌指令，或重设函数变量；LED指示灯和蜂鸣器负责异常警报通知，中央控制器02的主板上还可设有外接插头22，通过外接插头22外部接入220v市电，金属箱体01内设有接电盒23，外接插头22是从接电盒23中引出金属箱体外的，接电盒23中设置有变压器组，向水泵13、电磁阀、第一湿度传感器07、第二湿度传感器08、中央控制器02和继电器开关17等供电。

参考图3，中央控制器02主板见图上cc2530，DIP28示出了主板cc2530的引脚，第一湿度传感器07和第二湿度传感器08所选传感器型号为MS-10，其可直接获取土壤水分容积量，量程0-100％，第一湿度传感器07和第二湿度传感器08分别接入cc2530的P1_0和P1_1口作为信号输入，另外，LED指示灯和继电器开关接入中央控制器02主板的方式见图中的LED0和Relay-SPDT所示。

参考图1和图2，本实施例中公开的一种渐进式定点精准远程控制浇灌方法包括：中央控制器02周期性控制湿度采集设备03进行湿度采集；分层置于浇灌地09土层下的第一湿度传感器07和第二湿度传感器08获取不同深度土壤水分容积量X₁和X₂，其中，第一湿度传感器07和第二湿度传感器08之间保持10cm的深度差；中央控制器02接到传送来的土壤水分容积量X₁和X₂，计算10cm深度间湿度区域值X₃，其中，X₃＝X₂×0.75+X₁×0.25；得到X₃值后与植物种植适宜湿度范围的最低值进行比较；当X₃<植物种植适宜湿度范围的最低值+0.05时，中央控制器02打开继电器开关17将水泵控制电路闭合，水泵13开启将水抽出并通过软性水管14输送至输水钢管15，打开花洒蓬莲头16处的电磁阀，花洒蓬莲头16喷水进行浇灌；浇灌中按照预设函数控制继电器开关17进行浇灌，其中，所述预设函数为基于植物种植适宜湿度范围模拟获得的防溢出渐变灌溉量二次函数。

以兰花为例，兰花适宜生存土壤湿度范围为40-65％，首先，中央控制器02周期性控制第一湿度传感器07和第二湿度传感器08获取不同深度土壤水分容积量X₁和X₂，然后，计算10cm深度间湿度区域值X₃，其中，X₃＝X₂×0.75+X₁×0.25，得到X3值兰花适宜生存土壤湿度范围的最低值40％进行比较；当X₃<40％+0.05时，中央控制器02打开继电器开关17将水泵控制电路闭合，水泵13开启将水抽出并通过软性水管14输送至输水钢管15，打开花洒蓬莲头16处的电磁阀，花洒蓬莲头16喷水进行浇灌。

土壤入渗率指单位时间内地表单位面积土壤的入渗水量，随土壤湿度逐渐变大，入渗率由大变小，最终导致积水情况发生。因此，为了达到精准浇灌，且不产生积水情况，研究出一套模拟拥塞处理的防溢出渐变灌溉量二次函数，兰花的防溢出渐变灌溉量二次函数见附图4所示。其目的是为了在土壤湿度上升过程中，分次控制水量对应渗透率低的以保证不形成积水情况，以兰花为例，其防溢出渐变灌溉量二次函数为：y＝3000x²-3600+1100，其中x为实际湿度值，可以将上述计算出的X₃作为x，y为对应实际湿度值相应的适量浇水量。上述兰花的防溢出渐变灌溉量二次函数是根据多次灌溉后的测量数据模拟得来的，具体地，以兰花适宜生存土壤湿度范围为40-65％作为根据，一般取此范围的最低值/或最低值接近值和最低值/或最低值接近值作为两个基本取值，然后再取两个基本取值的中间值，分别将上述两个基本取值和中间值作为确定防溢出渐变灌溉量二次函数的三个实验值，如图4所示，这三个取值分别为：40％、60％和50％，图4中当前土壤湿度值用土壤水分容积量表示，具体为通过湿度传感器检测计算得到X₃，在检测计算得到的X₃为40％时，进行多次的浇灌实验，每次浇灌实验的浇灌水量不同，最终得到，浇灌水量为150ml时，浇灌完成后经30-45s后进行检测计算，X₃趋近50％，将此时的浇灌水量150ml定为此时防溢出渐变灌溉量二次函数的函数y取值，由此获得实验点(40％，150ml)，同理，获得另外两个实验点(50％，60ml)和(60％，30ml)，获得(60％，30ml)时，浇灌完成X₃趋近65％，由此三个试验点即可模拟得出防溢出渐变灌溉量二次函数。

中央控制器02控制第一湿度传感器07和第二湿度传感器08在数据采集周期内在关闭水泵13后经有效渗透时间后进行数据采集以实时计算获得浇灌后的X₃，有效渗透时间为水泵13打开时间的10倍。具体地，每次浇灌前利用检测计算获得的X₃代入模拟获得的防溢出渐变灌溉量二次函数计算出此时所需的浇灌水量y₁，再根据水泵抽水速率曲线计算出y₁所对应的水泵打开时间t₁，水泵抽水速率曲线见附图5所示，随后中央控制器02打开水泵控制电路保持t₁秒后关闭水泵，为了保证水分有效渗透，等待10t₁秒后，传感器进行下一次数据采集获得浇灌后的X₃，使用相同方式计算出下一次浇灌水泵打开时间。随着土壤湿度慢慢增高，相应水泵打开时间按次减少，最终接近兰花适宜生存土壤湿度范围的最高值65％上时，停止浇灌，中央控制器02将不同时间段的多次X₃值通过无线通讯设备发送16进制数据至用户端后进入低功耗休眠模式，三小时后中央控制器02恢复工作模式，重新进行数据采集以及灌溉作业。

本实用新型使用湿度传感器组，通过多数据采集得到相对更精准的湿度值，按照土壤渗透曲线计算出两个湿度传感器之间点的均容积含水量。此时中央控制器将均容积含水量X₃与植物种植适宜湿度h进行比较，如果均容积含水量X₃<h+0.05，打开连接水泵的继电器开关，连通水泵电路进行浇灌操作。其中，通过水泵抽水速率计算水泵抽水量，以控制开启水泵时间调整其浇水量。按照测得湿度与防溢出渐变灌溉量二次函数计算水泵开启时间以此达到精准灌溉。中央控制器与用户端的远程通信大大提高系统稳定与灵活性，用户可即时了解作物情况，如装置发生异常情况亦可即时向用户发送警报。通过动态进行浇水量调整实现了精准浇水，中间预留空隙时间以等待水分下渗，随后按更新湿度自动调整补水量，以此保证在不积水条件下慢慢逼近适宜湿度。还搭建植物数据库，按其种类分类，不同种类对应其相应适宜生长环境值，凭借中央控制器主板cc2530强大的处理能力灵活调整函数曲线。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置，其特征在于，所述渐进式定点精准远程控制浇灌装置包括金属箱体、中央控制器、湿度采集设备、浇灌设备、无线通讯设备和警报设备，所述中央控制器安装至所述金属箱体内部，所述湿度采集设备、所述浇灌设备、所述无线通讯设备和所述警报设备分别连接至所述中央控制器主板上，所述湿度采集设备包括第一湿度传感器和第二湿度传感器，所述第一湿度传感器和所述第二湿度传感器分别置于浇灌地土层下并保持10cm的深度差，所述无线通讯设备安装于金属箱体顶部，所述警报设备安装于金属箱体外侧上部。

2.如权利要求1所述的一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置，其特征在于，所述第一湿度传感器和所述第二湿度传感器分别置于浇灌地土层下5-10cm和15-20cm的位置。

3.如权利要求2所述的一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置，其特征在于，所述第一湿度传感器和第二湿度传感器尾端分别使用螺栓固定于支撑杆上安装孔中，所述支撑杆一端连接至中央控制器主板，所述支撑杆另一端延伸出金属箱体底部并伸入至浇灌地土层下，所述第一湿度传感器和第二湿度传感器的通讯线及电源线从支撑杆中心穿过连接至中央控制器主板。

4.如权利要求3所述的一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置，其特征在于，所述第一湿度传感器和所述第二湿度传感器的前端具有多根探针，所述第一湿度传感器和所述第二湿度传感器前端的多根探针平行放置。

5.如权利要求1所述的一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置，其特征在于，所述浇灌设备包括：水泵、软性水管、输水钢管和花洒蓬莲头，所述水泵置于金属箱体一侧的地面上，所述水泵连接至中央控制器主板上，所述水泵与中央控制器之间设置有继电器开关，水泵出水口与软性水管一端连接，软性水管的另一端连接至倾斜安装在金属箱体侧面的输水钢管一端，输水钢管另一端连接花洒蓬莲头。

6.如权利要求5所述的一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置，其特征在于，所述花洒蓬莲头通过锥形支架连接在输水钢管的一端，所述花洒蓬莲头高于土壤5cm并朝向作物根部，所述花洒蓬莲头与输水钢管连接的位置设置有电磁阀，所述电磁阀连接至中央控制器主板上。

7.如权利要求6所述的一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置，其特征在于，所述花洒蓬莲头为漏口均匀分布的花洒，所述花洒蓬莲头的倾斜度为15°，所述花洒蓬莲头与第一湿度传感器和第二湿度传感器的探针中端垂直对齐。

8.如权利要求1所述的一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置，其特征在于，所述无线通讯设备包括通讯模块和无线通讯天线，所述通讯模块通过螺纹固定于金属箱体内部顶部，所述无线通讯天线底部用磁铁条吸附在金属箱体顶部并以有线方式连接至所述通讯模块。

9.如权利要求1所述的一种渐进式定点精准远程控制浇灌装置，其特征在于，所述警报设备包括LED指示灯和蜂鸣器，所述LED指示灯和蜂鸣器连接至中央控制器主板上。