CN211430427U - 一种山区作物自动化灌溉装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种山区作物自动化灌溉装置。包括控制端单元、与该控制端单元连接的设于种植区各处的采集控制单元，所述采集控制单元包括单片机模块及与该单片机模块连接的用于采集种植区各项数据的采集传感器、用于实现单片机模块与控制端单元通信的LoRa通信模块、用于控制水阀出水量的推拉器、用于为采集控制单元各模块供电的电源模块。本实用新型通过采集控制单元采集种植区不同海拔度的作物的光照、温湿度、土壤水量等，以通过无线控制种植区不同区域采用不同的灌溉水量，同时采集控制单元通过单片机模块自检功能，增加采集控制单元的自监控能力。
Description
技术领域
本实用新型涉及山区作物自动化灌溉领域，特别涉及一种山区作物自动化灌溉装置。
背景技术
介于山区光照充足、热量充裕等特点，部分喜阳作物常常被种植在此种环境中，有利于作物光合作用，提高作物质量。但由于山区海拔高、水源不足、湿度不均衡等缺点使得山区作物生长质量受到限制，若遇长期干旱的气候，山区作物产量也将锐减。当前，农户为改善山区作物需水环境，常引入水泵管道建设灌溉系统，将山脚处水源通过水泵抽水至山中，种植区布设分流水管，采用管道漫灌的传统方式，存在地点灌溉随机、水资源利用率低等缺陷。随着物联网通信技术的发展，自动化和智能化的创新型灌溉系统逐渐规避了传统方式浪费水等缺点，将原有的灌溉方式由浇地转向浇作物，实现节水灌溉。目前，针对山区作物灌溉的方式有：基于LoRa的智能灌溉系统，主要包括数据采集控制器、LoRa网关、云服务和PC端灌溉控制平台，通过基于LoRa通信技术的光照强度，空气温、湿度以及土壤湿度等信息的采集，结合水阀控制单元以及PC端灌溉控制平台，完成多元信息的检测、处理，实时数据的中远距离上传以及农田的智能灌溉控制等功能。PC端灌溉控制平台自动连接数据库，实现关键数据的实时读取、存储与发布。对后期数据的处理分析，特别是在农作物不同生长时期，灌溉阈值与灌溉时间的最优设定与选取等方面，具有深远意义，从而实现灌溉作业的精细化管理，具有较高的推广和实用价值。
现有的自动化和智能化山区作物灌溉技术整体方案虽然完整，但细节技术有所欠缺，基本存在以下缺陷及问题：
1、作物数据采集设备长期供电技术较传统
基于LoRa的智能灌溉系统中的电源单元采用电压转化芯片，为数据采集控制器内各元器件提供持续稳定的电源，但部署在山区不同地方的采集控制器都需要电源供电，所涉及的电线部署问题较为繁琐，稍有部署不当或电线损坏就会导致采集单元供电故障，最终使得温湿度、光照等数据无法采集或采集出错，无法为上层数据处理、灌溉分析提供数据支撑；
2、各区域采用统一的水量灌溉
由于山区不同区域的气候问题及地理位置不一样，同一生长时期的农作物也是存在部分区域作物缺水，部分区域作物不缺水的问题，且一旦作物缺水将按照设定的水量进行灌溉，未综合考虑各区域实际缺水量问题，可能造成作物过度灌溉，不利于生长。
3、灌溉控制渠道单一
现有的灌溉控制方式基本采用PC灌溉控制平台，包含灌溉阈值、灌溉时间的等参数的控制及指令下发，控制渠道较单一。
4、山区部署的采集控制器缺乏自监控能力
各区域部署的采集控制器在执行各指标采集、传输、接收和传输灌溉指令后进入休眠状态，采集节点自身的电量、状态、位置等关键信息无法进行有效监控，一旦控制模型出现问题无法实现自动告警，较为被动。
5、水阀控制技术依赖于有线控制
现有基于光耦合器、继电器和电磁阀的水阀控制方式过渡依赖于有线电控制，但对于复杂地理环境的山区，现场铺设电缆、配电柜（箱、房）成本较高，且所铺设电缆外层易腐蚀、线路易老化，存在较大的安全隐患。
发明内容
本实用新型的目的在于解决现有山区作物灌溉技术存在的技术缺陷，提供一种山区作物自动化灌溉装置。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种山区作物自动化灌溉装置，包括控制端单元、与该控制端单元连接的设于种植区各处的采集控制单元，所述采集控制单元包括单片机模块及与该单片机模块连接的用于采集种植区各项数据的采集传感器、用于实现单片机模块与控制端单元通信的LoRa通信模块、用于控制水阀出水量的推拉器、用于为采集控制单元各模块供电的电源模块。
在本实用新型一实施例中，所述采集控制单元还包括一与单片机模块连接的指示灯，以指示灌溉完成与否。
在本实用新型一实施例中，所述采集控制单元通过挂钩+3M胶布固定于木架的固定板上，木架一端钉入土壤中，木架另一端固定所述固定板。
在本实用新型一实施例中，所述采集控制单元朝向太阳的一面还设有太阳能电池板，太阳能电池板的输出端与电源模块的外部充电/太阳能电池接口连接。
在本实用新型一实施例中，所述电源模块包括外部充电/太阳能电池接口、锂电池充放电模块、锂电池、电源控制模块、升压控制模块，所述外部充电/太阳能电池接口经锂电池充放电模块、锂电池、电源控制模块与单片机模块连接，所述升压控制模块分别与锂电池、单片机模块连接；其中，电源控制模块为单片机模块、LoRa通信模块供电，升压控制模块为采集传感器、推拉器供电。
在本实用新型一实施例中，所述锂电池充放电模块、电源控制模块、升压控制模块分别采用TP4057、PTR9193-33GB、MP1542.
在本实用新型一实施例中，所述采集传感器包括用于采集空气温湿度的温湿度传感器、用于采集土壤湿度的湿度传感器、用于采集光照强度的光照传感器。
在本实用新型一实施例中，所述温湿度传感器、湿度传感器、光照传感器分别采用ZZ-S-TH-A、ZZ-S-GTH-C、ZZ-IIS-A模组。
在本实用新型一实施例中，所述单片机模块通过RS485接口模块与采集传感器连接；所述单片机模块采用CC2530F256，所述RS485接口模块采用SP3485EN；
在本实用新型一实施例中，所述LoRa通信模块采用SX1268。
相较于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型通过采集控制单元采集种植区不同海拔度的作物的光照、温湿度、土壤水量等，可远程实时监控现场作物的生长环境的温湿度、光照度及土壤含水率的变化，以确定作物的需水情况，进行自动化灌溉；且本实用新型同时采用低功耗电源控制技术保证设备的工作待机功耗低于10uA，在电池容量有限情况下有效增加装置的续航时间。
附图说明
图1是本采集控制单元的内部功能框图。
图2是本采集控制单元的实施例应用框图。（按上述功能图连接，标明型号）
图3是本采集控制单元参考安装示意图。
图4是本采集控制单元低功耗处理器单元电路原理图。
图5是采集控制单元RS485接口单元电路原理图，用于温湿度、光照度、土壤含水率检测。
图6是采集控制单元低功耗无线网络通信模块电路原理图。
图7是采集控制单元指示报警管理单元电路原理图。
图8是采集控制单元低功耗电源控制单元电路原理图。
图9是采集控制单元低功耗升压控制单元电路原理图。
图10是采集控制单元锂电池充放电管理单元电路原理图。
图11是采集控制单元阀门控制单元电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型的技术方案进行具体说明。
如图1所示，本实用新型提供了一种山区作物自动化灌溉装置，包括控制端单元（包括与LoRa通信模块通信的通信网关、与通信网关通信的云平台或设于控制中心的计算机等）、与该控制端单元连接的设于种植区各处的采集控制单元，所述采集控制单元包括单片机模块及与该单片机模块连接的用于采集种植区各项数据的采集传感器、用于实现单片机模块与控制端单元通信的LoRa通信模块、用于控制水阀出水量的推拉器、用于为采集控制单元各模块供电的电源模块。
以下为本实用新型的具体实施过程。
本实用新型采集控制器（或采集控制单元）的实施例应用框图如图2所示。
如图3所示，本采集控制器2可采用挂钩+3M胶布固定于木架等位置。建议在作物区选取日照时间较长地段，将木架4的一端钉入土中，另一端头处削为直角三角形，便于固定板3的钉入，采集控制器2背面与固定板3采用用挂钩+3M胶布固定，采集控制器2正面为太阳能电池板。
如图4所示，本实施例中，所述低功耗处理器采用集成2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的处理器CC2530F256，采用贴片QFN40封装，具备2个UART串口资源；UART分别连接RS485接口单元和低功耗无线网络通信模块，IO与低功耗电源控制单元使能、低功耗升压控制单元使能、指示报警单元连接。
如图5-7所示，本实施例中，所述的RS485接口单元采用SP3485EN；所述的低功耗无线网络通信模块采用SX1268；所述的温湿度、光照度、土壤含水率分别为ZZ-S-TH-A、ZZ-IIS-A、ZZ-S-GTH-C模组；所述的板载通信天线采用2.4G的SMA内螺内针天线；本实施例中，图7选择3.3V贴片微型蜂鸣器和2个LED灯（分别为红色和绿色）作为指示报警管理单元；
图8是采集控制器的低功耗电源控制单元电路原理图，芯片选择PTR9193-33GB，包含两路3.3V供电：一路用于低功耗电源控制单元、低功耗处理器单元、指示报警单元；另一路则用于LoRa通信模块供电，且供电可控。
图9是采集控制器的低功耗升压控制单元电路原理图，芯片选择MP1542，用于锂电池升压至12V，为传感器与阀门控制单元供电，且供电可控。
图10是锂电池充放电管理单元，基于TP4057低成本充放电管理芯片实现；
所述的外部充电/太阳能电池接口支持micro-USB，支持适配器或移动电源充电；
所述的聚合物锂电池采用可充电的5000maH聚合物锂电池。
图11是采集控制器的阀门控制单元电路原理图，产生一个12V的正负反转电压输出。
本采集控制器的具体工作原理如下：装置开机后，LS101会产生1个“滴”的声音提醒，红色指示灯D106开始闪烁（维持闪烁时长3秒，表明设备状态正常，3秒后指示灯熄灭），随后微处理器U101将通过引脚P0.0输出一个高电平开启升压控制单元芯片U108，使其产生一个12V的电压为温湿度、光照度、土壤含水率检测单元供电预热，约1分钟的传感器预热后，可开启数据采集功能，并将采集的数据传输至微处理器U101；微处理器接收检测单元数据后，将开启ADC功能，将采集锂电池的实时电压值转换为电池电量信息；并将温湿度、光照度、土壤含水率检测值与电池电量、节点编号信息按照特殊的数据协议封装为协议报文，等待启动无线发送；微处理器U101通过引脚P2.0输出一个高电平开启U103产生一个独立的3.3V用于U106供电，并完成初始化任务；最后将上述协议报文通过U106发送至云端服务器；用户通过用户端的APP或小程序远程查看作物生长环境的湿度、光照度、土壤含水率参数变化；微处理器U101发送协议报文后，进入休眠，并开放串口中断等待阀门控制指令，微处理器U101引脚P2.1~P2.4输出高电平或低电平，控制继电器实现正负电压反转，完成阀门控制单元的开关动作。
由于作物生长的环境参数变化是一个较为缓慢的过程，为降低功耗及延长装置使用时间，第一次开机后，装置每30分钟进行一次数据采集，定时60分钟上报一次上述协议报文（2条数据），且在启动U106上报的过程中，将点亮绿色指示灯D107（上报后熄灭）表明设备工作于上报状态，上报后微处理器U101关闭U103、U108供电使能使得设备进入休眠，以进一步降低整机功耗；每次唤醒设备，LS101也将鸣声，D106也将维持上述闪烁周期以表明设备可正常工作。
若在设备工作过程中由于传感器无应答或LoRa初始化失败，都将点亮红色指示灯D106（长亮）；
若设备锂电池异常（断路）时，D104闪，D103亮；
若设备锂电池异常（电压）时，D104灭，D103灭；
若设备锂电池电量不足时，D106将长闪直至熄灭（电量严重不足），可通过5V适配器接USB转micro-USB数据线给设备充电，且充电时D104亮红色（D103灭），充满电D103亮绿色（D104灭）。
设备可支持太阳能供电，太阳能电池接J108作为电源输入，U104引脚BAT与J101的引脚4同时与锂电池连接，用于充电。
以上是本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本实用新型技术方案的范围时，均属于本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种山区作物自动化灌溉装置，其特征在于，包括控制端单元、与该控制端单元连接的设于种植区各处的采集控制单元，所述采集控制单元包括单片机模块及与该单片机模块连接的用于采集种植区各项数据的采集传感器、用于实现单片机模块与控制端单元通信的LoRa通信模块、用于控制水阀出水量的推拉器、用于为采集控制单元各模块供电的电源模块。
2.根据权利要求1所述的一种山区作物自动化灌溉装置，其特征在于，所述采集控制单元还包括一与单片机模块连接的指示灯，以指示灌溉完成与否。
3.根据权利要求1所述的一种山区作物自动化灌溉装置，其特征在于，所述采集控制单元通过挂钩+3M胶布固定于木架的固定板上，木架一端钉入土壤中，木架另一端固定所述固定板。
4.根据权利要求1所述的一种山区作物自动化灌溉装置，其特征在于，所述采集控制单元朝向太阳的一面还设有太阳能电池板，太阳能电池板的输出端与电源模块的外部充电/太阳能电池接口连接。
5.根据权利要求1所述的一种山区作物自动化灌溉装置，其特征在于，所述电源模块包括外部充电/太阳能电池接口、锂电池充放电模块、锂电池、电源控制模块、升压控制模块，所述外部充电/太阳能电池接口经锂电池充放电模块、锂电池、电源控制模块与单片机模块连接，所述升压控制模块分别与锂电池、单片机模块连接；其中，电源控制模块为单片机模块、LoRa通信模块供电，升压控制模块为采集传感器、推拉器供电。
6.根据权利要求5所述的一种山区作物自动化灌溉装置，其特征在于，所述锂电池充放电模块、电源控制模块、升压控制模块分别采用TP4057、PTR9193-33GB、MP1542。
7.根据权利要求1所述的一种山区作物自动化灌溉装置，其特征在于，所述采集传感器包括用于采集空气温湿度的温湿度传感器、用于采集土壤湿度的湿度传感器、用于采集光照强度的光照传感器。
8.根据权利要求7所述的一种山区作物自动化灌溉装置，其特征在于，所述温湿度传感器、湿度传感器、光照传感器分别采用ZZ-S-TH-A、ZZ-S-GTH-C、ZZ-IIS-A模组。
9.根据权利要求1所述的一种山区作物自动化灌溉装置，其特征在于，所述单片机模块通过RS485接口模块与采集传感器连接；所述单片机模块采用CC2530F256，所述RS485接口模块采用SP3485EN。
10.根据权利要求1所述的一种山区作物自动化灌溉装置，其特征在于，所述LoRa通信模块采用SX1268。
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| CN201921840232.2U CN211430427U (zh) | 2019-10-30 | 2019-10-30 | 一种山区作物自动化灌溉装置 |
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| CN (1) | CN211430427U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113985768A (zh) * | 2021-10-21 | 2022-01-28 | 上海聚均科技有限公司 | 运行控制方法、系统、数据采集器、设备及介质 |
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