CN211624885U - 一种多功能农田灌溉网络泄漏节点判定系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多功能农田灌溉网络泄漏节点判定系统，硬件部分和软件部分，所述硬件部分包括灌溉网，在所述灌溉网的主进水管上安装着电磁阀，在所述电磁阀上连接着无线通信模块，在所述主进水管上安装着压力传感器，所述压力传感器上连接着采集模块，所述采集模块和无线通信模块均连接在一CPU模块上，在所述CPU模块上还连接着存储模块，在所述CPU模块上还连接着视频监控模块；所述软件部分包括手机端，在所述手机端上的软件包括流量曲线模块、警报模块、控制模块、大棚添加模块和视频监控模块，本实用新型准确率高，能有效判定泄漏故障，并采取相应动作，既节约了用水又方便了用户。可在多种环境下工作，大田、大棚和没有供电的地区都可稳定工作。

Description

一种多功能农田灌溉网络泄漏节点判定系统

技术领域

本实用新型涉及农业领域，具体涉及一种多功能农田灌溉网络泄漏节点判定系统。

背景技术

目前，在农田灌溉中，尤其是大棚中，大部分均都采取灌溉网的方式进行灌溉。而且，需要一个管理人员负责5-10个大棚的灌溉活动；如果在灌溉的过程中，灌溉网络出现了节点泄漏的问题，导致水资源浪费倒是其次，重要的是，泄漏的灌溉网会对作物造成毁灭性影响。因为在大棚中一般都没有排水渠道。而这种情况的出现，主要在于灌溉网络使用的时间长了，某个节点的密封胶圈老化造成的。在实际观察实践过程中，灌溉系统在稳定运行时，管道内压力会在设定值附近进行波动，当管道出现泄漏时，管道内的压力会出现较大变化，之前的压力值产生压力差，根据这个现象，可以判断是哪个大棚出现了泄漏，然后进行紧急处理，从而避免造成更大的影响。

实用新型内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种多功能农田灌溉网络泄漏节点判定系统。

根据本申请实施例提供的技术方案，一种多功能农田灌溉网络泄漏节点判定系统，硬件部分和软件部分，

所述硬件部分包括灌溉网，在所述灌溉网的主进水管上安装着电磁阀，在所述电磁阀上连接着无线通信模块，在所述主进水管上安装着压力传感器，所述压力传感器上连接着采集模块，所述采集模块和无线通信模块均连接在一CPU模块上，在所述CPU模块上还连接着存储模块，在所述CPU模块上还连接着视频监控模块；

所述软件部分包括手机端，在所述手机端上的软件包括流量曲线模块、警报模块、控制模块、大棚添加模块和视频监控模块，其使用方法如下：

1)、通过大棚添加模块将所需要管理的大棚添加进来，由于每个大棚中的所述灌溉网上无线通信模块的信号不同，因此，在添加时会自动识别，无线通信模块根据管理人员与大棚的距离选择不同的管理模式，有可以通过无线网络组成的局域网传输形式，也有用于远距离管理的4G 手机卡组网管理模式；

2)、采集模块通过压力传感器采集到水流的变化数据，然后传递给 CPU模块，再通过CPU模块解码、编码后通过无线通信模块传递到流量曲线模块上，通过流量曲线模块中的曲线图，能看到每个大棚中灌溉时水流压强的变化情况，

3)、警报模块中可以设置水流压力的警报阀值，警报模块与流量曲线模块共享数据，当检测到某个大棚中的水流压力突然超过阀值时，可以启动手机端的听筒进行警报，也可以在软件界面进行警报；

4)、视频监控模块与大棚添加模块相互绑定，通过警报模块识别出某个大棚的数据不正常，然后在警报的同时，自动弹出该大棚的视频监控模块，从而再次通过视频确认是否发生灌溉网节点泄漏情况；

5)、控制模块与大棚添加模块相互绑定，控制模块发出闭合信号，无线通信模块接收到闭合信号，然后电磁阀开始工作，实现闭合，灌溉网的主进水管被进水过程切断，从而控制支管节点泄漏。

本实用新型中，进一步的，所述无线通信模块、压力传感器、采集模块和CPU模块上均连接着电源模块。

本实用新型中，进一步的，所述电源模块包括太阳能充电电路和电源管理模块。

本实用新型中，进一步的，所述采集模块为STM32芯片。

本实用新型中，进一步的，所述CPU模块的核心是STM32F103，32 位的ARM。

本实用新型中，进一步的，所述存储模块为W25Q64Flash芯片。

本实用新型中，进一步的，所述无线通信模块采用SIM868来实现， SIM868是GSM/GPRS+GNSS模块，该模块采用四频GSM/GPRS网络。

本方案的原理在于灌溉系统在稳定运行时，管道内压力会在设定值附近进行波动，当管道出现泄漏时，管道内的压力会出现较大变化，之前的压力值产生压力差，并出现波动采集模块采集安装于首部的压力传感器的数值，CPU模块将采集到的压力信息经过降噪和滤波处理后，生成压力曲线，并与存储模块中的多种特征压力曲线进行相关运算，从而判断压力变化类型，若是属于管道泄漏，则断开首部管路电磁阀，停止供水，并通过网络传将故障信息输至客户终端如手机等。

综上所述，本申请的有益效果：

1、准确率高，能有效判定泄漏故障，并采取相应动作，既节约了用水又方便了用户。

2、可在多种环境下工作，大田、大棚和没有供电的地区都可稳定工作。

3、扩展性好，内部存储器可根据用户需求存储多种类型的特征曲线，并可随时增加新的特征曲线，从而使仪器能够判断多种故障类型。

4、联机使用可以对管道泄漏点的大棚位置的准确定位。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的各个电子模块之间连接结构示意图；

图3为本实用新型的软件部分的各模块之间的结构示意图；

图4为本实用新型的实施例1中管理大棚的示意图；

图5为本实用新型的软件部分的工作流程示意图；

图6为本实用新型中实施例2中诱虫、除虫装置的前视结构示意图；

图7为实施例2中诱虫灯和电网在支撑杆中的位置结构示意图；

图8为实施例2中电网的结构示意图；

图9为实施例2中装药筒的结构示意图；

图10为实施例2中管网连接件的三通结构示意图。

图中标号：

灌溉网-1；电磁阀-2；无线通信模块-3；压力传感器-4；采集模块-5；CPU模块-6；存储模块-7；电源模块-9；流量曲线模块-10；警报模块-11；控制模块-12；大棚添加模块-13；视频监控模块-14。

支撑杆-20；管网连接件-21；诱虫灯-22；灯罩-23；装药筒-24；封口海绵垫-25；电网-26；集虫筒-27。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关实用新型，而非对该实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与实用新型相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1和图2所示，一种多功能农田灌溉网络泄漏节点判定系统，硬件部分和软件部分，

所述硬件部分包括灌溉网1，在所述灌溉网1的主进水管上安装着电磁阀2，在所述电磁阀2上连接着无线通信模块3，所述无线通信模块3 采用SIM868来实现，SIM868是GSM/GPRS+GNSS模块，该模块采用四频 GSM/GPRS网络。在所述主进水管上安装着压力传感器4，所述压力传感器4上连接着采集模块5，所述采集模块5为STM32芯片。所述采集模块5 和无线通信模块3均连接在一CPU模块6上，所述CPU模块6的核心是 STM32F103，32位的ARM。在所述CPU模块6上还连接着存储模块7，在所述CPU模块6上还连接着视频监控模块14；所述存储模块7为 W25Q64Flash芯片。所述无线通信模块3、压力传感器4、采集模块5和 CPU模块6上均连接着电源模块9。所述电源模块9包括太阳能充电电路和电源管理模块。

如图3所示，所述软件部分包括手机端，在所述手机端上的软件包括流量曲线模块10、警报模块11、控制模块12、大棚添加模块13和视频监控模块14，其使用方法如下：

1)、通过大棚添加模块13将所需要管理的大棚添加进来，由于每个大棚中的所述灌溉网1上无线通信模块3的信号不同，因此，在添加时会自动识别，无线通信模块3根据管理人员与大棚的距离选择不同的管理模式，有可以通过无线网络组成的局域网传输形式，也有用于远距离管理的4G手机卡组网管理模式；

2)、采集模块5通过压力传感器4采集到水流的变化数据，然后传递给CPU模块6，再通过CPU模块6解码、编码后通过无线通信模块3 传递到流量曲线模块10上，通过流量曲线模块10中的曲线图，能看到每个大棚中灌溉时水流压强的变化情况，

3)、警报模块11中可以设置水流压力的警报阀值，警报模块11与流量曲线模块10共享数据，当检测到某个大棚中的水流压力突然超过阀值时，可以启动手机端的听筒进行警报，也可以在软件界面进行警报；

4)、视频监控模块14与大棚添加模块13相互绑定，通过警报模块 11识别出某个大棚的数据不正常，然后在警报的同时，自动弹出该大棚的视频监控模块14，从而再次通过视频确认是否发生灌溉网节点泄漏情况；

5)、控制模块12与大棚添加模块13相互绑定，控制模块12发出闭合信号，无线通信模块3接收到闭合信号，然后电磁阀2开始工作，实现闭合，灌溉网1的主进水管被进水过程切断，从而控制支管节点泄漏。

如图5所示，其工作原理是，在灌溉的主管道首部和主管道的末端安装仪器。当管道某处发生不可知的泄漏事故，原本管道内的常态压力值会马上发生变化，而与之前的压力值产生压力差，形成一个可以检测到的压力波。此处形成的压力波将会以一定的速度快速向管道的出入口处传播，这样在出入口处的压力检测节点将会检测到该压力变化信号。随后传感器会将获取到的数据传送给主站控制器，主站控制器再根据压力波传到管道出入口处检测节点检测到压力信号时间计算时间差，然后结合管道内流体流速，就可以在两个节点处计算出压力波向两端扩散所运行的距离，以此实现了对管道泄漏点的位置的准确定位。

本系统中所用到的各个模块的型号及参数等：

电源模块

为保证系统适应不同环境，系统的电源供应采用有线供电和太阳能供电等多种方式。

电源模块9包括太阳能充电电路、电源管理(5V升压电路、3.2V 稳压电路、4V稳压电路、5V电源管理电路)。

由于设备考虑采用电池供电，此时就必须考虑省电和自动充电。采用太阳能自动充电可以很好地为电池提供能量。省电部分在待机状态下的省电原则是，除了CPU需要加点外，其它电路都尽可能不加点。省电部分在工作状态下的省电原则是，除非是需要测量此功能模块的参数，否则就不供电，并且，测量参数在满足指标要求的情况下，测量时间要尽可能短。

升压电路是把3.6V电池电压升到稳定的5V，SIM868无线通信模块使用。4V稳压电路的输出是给SIM868无线通信模块提供4V电源的。由于SIM868无线通信模块在发送数据瞬间电流较大(1～2A)，所以选用了有2A输出能力的SP29302芯片。为了节约用电，4V电压仅仅在需要使用SIM868(GPRS发送数据)时才开启。

3.2V稳压电源是供CPU使用的。为了CPU休眠结束后能正常工作， CPU的3.2V电源需要一直加在CPU上。只是在休眠状态下，CPU内部没有把3.2V电源加在某些输出端口上。

采集模块

采集模块5的数据采集功能是利用STM32芯片中的ADC转换模块实现的，它的内部设置了具有12位精度的模数转换模块，其工作电压在 3.3V左右。首先进行设备的巧始化，然后设置定时器，采用DMA方式对压力信号进行传输与存储。这里采集到的信号都是经过放大器与滤波器的处理，因此采样频率20kHz，这样高的采样率保证了采集到压力信号的完整性。在ADC转换么后，信号通过DMA通道传输到RAM中并进行存储。当采样的个数达到设定要求时，就会停止DMA传输，采样结束。

CPU模块

CPU模块6的核心是STM32F103，32位的ARM。它主要完成系统的电源管理、压力数据的采集、将采集信号与存储模块的特征曲线进行相关运算，获得相关系数，从而判断管道是否出现泄漏，并控制电磁阀进行相关动作，同时利用无线模块发送报警信息等功能。

存储模块

存储模块7的功能是存储特征曲线，并将存储一段时间的原始测量数据。存储模块由W25Q64及其外围电路来实现的。它有64MB的存储空间，可以存储多种特征曲线数据并进行存储。其电源是可以关断的，仅仅在要写入数据时才开启，一旦存储结束，马上关断其电源。

无线通信模块

无线通信模块采用SIM868来实现，SIM868是GSM/GPRS+GNSS模块。该模块采用四频GSM/GPRS网络，并提供GPS定位功能具有尺寸小，功耗低，功能全的特点。

SIM868首次采用供应商开发的物联网专用芯片，整体面积下降约 40％，模块尺寸最终为17.6*15.7*2.3mm，是当前芯讯通同类型模块中尺寸最小的一款。模块外圈为城堡孔，内圈为LGA焊盘，能满足客户的多种需求，并显著降低用户的开发成本，节省开发时间。温度范围支持-40 ℃到85℃，并提供包括USB2.0、SD、GPIO、I2C等在内的丰富的应用接口。

在产品功能方面，SIM868除了支持GSM/GPRS和GPS外，还支持彩信、语音、蓝牙，未来还将支持双SIM卡，方便终端客户在需要漫游和多运营商的场合，自由选择资费套餐，节省客户的运营成本，并有效提升网络覆盖较差区域的产品表现。

目前，我们使用的是它的GPRS无线通信SIM868与CPU通过两个串口完成通信。一个完成GPS功能的通信，一个完成无线收发数据的功能。 SIM868采用4V供电。SIM868模块中的GPRS天线采用外置小辣椒GPRS 天线。

实施例1：

如图4所示，采用大棚形式的案例，由于采用大棚形式，管理人员即使就近管理大棚，也无法及时发现节点泄漏的灌溉网络。需要当水溢出大棚后才能发现，但此时为时已晚，整个大棚已经被淹，因此，需要安装本系统来防止此类事情出现。此类事情的出现一般是由于密封圈的老化等其他原因造成的，但由于灌溉网在附着在地面上的，会受到各种各样的腐蚀，因此，此时事情并不少见。而且每一次试验都需要花费较长的时间才能完成，同时，不管是做实验还是种植作物，尤其是做实验，所使用的种子都是经过筛选的，如果因为某些事故导致实验无法正常进行，将会损失大量的时间和人力物力。

由于每个棚区所种植的作物都不一样，因此，需要独立的灌溉网，在每个灌溉网的进水管上安装有电磁阀2，然后在电磁阀2上安装上无线通信模块3等其他模块，然后通过手机端的软件部分中的依次大棚添加模块13依次将每个大棚的无线信号进行采集并自动编号，同时启动该大棚的视频监控模块14，一般一个手机端能同时管理5-10个大棚，由于数据流和管理人员精力等问题，不宜管理过多，由其是使用年限较长的大棚，这种节点发生泄漏的情况较为常见。在灌溉水压力的作用下，这些老化受到农药和肥料腐蚀的管道或者密封圈很容易发生泄漏。而新建的大棚灌溉网则较少发生这种情况。

管理人员可以随时查看灌溉时的水流带来的压力变化曲线图，也可以通过视频监控模块14查看灌溉的具体情况等。

电源模块9还可以采用市电、风电等。

还可以通过控制模块12控制电磁阀2的打开和关闭，也就是可以通过手机客户端可以控制任意的大棚灌溉的开启和停止。从而可以管理大棚的灌溉的同时也可以判定哪个大棚发生泄漏，还可以通过监控观察大棚的实际情况。在本方案中，视频监控模块14属于可省略的部分。省掉视频监控模块14，每个大棚可节省0.6-1.5万元人民币的成本。在管理大棚的无线模块可采用局域网的方式进行组网管理。

实施例2：

采用农田灌溉非大棚模式，一般可以通过肉眼的方式去判断是否发生节点泄漏的情况，但当作物成长起来后就不易判断了。因此，还是需要安装本系统。如果单单安装视频监控的方法，刚需要管理人员时时看着视频，或者需要偶尔去巡查。这样的做法，大大的增加了管理人员的劳动强度。

通过本系统可以采用4G手机卡的组网模式，可以让管理人员管理更多更大的农田，由于农田的面积较大，所以，即可发生泄漏，只要时间不长，都影响不大的。因此，在农田的模式下，一个管理人员一天基本通过本系统管理二十块以上的农田的灌溉与节点泄漏的情况。且不需要巡逻等其他活动，在室内即可完成上述活动，极大的降低了劳动强度和管理成本。

在农田管理上，电源模块9一般采用太阳能，可以有效节约电源的安装成本。

在使用本系统的方式上，与实施1中的一致。在农田模式上，可以完成省掉视频监控这一部分。

在农田模式中，如图6-图10所示，还可以在灌溉网上安装物理、化学相结合的除虫、诱虫装置，其中包括弧形的支撑杆20、管网连接件 21、诱虫灯22、灯罩23、装药筒24、封口海绵垫25、电网26和集虫筒 27，支撑杆20的两端通过管网连接件21安装在灌溉网上，管网连接件 21为三通或者直角二通，可以让支撑杆20固定在上灌溉网上。然后在支撑杆20上套有灯罩23，灯罩23的长度是支撑杆20长度的3/5-2/3，在灯罩23的中部设有一可拆卸的罩门，罩门占据整个灯罩23的中部。在支撑杆20与罩门相应的位置上安装有诱虫灯22，在灯罩23的一端安装有装药筒24，装药筒24上设有两而开口，一侧开口与灯罩23相通，与灯罩23相通的开口上装有带有微孔的封口海绵垫25，另一个开口则通过胶塞密封，需要加药时可以打开。在诱虫灯22的前面且远离装药筒 24的一端上安装有电网26，在电网26的正下方是集虫筒27。灯罩23 上与装药筒24对应的另一端为喇叭状开口。诱虫灯22的灯光和装药筒 24可以将不同的虫子引诱过来，较大的可以通过电网26电死，小的则被毒死。可以有效防治病虫害。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理等方案的说明。同时，本申请中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (7)

1.一种多功能农田灌溉网络泄漏节点判定系统，其特征是：包括硬件部分，所述硬件部分包括灌溉网(1)，在所述灌溉网(1)的主进水管上安装着电磁阀(2)，在所述电磁阀(2)上连接着无线通信模块(3)，在所述主进水管上安装着压力传感器(4)，所述压力传感器(4)上连接着采集模块(5)，所述采集模块(5)和无线通信模块(3)均连接在一CPU模块(6)上，在所述CPU模块(6)上还连接着存储模块(7)，在所述CPU模块(6)上还连接着视频监控模块(14)。

2.根据权利要求1所述的一种多功能农田灌溉网络泄漏节点判定系统，其特征是：所述无线通信模块(3)、压力传感器(4)、采集模块(5)和CPU模块(6)上均连接着电源模块(9)。

3.根据权利要求2所述的一种多功能农田灌溉网络泄漏节点判定系统，其特征是：所述电源模块(9)包括太阳能充电电路和电源管理模块。

4.根据权利要求1所述的一种多功能农田灌溉网络泄漏节点判定系统，其特征是：所述采集模块(5)为STM32芯片。

5.根据权利要求1所述的一种多功能农田灌溉网络泄漏节点判定系统，其特征是：所述CPU模块(6)的核心是STM32F103，32位的ARM。

6.根据权利要求1所述的一种多功能农田灌溉网络泄漏节点判定系统，其特征是：所述存储模块(7)为W25Q64Flash芯片。

7.根据权利要求1所述的一种多功能农田灌溉网络泄漏节点判定系统，其特征是：所述无线通信模块(3)采用SIM868来实现，SIM868是GSM/GPRS+GNSS模块，该模块采用四频GSM/GPRS网络。

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