CN213399276U - 一种基于lora通信技术的渠系水资源调配系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于LORA通信技术的渠系水资源调配系统，包括LORA控制中心、监控设备、渠道上设置的闸门及水质数据采集装置，监控设备与闸门及水质数据采集装置相对应线连，所述监控设备中设置有控制模块；LORA控制中心及控制模块中设置有LORA通信模块，LORA控制中心通过LORA通信模块与监控设备中的控制模块无线连接，并通过控制模块控制闸门的开合，实现以管理站为中心覆盖全渠道的智能控制，集遥测和遥控为一体的水资源利用和管理网络，根据对水质数据采集装置所采集的水质数据与初始设定值的比较，实现对渠道上的闸门进行远程控制，避免被污染的水进入灌溉田地，造成田地土壤污染。

Description

一种基于LORA通信技术的渠系水资源调配系统

技术领域

本实用新型涉及智能化渠道用水调配技术。

背景技术

水渠输水通常是农业用水或者养殖用水的一种输水方式，即在同一灌溉水源的农田灌溉区域或者养殖区域内，各种水渠组成树状网络对需水农田或者养殖区进行输水。首先是从作为输水水源的水库或湖泊连接出来的主渠道，然后主渠道连接支渠道，最后支渠道连接农田或者养殖地的小水渠。主渠道、支渠道、小水渠的上游端设置有水闸，通过闸门的开合以控制水渠中水的流向对需水区域进行输水。

随着工业化进程的逐渐加深，城市工业污水和生活污水的排放量日益增加，大量的生活污水和工业污水被排入水库、河流、湖泊等水体中，造成水库、河流、湖泊等水体被严重污染。由于其农作物田地或者养殖水产，对其水质具有一定的要求，被污染的水质会造成田地中种植的蔬菜或养殖的水产减产或死亡，污染田地。因此采用被污染的输水端的水流进行灌溉，不仅不能起到灌溉的效果，还容易造成可种植的田地被大量污染，难以再使用。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于提供一种基于LORA通信技术的渠系水资源调配系统，它采用LORA通讯控制技术，实现以管理站为中心覆盖全渠道智能控制，集遥测和遥控为一体的水资源利用和管理网络，以避免受污染的水质流入农作物田地或者养殖水产区域。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是这样的：一种基于LORA 通信技术的渠系水资源调配系统，包括LORA控制中心，每个渠道上设置有一个监测站点，监测站点内设置有监控设备，所述监控设备中设置有控制模块，每个监测站点对应设置有闸门和水质数据采集装置，监控设备与闸门、水质数据采集装置之间有线连接；所述LORA控制中心包括第一LORA通信模块、MCU 模块、网口通信模块通讯模块，所述第一LORA通信模块、MCU模块、网口通信模块通讯模块之间通过串口连接；所述控制模块中设置有第二LORA通信模块、闸门控制模块、RAM内核；所述闸门上设置有闸门开合控制器，所述闸门控制模块中设置闸门开合调节模块，所述闸门控制模块中的闸门开合调节模块与闸门上的闸门开合控制器相对应连接；第一LORA通信模块与第二LORA通信模块通过通讯实现LORA控制中心与控制模块无线连接，所述第二LORA通信模块与控制模块中的ARM内核通过SPI口控制模块连接，收发数据并管理LORA通信模块的功耗。

所述控制模块中输入有灌溉用水的水质标准，所述水质数据采集装置采集的水质信息传输给控制模块，控制模块对水质数据与初始设置值进行比较，并将比较结果通过第二LORA通信模块与第一LORA通信模块之间的通讯传输，将比较结果传输给LORA控制中心；LORA控制中心根据比较结果再次分析判断，发出指令信息给网口通信模块，然后通过网口通信模块将指令信息传递给MCU 模块，MCU模块又将指令信息传递给第一LORA通信模块，第一LORA通信模块与控制模块中的第二LORA通信模块进行无线信号连接，将指令信息传输给控制模块中的ARM内核，ARM内核将指令信息传输给闸门控制模块对闸门开合控制器进行控制，实现对渠道上闸门的开合进行控制。当水质数据采集装置采集到水质数据在水质标准要求的范围内时，LORA控制中心控制对应水渠入水口的闸门打开；当水质数据采集装置采集到的水质数据超过水质标准要求的范围时， LORA控制中心控制对应水渠入水口的LORA控制中心关闭，该水渠不再进行供水，避免被污染的水进入灌溉田地，造成田地土壤污染。

作为优选，所述控制模块还设置有蓝牙模块，蓝牙模块连接调试APP。用户可以调试APP对控制模块中的ARM内核进行调试，实现监控设备能适应实际灌区的情况。

作为优选，所述水质数据采集装置设置在渠道入水口上游3-8m处，且水质数据采集装置与入水口之间没有与水体连通的地表流径。为水质数据采集装置提供移动的数据采集和传输时间，避免部分被污染的水进入水渠中。特别是对于上游有生活污水排放口或工业污水排放口的水体，由于生活污水和工业污水的排放常常具有一定的阶段性，在某一时段排放量大、某一时段排放量又非常小，因此导致临近下游的水体中水质变化较大。因此，将水质数据采集装置设置在渠道入水口的上游可以避免水质急速变化导致部分污水进入水渠内。

作为优选，还包括设置在每个入水口上游的水文数据采集模块，所述水文数据采集模块包括水位计、流速计，水文数据采集模块与监控设备有线线连。

当水体上游由于局部降雨量较大的情况下，水体中的水位将会突然增加，其影响渠系灌溉。水位数据采集模块可检测到水体上游的水位情况和流速情况，根据水体上游的水位情况和流速情况，LORA控制中心传输控制命令信息给控制模块以控制闸门的开合，即可实现渠系灌溉用水调整，避免水体水位上升，影响灌溉。

作为优选，所述水质数据采集装置包括酸度计、溶解氧浓度检测仪、氨氮在线测定仪、电导率仪、总磷快速测定仪、水质重金属分析仪。

作为优选，所述控制模块中还设置有电源模块。所述电源模块采用太阳能电池板和锂电池。所述控制模块与太阳能电池板之间设置有太阳能充电管理系统。

所述太阳能管理系统包括太阳能充放电管理芯片、锂电池、ADC模块、电池加热模块、微控制单元MCU、太阳能电池板；所述太阳能电池板为太阳能充放电管理芯片的输入端，所述锂电池充电为太阳能充放电管理芯片的输出端，所述太阳能电池板、锂电池与ADC模块连接，所述电池加热模块与锂电池连接；所述微控制单元MCU分别于ADC模块、电池加热模块连接。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1、本实用新型通过采用LORA通讯控制技术，实现以管理站为中心覆盖全渠道的智能控制，集遥测和遥控为一体的水资源利用和管理网络，根据对水质数据采集装置所采集的水质数据与初始设定值的比较，实现对渠道上的闸门进行远程控制，避免被污染的水进入灌溉田地或养殖水产区域，造成田地土壤污染或养殖损失。

2、本实用新型根据水位数据采集模块检测到水体上游的水位情况和流速情况，通过LORA控制中心将控制命令信息传输给控制模块以控制闸门的开合，即可实现渠系灌溉用水调整，避免水体水位上升，影响灌溉。

3、通过设置电源模块及太阳能充电管理系统，由太阳能充电管理系统对锂电池的电压、温度进行监测管理，以控制太阳能电池板是否需要给锂电池充电，智能解决控制模块的电源问题。

附图说明

下面将结合附图和具体实施对本实用新型作进一步说明；

图1为本实用新型的结构图图示一；

图2为本实用新型的结构图图示二；

图3为本实用新型的结构图图示三；

图4为本实用新型的太阳能充电管理系统结构图。

具体实施方式

本实用新型适用于与湖泊、水库、河流连通的灌溉渠系，尤其适用于与河流连通的灌溉渠系。

实施例1

参见图2，一种基于LORA通信技术的渠系水资源调配系统，包括LORA控制中心、监控设备、渠道上设置的闸门4及水质数据采集装置7，监控设备与闸门4、水质数据采集装置7相对应线连，监控设备中设置有包括存储模块和控制模块；控制模块中设置有第二LORA通信模块、闸门控制模块、RAM内核；所述第一LORA通信模块、MCU模块、网口通信模块通讯模块之间通过串口连接； ARM内核用于对各采集数据进行数据处理并通过第一LORA通信模块与第二 LORA通信模块之间的通讯，将信息传输给LORA控制中心6，存储器用于对各采集数据进行存储，所述LORA通信模块与控制模块中的ARM内核通过SPI口控制模块连接，收发数据并管理LORA通信模块的功耗。所述闸门4采用一体化电动启闭装置驱动，闸门4上设置有闸门开合控制器；一体化电动启闭装置带有离合器及首轮，以供手动操作；闸门控制模块中设置有闸门开合调节模块；闸门控制模块中设置的闸门开合调节模块与闸门4上的闸门开合控制器相对应连接。

参见图1-图3，根据渠系中每一条水渠与水体连通的入水口将水体分为若干个子区域，根据渠道的截面大小分为主渠道1和支渠道2，主渠道1及支渠道2呈树形分布在灌溉区，并在支渠道2之间设置贯通渠道3，以实现支渠道 2之间的水流互通。每个主渠道1、支渠道2及贯通渠道3上设置有一个监测站点5，监测站点5内设置有一台监控设备，每个监测站点5对应一个闸门4、水质数据采集装置7；监控设备与闸门4、水质数据采集装置7之间有线连接；

LORA控制中心6位于远端的控制室，控制室包括控制柜和与控制柜电性连接的控制平台，控制平台包括显示屏和与显示屏连接的单片机，显示平台上还设置有USB接口和LORA天线接口，用于接入数据加载装置和连接控制柜、监测站点5的信息。安装于渠道数个检测站点5的渠道监控设备均设置有对应的编号，无线信号通道工作在半双工的模式下；渠道监控设备中的ARM内核自动上报本机地址，检测到是本机地址后，LORA控制中心6接收到注册信号，完成数据交互，LORA控制中心6即可与渠道上的监测站点5无线连接成功。

控制模块将采集的水质信息通过第二LORA通信模块与第一LORA通信模块之间的通讯传输，将采集的水质信息传输给远端的LORA控制中心6，实现LORA 控制中心6对各监测站点5的控制模块中的ARM内核进行实时监测。同时，LORA 控制中心6对采集信息进行分析判断，计算发出指令信息给网口通信模块，然后通过网口通信模块将指令信息传递给MCU模块，MCU模块又将指令信息传递给第一LORA通信模块，第一LORA通信模块与控制模块中的第二LORA通信模块进行无线信号连接，将指令信息传输给ARM内核，ARM内核将指令信息传输给闸门控制模块对闸门开合控制器进行控制，实现对渠道上闸门4的开合进行控制。

在ARM内核中设置有水质信息的初始值，如ARM内核中设置有水质的酸度标准、溶解氧浓度标准、氨氮含量标准、总磷含量标准、水质重金属含量标准、水质的pH值、COD值标准、铵盐标准等；相对应的，水质数据采集装置7包括酸度计、溶解氧浓度检测仪、氨氮在线测定仪、电导率仪、总磷快速测定仪、水质重金属分析仪，用于在线测定水体中水的pH值、COD、铵盐、其他电解质盐、P、油脂、重金属的含量。水质数据采集装置7所采集的水质信息数据传输至ARM内核中，并与ARM内核内设置的初始标准值相比较，当采集的数据大于相对应初始值时，ARM内核会发出警报信息并传输给LORA控制中心6，LORA 控制中心6的管理人员可以通过对各项采集数据结合灌区实际情况的综合分析，以判断是否需要闸门4的启闭；并将控制命令信息通过第一LORA通信模块与控制模块中的第二LORA通信模块的通讯，以远程控制闸门4的启闭。

所述水质数据采集装置7设置在对应的入水口上游3-8m处，且水质数据采集装置7与入水口之间没有与水体连通的地表流径，为水质数据采集装置7 提供移动的数据采集和传输时间，避免部分被污染的水进入水渠中。特别是对于上游有生活污水排放口或工业污水排放口的水体，由于生活污水和工业污水的排放常常具有一定的阶段性，在某一时段排放量大、某一时段排放量又非常小，因此导致临近下游的水体中水质变化较大。因此，将水质数据采集装置7 设置在对应入水口的上游可以避免水质急速变化导致部分污水进入水渠内。

为了为避免当某一条支渠水质不符合要求而导致渠道网络灌溉的田地不能及时得到灌溉，则在相邻的子渠道网络之间设置有贯通渠道，所述贯通渠道上同样设置有闸门4及对应的监测站点；当其中某一入水口对应的水质数据采集装置7采集到的水体水质数据达不到灌溉用水的水质要求时，可通过控制贯通渠道上的闸门4调配附近的子渠道网络的灌溉用水实现灌溉用水的合理调配，避免局部植物不能及时灌溉，造成大量减产。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上进行改进，其改进之处在于：所述用水调配系统还包括设置在每个渠道入水口上游的水文数据采集模块，所述水文采集模块与监控设备有线连接，水文采集模块通过数据采集模块将数据传输至ARM 内核；所述水文数据采集模块包括水位计、流速计。所述水文数据采集装置8 设置在每个地表流径流入水体的水体上游，用于采集在地表流径流入水体之前的水体水文数据，同时根据相邻的两个水文数据采集装置8采集到的水文数据，即可得到每个地表流径流入水体的水量大小。所述地表流径包括自然流径和污水流径；所述自然流径包括人工河流、自然河流和雨水排放管，所述污水流径包括生活污水排放管和工业污水排放管。

检测站点的控制模块中的ARM内核中设置有对应渠道监测的最大水位值初始值，位于该渠道入水口上游的水文数据采集装置8所采集的水位数据与设置的初始值相比较，当采集的水位数据大于初始值时，ARM内核会发出水位报警信息，说明该渠道存在漫灌风险，该报警信息通过通过第一LORA通信模块与控制模块中的第二LORA通信模块的通讯传输至LORA控制中心6，LORA控制中心6根据水位计、流速计所采集的水位信息及渠道的流速信息，将指令信息传输给控制模块的ARM内核，以控制闸门4的打开，即可实现渠系灌溉用水调整，避免水体水位上升，影响灌溉。

实施例3

参见图4，本实施例是在实施例1的基础上进行改进，其改进之处在于：控制模块中还设置有电源模块，所述电源模块采用太阳能电池板和锂电池，控制模块与太阳能电池板之间设置有太阳能充电管理系统。所述太阳能管理系统包括太阳能充放电管理芯片、设置有充放电保护板的锂电池、ADC模块、电池加热模块、微控制单元MCU、太阳能电池板；在电池加热模块中设置有加热片，加热片采用聚酰亚胺薄膜加热片；太阳能电池板为太阳能充放电管理芯片的输入端，锂电池为太阳能充放电管理芯片的输出端，太阳能电池板及锂电池与ADC 模块连接，电池加热模块与锂电池连接；所述微控制单元MCU分别与ADC模块、电池加热模块连接。在微控制单元MCU中设置有加热控制模块和电压采集模块； ADC模块采集太阳能电池板输入的电压模拟信号、电池的电压模拟信号、电池的温度模拟信号，将输入的模拟信号转换成为数字信号，然后将数字信号传输给微控制单元MCU；加热控制模块根据锂电池本身的物理特性及应用场景将温度控制范围设置为0℃-40℃，通过加热控制模块控制电池加热模块。微控制单元MCU根据电池温度，决定是否要给电池加热；当温度低于0℃时，微控制单元MCU控制电池加热模块开启对电池进行加热；高于0℃的时候关闭电池加热模块以停止对电池加热，开始对电池充电，实现了对锂电池的低温保护。同时微控制单元MCU通过采集到的电池电压信息对锂电池进行充电控制；当电压低于在电压采集模块中设定的电压充电阈值阈值时，当电池温度加热处于0℃时，则微控制单元MCU控制太阳能充放电芯片通过太阳能电池板对锂电池进行充电，当锂电池的电量处于满格状态，则停止充电。同时ADC模块通过采集电池的电压信息，也上报给ARM内核，当电池电压低于ARM内核中设定的电压阈值时， ARM内核通过通信模块上报电量低消息给LORA控制中心6，提醒更换电池。

通常灌区面积大，地处偏远，不能满足电能的随时随处供应，通过采用在控制器中设置电源模块，并通过太阳能充电管理系统对电源模块进行控制管理，决控制模块的电源问题，以保证监控设备的正常工作。

实施例4

参见图2，本实施例是在实施例1的基础上进行改进，其改进之处在于：所述控制模块还设置有蓝牙模块，蓝牙模块连接调试APP。管理者在移动终端上下载相对于的调试APP程序，可以通过调试APP程序对控制模块中ARM进行调试或者根据灌区的实际情况对初始值进行更改。

本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，也应视为本发实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于LORA通信技术的渠系水资源调配系统，包括LORA控制中心，每个渠道上设置有一个监测站点，监测站点内设置有监控设备，所述监控设备中设置有控制模块，每个监测站点对应设置有闸门和水质数据采集装置，监控设备与闸门、水质数据采集装置之间有线连接；

所述LORA控制中心包括第一LORA通信模块、MCU模块、网口通信模块通讯模块，所述第一LORA通信模块、MCU模块、网口通信模块通讯模块之间通过串口连接；

所述控制模块中设置有第二LORA通信模块、闸门控制模块、RAM内核；

所述闸门上设置有闸门开合控制器，所述闸门控制模块中设置闸门开合调节模块，所述闸门控制模块中的闸门开合调节模块与闸门上的闸门开合控制器相对应连接；

第一LORA通信模块与第二LORA通信模块通过通讯实现LORA控制中心与控制模块无线连接，所述第二LORA通信模块与控制模块中的ARM内核通过SPI口控制模块连接，收发数据并管理LORA通信模块的功耗。

2.根据权利要求1所述的渠系水资源调配系统，其特征在于：所述控制模块还设置有蓝牙模块，蓝牙模块连接调试APP。

3.根据权利要求1所述的渠系水资源调配系统，其特征在于：所述水质数据采集装置设置在渠道入水口上游3-8m处，且水质数据采集装置与入水口之间没有与水体连通的地表流径。

4.根据权利要求1所述的渠系水资源调配系统，其特征在于：还包括设置在渠道入水口上游的水文数据采集模块，所述水文数据采集模块包括水位计、流速计，水文数据采集模块与监控设备有线线连。

5.根据权利要求1所述的渠系水资源调配系统，其特征在于：所述水质数据采集装置包括酸度计、溶解氧浓度检测仪、氨氮在线测定仪、电导率仪、总磷快速测定仪、水质重金属分析仪。

6.根据权利要求1所述的渠系水资源调配系统，其特征在于：所述控制模块中还设置有电源模块。

7.根据权利要求6所述的渠系水资源调配系统，其特征在于：所述电源模块采用太阳能电池板和锂电池。

8.根据权利要求7所述的渠系水资源调配系统，其特征在于：所述控制模块与太阳能电池板之间设置有太阳能充电管理系统。

9.根据权利要求8所述的渠系水资源调配系统，其特征在于：所述太阳能管理系统包括太阳能充放电管理芯片、锂电池、ADC模块、电池加热模块、微控制单元MCU、太阳能电池板；所述太阳能电池板为太阳能充放电管理芯片的输入端，所述锂电池充电为太阳能充放电管理芯片的输出端，所述太阳能电池板、锂电池与ADC模块连接，所述电池加热模块与锂电池连接；所述微控制单元MCU分别于ADC模块、电池加热模块连接。

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