RO131669A0 - Automat mobil pentru micro-irigare cu măsurarea umidităţii solului şi funcţionare autonomă - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un automat mobil şi autonom, pentru irigarea solului, alimentat cu apă dintr-o butelie tip PET, cu capacitatea cuprinsă în intervalul 4...10 l şi cu energie electrică de la soare, ce măsoară umiditatea solului şi o menţine la o valoare prestabilită. Automatul conform invenţiei este constituit dintr-un element (1) de execuţie, alimentat cu energie de la o celulă (14) solară, care încarcă nişte acumulatori din cutie (13), şi alimentează o micropompă (31) la fiecare comandă primită de la senzorul (2) de umiditate, elementul (1) de execuţie fiind aşezat pe rezervorul de apă prin intermediul unui dispozitiv (11) de montare, prevăzut cu o deschidere (12) pentru mânerul buteliei, are un senzor (2) volumetric capacitiv de umiditate a solului, care este conectat la elementul (1) de execuţie printr-un cablu (23) şi un conector (24), senzorul (2) putând fi programat să măsoare umiditatea solului sau adâncimea de imersie, să transmită wireless informaţia, şi să semnalizeze optic, cu un LED, pragul de umiditate reglat, senzorul (2) de umiditate fiind alcătuit dintr-un traductor (25) de umiditate, prevăzut cu un mâner (21) transparent, care conţine sistemul electronic, un capac (24) de închidere şi un semireglabil (22) pentru reglarea pragului de umiditate, şi un sistem (3) cu micropompă, alcătuit din micropompa (31) care se imersează în butelia umplută cu apă, şi se alimentează printr-un cablu (32) dintr-un conector (33) al elementului (1) de execuţie, sistemul (3) cu micropompă fiind conectat la un sistem de picurare a apei, printr-un ansamblu (34) de furtunuri transparente şi flexibile.

Description

Automat mobil pentru micro-irigare cu masurarea umidității solului si funcționare autonoma

Precizarea domeniului tehnic in care poate fi folosita invenția;

Automatul mobil pentru microirigare cu senzor de umiditate si funcționare autonoma este destinat măsurării umidității solului si a controlului umidității acestuia in agricultura de precizie, horticultura si floricultura prin dozarea cantitatii optime de apa in sol. Automatul poate fi utilizat pentru jardiniere sau ghivece in apartament sau in casa, solar, sera sau direct pe câmp. Senzorul de umiditate, component al automatului, poate fi utilizat independent in industria materialelor de construcții pentru dozarea corecta a apei in amestecurile de nisip si lianți (sau coloranti) de tip pulbere, prin programarea umidității finale a acestora. Senzorul de umiditate poate fi utilizat independent ca senzor de nivel pentru apa sau amestecuri de lichide slab corozive pe baza de apa.

Indicarea stadiului anterior al tehnicii si indicarea documentelor care stau la baza acestuia;

In agricultura de precizie, activitati de cercetare in domeniu sau chiar in creșterea plantelor de apartament, exista soiuri de plante care necesita o dozare precisa a umidității solului. In cazul loturilor de plante situate afara in câmp sau in jardiniere la exterior, variația umidității solului este dependenta de insolatia diurna, vânt, ploi, volumul de masa vegetala la nivelul solului, etc. Aceste loturi necesita monitorizarea continua a umidității solului si udarea lui doar atunci când este necesar.

Soluțiile existente utilizează: (i) automate de picurare a apei la intervale egale de timp [1] (US8408229) sau in mod continuu [2] (RO 129754 A2), [3] (RO 129755 AO), [4] (RO 116838 B), printr-un perete poros, fara a măsură umiditatea reala a solului, (ii) automate de irigare cu senzori de umiditate cu cost redus ce au o durata scurta de viata datorita procesului de coroziune al acestora - senzori rezistivi înglobați sau nu in bloc de gips [5] (CN 100392383) sau (iii) automate de irigare cu senzori de umiditate profesionali cu un preț de cost extrem de ridicat. Senzorii de umiditate profesionali utilizează diverse metode de măsură [6] (Carpena et al.), [7] (Walker et al, 2004): moderare radioactiva cu neutroni, TDR (time domain reflectometry), TDT (time domain

ΛΖ- 2 01 Β . - Ο β 6 51 16 -W- 2016 transmission), FDR (frequency domain reflectometry), ADR (amplitude domain reflectometry), PT (phase transmission), FD (frequency domain) sau alte metode precum tensiometrie, psihometrie, etc. Precizia măsurătorii, viteza de răspuns, durata de viata, influenta salinitatii si granulatiei solului la masurarea umidității pentru aceste tipuri de senzori depinde de metoda de măsură.

Senzorii capacitivi de măsură a umidității funcționează prin modificarea permitivitatii dielectrice a solului in funcție de conținutul de apa si fac parte din categoria FD (frequency domain). Se cunosc diverse tipuri de senzori de umiditate capacitivi: cu secțiune dreptunghiulara plana realizat din PCB [8] (CN 202974930 U), cu un număr de electrozi conductori, izolați fata de sol, depuși pe un suport dielectric dreptunghiular cu mâner si posibilitate de infigere in sol [9] (US7170302 B2), pe baza de senzor plan cu detecție a tensiunii [10] (US 2010/0277185 A1), respectiv senzor capacitiv plan cu doua elemente si circuit rezonant RLC [11] (WO 2015177715 A1).

In stadiul anterior cunoscut al tehnicii nu am identificat nici o soluție de automat mobil autonom pentru udarea loturilor mici de plante, avand alimentarea cu energie electrica de la soare si apa stocata intr-un rezervor comercial ușor de procurat care sta pe sol la nivelul plantei, automat care masoara umiditatea solului printr-un senzor de umiditate bazat pe variația capacitatii unei structuri volumetrice cu secțiune cruce, conținând n condensatoare distribuite, cu o foarte buna rezistenta mecanica si liniaritate a variației capacitate-umiditate a solului, fara contact electric direct cu solul, ce asigura citirea umidității cu o rata de timp programabila, comunica wireless valoarea masurata si reglează convenabil umiditatea solului după valoarea programata. Prezenta invenție corectează toate aspectele legate de: durata de viata a senzorului de măsură, viteza mare de răspuns la masurarea umidității, rezistenta mecanica sporita la introducerea in sol, simplitatea de realizare a senzorului si a automatului de microirigare, funcționarea total autonoma, toate la un preț de cost redus.

Prezentarea pe scurt a desenelor explicative

Fig.1 reprezintă schema bloc a automatului mobil pentru irigare cu funcționare autonoma

Fig.2 reprezintă schema bloc a senzorului de umiditate

Xri -2016.- 006511 6 -09- 2016

Fig.3 reprezintă schema bloc a sistemului de alimentare si execuție

Fig.4 reprezintă schema bloc a sistemului micropompa

Fig.5 reprezintă vedere de ansamblu cu conexiuni a automatului mobil

Fig.6 reprezintă un exemplu de realizare

Expunerea detaliata a invenției pentru care se solicita protecția

Invenția se refera la un automat mobil pentru irigarea solului, cu funcționare autonoma, alcătuit conform schemei bloc (fig.1) din: un element de execuție (1) alimentat cu energie solara, un senzor volumetric de umiditate a solului (2) si un sistem (3) cu micropompa (31) si furtune (34) imersat intr-un rezervor (4) cu apa. Rezervorul este o butelie PET standard de 4-101 pentru apa potabila care se umple manual cu apa atunci când este necesar.

Elementul de execuție (1) se aseaza pe gatul rezervorul de apa gravitațional (fig.5) prin intermediul unui dispozitiv de montare (11) ce are o deschidere (12) pentru mânerul buteliei, mâner care fixeaza prin răsucire elementul de execuție de rezervor. Rezervorul de apa se fixeaza de sol prin intermediul unui tarus metalic si a unei benzi flexibile de plastic (șoricel) cu scopul evitării răsturnării la golirea sa totala. Elementul de execuție conține o celula solara (fig.3,fig.5) (14) ce asigura incarcarea automata a acumulatorilor (16) din cutia (13) si un circuit electronic de alimentare (IRIG) (15) a micropompei (31), circuit ce primește comanda (CDA) de la senzorul de umiditate (2).

Senzorul de umiditate volumetric (2) este capacitiv. Senzorul este alcătuit (conform fig.5) din traductorul de umiditate (25) care se introduce in sol si din mânerul (21) din polietilena transparenta, avand un capac de închidere (24) si un semireglabil de reglaj al pragului de umiditate (22). Mânerul (21) conține sistemul electronic alcătuit (fig.2) dintrun convertor capacitate-frecventa sau capacitate-tensiune (26), un microcontroler sau un circuit programabil echivalent (27), un regulator de tensiune LDO (28), un semireglabil (22) pentru ajustarea pragului de reglaj al umidității, un LED de semnalizare si un circuit de comunicație wireless (29) de tip Bluethooth, Zigbee sau loT, circuit ce poate fi înlocuit cu o interfața RS232/USB. Traductorul (fig.2, fig.5) (25) este realizat din sticlotextolit dublu placat cu cupru (FR4) izolat fata de sol sau de lichidul in care se imerseaza, avand o secțiune A-A de tip cruce, latimea acesteia (d) si adancimea de

Λ. - 2 0 1 6 .- 006541 6 -09- 2016 penetrare in sol (I) stabilind volumul al cărei umiditate se masoara. Senzorul de umiditate se conectează la elementul de execuție printr-un cablu (23) si o mufa (24). Senzorul de umiditate este programat ca sa masoare fie umiditatea solului fie adancimea de imersie in lichide pe baza de apa, sa transmită serial informația in format ASCII si sa semnalizeze optic (cu un LED situat in mâner) un prag de umiditate reglat. Senzorul de umiditate poate fi utilizat independent in industria materialelor de construcții pentru dozarea corecta a amestecurilor de nisip si lianți cu apa. Senzorul de umiditate poate fi utilizat independent ca senzor de nivel de precizie pentru lichide sau amestecuri de lichide slab corozive pe baza de apa.

Ansamblul micropompa (3) este alcătuit din micropompa (31) care se imerseaza in butelia (4), (fig.1) umpluta cu apa si se alimentează prin cablul (32) din elementul de execuție, prin mufa (33). Micropompa este conectata la un sistem de picurare printr-un sistem de furtune transparente flexibile (fig4) (34) avand intercalat la inaltimea (h) fata de fundul buteliei un dispozitiv antisifonare (33).

Automatul pentru irigarea solului realizează masurarea umidității solului si reglarea valorii acesteia prin curgerea sau picurarea unor volume de apa la intervale de timp variabile, numai atunci când este necesar. Funcționează total autonom cu alimentare cu energie solara si cu apa din rezervor avand ca destinație principala menținerea condițiilor de viata ale plantelor din apartament/casa, sera sau din gradina.

Un exemplu de realizare este prezentat in fig.6. Se observa: elementul de execuție (1) alimentat cu energie din celula solara (14) care se aseaza gravitațional pe gatul rezervorul de apa (4) prin intermediul unui dispozitiv de montare (11) ce are o deschidere (12) pentru mânerul buteliei, senzorul volumetric de umiditate a solului (2) alcătuit din traductorul de umiditate (25) care se introduce in sol si din mânerul (21) din polietilena transparenta ce conține sistemul electronic alimentat prin cablul (23) din cutia (13), senzor avand un capac de închidere (24) si un semireglabil de reglaj al pragului de umiditate (22) si sistemul (3) cu micropompa imersat in rezervorul de apa (4) alcătuit din micropompa (31), circuit de alimentare (32) si furtune (34) ce trec prin capacul rezervorului.

A. ·2016.-016511 6 -09-2916

Bibliografie [1] Leonard Goldberg, James P. Romano, John J. Feketa, Plant watering system, US8408229, [2] Puscasu Vasile, Instalație automata de udare prin picurare, Cerere de brevet RO 129754 A2, [3] Andrei Florian, Giveci pentru plante cu autoudare, Cerere de brevet RO 129755 AO, [4] Arghirescu Marius, Ghiveci de plante cu udare prin picurare, Brevet RO 116838 B, [5] Impedance type soil moisture sensor and making process thereof, CN 100392383 C, [6] Rafael Munoz Carpena, Sanajay Shukla, Kelly Morgan, Field Devices for Monitoring Soil Water Content, Univ. of Florida, Bulletin 343, [7] Jeffrey P. Walker, Garry R. Willgoose, Jetse D. Kalma, In situ measurement of soil moisture: a comparison of techniques, Journal of Hydrology 293 (2004) 85-99, [8] Capacitance-type soil moisture sensor based on printed circuit board (PCB)

CN 202974930 U, [9] Fu Ching Lee, Capacive soil moisture sensor, US7170302 B2, [10] William C. Huges, Soil moisture sensor, US 2010/0277185 A1, [11] Hari Hara Kumaran, Vibha Tomar, Soil moisture sensor, WO 2015177715 A1, US2015/0330932 A1

Claims (5)

1. Revendicări

   1. Automat mobil pentru irigare cu funcționare autonoma alcătuit din sistem de alimentare si execuție (1), senzor volumetric de umiditate a solului (2) si sistem micropompa (3), caracterizat prin aceea ca: elementul de execuție (1) atașat gravitațional pe orice butelie standard de apa potabila tip PET de 4-101 (4) si blocat cu mânerul acesteia conține acumulatori ce se incarca de la un panou solar miniatura (14) si un circuit electric de comanda ce actioneaza o micropompa (31) imersata in butelia cu apa la adancimea (h), care distribuie apa printr-un sistem de furtune (34) in zona de irigare iar pragul de umiditate de la care pornește irigarea se reglează de către utilizator in mod analogic, direct dintr-un semireglabil (22) din senzorul de umiditate sau digital prin programare de la distanta in mod wireless.
2. 2. Senzor volumetric de umiditate alcătuit dintr-un traductor capacitiv (25) care se înfige in sol sau in materialul de masurat pe întreaga sa lungime de penetrare (I), un convertor capacitate-frecventa sau capacitate/tensiune (26) si un microcontroler sau circuit echivalent (27) ambele situate in mânerul senzorului (21), caracterizat prin aceea ca: traductorul capacitiv este format din (n) condensatori (C) distribuiti in spațiu pe lungimea de penetrare in sol, este realizat din sticlotextolit dublu placat cu cupru avand o secțiune cruce, este complet izolat electric fata de amestecul de constituent! a cărei umiditate o masoara iar microcontrolerul (27) citește variația de capacitate a traductorului (25) prin intermediul convertorului (26) si furnizează in mod serial cu o rata de eșantionare programabila cuprinsa intre 0 si 60min, o mărime reprezentata in format ASCII ce poate fi valoarea umidității măsurate, adancimea de imersie a senzorului intr-un lichid sau amestec de lichide, un marker de timp sau un prag de reglaj al umidității.
3. 3. Senzor volumetric de umiditate conform cu revendicarea 2 caracterizat prin aceea ca algoritmul de conversie al variației de capacitate si unitatea de măsură a informației, memorate in microcontroller sau in circuitul echivalent (27) sunt reprogramabile permițând schimbarea destinației senzorului din sensor de umiditate in sensor de nivel iar acesta comunica cu un calculator, tableta sau telefon mobil printr-un modul wireless (29) sau o interfața RS232/USB situata in mânerul senzorului (21).
4. 4. Automat pentru irigare conform cu revendicarea 1, 2 si 3 caracterizat prin aceea ca întregul sistem funcționează complet autonom atat timp cat exista apa in rezervor (4) si

   -20 1 6 ,- > · 6 5 * 16 -09- 2016 nu necesita racordarea continua la rețeaua de energie electrica, cu condiția ca sa existe o perioada însorita minima necesara încărcării acumulatorilor (16) de la celula solara (14).
5. 5. Automat pentru irigare conform cu revendicarea 1, 2, 3 si 4 caracterizat prin aceea ca algoritmul de control al micropompei (31) si sistemul de furtune (34) cu dispozitiv antisifonare (33) previne curgerea apei din rezervor prin sifonare si asigura udarea sigura a solului sau a amestecului de materiale pentru atingerea valorii umidității programate sau reglate.