[发明专利]一种水力发电式智能喷灌管理装置及方法

说明书

本发明公开了一种水力发电式智能喷灌管理装置，包括测控装置、信号电缆、喷灌节点管路以及土壤水传感器。测控装置包括电动水阀、水力发电模块、储能供电电路和喷灌测控电路。储能供电电路包括充电法拉电容、充电管理电路、储能蓄电池、放电保护电路、放电法拉电容和电量测控电路。土壤水传感器包括左平面电容、右平面电容以及夹层平行板电容。通过高效的能量收集管理和智能化土壤水测控达到更好的节水节能和增产提质效果。还公开了一种基于水力发电式智能喷灌管理装置的使用方法，在喷灌作业期间和作物耗水期间，根据作物的用水特性和土壤水检测情况，自动控制喷灌作业的启停和调整用电策略，实现喷灌节点管理的全自动化。

技术领域

本发明涉及智能节水灌溉设备技术领域，尤其涉及一种水力发电式智能喷灌管理装置及方法。

背景技术

当前，喷灌技术在大田种植、果蔬种养和城市绿保等场合得到了广泛应用。相比于渠灌、渗灌、滴灌等其它灌溉措施，喷灌技术具有节水节能、增产提质、省工省地等突出优点。典型的喷灌系统由喷头、管网、首部和水源组成，其中首部是控制中枢，执行对水源水的加压、过滤和辅料注入工作，并控制整个喷灌系统的运行与停止。可见，典型的喷灌系统是一种集中控制系统，其缺点在于难以实现精细作业。为了达到规模效应，一套喷灌系统往往需要覆盖相当大的灌溉面积。在大规模集中控制下，系统覆盖区域内的喷灌节点统一启停，无法协调地势高低、背阴向阳和作物疏密等物理条件对土壤水再分布的影响，也无法针对不同作物的用水特性进行局部水量调节。其结果就是，要想实现充分灌溉就难免浪费水资源，要想节约用水就难免影响部分作物的水肥供给。

以上问题可以通过分布式喷灌控制技术予以解决。给喷灌系统的每个喷头配置智能化的喷灌管理设备，根据所在区域的土壤水情和作物的用水特性，自动控制本地喷灌作业的起止时机，把灌溉首部的集中控制功能疏解出来，实现喷灌管理的精细化和用水效益的最大化，达到节水节能、增产增收和灵活高效的目的。要在不增加管网成本的基础上实现分布式喷灌控制，必须开发智能化的喷灌管理设备，其核心关键技术包括两个方面，一是喷灌区域的土壤水情检测和分析技术，据此确定灌溉策略，实现灌溉效益的最大化；二是设备的自供电技术，利用本地能量收集解决设备的供电问题，减小设备的铺设和维护成本，提高设备布置施工的灵活性。

根据检测参数的不同，可以把当前的土壤水检测技术分为两类：一类用于检测土壤含水量，包括烘干法、中子法、时域反射法、遥感法等；一类用于检测水土势或水吸力，包括张力计法、压力膜法、水汽压法等。其中，土壤的水土势反映了土壤给作物供水的能力，主要来自于土壤的毛细管效应，在一定程度上可以用土壤有效水含量来代替。对智能化喷灌管理而言，往往需要同时在线测量土壤水总含量和土壤水土势(或土壤有效水含量)，必须结合这两个参数各自的情况和相互之间的关系才能制定出优化的喷灌策略。在现有方法中，只有时域反射仪和张力计适合现场应用，但两者的组合应用在功率消耗、响应速度、携装轻便等方面均不适合用于智能化喷灌管理设备的集成开发。

对于自治设备的自供电，太阳能、风能和水能是普遍采用的方法。对喷灌管理设备而言，水力发电无疑是最合适的。喷灌管理设备的水电能量收集和运用具有以下特点：一是为了实现设备的小型化并且尽量减小发电设备对喷灌水压的耗损，最好采用微型的低压差水力发电机，发电功率通常低至1瓦左右，需要设计高效率的能量收集与存储电路，并提高电路对水压差异的适应性；二是为了实现喷灌自治，需要在本地控制喷灌水阀的开合，相对于发电功率来说，电动水阀开合的瞬时功率要高一到两个数量级，需要设计高功率密度的供电电路；三是喷灌作业周期往往远远小于作物的用水消耗周期，这就意味着充电时间短而用电时间长，因此需要在提高供电电路能量密度的基础上根据实际情况智能调整用电策略。目前，为了实现高效节水和增产提质，还未出现精细灌管理的智能化喷灌装置。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种水力发电式智能喷灌管理装置，通过测控装置和土壤水传感器收集管理水电能量，在线检测土壤水的总含量和土壤有效水含量，并进行智能化喷灌管理。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：