[发明专利]一种农田土壤湿度和灌溉水量的分布式联合监控系统

摘要

一种农田土壤湿度和灌溉水量的分布式联合监控系统属于农田节能节水技术领域，其特点在于是一种基于Zigbee协议的基于磁力控制阀的无线湿度传感器和无线流量计的分布式计算机监控系统，计算机通过土壤湿度传感器采集中心辐型喷管网或滴网各节点的土壤湿度，通过位于管网主管出口处、渠道水入口处的两个无线流量计监测管网渠道水的利用系数，用太阳能电池板和备用电池构成的双电源供电线路向控制阀的电磁线圈供电，计算机利用土壤湿度计算单位容积的土壤最大含水量，利用田块最大持水量与已灌溉水量之差乘上反映个性化控制的调节系数后，再来进行增、减量控制，直到土壤最大持水量与增、减控制后的总的已灌水量相等为止，本发明具有能耗低、用水少、能同时监控渠道渗漏的优点。

主权项

一种农用土壤湿度和灌溉水量的分布式联合监控系统，其特征在于，是一种采用zigbee协议的基于自动灌溉用磁力控制阀的无线传感器网络的分布式计算机监控系统，包括：所述磁力控制阀、灌溉管网部分、无线传输部分、监测控制部分、故障显示部分，其中：灌溉管网部分，是一种中央辐射型的星形喷灌或滴灌式的农业灌溉管网，两个所述自动灌溉用的磁力控制阀分别安装在所述灌溉管网主管出口处的出水端和灌溉管网水泵出口处，无线传输部分，包括：无线流量计和土壤湿度无线传感器两个子部分，其中：无线流量计：共两个，分别安装在灌溉水泵出口处和所建灌溉管网主管出口处，土壤湿度无线传感器，共N个，序号n＝1，3...，N，埋在所述中央辐射型的网络网格结点的农田下按作物种类确定的深处，两个自动灌溉用的磁力控制阀，各包括：阀体、外壳、控制共三个部分，其中阀体部分包括：进水阀阀体(1.1)、控制阀阀体(1.2)、进水阀阀盖(3.1)、进水阀阀体进水孔(4.1)、进水阀膜片的进水孔(4.2)以及螺钉，其中：进水阀阀体进水孔(4.1)沿轴向开在所述进水阀阀体(4.1)的左侧，进水阀膜片(2.1)沿轴向盖在所述进水阀阀体(1.1)的上端平面上，所述进水阀膜片进水孔(4.2)开在所述进水阀膜片(2.1)上且与所述进水阀阀体进水孔(4.1)相连，进水阀阀体(1.1)的喇叭形开口处的裙边压在所述进水阀膜片(2.1)上且用第一螺钉(19.1)固定在所述进水阀阀体(1.1)的上端平面上；外壳部分包括：外壳上盖(13)、外壳下壳体(14)以及密封圈(18)，其中：外壳下壳体(14)底部开有中心孔，与所述进水阀阀盖(3.1)、瓶颈形进水孔的下端用螺纹连接的同时，又用第二螺钉(19.2)与所述外壳上盖(13)相连，外壳上盖(13)与所述外壳下壳体(14)固定连接且用密封圈(18)密封；控制部分是一个控制阀包括：控制阀阀体(1.2)、控制阀膜片(2.2)、(3.2)，控制阀阀盖、活塞帽(7)、活塞柱(8)、弹簧(12)、控制阀外保护套(9)、磁铁(10)、电源端串按可变电阻R1的磁力可调的电磁线圈(11)、进水孔、出水孔以及螺钉，其中：控制阀阀体(1.2)下端进水口处与所述进水阀阀盖(3.1)瓶颈形进水孔的外柱面螺纹连接，所述控制阀阀体(1.2)内周面的台阶上安放有一个在中心开有泄压孔(6)而一侧开有控制阀膜片进水孔(4.3)的所述控制阀膜片(2.2)，控制阀阀盖(3.2)下端开口处的端面沿周向压在所述控制控制阀膜片(2.2)上，所述控制阀阀盖(3.2)的上端是一个向上凸出的封闭圆柱体，从上到下配置有相互连接的弹簧(12)和在底部倒“T”形突出部分套有活塞帽(7)的活塞柱(8)，电磁线圈(11)同轴地紧套在所述控制阀阀盖(3.2)封闭圆柱上，且在外周加装有一个控制阀外保护套(9)，所述控制阀外保护套(9)用第三螺钉(19.3)固定在所述控制阀阀体(1.2)上端面上，磁铁(10)位于所述控制阀外保护套(9)内，处于所述控制阀阀盖(3.2)封闭圆柱体的上端面之上，控制阀阀体进水孔(4.4)是一个单向阀门，位于所述控制阀阀体(1.2)内的下端靠近所述控制阀阀门下端进水口处，当所述电磁线圈(11)通电时，弹簧(12)带动所述活塞帽(7)上提打开泄压孔(6)时水便由所述进水阀阀盖(3.1)的瓶颈形进水孔进入所述控制阀阀体出水孔(4.4)后，再通过位于所述泄压孔(6)下方出水处的出水孔(5)喷出，还设有：控制电路板(16)，用第四螺钉(19.4)固定在所述外壳上盖(13)的顶端内侧面上，所述控制电路板(16)由固定在所述外壳上盖(13)上端面上的电源箱供电，监测控制部分，包括：同时具有N+2路数/模和模/数转换功能、无线收发功能的计算机、2块所述控制电路板和电源箱，其中：计算机，位于中心控制室设有：N个所述土壤湿度无线传感器的输出数据输入端，而且端口的序号与计算机的输入端口序号一一对应，2个所述无线流量计的输出信号输入端，而且端口的序号也与计算机的输入端口序号一一对应，还设有：一个分别同步输入到两个所述磁力控制阀的控制电路板以便进行开、闭控制的无线控制信号输出端，一个向上位机发出渠道水利用系数报警信号的无线报警信号输出端，更设有一个输出到故障显示板的所述渠道水利用系数报警信号输出端，所述计算机除了中央控制器CPU外，还设有：N+2路输入的无线接收模块、N+2路输入的模数转换模块、N+2路输入的数据缓存模块、N路输入的土壤湿度数据处理模块、2路输入的渠道水流量数据处理模块、渠道水利用系数报警模块、中断处理模块、显示驱动电路、显示屏以及2路输出的无线发送模块，控制电路板，包括：2个用于控制所述磁力控制阀的磁力可调的电磁线圈(11)的无线启动控制电路，简称无线启动控制电路，无线启动控制电路，由解调电路、整流滤波电路、电压放大电路以及功率放大电路依次串联构成，输入信号是基于土壤需要增减的灌溉水量得到的，功率放大电路的输出与第三LED显示灯(L3)、所述电磁线圈(11)依次串接，电源箱设有：太阳能电池板(Es)和备用电池(E1)构成的双路供电电路、简称双路供电电路，备用电池失压报警电路，简称报警电路以及LED显示灯，其中：双路供电电路，输出端由互相并联的太阳能供电电路和备用电池供电电路构成，其中：太阳能供电电路，由太阳能电池板(Es)手动常开按钮(k0)、第四LED显示灯(L4)以及第一继电器(K1)线圈依次首尾连接而成，备用电池供电电路，由备用电池(E1)、所述第一继电器(K1)的常闭触点(k1)、第一LED显示灯(L1)以及第二继电器(K2)的线圈依次首尾连接而成，所述并联电路输出端接所述功率放大电路的电源端，报警电路，由报警电池(E2)、所述第二继电器(K2)的常闭触点(k2)、第二LED显示灯(L2)以及蜂鸣报警器依次首尾连接而成；故障显示部分，包括：各安装在所述各自动灌溉用的磁力控制阀外壳上盖上的所述电源箱上的控制阀故障显示屏以及安装在所述计算机外壳上的故障显示板，其中：故障显示屏，位于所述电源箱上，安装有：四个所述LED显示灯(L1，L2，L3，L4)，灯亮表示电源接通，灯灭表示电源断开，故障显示板，设有：受控于所述渠道水利用系数报警模块的渠道水渗漏显示用的第五LED显示灯(L5)以及当某个所述土壤湿度无线传感器输入的土壤湿度值为零时用于显示其失效用的、用对应的下标“NO.…”表示其序号的第六LED显示灯(L6，NO.…)，所述计算机依次按以下步骤实现对土壤湿度和渠道水利用系数η的联合监控：步骤(1)，计算机初始化：土壤湿度数据存储模块，预存：土壤湿度无线传感器的下述参数，至少包括：名称、生产厂家、型号、使用条件及性能参数、安装日期、使用有效期以及历史维修记录，所述土壤湿度无线传感器的使用个数、编号及对应的埋藏位置，农作物名称及品种，种植方式：大田播种或温室种植，水田或旱田，土壤种类及其单位容积重量g/cm3：粘土，1.39g/cm3，    粘壤土，1.39g/cm3，壤土，1.40g/cm3，    沙土，1.50g/cm3，沙壤土，1.40g/cm3，土壤平均孔隙率变化范围：粘土，(25～30)％，  粘壤土，(23～27)％，壤土，(23～25)％，  沙壤土，(20～22)％，沙土，(7～14)％，单位容积土壤内的饱和水量＝土壤单位容积重量×平均孔隙率，渠道水流量数据存储模块，预存：上一次实时测量值Q1，Q2，渠道水水泵出口处流量Q1，滴水主管或喷水主管出口处流量Q2，渠道水利用系数η＝(Q1‑Q2)/Q1，水田的渠道水利用系数阈值η’为0.95，旱田的渠道水利用系数阈值η”为0.9，按所述单位容积土壤内的饱和水量和田地面积S内土壤单位容积湿度平均值计算得到的土壤最大需水量Qmax：Qmax＝S×α田×h×(单位容积土壤内的饱和水量‑土壤单位容积湿度平均值)，其中：h为所述土壤湿度无线传感器的埋深，单位为米，S为田地面积，单位为米2，α田为由于包括田埂在内的无法灌溉的土地而造成的面积损失，取值为0.5，称为田地面积调整系数，土壤当前实际需要灌溉的水量Q实＝(Qmax‑Q2)×α水+Q2，其中：α水为根据当时当地当前气候条件、田地种类及农作物当前状况而由操作员作出调整的灌溉水增量调整系数，是一个经验值，0＜α水≤1，Q2是已灌溉的水量，CPU预存：采样周期：T，为设定值；采样间隔：Δt，为设定值；步骤(2)，所述计算机依次按以下步骤对土壤湿度和大田作业的渠道水或温室中的土壤湿度进行联合监控：步骤(2.1)，所述计算机在初始时刻t0启动后在t0‑t1第一采样间隔Δt1内，操作员输入以下参数：种植方式，土壤种类，水田或旱田，土壤的单位容积重量和平均孔隙率，大田或温室的田地面积(S)，田地面积调整系数(α田)，灌水增量调整系数(α水)，采样周期(T)，采样间隔(Δt)以及土壤湿度无线传感器埋深(h)，接着，操作员给所述土壤湿度无线传感器上电，采集土壤湿度，同时所述计算机启动所述磁力控制阀，在对田地灌溉的同时采集所述渠道水水泵出口流量Q1，大田或温室灌溉管网主管的出口处的出水流量Q2，步骤(2.2)，在时刻t1开始的第二采样间隔Δt2内，依次计算大田或温室中的下述参数：单位容积土壤内的湿度平均值，田地中的饱和水量，即土壤最大需水量Qmax，土壤当前实际需要灌溉的水量Q实，Q实＝Q2+(Qmax‑Q2)×α水，(Qmax‑Q2)为要增加的或者过多的灌溉水量，计算机根据(Qmax‑Q2)发出无线控制信号，步骤(2.3)，判别种植方式，是大田还是温室：步骤(2.4)，根据种植方式，分别进行处理：若是温室，执行步骤(2.4(a))，若是大田，执行步骤(2.4(b))，步骤(2.4(a))，执行以下步骤：判断(Qmax‑Q2)大于或等于0否：若：(Qmax‑Q2)＞0，表示灌水不够，则继续灌水，直到(Qmax‑Q2)＝0为止，关断磁力控制阀，若：(Qmax‑Q2)＝0，表示灌水达标，则控制所述磁力控制阀切断供水，若：(Qmax‑Q2)＜0，表示灌水超量，则关断所述磁力控制阀，切断供水；步骤(2.4(b))，执行以下步骤：步骤(2.4.1(b))，判断(Qmax‑Q2)大于或等于0否，执行方法与步骤(2.4.1(a))相同，步骤(2.4.2(b))，所述计算机判断田地种类是水田还是旱田，步骤(2.4.3(b))，按田地种类分别计算渠道水利用系数η’或η”，步骤(2.4.4(b))，重复执行步骤(2.2)～步骤(2.4.3(b))，一直到t＝T为止，步骤(2.5(b))，所述计算机采集各采样间隔Δt内的渠道水利用系数并求取均值，执行以下步骤，用η′cp表示水田渠道水平均利用系数，用η″cp表示旱田渠道水平均利用系数，则判别如下：若：η′cp＜η′阈值，则第五LED显示灯(L5)暗，η′cp≥η′阈值，则第五LED显示灯(L5)亮，若：η″cp＜η″阈值，则第六LED显示灯(L6)暗，η″cp≥η″阈值，则第六LED显示灯(L6)亮，η′是水田的渠道水利用系数阀值，η′＝0.95η″是旱田的渠道水利用系数阀值，η″＝0.90至此，一个周期T内的监控结束。