CN110486520A - 一种用于灌溉***的智能阀门 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于灌溉***的智能阀门，包括阀门控制模块，作物生长环境监测模块，无线通信模块，远程控制与监测模块。阀门控制模块包括阀门机械本体、阀门驱动装置、电池装置。阀门机械本体安装在流体输送管道上，阀门驱动装置控制阀门本体的开关，电池装置为阀门控制模块供电。

Description

一种用于灌溉***的智能阀门

技术领域

一种用于灌溉***的阀门领域，尤其是控制方向的领域。

背景技术

水分作为农作物生长过程中一个重要影响因素，直接影响农作物的产量。作物的需水量，是随着作物生长时间的推移而改变，在作物的不同生长阶段，不同生长时期，不同的气象，不同地理位置条件下，它需要的水量是不一样的。目前绝大多数农作物产业园仍然采用人为控制阀门开关的漫灌的方式，这种方式一方面浪费了大量的人力资源和水资源，另一方面基于对作物生长环境的人为主观判断，使灌溉精度低。阀门作为农作物灌溉***中的一个重要组成部分，其智能化是提高作物产量的关键。现有阀门大多为机械阀门，需要人为控制，其灌溉精确性低，不能根据天气情况做出实时响应。现有的用于灌溉***的智能阀门功能比较单一，大部分只能根据***预设的开关时间做出响应。还有一部分增加了土壤湿度监测模块，当土壤湿度低于某一阈值时启动阀门，当土壤湿度达到某一阈值时，关闭阀门。这种装置并没有考虑到未来几天的降水信息，会导致作物的过度灌溉，从而对作物产量产生负面影响。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种解决或部分解决上述问题的一种用于灌溉***的智能阀门。

为达到上述技术方案的效果，本发明的技术方案为：一种用于灌溉***的智能阀门，包括阀门控制模块，作物生长环境监测模块，无线通信模块，远程控制与监测模块；

远程控制与监测模块包括阀门智能决策装置、云端数据存储装置、数据访问控制装置；阀门智能决策装置，首先根据气象预测信息的预测降水量Q，计算作物生长环境的有效自然降水补偿量：P＝λ×K×Q，其中λ为有效降水补偿系数，K为作物生长环境的土壤渗透系数，土壤渗透系数由土壤温度、土壤湿度决定；当渗透系数K＝0.7时，有效降水补偿系数λ与降水量Q的关系设定为：然后，计算土壤的当前含水量W_current；计算方法为，提取10分钟内的四个土壤含水量传感器的数据，所有数据落在区间[W_min,W_max]范围内，其中W_min为含水量最小值，W_max为含水量最大值，则当前含水量其中m为正整数，取值范围为0＜m≤M，W_m为落在区间10％×W_min≤W_m≤90％×W_max内的土壤湿度传感器监测到的土壤含水量数据，M为正整数，M的取值为满足10％×W_min≤W_m≤90％×W_max条件的W_m的个数；然后，计算温度系数：其中T为作物生长环境10天内的平均温度，包括过去7天内与预测未来3天内的温度；然后，计算光照系数：其中下标d为满足0＜d≤10的正整数，依次代表过去7天内与未来3天，l_d为第d天的光照分钟数；然后，计算作物生长环境的蒸发量：其中s为10天内风速平均值，包括过去7天内与预测未来3天内的风速，γ为计算所得温度系数，w为10天内空气湿度平均值，包括过去7天内与预测未来3天内的空气湿度，l为光照系数；则未来第i天作物需水指数为：其中i为正整数，代表未来某一天，EA为实际含水量，EA_i为第i天的实际含水量；EE为预测需水量，EE_i为第i天的预测需水量；EO为预测蒸发量，EO_i为第i天的预测蒸发量，P_j为第j天的有效自然降水补偿量，p表示非降雨天数，q表示降雨天数；则第i天需要的补充水量为：其中u为灌溉天数；则第i天阀门开启时间为：t_i＝G_i/αv，其中v为当阀门开合度最大时，通过的流体流速，α为阀门开启度，其取值范围为0≤α≤1；

云端数据存储装置用于数据存储，所存储数据包含作物基础信息，包括作物种类、作物生长周期、作物不同生长时期的需水量；作物生长环境的基础信息，包括省份、经度、纬度、气候带、海拔；作物生长环境监测模块采集的作物生长环境的温度、湿度、光照时间、风速、土壤含水率、视频的实时数据及历史数据；作物生长环境的历史气象信息，包括降水量、温度、湿度、光照时间、风速的历史最大值、最小值和平均值；作物生长环境的气象预报信息，包括未来七天的预计降水量、温度、湿度、光照时间、风速信息；阀门开关状态的历史数据，包括阀门开启时间、阀门关闭时间、阀门开启度、通过阀门的流体流速、通过阀门的流体流量；阀门开关状态的预测数据，包括下一次阀门开启时间、下一次阀门关闭时间、下一次阀门开启度、下一次通过阀门的流体流速、下一次通过阀门的流体流量；

数据访问控制装置包括网页版与移动客户端应用，使用户在任何时间、任何地点，均可通过计算机或者移动客户端应用访问云端数据存储装置的所有数据，包括：作物基础信息、作物生长环境的基础信息、作物生长环境监测模块采集的数据及历史数据、作物生长环境的历史气象信息、作物生长环境的气象预报信息、阀门开关状态的历史数据、阀门开关状态的预测数据；根据实际情况调整作物不同生长时期的预设需水量；调整阀门智能决策装置的结果；通过无线通信模块实现对阀门控制模块和作物生长环境监测模块的远程控制；接收阀门控制模块和作物生长环境监测模块的异常信息，并发出警告；阀门控制模块：包括阀门机械本体、阀门驱动装置、电池装置；其中阀门机械本体安装在流体输送管道上，根据阀门控制模块的输出结果作出响应，实现阀门的开通、关闭以及调整阀门的开启度；阀门驱动装置通过接收远程控制与监测模块发出的阀门开启、关闭信号，控制阀门本体的开通、关闭、开启时间以及开启度；电池装置包括两组太阳能电池板和两组蓄电池，当光照充足时太阳能电池板可以将太阳能转化为电能，持续为阀门控制模块供电；电池装置可以保证连续20天阴天情况下的正常使用；电池电量状态通过无线通信模块实时上传至云端数据存储装置，当电量不足时，向远程控制与监测模块发出电池电量不足预警；

作物生长环境监测模块由环境温度监测装置、湿度监测装置、光照监测装置、风速监测装置、土壤含水率监测装置以及视频采集装置组成；其中温度、湿度、光照、风速监测装置各由一个主传感器和一个备用传感器组成，在正常情况下，由主传感器实时采集温度、湿度、光照、风速数据；土壤含水率监测装置由四个传感器组成，分别置于地势高位、地势低位、高光照位、低光照位；视频采集装置由一个摄像头组成，实时拍摄作物的生长状态，并可响应远程控制模块的指令进行角度调整；环境监测模块，将采集的温度、湿度、光照、风速、土壤含水率、以及视频数据通过无线通信装置上传至云存储平台；

无线通信模块：作为阀门控制模块、作物生长环境监测模块与远程控制与监测模块的连接者，一方面将作物生长环境监测模块采集的实时数据上传至云平台进行数据存储，当作物生长环境监测模块的任一传感器出现异常时，将异常信息发送给远程控制与监测模块；另一方面将远程控制与监测模块的控制指令传输给阀门控制模块以及作物生长环境监测模块。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行详细的说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，能实现同样功能的产品属于等同替换和改进，均包含在本发明的保护范围之内。具体方法如下：

实施例：本实施例具体介绍了一种用于灌溉***的智能阀门，如下：

包括阀门控制模块，作物生长环境监测模块，无线通信模块，远程控制与监测模块；

阀门控制模块，作物生长环境监测模块，无线通信模块，远程控制与监测模块。阀门控制模块包括阀门机械本体、阀门驱动装置、电池装置。阀门机械本体安装在流体输送管道上，阀门驱动装置控制阀门本体的开关，电池装置为阀门控制模块供电。作物生长环境监测模块，由环境温度监测装置、湿度监测装置、光照监测装置、风速监测装置、土壤含水率监测装置以及视频采集装置组成，实时采集温度、湿度、光照、风速、土壤含水率及作物生长环境视频信息，并通过无线通信模块上传至云数据存储平台。无线通信模块，作为阀门控制模块、作物生长环境监测模块与远程控制与监测模块的信息传输通道。远程控制与监测模块，包括云端数据存储装置、阀门智能决策装置、数据访问控制装置。云端数据存储装置存储作物基础信息、作物生长环境的基础信息、作物生长环境监测模块采集的数据及历史数据、作物生长环境的历史气象信息、作物生长环境的气象预报信息、阀门开关状态的历史数据、阀门开关状态的预测数据；阀门智能决策装置，根据气象预测信息预测降水量、根据生长环境监测模块的采集数据，计算环境蒸发量，从而计算作物需水指数和需水量，然后根据阀门的开启度预测阀门的下一次开启时间和关闭时间，从而实现阀门开合的智能决策。数据访问控制装置，包括网页版与移动客户端应用，使用户在任何时间、任何地点，均可通过计算机或者移动客户端应用访问云端数据存储装置的所有数据并向阀门控制模块和作物生长环境监测模块发出控制指令。

阀门控制模块：包括阀门机械本体、阀门驱动装置、电池装置。其中阀门机械本体安装在流体输送管道上，根据阀门控制模块的输出结果作出响应，实现阀门的开通、关闭以及调整阀门的开启度。阀门驱动装置通过接收远程控制与监测模块发出的阀门开启、关闭信号，控制阀门本体的开通、关闭、开启时间以及开启度。电池装置包括两组太阳能电池板和两组蓄电池，当光照充足时太阳能电池板可以将太阳能转化为电能，持续为阀门控制模块供电。电池装置可以保证连续20天阴天情况下的正常使用。电池电量状态通过无线通信模块实时上传至云端数据存储装置，当电量不足时，向远程控制与监测模块发出电池电量不足预警。

作物生长环境监测模块：由环境温度监测装置、湿度监测装置、光照监测装置、风速监测装置、土壤含水率监测装置以及视频采集装置组成。其中温度、湿度、光照、风速监测装置各由一个主传感器和一个备用传感器组成，在正常情况下，由主传感器实时采集温度、湿度、光照、风速数据。土壤含水率监测装置由四个传感器组成，分别置于地势高位、地势低位、高光照位、低光照位。视频采集装置由一个摄像头组成，实时拍摄作物的生长状态，并可响应远程控制模块的指令进行角度调整。环境监测模块，将采集的温度、湿度、光照、风速、土壤含水率、以及视频数据通过无线通信装置上传至云存储平台。

无线通信模块：作为阀门控制模块、作物生长环境监测模块与远程控制与监测模块的连接者，一方面将作物生长环境监测模块采集的实时数据上传至云平台进行数据存储，当作物生长环境监测模块的任一传感器出现异常时，将异常信息发送给远程控制与监测模块。另一方面将远程控制与监测模块的控制指令传输给阀门控制模块以及作物生长环境监测模块。

远程控制与监测模块：包括云端数据存储装置、阀门智能决策装置、数据访问控制装置。

云端数据存储装置用于数据存储，所存储数据包含：作物基础信息，包括作物种类、作物生长周期、作物不同生长时期的需水量；作物生长环境的基础信息，包括省份、经度、纬度、气候带、海拔；作物生长环境监测模块采集的作物生长环境的温度、湿度、光照时间、风速、土壤含水率、视频的实时数据及历史数据；作物生长环境的历史气象信息，包括降水量、温度、湿度、光照时间、风速的历史最大值、最小值和平均值；作物生长环境的气象预报信息，包括未来七天的预计降水量、温度、湿度、光照时间、风速信息；阀门开关状态的历史数据，包括阀门开启时间、阀门关闭时间、阀门开启度、通过阀门的流体流速、通过阀门的流体流量；阀门开关状态的预测数据，包括下一次阀门开启时间、下一次阀门关闭时间、下一次阀门开启度、下一次通过阀门的流体流速、下一次通过阀门的流体流量。

阀门智能决策装置，首先根据气象预测信息的预测降水量Q，计算该作物生长环境的有效自然降水补偿量：P＝λ×K×Q，其中λ为有效降水补偿系数，K为作物生长环境的土壤渗透系数，土壤渗透系数由土壤温度、土壤湿度决定。当渗透系数K＝0.7时，有效降水补偿系数λ与降水量Q的关系设定为：然后，计算土壤的当前含水量W_current。计算方法为，提取10分钟内的四个土壤含水量传感器的数据，所有数据落在区间[W_min,W_max]范围内，其中，W_min为含水量最小值，W_max为含水量最大值，则当前含水量其中m为正整数，取值范围为0＜m≤M，W_m为落在区间10％×W_min≤W_m≤90％×W_max内的土壤湿度传感器监测到的土壤含水量数据，M为正整数，M的取值为满足10％×W_min≤W_m≤90％×W_max条件的W_m的个数。然后，计算温度系数：其中T为作物生长环境10天内的平均温度，包括过去7天内与预测未来3天内的温度。然后，计算光照系数：其中下标d为满足0＜d≤10的正整数，依次代表过去7天内与未来3天，l_d为第d天的光照分钟数。然后，计算作物生长环境的蒸发量：其中s为10天内风速平均值，包括过去7天内与预测未来3天内的风速，γ为计算所得温度系数，w为10天内空气湿度平均值，包括过去7天内与预测未来3天内的空气湿度，l为光照系数。则未来第i天作物需水指数为：其中i为正整数，代表未来某一天，EA为实际含水量，EA_i为第i天的实际含水量。EE为预测需水量，EE_i为第i天的预测需水量。EO为预测蒸发量，EO_i为第i天的预测蒸发量，P_j为第j天的有效自然降水补偿量，p表示非降雨天数，q表示降雨天数。则第i天需要的补充水量为：其中u为灌溉天数。则第i天阀门开启时间为：t_i＝G_i/αv，其中v为当阀门开合度最大时，通过的流体流速，α为阀门开启度，其取值范围为0≤α≤1。

数据访问控制装置，包括网页版与移动客户端应用，使用户在任何时间、任何地点，均可通过计算机或者移动客户端应用访问云端数据存储装置的所有数据，包括：作物基础信息、作物生长环境的基础信息、作物生长环境监测模块采集的数据及历史数据、作物生长环境的历史气象信息、作物生长环境的气象预报信息、阀门开关状态的历史数据、阀门开关状态的预测数据；根据实际情况调整作物不同生长时期的预设需水量；调整阀门智能决策装置的结果；通过无线通信模块实现对阀门控制模块和作物生长环境监测模块的远程控制；接收阀门控制模块和作物生长环境监测模块的异常信息，并发出告警。

以上所述仅为本发明之较佳实施例，并非用以限定本发明的权利要求保护范围。同时以上说明，对于相关技术领域的技术人员应可以理解及实施，因此其他基于本发明所揭示内容所完成的等同改变，均应包含在本权利要求书的涵盖范围内。

有益效果：环境监测数据不足、历史数据存储容量有限能实现阀门的远程控制和数据访问，阀门控制决策***的决策精度高。为了实现对农作物的精确灌溉，提高农作物产量，这种智能阀门是非常必要的。

Claims (1)

1.一种用于灌溉***的智能阀门，其特征在于，包括：远程控制与监测模块，阀门控制模块，作物生长环境监测模块，无线通信模块；

所述远程控制与监测模块包括阀门智能决策装置、云端数据存储装置、数据访问控制装置；阀门智能决策装置，首先根据气象预测信息的预测降水量Q，计算作物生长环境的有效自然降水补偿量：P＝λ×K×Q，其中λ为有效降水补偿系数，K为作物生长环境的土壤渗透系数，土壤渗透系数由土壤温度、土壤湿度决定；当渗透系数K＝0.7时，有效降水补偿系数λ与降水量Q的关系设定为：然后，计算土壤的当前含水量W_current；计算方法为，提取10分钟内的四个土壤含水量传感器的数据，所有数据落在区间[W_min,W_max]范围内，其中W_min为含水量最小值，W_max为含水量最大值，则当前含水量其中m为正整数，取值范围为0＜m≤M，W_m为落在区间10％×W_min≤W_m≤90％×W_max内的土壤湿度传感器监测到的土壤含水量数据，M为正整数，M的取值为满足10％×W_min≤W_m≤90％×W_max条件的W_m的个数；然后，计算温度系数γ：其中T为作物生长环境10天内的平均温度，包括过去7天内与预测未来3天内的温度；然后，计算光照系数：其中下标d为满足0＜d≤10的正整数，依次代表过去7天内与未来3天，l_d为第d天的光照分钟数；然后，计算作物生长环境的蒸发量：其中s为10天内风速平均值，包括过去7天内与预测未来3天内的风速，γ为计算所得温度系数，w为10天内空气湿度平均值，包括过去7天内与预测未来3天内的空气湿度，l为光照系数；则未来第i天作物需水指数为：

其中i为正整数，代表未来某一天，EA为实际含水量，EA_i为第i天的实际含水量；EE为预测需水量，EE_i为第i天的预测需水量；EO为预测蒸发量，EO_i为第i天的预测蒸发量，P_j为第j天的有效自然降水补偿量，p表示非降雨天数，q表示降雨天数；则第i天需要的补充水量为：其中u为灌溉天数；则第i天阀门开启时间为：t_i＝G_i/αv，其中v为当阀门开合度最大时，通过的流体流速，α为阀门开启度，其取值范围为0≤α≤1；

云端数据存储装置用于数据存储，所存储的数据包含作物基础信息，包括作物种类、作物生长周期、作物不同生长时期的需水量；作物生长环境的基础信息，包括省份、经度、纬度、气候带、海拔；作物生长环境监测模块采集的作物生长环境的温度、湿度、光照时间、风速、土壤含水率、视频的实时数据及历史数据；作物生长环境的历史气象信息，包括降水量、温度、湿度、光照时间、风速的历史最大值、最小值和平均值；作物生长环境的气象预报信息，包括未来七天的预计降水量、温度、湿度、光照时间、风速信息；阀门开关状态的历史数据，包括阀门开启时间、阀门关闭时间、阀门开启度、通过阀门的流体流速、通过阀门的流体流量；阀门开关状态的预测数据，包括下一次阀门开启时间、下一次阀门关闭时间、下一次阀门开启度、下一次通过阀门的流体流速、下一次通过阀门的流体流量；

数据访问控制装置包括网页版与移动客户端应用，使用户在任何时间、任何地点，均可通过计算机或者移动客户端应用访问云端数据存储装置的所有数据，包括：作物基础信息、作物生长环境的基础信息、作物生长环境监测模块采集的数据及历史数据、作物生长环境的历史气象信息、作物生长环境的气象预报信息、阀门开关状态的历史数据、阀门开关状态的预测数据；根据实际情况调整作物不同生长时期的预设需水量；调整阀门智能决策装置的结果；通过无线通信模块实现对阀门控制模块和作物生长环境监测模块的远程控制；接收阀门控制模块和作物生长环境监测模块的异常信息，并发出警告；所述阀门控制模块：包括阀门机械本体、阀门驱动装置、电池装置；其中阀门机械本体安装在流体输送管道上，根据阀门控制模块的输出结果作出响应，实现阀门的开通、关闭以及调整阀门的开启度；阀门驱动装置通过接收远程控制与监测模块发出的阀门开启、关闭信号，控制阀门本体的开通、关闭、开启时间以及开启度；电池装置包括两组太阳能电池板和两组蓄电池，当光照充足时太阳能电池板可以将太阳能转化为电能，持续为阀门控制模块供电；电池装置可以保证连续20天阴天情况下的正常使用；电池电量状态通过无线通信模块实时上传至云端数据存储装置，当电量不足时，向远程控制与监测模块发出电池电量不足预警；

所述作物生长环境监测模块由环境温度监测装置、湿度监测装置、光照监测装置、风速监测装置、土壤含水率监测装置以及视频采集装置组成；其中温度、湿度、光照、风速监测装置各由一个主传感器和一个备用传感器组成，在正常情况下，由主传感器实时采集温度、湿度、光照、风速数据；土壤含水率监测装置由四个传感器组成，分别置于地势高位、地势低位、高光照位、低光照位；视频采集装置由一个摄像头组成，实时拍摄作物的生长状态，并可响应远程控制模块的指令进行角度调整；环境监测模块，将采集的温度、湿度、光照、风速、土壤含水率、以及视频数据通过无线通信装置上传至云存储平台；

所述无线通信模块：作为阀门控制模块、作物生长环境监测模块与远程控制与监测模块的连接者，一方面将作物生长环境监测模块采集的实时数据上传至云平台进行数据存储，当作物生长环境监测模块的任一传感器出现异常时，将异常信息发送给远程控制与监测模块；另一方面将远程控制与监测模块的控制指令传输给阀门控制模块以及作物生长环境监测模块。