CN114467714A - 一种光伏驱动平移式喷灌机远程智能变量灌溉装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光伏驱动平移式喷灌机远程智能变量灌溉装置，由装置由平移式喷灌机桁架、太阳能驱动装置、植物缺水诊断装置、变量喷洒流量测量和控制装置、灌溉远程智能控制***组成。具体功能如下：光伏驱动***交替为行走驱动和灌溉加压提供动力，喷灌机工作时实时采集作物缺水信息，实时计算作物灌溉量，并实现精准喷洒流量快速测量与调控。装置将决策信息和设备动作结合，可实现无人监管自主作业，并通过物联网网关并入云端，可远程监视管理，保证装置稳定运行。总之，此装置实现了光伏驱动平移式喷灌机远程智能变量灌溉装置的光能高效利用、智能决策，自主作业，稳定运行。

Description

一种光伏驱动平移式喷灌机远程智能变量灌溉装置
技术领域
本发明属于农业灌溉装置技术领域，涉及一种灌溉装置，特别涉及一种光伏驱动平移式喷灌机远程智能变量灌溉装置。
背景技术
绿色节能、精准化和智能化是现代农业的主要发展趋势，是农业领域农用装备的优化改进方向。平移式喷灌机作为一种成熟的喷灌机形式，具有节省水量、自动化程度较高、受地形限制小、喷灌雨滴接近自然降雨等优势。但在应用中也逐渐暴露出一些短板，主要体现在以下方面。
1、供能方式造成节水灌溉难以推广。大多喷灌机使用电网提供动力，虽然此项技术成熟，但灌溉田面往往偏远，远离电网，接电成本很高。相较之下，光伏供能是一个更加合理的选择。但传统的喷灌机运行模式下的功率峰值较高、导致光伏供能初期的布设成本高昂，这就导致市面上以光伏供能的平移式喷灌机难以普及。
2、灌溉装备缺少精准感知作物缺水诊断技术。灌溉智能化需要在精准感知作物缺水的基础上自动控制灌溉装置，目前主流技术有：在田中布设传感器，但网式布置成本较高、***冗杂，若仅在典型测点布置，则无法反映大田的环境分布特征；通过无人机、卫星等平台进行遥感采集，但此类方法的数据采集时间和实际作业时间之间存在时间尺度上的较大误差，在时间尺度上不够精准。喷灌机是动态移动装备，需要在移动过程中适时感知作物需要的灌溉量，因此，将植物缺水信息感知装备搭载到喷灌机上，才能实现精准灌溉。
3、灌溉装备自动化程度低。劳动力缺乏的背景下，需要实现手机或远程电脑控制并提高***的自动化程度。这需要可以远程感知和调控管道流量的调节方案、本地设备运行参数的监视、农业物联网的接入以及装置管理***的搭建。
因此需要一种技术对光伏驱动的平移式喷灌机的运行模式进行优化，解决***功率和布设成本的解决方案；对大田环境信息采集***进行优化，提出一种时间尺度小且能够反应大田环境空间分布特征的农田信息采集方法；集成一种流量可远程感知、调节和控制的阀体，构建从缺水信息感知、传输、决策和控制的远程智能控制***。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题与缺陷，本发明的目的是提供一种平移式喷灌机光伏驱动精量灌溉装置，该装置实现绿色能源驱动、缺水信息精准感知、变流量喷洒、灌溉***远程智能控制等目标。
实现上述发明目的所采用技术方案是：一种平移式喷灌机光伏驱动精量灌溉装置，由平移式喷灌机桁架、太阳能驱动装置、植物缺水诊断装置、变量喷洒流量测量和控制装置、灌溉远程精量控制***组成，所述平移式喷灌机桁架包括喷灌机桁架、设备装设平台、车轮，由喷灌机桁架和车轮组成一个可移动几字形主架体，在主架体的一端低部设有设备装设平台；所述太阳能驱动装置由光伏板、太阳能控制器、蓄电池组、直流稳压器、水泵驱动和行走驱动转换器组成，所述光伏板安装在平移式喷灌机桁架上靠近驱动和控制设备的一侧，所述太阳能控制器、蓄电池组、直流稳压电源安装集中设备装设平台。
所述作物缺水诊断装置安装在平移式喷灌机桁架上，包括多个可调节角度的信息采集相机、供电线路、信息传输线路和数据分析设备。
所述变量喷洒流量测量和控制装置包括供水渠道、加压水泵、输水管道、流量调测一体装置、喷头，所述供水渠道布置在喷灌机的设备装设平台一侧，所述加压水泵安装在供水渠道和输水管道中间，所述输水管道上安装有若干流量调测一体装置，每个流量调测一体装置上安装有若干喷头。
所述远程精量控制***分为本地决策及动作部分和远程管理部分，所述本地控制部分包括逻辑控制器、物联网网关、信号输入输出设备、继电器、供电线路；远程管理部分包括运行云平台的远程服务器，处理图像信息并运行管理***的远程PC设备。
所述作物缺水诊断装置是利用照相机对作物的长势进行实时图像获取，通过***的Python软件分析确定作物缺水程度，计算出灌水量，将该信息传输给PLC，PLC通过控制阀门开度，精准喷洒需要的灌水量。
所述变量喷洒流量测量和控制装置通过建立供水管压力-调节阀开度-调节阀流量之间的数学模型，以供水管压力和目标流量作为输入，调节阀开度作为输出，控制每个调节阀开度实现流量的快速调节，阀门开度由安装在阀门上的直流电机远程控制，电机的能量也来源于太阳能。
与现有技术相较，本发明具有以下优点：
1、采用大功率设备交替供能的策略，使得喷灌机所需总功率降低，一方面提升了太阳能发电功率的利用率，一方面也降低了设备制造的成本；
2、采用实时采集数据及实时处理作物缺水信息的模块，在时间尺度上提升了对作物灌溉的精准度；
3、采用多分区的变量喷灌，流量调测一体装置可以保证流量稳定在某一个范围内，在空间尺度上实现了对作物的精准灌溉；
4、远程管控监视喷灌机设备运行作业，可进行无人值守的自动化作业，提升了工作效率，减少劳动力和工作量。
附图说明
图1是光伏驱动平移式喷灌机远程智能变量灌溉装置示意图；
图2是光伏驱动平移式喷灌机远程智能变量灌溉装置结构图；
图3是作物缺水诊断装置角度调节的原理图；
图4是流量调测一体装置压力与最大流量的关系曲线；
图5是流量调测一体装置工作特性曲线；
图6是光伏驱动平移式喷灌机远程智能变量灌溉装置运行流程图；
图7是光伏驱动平移式喷灌机远程智能变量灌溉装置操作界面设计。
具体实施方式
如图1所示，一种光伏驱动平移式喷灌机远程智能变量灌溉装置，所述装置由平移式喷灌机桁架1、太阳能驱动装置2、植物缺水诊断装置3、变量喷洒流量测量和控制装置4、灌溉远程智能控制***5组成。
所述平移式喷灌机桁架1包括喷灌机桁架、设备装设平台、车轮，由喷灌机桁架和车轮组成一个可移动几字形主架体，在主架体的一端低部设有设备装设平台。
所述太阳能驱动装置2由光伏板201太阳能控制器、蓄电池组202、直流稳压器、水泵驱动和行走驱动转换器组成，所述光伏板201安装在平移式喷灌机桁架1上靠近驱动和控制设备的一侧，所述太阳能控制器、蓄电池组202、直流稳压电源安装集中设备装设平台。
所述作物缺水诊断装置3安装在平移式喷灌机桁架1上，包括多个可调节角度的信息采集相机、供电线路、信息传输线路和数据分析设备，用于通过采集作物缺水信息决策各个喷灌区域的灌溉流量。本实施例包括可见光相机、物联网网关及远程分析数据用PC等设备。首先可见光相机采集作物长势信息形成图片信息，通过物联网网关上传到云端存储；然后远程的PC远程访问云端的信息，将采集到的作物长势图片信息下载后进行分析；接着通过图片信息拟合作物缺水信息，结合每个区域的灌溉时间生成各区域的喷灌流量；最后将决策得到的下一灌溉区域的灌溉流量数据传输到本地PLC，用于下一区域的喷灌指导用。
所述变量喷洒流量测量和控制装置4包括供水渠道401、加压水泵402、输水管道403、流量调测一体装置404、喷头405，所述供水渠道401安装在喷灌机的设备装设平台一侧，所述加压水泵402安装在供水渠道401和输水管道403中间，所述输水管道403上安装有若干流量调测一体装置404，每个流量调测一体装置404上安装有若干喷头405。用于将灌溉用水按照植物缺水诊断装置决策的各个分区喷灌流量灌溉给各个分区中。其中流量调测一体装置404，包括流量调节阀，压力传感器、调节阀电机驱动器等设备，该调节阀是针对户外喷灌环境选型的流量调节阀系列类型，材料为但不限于聚乙烯，具有一定的耐低温性能、耐酸碱侵蚀性。
其中灌溉远程精量控制***5分为本地决策及动作部分和远程管理部分，所述本地控制部分包括逻辑控制器、物联网网关、信号输入输出设备、继电器、供电线路；远程管理部分包括运行云平台的远程服务器，处理图像信息并运行管理***的远程PC设备。用于集中收集该装置上的所有设备信号、处理信息并将决策信息下达到每个设备处。本实施例选用设备包括电箱、PLC(可编程逻辑控制)、物联网网关、触摸屏、继电器等设备。此部分的具体连接方法见图2介绍。
如图2所示，为光伏驱动平移式喷灌机远程智能变量灌溉装置的结构图(图中省略给每个设备供电的线路)，核心设备为PLC(可编程逻辑控制器)，共可分为三个部分：光伏供电部分、本地决策及动作部分，远程管理部分。
其中光伏供电部分用于为整个***提供动力。本实施例所选设备包括太阳能发电板201、太阳能控制器、蓄电池组202、和直流稳压电源。其中太阳能发电板将光能转换为电能，输送给太阳能控制器通过实时的发电功率和应用功率决策给蓄电池组充电、或由蓄电池组供电，然后经由直流稳压电源为本地决策作业部分供电。
其中本地决策及动作部分用于本地一些基础决策的提出和动作的实行。本实施例选择领控PLC作为数据处理单元。其中通过Y口连接电磁继电器驱动水泵电机和行进驱动电机，通过高速输出Y口输出高速脉冲信号驱动步进电机的驱动器进而驱动调节阀步进电机，通过AD口(模拟量转数字量)读取压力变送器的压力数值，通过高速输入X口获取霍尔传感器读数以读取车轮的转速信息，通过RS232串口连接数据读写设备，通过RS485串口连接物联网网关以实现本地数据与云平台的数据互传，其中相机直接与物联网网关连接以通过物联网网关上传至云平台，其中物联网网关通过4G网络实现与云平台的数据互传。
其中远程管理部分用于实现对本地设备的远程监视和远程控制以及植物缺水诊断装置的数据处理模块。本实施例选择速控云平台作为云端管理平台。其中远程的控制监视平台在速控云自带的组态软件中设计编写，数据处理的模块通过云端预留的OPC接口与云平台进行数据传输，处理程序运行在远程的PC电脑上。
如图3所示，作物缺水诊断装置角度调节的原理图。本实施例选择可见光相机3进行作物缺水信息数据的采集，相机的采集角度可调，其角度与单次灌溉的区间和相机安装的高度有关。
其中α为可调角度的可见光相机3的采集角度，表示相机中轴线与水平线间的夹角。
其中H为可调角度的可见光相机3的安装高度，表示相机安装位置距离信息采集平面的数值距离。
其中L为喷头的喷洒直径，表示喷灌机喷头的喷灌范围。其中L1为两个喷洒区域的重合长度，由于喷洒区域为圆形，为了使得喷灌区域得到均匀的灌溉，前后两个灌溉作业的区域会有小距离的重合区域。
其中L0为喷灌机单次行进的距离，也表示相机提前采集作物缺水数据的延伸距离，表现为相机镜头中轴线和喷灌机前进方向的地平线的交点，与相机安装位置在喷灌机前进方向的地平线上投影的位置之间的距离。
通过相机的安装高度H、喷头的喷洒直径L、喷洒区域的重叠长度L1，可以计算得到此平移式喷灌机单次的行进距离和可见光相机的数据采集角度，如式4-1和式4-2所示。
L0＝L-L1 (式4-1)
Figure BDA0003545898840000071
如图4、图5所示，分别为流量调测一体阀的压力与最大流量关系曲线和调节阀工作特性曲线。调节阀的流量压力关系可以总结为式4-3、式4-4。
Figure BDA0003545898840000072
Figure BDA0003545898840000073
其中式3表示调节阀的最大流量仅与调节阀前后压差Δp、调节阀形式KQ、阀内流体介质种类ρ有关，本实施例中阀门的形式固定、阀内流体介质为水密度固定，即阀门调节阀的最大开度仅与调节阀前后压差相关，因此图3表现为一条单调递增的调节阀前后压差与最大流量之间的关系。
其中式4表示同一调节阀，其相对开度H/Hmax和相对流量Q/Qmax间的关系是固定的，不会随其他因素变化而变化。因此图3中的曲线在不同压力下，均表现为同一趋势的单调递增关系。
其中流量调测一体阀的流量值可由阀前压力和开度计算而得，同时若要调节管道流量到某一值，如式4-5所示；也可以通过调节阀开度和当前的压力计算到达此流量下调节阀需要达到的开度，如式4-6所示。
Figure BDA0003545898840000074
Figure BDA0003545898840000075
如图6所示，光伏驱动平移式喷灌机远程智能变量灌溉装置运行流程图，该装置具体以以下步骤运行：
步骤一，控制***中数据初始化、各个模块启动，手动设置或者继承上次运行的装置行进总距离L总、单次行进距离L0、轮胎直径D等参数。
步骤二，***判断总体行进是否完成，即当前行进距离L当前是否大于总体行进距离L总。若完成则***停止、设备关闭；若未完成行进驱动电机停止运行，并将此次的行进距离累加给当前型近距离，机具进入灌溉状态。
步骤三，***通过公式和当前压力值计算出每个喷头处流量值对应的开度值Hi，同时水泵驱动电机上电，各个调节阀调节开度到计算值。
步骤四，可见光相机拍摄采集对应位置的图像并上传至云端，远程作物缺水诊断模块获取图像信息并计算各个区域的的喷灌流量Qi、灌溉时间T。
步骤五，***判断灌溉当前灌溉批次的灌溉时间是否结束，若未结束，等待1S后再进行判断；若结束***关闭各个调节阀，并关闭水泵电机供电、为行进驱动电机供电，机具进入行进状态。
步骤六，判断当次行进是否结束，即***通过累计轮胎旋转次数a和轮胎的直径D计算当次行进的距离L当次行进，然后判断当次行进距离L当次行进是否大于等于装置的单次行进距离L0，若当次行进未结束，退回步骤五计算后继续判断；若结束，则进入步骤二判断是否要继续运行。
如图7所示，是光伏驱动平移式喷灌机远程智能变量灌溉装置操作界面设计。通过界面可以控制监视装置的设备运行和数据状态。
其中***启动按钮按下，***开始自动运行；手动操作按下，可以通过控制柜上的按钮对设备进行手动调试。
其中当前状态方框中显示设备处于的运行状态是行进状态还是喷灌状态，对应状态下状态标签对应的指示灯会亮起。
其中行进部分方框中显示行进相关的数据监视和参数测定，数据监视内容包括设备总体行进距离和当次行进距离；设定参数包括装置行进的总距离、单次行进距离和机具轮胎直径。
其中喷灌部分方框中显示喷灌状态相关的设备监视和数据监视，设备监视包括传感器数据采集和云端连接的检验，若正常运行对应的指示灯亮起；数据监视显示第一组喷头到第四组喷头流量调节阀前的压力、流量和当前的开度数据。
工作方式为一种新型太阳能喷灌机运行模式，喷灌机工作的过程中分为两种状态：状态1，机具停止、大部分设备模块开始运作，喷灌开启；状态2，机具行进、喷灌停止、仅少部分设备模块进行运作。即喷灌机上功率最大的两个模块交替动作，使得喷灌机的总体功率设计时不必考虑行进电机和水泵的功率之和，仅需考虑两者功率的较大者。
其中作物水分缺水信息诊断装置的核心设备是相机，可以对作物的长势进行实时的检测。相机采集的信号数据包括但不限于可见光、近红外光、红外光，以全面地对作物长势信息进行采集。其中可调节角度的相机安装架，安装架包括底座，摆臂、摆臂标线、旋紧螺母、刻度盘、固定安装孔等部件，还可包括驱动电机、电机驱动器等部件。通过对相机安装架调节角度手动或自动调节，可控制相机监测区域和当前作业区域之间的距离，从而适应不同分区策略、不同行进速度的检测需求。
软件数据处理模块运行的程序为匹配采集的作物缺水信息的小区喷灌流量及喷管时间程序。用于运行程序将根据通过设置的相机获取的作物长势信息，拟合出作物需要灌溉的水量，再匹配当前设置的灌溉分区策略、喷头的流量调节范围，自动化地规划出下一阶段的灌溉时间和每个分区的灌溉流量，提供给下一分区的灌溉作业使用。
其中，变量喷洒流量测量和控制装置，其中核心设备是流量调测一体装置，其包括流量调节阀，压力传感器、调节阀电机驱动器等设备。其中流量调节阀是针对户外喷灌环境设计选型的流量调节阀系列类型，材料为但不限于聚乙烯，要求具有一定的耐低温性能、耐酸碱侵蚀性。
配合调节阀的调节特性开发出一种调节快速稳定的控制策略，建立主管压力-调节阀开度-调节阀流量之间的数学模型。运行过程中，***以主管压力和目标流量作为输入，调节阀开度作为输出，从而控制每个调节阀开度达到***输出值，从而实现随流量的快速调节。
其中，远程精量控制***，所述装置包括逻辑控制器、信号输入输出设备、继电器、供电线路、保护电路、物联网网关等硬件设备。所述的硬件设备，其核心设备是逻辑控制器，与其他设备以相对应的通信协议与逻辑控制器进行数据交互。其他设备集中布置于逻辑控制器附近。
运行方式分为本地运行和远程运行两个模块：本地运行模块部分运行时，在本地端的信号输入输出设备上进行基础参数的设置，装置可统筹各个模块自动进行精量灌溉作业。远程运行模块，是在本地运行的基础上外接远程管控监视云平台，可以实现装置的远程管理控制和运行状态的远程检测。

Claims (5)

1.一种光伏驱动平移式喷灌机远程智能变量灌溉装置，其特征在于：所述装置由平移式喷灌机桁架(1)、太阳能驱动装置(2)、植物缺水诊断装置(3)、变量喷洒流量测量和控制装置(4)、灌溉远程智能控制***(5)组成；
所述平移式喷灌机桁架(1)包括喷灌机桁架、设备装设平台、车轮，由喷灌机桁架和车轮组成一个可移动几字形主架体，在主架体的一端低部设有设备装设平台；
所述太阳能驱动装置(2)由光伏板(201)、太阳能控制器、蓄电池组(202)、直流稳压器、水泵驱动和行走驱动转换器组成，所述光伏板(201)安装在平移式喷灌机桁架(1)上靠近驱动和控制设备的一侧，所述太阳能控制器、蓄电池组(202)、直流稳压电源安装集中设备装设平台；
所述作物缺水诊断装置(3)安装在平移式喷灌机桁架(1)上，包括多个可调节角度的信息采集相机、供电线路、信息传输线路和数据分析设备；
所述变量喷洒流量测量和控制装置(4)包括供水渠道(401)、加压水泵(402)、输水管道(403)、流量调测一体装置(404)、喷头(405)，所述供水渠道(401)布置在喷灌机设备装设平台一侧，所述加压水泵(402)安装在供水渠道(401)和输水管道(403)中间，所述输水管道(403)上安装有若干流量调测一体装置(404)，每个流量调测一体装置(404)上安装有若干喷头(405)；
所述远程精量控制***(5)分为本地决策及动作部分和远程管理部分，所述本地控制部分包括逻辑控制器、物联网网关、信号输入输出设备、继电器、供电线路；远程管理部分包括运行云平台的远程服务器，处理图像信息并运行管理***的远程PC设备。
2.一种光伏驱动平移式喷灌机远程智能变量灌溉装置，其特征在于：所述光伏板(201)水平安装在喷灌机桁架上靠近设备装设平台一侧。
3.根据权利要求1所述的一种光伏驱动平移式喷灌机远程智能变量灌溉装置，其特征在于：所述作物缺水诊断装置(3)是利用照相机对作物的长势进行实时图像获取，通过***的Python软件分析确定作物缺水程度，计算出灌水量，将该信息传输给PLC，PLC通过控制阀门开度，精准喷洒需要的灌水量。
4.根据权利要求1所述的一种光伏驱动平移式喷灌机远程智能变量灌溉装置，其特征在于：所述变量喷洒流量测量和控制装置(4)通过建立供水管压力-调节阀开度-调节阀流量之间的数学模型，以供水管压力和目标流量作为输入，调节阀开度作为输出，控制每个调节阀开度实现流量的快速调节，阀门开度由安装在阀门上的直流电机远程控制，电机的能量也来源于太阳能。
5.根据权利要求1所述的一种光伏驱动平移式喷灌机远程智能变量灌溉装置，其特征在于：所述远程精量控制***分为本地决策及动作部分和远程管理部分，所述本地控制部分包括逻辑控制器、物联网网关、信号输入输出设备、继电器、供电线路；远程管理部分包括运行云平台的远程服务器，处理图像信息并运行管理***的远程PC设备。
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