CN114532196A - 基于水流量传感器的清洁型能源农田灌溉***及灌溉方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于水流量传感器的清洁型能源农田灌溉***及灌溉方法，该***包括水量控制***、清洁型能源供电***、提水灌溉***和云平台控制***，水量控制***包括控制器、水流量传感器、土壤湿度传感器，水流量传感器、土壤湿度传感器均与控制器连接，控制器连接云平台控制***；云平台控制***向控制器传输理论需水量，土壤湿度传感器采集土壤湿度并传输给控制器，水流量传感器采集管道中流经的水量，控制器根据土壤湿度计算出土壤含水量，并根据土壤含水量与理论需水量之间的差值确定是否启动提水灌溉***进行提水，以及根据采集的水量确定是否关闭提水灌溉***。本发明可以实现灌溉水量的精确控制及灌溉区域的精确定位。
Description
技术领域
本发明涉及农业技术领域，特别涉及一种基于水流量传感器的清洁型能源农田灌溉***及灌溉方法。
背景技术
近年来随着房地产产业的蓬勃发展，城市开发导致了大量的优质农田被占用，我国每年依然需要大量进口粮食。当前国际环境中不稳定不确定因素明显增加，粮食安全仍是第一大事。为了响应国家绿色发展的号召，利用风能、水能和太阳能发电为农作物灌溉提供一种清洁型自然能源，能够实现资源最优利用。农田灌溉所涉及到的何时、何地需要灌溉以及农作物所需要的水量问题，做到精准匹配对于农作物生长是极其重要的。目前的灌溉***还不能达到这样的使用需求。
发明内容
本发明的目的在于对农作物生长所需要水量的大小与灌溉水量做到精准匹配，提供了一种基于水流量传感器的清洁型能源农田灌溉***及灌溉方法。
为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：
一种基于水流量传感器的清洁型能源农田灌溉***，包括水量控制***、清洁型能源供电***、提水灌溉***和云平台控制***，水量控制***包括控制器、水流量传感器、土壤湿度传感器，水流量传感器、土壤湿度传感器均与控制器连接，控制器连接云平台控制***；云平台控制***用于向控制器传输理论需水量，土壤湿度传感器用于采集土壤湿度并传输给控制器，水流量传感器用于采集管道中流经的水量，控制器根据土壤湿度计算出土壤含水量，并根据土壤含水量与理论需水量之间的差值确定是否启动提水灌溉***进行提水，以及根据采集的水量确定是否关闭提水灌溉***。
进一步细化的方案中，所述水量控制***还包括若干管道、管道阀门和继电器，所述继电器与控制器连接，所述管道阀门与继电器连接，管道阀门安装于管道上。本方案中，通过继电器控制管道阀门，相比于人工控制，不仅可以实现自动化，而且控制精度更高。
进一步优化的方案中，所述水量控制***还包括液晶显示屏，所述液晶显示屏与控制器连接。本方案中，通过设置液晶显示屏进行显示，可以方便于查看，以及当出现异常时即及时进行处理。
进一步优化的方案中，所述提水灌溉***包括水泵、蓄水池、电机、电机驱动电路，水泵连接电机，电机连接电机驱动电路，控制器连接电机驱动电路，水泵通过管道将水提至蓄水池。本方案中，通过电机驱动电路控制电机的转子转动速度可以初步控制提水量，继而通过水量控制***实现灌溉水量的精确控制。
进一步优化的方案中，所述清洁型能源供电***包括清洁型发电设备、超级电容和卸荷器，清洁型发电设备将所发电能存储到超级电容中，卸荷器与超级电容连接。清洁型发电设备包括光伏发电板、水力发电机、风力发电机中的一种或多种。本方案中，采用清洁型能源供电，且多种发电方式配合使用，在保障足够电能的同时，有效利用了自然资源，且绿色环保。
进一步优化的方案中，所述云平台控制***包括云服务器和/或移动终端，当云平台控制***同时包括云服务器和移动终端时，云服务器与移动终端通信连接。通过云服务器可以实现自动控制，通过移动终端可以实现用户远程手动控制及查看，适用性强。
进一步优化的方案中，还包括北斗定位***，所述北斗定位***与所述云平台控制***通信连接，所述北斗定位***用于对需要灌溉的区域进行定位，并将定位结果传输给所述云平台控制***。不同农作物在不同生长期所需要的水量是不同的，当农田的分布区域较大仅需要对局部区域进行灌溉时，通过定位***进行局部定位，可以更加精准地对需要灌溉的耕地区域进行灌溉，而不会导致不需要灌溉的耕地的区域过度灌溉。
本发明同时提供了一种基于水流量传感器的清洁型能源农田灌溉***的灌溉方法，包括以下步骤：
云平台控制***将理论需水量参数传输给控制器；
土壤湿度传感器采集土壤湿度并传输给控制器；
控制器根据土壤湿度计算出土壤含水量，并根据土壤含水量与理论需水量之间的差值确定是否启动提水灌溉***进行提水，如果是则启动提水灌溉***进行提水，并通过水流量传感器检测水量，如果水量达到灌溉标准则关闭提水灌溉***，否则继续提水灌溉；理论需水量
R为植物溪水能力，P为降水量，C为光照强度，k1、k2、k3、k4均为比例系数。
所述启动提水灌溉***进行提水的步骤，包括：继电器控制管道阀门打开，电机驱动电路控制水泵提水量。
在进一步优化的方案中，还包括步骤：利用定位***定位出需要灌溉的区域，利用外部灌溉设施对定位出的区域进行灌溉。
与现有技术相比，本方案通过添加水流量传感器和土壤湿度传感器可以精准的对农作物实施灌溉，避免了农作物灌溉不足和灌溉过多现象的发生，有利于农作物量产。本方案还接入了电机驱动电路，针对不同的农作物提供不同水量的灌溉。本方案在管道处设置小型水力发电机，当灌溉农作物的时候利用能量转化从而为***供电。本方案的供电能源清洁无污染且能量转化率较高，保护环境的同时节约成本。本方案使用了北斗定位***对需要灌溉的耕地位置定位，为灌溉工作提高了效率。本方案通过云服务器对***各个传感器数据进行采集、保存与计算，并且可以通过移动终端实时检测农作物灌溉情况，最终实现远程控制农作物灌溉，为农作物种植提供了极大的便利。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为实施例中灌溉***的总框图；
图2为实施例中灌溉***中的各组成***间的连接关系图；
图3为实施例中灌溉***的工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图3，本实施例中提供的基于水流量传感器的清洁型能源农田灌溉***，包括水量控制***、清洁型能源供电***、提水灌溉***和云平台控制***。
其中，水量控制***包括水流量传感器、土壤湿度传感器、单片机、继电器、管道阀门、液晶显示屏和若干管道。
水流量传感器安装于管道内，当水流通过水流量传感器时，其转子转动产生脉冲信号，即可采集获得流经管道的水量。
土壤湿度传感器设置于土壤中，当土壤所含的水分发生变化时，土壤湿度传感器就会产生电信号，采集获得土壤湿度信息。
水流量传感器、土壤湿度传感器、继电器、液晶显示屏均与单片机连接，单片机根据水量和土壤湿度信息给继电器发出控制指令。单片机可以采用 STC89C52芯片。本实施例中采用单片机作为控制器，但是也可以采用处理器等其他实施方式。
继电器与管道阀门连接，继电器用于控制管道阀门的开启与闭合。具体地，当土壤湿度较大时，继电器接收到单片机的控制指令后控制管道阀门的关闭，防止水量过多淹没农作物；当土壤湿度不够时，单片机控制继电器将管道上的阀门打开，开始灌溉农作物，当灌溉的水量达到农作物所需水量时，单片机控制继电器将管道阀门关闭，结束灌溉，完成***水量的精准控制。
液晶显示屏用来显示水量大小和土壤湿度以及温度等参数，其参数阈值可根据不同的作物生长阶段的习性和不同的天气状况调节。
影响农作物灌溉水量的因素主要包括：耕地面积大小S、植物吸水能力R、降水量P、光照强度C。这些因素将直接影响土壤的干湿度，进而影响土壤水分总贮存量大小，其中，耕地面积对灌溉水量的影响可通过对单位面积的灌溉水量进行倍乘计算得出土壤含水量。相应的，除耕地面积影响因素以外，其他因素通过改变土壤的水分含量从而影响灌溉水量，进而影响水泵抽出水的体积。以上影响因素与土壤湿度M关系式为：
进而得出土壤湿度M 与灌溉水量V的关系式可表示为：
其中k1、k2、k3、k4均为比例系数。
基于不同的农作物耕地面积庞大需要种植多种农作物，而不同农作物在不同季节、不同生长时期的灌溉方案k1、k2、k3、k4均不相同。因此为了更准确地进行精确灌溉，本方案中利用了定位技术对需要灌溉的局部区域进行定位。本方案采用我国自主研发的北斗卫星定位***，针对需要灌溉的部分耕地进行卫星定位，从而划分耕地区域进行灌溉。北斗卫星定位***定位准确、精密授时，处于野外、山坡等空旷地带时，北斗卫星定位***依然能够提供全天候的高精度卫星定位服务。北斗终端将信号通过卫星传输至地面接收机，地面接收机接收到卫星信号后使用TCP/IP协议，通过以太网将信息传输至云服务器，进而传输到用户移动终端，用户打开移动终端中安装的地图软件即可查询到需要灌溉的耕地位置。由于耕地处于野外、山坡等地带，所以针对无信号的情况时，本方案可利用北斗短报文通信服务向地面接收机发送耕地位信息，通过卫星广播将信息发送至移动终端。即是说，通过定位***进行定位，不仅可以方便于用户直观地在移动终端上查看需要灌溉的区域，而且也可以通过外部灌溉设施对需要灌溉的区域进行精确灌溉。
由于农作物种植种类繁多，不同的农作物对水量的需求也不相同，例如水稻的灌溉水量要远超过玉米，针对不同农作物的需水量问题，本发明对于农作物的初步灌溉设计了电机驱动电路，其工作原理为：水泵需要连接一个电机，电机通过电机驱动电路控制水泵抽水体积。所述清洁型能源供电***为湿度阈值电路中的单片机提供电压脉冲信号，通过电压脉冲信号的高低电平改变电机转子的转速，转速越快水泵抽出水的体积越大。与此同时，本发明对于精准控制灌溉水量大小添加了水流量传感器，水流量传感器实时检测水流量大小，最终单片机通过继电器控制何时结束灌溉。
其中，提水灌溉***包括水泵、蓄水池、电机、电机驱动电路和若干管道。水泵连接电机，电机连接电机驱动电路，单片机连接电机驱动电路，单片机通过电压脉冲信号的高低电平改变电机转子的转速，转速越快水泵抽出水的体积越大，水泵将水提至蓄水池。蓄水池通过管道连接外部灌溉设施，水量控制***布置于蓄水池与外部灌溉设施之间。蓄水池中的蓄水量通过电机进行初步控制，再通过水量控制***对通过外部灌溉设施喷出的水量进行更加精确的控制，双重控制手段以保障精确灌溉的精度。
其中，清洁型能源供电***包括清洁型发电设备、超级电容和卸荷器，清洁型发电设备包括光伏发电板、水力发电机、风力发电机中的一种或多种，清洁型发电设备将所发电能存储到超级电容中，卸荷器与超级电容连接，用于将多余的电量卸载掉，以防止超级电容过充。清洁型能源供电***为水泵及水量控制***中的用电设备提供电能。
其中，本实施例中，云平台控制***包括云服务器和移动终端，云服务器备份农作物灌溉所需要的各种参数，且跟随农作物的生长期或农作物种类或气候条件等因素的变化，参数适应性调整。由于种植的农作物种类繁多，云平台需要备份所有以及各方面农作物对水量需求的数据，例如灌溉水量大小、最大吸湿量等，并将参数通过无线模块传输至单片机。土壤湿度传感器检测土壤含水量后将参数同时传输至单片机，单片机对土壤实际含水量与农作物理论需水量进行比对，从而判断农作物是否需要灌溉，进而控制管道阀门是否需要开启。
借助云开发服务实现针对本***的小程序或手机APP的构建。***进行远程控制，可通过操作移动终端选择灌溉农作物种类，云服务器对接收到的运行数据进行处理分析后，可通过移动终端查询云服务器处理分析后的运行数据，移动终端根据查询到的运行数据对***的运行状态进行控制，如需停止灌溉，可随时操作移动终端。本发明通过云服务器、移动终端不但可以实现下位机的自动控制，还可以进行上位机远程控制。
可参见图2和图3，上述灌溉***中，清洁型能源供电***为整个灌溉***提供电源，云服务器将需要灌溉的农作物参数传输至单片机，例如农作物灌溉水量理论需求值，同时土壤湿度传感器将土壤实际含水量数据传输至单片机，土壤湿度受光照强度、降水量等因素的影响，相应地农作物需水量也会发生变化。灌溉***利用北斗定位确定出需要灌溉的耕地位置并通过云服务器传输至移动终端。单片机通过对云服务器和土壤湿度传感器传输的数据进行判断，判断农作物是否需要灌溉，若需要则通过继电器控制管道阀门打开，进而通过电机驱动电路初步控制水泵提水的体积，水流量传感器检测流经管道的水流量大小，当流过的水量达到云服务器传输至单片机的水量大小时，单片机通过控制继电器关闭管道阀门，灌溉结束。移动终端通过与云服务器之间进行数据的相互传输，使用基于鸿蒙***的华为移动终端，只需登录同一个华为账号即可实现多设备协同远程控制。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于水流量传感器的清洁型能源农田灌溉***，其特征在于，包括水量控制***、清洁型能源供电***、提水灌溉***和云平台控制***，水量控制***包括控制器、水流量传感器、土壤湿度传感器，水流量传感器、土壤湿度传感器均与控制器连接，控制器连接云平台控制***；云平台控制***用于向控制器传输理论需水量，土壤湿度传感器用于采集土壤湿度并传输给控制器，水流量传感器用于采集管道中流经的水量，控制器根据土壤湿度计算出土壤含水量，并根据土壤含水量与理论需水量之间的差值确定是否启动提水灌溉***进行提水，以及根据采集的水量确定是否关闭提水灌溉***。
2.根据权利要求1所述的基于水流量传感器的清洁型能源农田灌溉***，其特征在于，所述水量控制***还包括若干管道、管道阀门和继电器，所述继电器与控制器连接，所述管道阀门与继电器连接，管道阀门安装于管道上。
3.根据权利要求1所述的基于水流量传感器的清洁型能源农田灌溉***，其特征在于，所述水量控制***还包括液晶显示屏，所述液晶显示屏与控制器连接。
4.根据权利要求1所述的基于水流量传感器的清洁型能源农田灌溉***，其特征在于，所述提水灌溉***包括水泵、蓄水池、电机、电机驱动电路，水泵连接电机，电机连接电机驱动电路，控制器连接电机驱动电路，水泵通过管道将水提至蓄水池。
5.根据权利要求1所述的基于水流量传感器的清洁型能源农田灌溉***，其特征在于，所述清洁型能源供电***包括清洁型发电设备、超级电容和卸荷器，清洁型发电设备将所发电能存储到超级电容中，卸荷器与超级电容连接。
6.根据权利要求5所述的基于水流量传感器的清洁型能源农田灌溉***，其特征在于，清洁型发电设备包括光伏发电板、水力发电机、风力发电机中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的基于水流量传感器的清洁型能源农田灌溉***，其特征在于，所述云平台控制***包括云服务器和/或移动终端，当云平台控制***同时包括云服务器和移动终端时，云服务器与移动终端通信连接。
8.根据权利要求1-7任一所述的基于水流量传感器的清洁型能源农田灌溉***，其特征在于，还包括北斗定位***，所述北斗定位***与所述云平台控制***通信连接，所述北斗定位***用于对需要灌溉的区域进行定位，并将定位结果传输给所述云平台控制***。
9.基于权利要求1所述的一种基于水流量传感器的清洁型能源农田灌溉***的灌溉方法，其特征在于，包括以下步骤：
云平台控制***将理论需水量参数传输给控制器；
土壤湿度传感器采集土壤湿度并传输给控制器；
控制器根据土壤湿度计算出土壤含水量，并根据土壤含水量与理论需水量之间的差值确定是否启动提水灌溉***进行提水，如果是则启动提水灌溉***进行提水，并通过水流量传感器检测水量，如果水量达到灌溉标准则关闭提水灌溉***，否则继续提水灌溉；理论需水量
R为植物溪水能力，P为降水量，C为光照强度，k1、k2、k3、k4均为比例系数。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述启动提水灌溉***进行提水的步骤，包括：继电器控制管道阀门打开，电机驱动电路控制水泵提水量。
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