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開閉環結合的水肥一體自動澆灌系統及其控制方法.pdf

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開閉 結合 水肥 一體 自動 澆灌 系統 及其 控制 方法
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摘要
申請專利號:

CN201710026425.3

申請日:

20170113

公開號:

CN106612867A

公開日:

20170510

當前法律狀態:

有效性:

有效

法律詳情:
IPC分類號: A01C23/04,A01C23/00 主分類號: A01C23/04,A01C23/00
申請人: 湖南省農業信息與工程研究所
發明人: 李睿,肖和艾,劉學文,彭新德
地址: 410125 湖南省長沙市芙蓉區遠大二路892號1
優先權: CN201710026425A
專利代理機構: 北京路浩知識產權代理有限公司 代理人: 湯財寶
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201710026425.3

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

本發明提供一種開閉環結合的水肥一體自動澆灌系統及其控制方法,該系統包括輸送和控制裝置,輸送裝置包括多組儲液池和送單元,各輸送單元均包括進水、進肥和出液管;各進水、進肥及出液管上均連接閥門;各儲液池和輸送單元與預設區域及其控制裝置一一對應;控制裝置為移動數傳模塊、無線傳感網以及繼電器;該系統包含開環、閉環兩個部分,開環部分接收、執行命令,實現水肥混灌,閉環部分感知土壤濕度,實現自動灌水;控制裝置中,移動數傳模塊用于接收手機客戶端下達的命令;無線傳感網用于傳輸、分析、執行命令;繼電器用于實現命令的動作;本系統開閉環部分均可獨立工作。

權利要求書

1.一種開閉環結合的水肥一體自動澆灌系統,其特征在于,包括輸送裝置和控制裝置,其中:所述輸送裝置包括:儲液池,用于儲存水肥混合液;多組輸送單元,分別與所述儲液池連接,每組所述輸送單元均包括進水管、進肥管和出液管,其中進水管與出液管之間有一根短接管,每根所述進水管、進肥管、出液管以及短接管上均連接有一個閥門;所述控制裝置包括:網關,用于通過移動通信網絡接收所述命令,命令有施肥、停止、查詢預設節點狀態等類型;WSN,用于指令、數據的獲取與傳遞,數據的分析與業務邏輯的控制,以及指令的執行;網關終端由WSN終端節點實現,所述WSN終端節點用于通過串口從網關獲取指令及參數,并對指令進行預分析;控制終端由WSN終端節點實現,所述WSN終端節點用于接收由網關終端傳遞的指令和參數,控制一組所述輸送單元中的所述入水、入肥和輸出閥門,并向所述網關終端發送工作狀態信息、向所述WSN協調節點發送所述該組輸送單元所處開閉環的狀態信息;協調節點由WSN協調器實現,所述WSN協調器用于建網,協調開閉環工作,接收所述控制終端的開閉環狀態信息。2.根據權利要求1所述的開閉環結合的水肥一體自動澆灌系統,其特征在于,所述水肥一體自動澆灌系統還包括:多個土壤濕度傳感器模塊,每個傳感器的感應端插入一個預設區域的土壤中,用于感應所述預設區域的土壤濕度,并在所述預設區域的土壤濕度發生變化時輸出不同幅值的電平信號;采集終端由WSN終端節點實現,所述WSN終端節點通過所述土壤濕度傳感器模塊,采集所述預設區域土壤濕度信息,并將該信息發送給所述協調節點,所述采集終端不承擔數據中繼傳送的任務;采集路由由WSN路由節點實現,所述WSN路由節點通過所述土壤濕度傳感器模塊,采集所述預設區域土壤濕度信息,將該信息發送給所述協調節點,并承擔數據中繼傳送的任務;協調節點由WSN協調器實現,所述協調節點還用于接收所述采集終端或所述采集路由傳遞的所述預設區域的土壤濕度信息,當某組所述預設區域處于閉環狀態時,所述協調節點依土壤濕度信息,對所述控水終端下達指令,當所述預設區域處于開環狀態時,所述協調節點仍接收其土壤濕度信息,但不進行業務邏輯判斷,不對所述控水終端下達指令;控水終端由WSN終端節點實現,所述WSN終端節點用于接收所述協調節點發出的灌水指令,依此控制各組所述輸送單元中入水、輸出間的短接閥門,實現所述預設區域自動灌水的啟動和停止。3.根據權利要求2所述的開閉環結合的水肥一體自動澆灌系統,其特征在于,所述土壤濕度傳感器模塊包括:土壤濕度探頭,用于感應土壤濕度,并在土壤濕度發生變化時導通或斷開電路,從而復位、置位光耦繼電器;所述光耦繼電器,輸入端連接所述土壤濕度探頭,輸出端為一對常開觸點,其中一個觸點作為輸出端,連接所述采集終端或采集路由的輸入IO口,輸出端另一個觸點接地,當土壤濕潤時,探頭導通,置位所述繼電器,此時輸出端與地短接,從而輸出低電平,當土壤干燥時,探頭斷開,繼電器復位,此時輸出端懸空,相當于向所述采集終端或采集路由輸出高電平。4.根據權利要求1~3任一項所述的開閉環結合的水肥一體自動澆灌系統,其特征在于,所述閥門包括電磁閥,每個所述電磁閥的控制端均通過所述繼電器與所述控制終端連接;每個所述控制終端包括至少三個IO端口,每個所述IO端口均連接一個所述繼電器,然后通過所述繼電器連接電磁閥,其中第一IO端口與入水管的電磁閥相連,第二IO端口與入肥管的電磁閥相連,第三IO端口與輸液管的電磁閥相連。5.一種開閉環結合的水肥一體自動澆灌系統控制方法,其特征在于,包括以下步驟:所述手機客戶端向預設的目標節點發出命令,經移動通信網絡傳遞給所述網關;所述網關接收到所述命令后,通過所述串口將所述命令傳遞給所述網關終端;所述網關終端對接收自所述網關的命令進行預分析,以判明指令類型,確定指令是否正確,并拒絕垃圾信息,并確定指令狀態信息,若為施肥、停止命令,則依通信簇將命令、參數等數據傳遞給命令中指定的所述控制終端,若為查詢命令,則獲取保存于所述網關終端中的所述控制終端提交的工作狀態信息,然后對下達指令的所述手機客戶端進行回應,反饋指令狀態或控制終端的工作狀態;預設的所述控制終端依通信簇接收所述指令、參數并執行控制動作,通過控制IO端口,從而控制繼電器,繼而控制電磁閥,向對應于預設的所述控制終端的預設區域施肥。6.根據權利要求5所述的開閉環結合的水肥一體自動澆灌系統控制方法,其特征在于,所述控制方法還包括以下步驟:預設的所述控制終端在開始和完成控制動作后,均向所述網關終端、協調節點反饋工作狀態信息、開閉環狀態信息;對于正確的指令,所述網關終端通過串口將回應信息傳送給網關,并經移動通信網絡發送給所述手機客戶端。7.根據權利要求5或6所述的開閉環結合的水肥一體自動澆灌系統控制方法,其特征在于,所述預設的所述控制終端接收所述命令,執行控制動作,控制閥門動作,向對應于預設的所述控制終端的預設區域施肥,包括:所述預設的所述控制終端接收所述施肥命令,依從參數數據中獲得的灌溉量、水肥比例,以及系統中預存的入水流速、入肥流速、輸出流速計算出入水時間、入肥時間、輸出時間,取入水時間、入肥時間中較小者為第一預設時間,二者間的差值為第二預設時間,輸出時間為第三預設時間所述控制終端相應的第一IO端口、第二IO端口發送復位指令,同時進水、進肥,以充分混合水肥,并縮短作業時間;所述第一IO端口、第二IO端口接收所述復位指令輸出低電平,打開相連的入水閥、入肥閥,達到第一預設時間時,預設控制終端向第一IO端口或第二IO端口發送置位指令,關閉時間值較短的閥門,保持時間值較長的閥門的打開狀態,直至第二預設時間超時,預設控制終端才向尚未置位的IO端口發出置位指令,控制所需時間值較長的閥門關閉;所述第一IO端口、第二IO端口全部置位后,輸入作業結束,所述控制終端向第三IO端口發送復位指令,打開輸出閥開始輸出,向所述預設區域進行水肥混灌,直至第三預設時間超時,此時向第三IO端口發送置位指令,關閉輸出閥,結束施肥作業;所述預設的所述控制終端接收所述停止命令,立即置位第一IO端口、第二IO端口,關閉相連的入水、入肥電磁閥,同時復位第三IO端口,打開輸出閥,直至第三預設時間超時,然后置位第三IO端口,關閉輸出閥;所述第一IO端口、第二IO端口、第三IO端口接收所述置位指令,輸出高電平,從而復位與端口相連的所述繼電器,使得與所述第一IO端口連接的入水閥、與所述第二IO端口連接的入肥閥以及與所述第三IO端口連接的輸出閥門分別關閉;所述第一IO端口、第二IO端口、第三IO端口接收所述復位指令,輸出低電平,從而置位與端口相連的所述繼電器,使得與所述第一IO端口連接的入水閥、與所述第二IO端口連接的入肥閥以及與所述第三IO端口連接的輸出閥分別打開。8.一種水肥一體自動澆灌系統控制方法,其特征在于,包括以下步驟:與每個土壤濕度傳感器模塊對應連接的采集終端或采集路由,通過將IO設置為輸入,從而接收所述土壤濕度傳感器模塊的輸出,從而獲取所述預設區域的濕度信息,并將所述濕度信息號傳遞給所述協調節點;協調節點接收所述預設區域的濕度信息,首先判斷所述預設區域是否處于開環狀態,若是則拋棄數據,不進行任何動作,否則,若濕度信息為土壤缺水,則通過所述控水終端的IO端口,向所述缺水的所述預設區域下達灌水指令,若濕度信息表明土壤濕潤,則通過所述控水終端的IO端口,向所述濕潤的所述預設區域下達停止灌水指令;所述采集終端或采集路由布設于所述預設區域,并與預設區域一一對應,所述控水終端的IO端口與所述各組輸送單元中短接入水、輸出管道的電磁閥一一對應,即所述控水終端的IO端口與所述預設區域一一對應。9.根據權利要求8所述的水肥一體自動澆灌系統控制方法,其特征在于,與所述采集終端或采集路由對應的所述控水終端接收所述灌溉命令及停止灌溉命令,并執行控制動作,通過復位、置位相應的IO端口,使得繼電器置位、復位,從而控制所述電磁閥執行相應動作,完成向所述預設區域灌水,包括:與所述采集終端或采集路由對應的所述控水終端接收所述灌水命令,對所述控水終端IO端口中相應的一個發送復位指令;所述IO端口中相應的一個接收所述復位指令輸出低電平,以使與所述的一個IO端口連接的繼電器動作,從而打開相應的所述一組輸送單元中短接入水、輸出管道的電磁閥;所述IO端口中相應的一個接收所述置位指令輸出高電平,以使與所述IO端口連接的繼電器動作,從而關閉相應的所述一組輸送單元中短接入水、輸出管道的電磁閥。10.一種澆灌系統控制方法,其特征在于,包括以下步驟:協調節點接收來自于各傳感器的濕度信號,并檢查標識;控制終端接收通過網關終端送達的施肥命令,在開始工作時,向所述協調節點發送開閉環狀態信息,所述協調節點接收信息后,將其標識為開環狀態,此時所述協調節點仍接收與該所述控制終端相應的所述預設區域的濕度信息,但不處理,保證開環部分的順利作業;所述控制終端接收通過所述網關終端送達的施肥命令,在開始工作時,向所述網關終端發送工作狀態為忙的信息,所述網關終端接收信息后,不再接收針對與此所述控制終端對應的所述預設區域的施肥作業指令;所述控制終端接收通過所述網關終端送達的施肥命令,在結束工作時,向所述協調節點發送開閉環狀態信息,所述協調節點接收信息后,將其標識為閉環狀態,此時所述協調節點接收與該所述控制終端相應的所述預設區域的濕度信息,并進行分析處理,保證閉環部分的順利作業;所述控制終端接收通過所述網關終端送達的施肥命令,在結束工作時,向所述網關終端發送工作狀態為就緒的信息,所述網關終端接收信息后,可以再次接收針對與此所述控制終端對應的所述預設區域的施肥作業指令;所述協調節點啟動時,將各預設區域的開閉環標識設為閉環,這樣即便沒有開環部分,閉環系統也能正常工作;所述控制終端啟動時,立即向協調節點、網關終端發送開始工作的狀態信息,并通過第三IO端口,打開輸出電磁閥,按儲液池已滿的狀態進行輸出操作;由所述協調節點的邏輯可知,所述水肥一體自動澆灌系統,即便沒有閉環部分,開環部分也能正常工作。

說明書

技術領域

本發明涉及土壤灌溉技術領域,更具體地,涉及一種開閉環結合的水肥一體自動澆灌系統及其控制方法。

背景技術

目前大多自動灌溉系統依據土壤濕度情況,采用閾值控制。如溫室自動灌溉系統、果園自動灌溉系統等。這些系統通常只能進行水分的灌溉作業,適宜在封閉環境,如日光溫室中使用,沒有考慮施肥方面,難以滿足多種種植環境下作物不同生理期的需水、需肥要求。

有些系統采用人工啟閉機電設備,實現了水肥的混灌,但難以做到精量施肥,目前這類半自動化系統在日光溫室中,仍有大量應用。人工勞動強度大,且效率較低。

發明內容

本發明提供一種開閉環結合的水肥一體自動澆灌系統及其控制方法,用于克服現有技術的缺陷,旨在降低人工勞動,提高作業效率和液肥利用率。

為實現上述目的,本發明提供一種開閉環結合的水肥一體自動澆灌系統,包括輸送裝置和控制裝置,其中:

所述輸送裝置包括:

儲液池,用于儲存水肥混合液;

多組輸送單元,分別與所述儲液池連接,每組所述輸送單元均包括進水管、進肥管和出液管,其中進水管與出液管之間有一根短接管,每根所述進水管、進肥管、出液管以及短接管上均連接有一個閥門;

所述控制裝置包括:

網關,用于通過移動通信網絡接收所述命令,命令有施肥、停止、查詢預設節點狀態等類型;

WSN,用于指令、數據的獲取與傳遞,數據的分析與業務邏輯的控制,以及指令的執行;

網關終端由WSN終端節點實現,所述WSN終端節點用于通過串口從網關獲取指令及參數,并對指令進行預分析;

控制終端由WSN終端節點實現,所述WSN終端節點用于接收由網關終端傳遞的指令和參數,控制一組所述輸送單元中的所述入水、入肥和輸出閥門,并向所述網關終端發送工作狀態信息、向所述WSN協調節點發送所述該組輸送單元所處開閉環的狀態信息;

協調節點由WSN協調器實現,所述WSN協調器用于建網,協調開閉環工作,接收所述控制終端的開閉環狀態信息。

進一步地,所述水肥藥一體自動澆灌系統還包括:

多個土壤濕度傳感器模塊,每個傳感器的感應端插入一個預設區域的土壤中,用于感應所述預設區域的土壤濕度,并在所述預設區域的土壤濕度發生變化時輸出不同幅值的電平信號;

采集終端由WSN終端節點實現,所述WSN終端節點通過所述土壤濕度傳感器模塊,采集所述預設區域土壤濕度信息,并將該信息發送給所述協調節點,所述采集終端不承擔數據中繼傳送的任務;

采集路由由WSN路由節點實現,所述WSN路由節點通過所述土壤濕度傳感器模塊,采集所述預設區域土壤濕度信息,將該信息發送給所述協調節點,并承擔數據中繼傳送的任務;

協調節點由WSN協調器實現,所述協調節點還用于接收所述采集終端或所述采集路由傳遞的所述預設區域的土壤濕度信息,當某組所述預設區域處于閉環狀態時,所述協調節點依土壤濕度信息,對所述控水終端下達指令,當所述預設區域處于開環狀態時,所述協調節點仍接收其土壤濕度信息,但不進行業務邏輯判斷,不對所述控水終端下達指令;

控水終端由WSN終端節點實現,所述WSN終端節點用于接收所述協調節點發出的灌水指令,依此控制各組所述輸送單元中入水、輸出間的短接閥門,實現所述預設區域自動灌水的啟動和停止。

進一步地,所述傳感器包括:

土壤濕度探頭,用于感應土壤濕度,并在土壤濕度發生變化時導通或斷開電路,從而產生不同幅值的電平,從而復位、置位光耦繼電器;

所述光耦繼電器,輸入端連接所述土壤濕度探頭,輸出端為常開觸點,其中一個觸點作為輸出端,連接所述采集終端或采集路由的輸入IO口,輸出端另一個觸點接地,當土壤濕潤時,探頭導通,置位所述繼電器,此時輸出端與地短接,從而輸出低電平,當土壤干燥時,探頭斷開,繼電器復位,此時輸出端懸空,相當于向所述采集終端或采集路由輸出高電平。

進一步地,所述閥門包括電磁閥,每個所述電磁閥的控制端均通過繼電器與所述控制終端連接。

進一步地,每個所述控制終端包括至少三個IO端口,每個所述IO端口均連接一個所述繼電器,然后通過所述繼電器連接電磁閥,其中第一IO端口與入水管的電磁閥相連,第二IO端口與入肥管的電磁閥相連,第三IO端口與輸液管的電磁閥相連。

為實現上述目的,本發明還提供一種水肥一體自動澆灌系統控制方法,包括以下步驟:

手機客戶端向預設的目標節點發出命令,經移動通信網絡傳遞給所述網關;

所述網關接收到所述命令后,通過所述串口將所述命令傳遞給所述網關終端;

所述網關終端對接收自所述網關的命令進行預分析,以判明指令類型,確定指令是否正確,并拒絕垃圾信息,并確定指令狀態信息,若為施肥、停止命令,則依通信簇將命令、參數等數據傳遞給命令中指定的所述控制終端,若為查詢命令,則獲取保存于所述網關終端中的所述控制終端提交的工作狀態信息,然后對下達正確指令的手機客戶端進行回應,反饋指令狀態或控制終端的工作狀態;

預設的所述控制終端依通信簇接收所述指令、參數并執行控制動作,通過控制IO端口,從而控制繼電器,繼而控制電磁閥,向對應于預設的所述控制終端的預設區域施肥。

進一步地,所述控制方法還包括以下步驟:

所述預設的所述控制終端接收所述施肥命令,依從參數數據中獲得的灌溉量、水肥比例,以及系統中預存的入水流速、入肥流速、輸出流速計算出入水時間、入肥時間、輸出時間,取入水時間、入肥時間中較小者為第一預設時間,二者間的差值為第二預設時間,輸出時間為第三預設時間

所述控制終端相應的第一IO端口、第二IO端口發送復位指令,同時進水、進肥,以充分混合水肥,并縮短作業時間;

所述第一IO端口、第二IO端口接收所述復位指令輸出低電平,打開相連的入水閥、入肥閥,達到第一預設時間時,預設控制終端向第一IO端口或第二IO端口發送置位指令,關閉時間值較短的閥門,保持時間值較長的閥門的打開狀態,直至第二預設時間超時,預設控制終端才向尚未置位的IO端口發出置位指令,控制所需時間值較長的閥門關閉;

所述第一IO端口、第二IO端口全部置位后,輸入作業結束,所述控制終端向第三IO端口發送復位指令,打開輸出閥開始輸出,向所述預設區域進行水肥混灌,直至第三預設時間超時,此時向第三IO端口發送置位指令,關閉輸出閥,結束施肥作業;

所述預設的所述控制終端接收所述停止命令,立即置位第一IO端口、第二IO端口,關閉相連的入水、入肥電磁閥,同時復位第三IO端口,打開輸出閥,直至第三預設時間超時,然后置位第三IO端口,關閉輸出閥;

所述第一IO端口、第二IO端口、第三IO端口接收所述置位指令輸出高電平,從而復位與端口相連的所述繼電器,使得與所述第一IO端口連接的入水閥、與所述第二IO端口連接的入肥閥以及與所述第三IO端口連接的輸出閥門分別關閉;

所述第一IO端口、第二IO端口、第三IO端口接收所述復位指令輸出低電平,從而置位與端口相連的所述繼電器,使得與所述第一IO端口連接的入水閥、與所述第二IO端口連接的入肥閥以及與所述第三IO端口連接的輸出閥分別打開。

為實現上述目的,本發明進一步提供一種水肥一體自動澆灌系統控制方法,包括以下步驟:

與每個所述土壤濕度傳感器模塊對應連接的采集終端或采集路由,通過將IO設置為輸入,從而接收所述土壤濕度傳感器模塊的輸出,從而獲取所述預設區域的濕度信息,并將所述濕度信息號傳遞給所述協調節點;

所述協調節點接收所述預設區域的濕度信息,首先判斷所述預設區域是否處于開環狀態,若是則拋棄數據,不進行任何動作,否則,若濕度信息為土壤缺水,則通過所述控水終端的IO端口,向所述缺水的所述預設區域下達灌水指令,若濕度信息表明土壤濕潤,則通過所述控水終端的IO端口,向所述濕潤的所述預設區域下達停止灌水指令;

所述采集終端或采集路由布設于所述預設區域,并與預設區域一一對應,所述控水終端的IO端口與所述各組輸送單元中短接入水、輸出管道的電磁閥一一對應,即所述控水終端的IO端口與所述預設區域一一對應。

進一步地,所述采集終端或采集路由對應的所述控水終端接收所述灌水命令及停止灌水命令,并執行控制動作,通過復位、置位相應的IO端口,使得繼電器置位、復位,從而控制所述電磁閥執行相應動作,完成向所述預設區域灌水,包括:

與所述采集終端或采集路由對應的所述控水終端接收所述灌水命令,對所述控水終端端口中相應的一個發送復位指令;

所述IO端口中相應的一個接收所述復位指令輸出低電平,置位與所述的一個IO端口連接的繼電器,從而打開相應的所述一組輸送單元中短接入水、輸出管道的電磁閥;

所述IO端口中相應的一個接收所述置位指令輸出高電平,復位與所述IO端口連接的繼電器,從而關閉相應的所述一組輸送單元中短接入水、輸出管道的電磁閥。

為實現上述目的,本發明還提供一種澆灌系統控制方法,包括以下步驟:

所述協調節點接收來自于各傳感器的濕度信號,并檢查標識;

所述控制終端接收通過所述網關終端送達的施肥命令,在開始工作時,向所述協調節點發送開閉環狀態信息,所述協調節點接收信息后,將其標識為開環狀態,此時所述協調節點仍接收與該所述控制終端相應的所述預設區域的濕度信息,但不處理,保證開環部分的順利作業;

所述控制終端接收通過所述網關終端送達的施肥命令,在開始工作時,向所述網關終端發送工作狀態為忙的信息,所述網關終端接收信息后,不再接收針對與此所述控制終端對應的所述預設區域的施肥作業指令;

所述控制終端接收通過所述網關終端送達的施肥命令,在結束工作時,向所述協調節點發送開閉環狀態信息,所述協調節點接收信息后,將其標識為閉環狀態,此時所述協調節點接收與該所述控制終端相應的所述預設區域的濕度信息,并進行分析處理,保證閉環部分的順利作業;

所述控制終端接收通過所述網關終端送達的施肥命令,在結束工作時,向所述網關終端發送工作狀態為就緒的信息,所述網關終端接收信息后,可以再次接收針對與此所述控制終端對應的所述預設區域的施肥作業指令;

所述協調節點啟動時,將各預設區域的開閉環標識設為閉環,這樣即便沒有開環部分,閉環系統也能正常工作;

所述控制終端啟動時,立即向協調節點、網關終端發送開始工作的狀態信息,并通過第三IO端口,打開輸出電磁閥,按儲液池已滿的狀態進行輸出操作,這是為了避免產生無人值守狀態下,上次施肥作業中,突遇停電,從而導致儲液池中液體不斷累積,而影響所述施肥作業的現象;

由所述協調節點的邏輯可知,所述水肥一體自動澆灌系統,即便沒有閉環部分,開環部分也能正常工作。

本發明提供的開閉環結合的水肥一體澆灌系統及其控制方法,采用WSN技術,降低了成本,實現了面向農業生產實際的水肥一體分區共網精量自動施用;使用過程如下:如果需要向預設區域的農作物施肥,用戶(移動客戶端)發送施肥命令,該命令中包含有與預設區域指示、灌溉量、水肥比例等信息,依次通過移動通信網絡、所述網關、串口、所述網關終端將該命令傳遞給控制終端,控制終端接收并分析上述命令,獲取控制參數,并執行控制動作,操作閥門動作,向預設區域施肥;至于灌水,則由所述采集終端或采集路由、所述協調節點、所述控水終端形成的閉環系統,進行全自動控制,無需人為干預。并可通過對比試驗,評估水肥藥一體精量自動化施用的經濟優勢、環境優勢,以建立可廣泛推廣應用的水肥一體分區共網精量自動施用的技術模式。

附圖說明

圖1為本發明實施例一提供的水肥一體自動澆灌系統結構示意圖;

圖2為圖1中傳感器的原理圖;

圖3為本發明實施例二提供的澆灌系統指令預分析的流程圖;

圖4為圖3中步驟S90執行后,控制終端的控制方法流程圖;

圖5為本發明實施例二中優選地目標節點端口布控圖;

圖6為系統的典型工作時序圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖,對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例,而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例,本領域普通技術人在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例,都屬于本發明保護的范圍。

實施例一

如圖1所示,本發明提供一種水肥一體自動澆灌系統,包括輸送裝置和控制裝置,其中:

輸送裝置包括多個儲液池和多組輸送單元(未標識);儲液池用于儲存水肥混合液;以儲液池1及其配套的一組輸送單元為例,每組輸送單元均包括進水管2、進肥管3和輸出管4,且每組輸送單元均與一個獨立的儲液池1相連;每根進水管2均連接有一個入水閥21,每根進肥管3均連接有一個入肥閥31,每根輸出管4上均連接有一個輸出閥41,此外,在進水管2和輸出管4之間,還有一根短接管5,每根短接管5上均連接有一個短接閥51,短接管5接于入水閥21的輸入端之前,接于輸出閥41的輸出端之后;

控制裝置包括手機客戶端0、網關6、網關終端7、控制終端8、控水終端9、采集節點10、協調節點11以及土壤濕度傳感器模塊12;手機客戶端0用于向預設的控制終端8發出施肥命令;網關6用于通過移動通信網絡50接收施肥命令,并通過串口通信60將此命令傳遞給網關終端7;網關終端7用于接收并預分析施肥命令,拒絕垃圾信息,將正確的命令、參數通過WSN的2.4G無線信道20下達到各控制終端8,并通過寫串口,將對正確指令的回應信息通過網關6經由移動通信網絡50反饋給移動客戶端0;各控制終端8依通信簇從WSN無線信道20接收發給自己的控制參數;每個控制終端8通過不同的IO口連接一組繼電器81~83,各繼電器分別連接一組輸送單元中的入水閥21、入肥閥31、輸出閥41;并根據控制參數,控制IO口的輸出,從而控制繼電器動作,進而控制上述閥門的動作。

手機客戶端0可以是手機、電腦或其他智能終端;用戶通過手機(或電腦)經由移動網(或因特網)將指令下達至網關6,網關終端7通過讀串口得到指令,通過解析指令,從而屏蔽垃圾信息,得到正確指令,并由指令獲得灌溉量、肥水比率等信息以及指向的控制終端8,然后將上述信息按通信簇經由WSN無線信道20發送給預設的控制終端8,同時,對移動客戶端0進行回應;預設的控制終端8接收到命令參數后,進行解算,依灌溉量、水肥比例、流速參數計算出入水閥21、入肥閥31、輸出閥41等的打開次序及時間,然后通過控制GPIO(通用輸入輸出,簡稱為IO)的輸出來控制繼電器81~83,依解算出的次序和時間分別控制入水閥21、入肥閥31,輸出閥41的打開、關閉動作,實現液肥的灌溉,在預設的控制終端8開始工作時和結束工作時,均按通信簇經由WSN無線信道20向協調節點發送開閉環狀態信息,向網關終端發送工作狀態信息。

本實施例中,每個目標節點8控制一組閥門,即入水閥21、入肥閥31,輸出閥41。

進一步地,水肥一體自動澆灌系統還包括多個土壤濕度傳感器模塊12和多個采集節點(采集終端或采集路由)10;每個傳感器模塊12的感應端插入一個預設區域30的土壤中,用于感應預設區域30的土壤濕度,并在預設區域30的土壤濕度發生變化時能輸出不同幅值的電平信號;每個采集節點10將一個IO口設為輸入,并將該IO口連接一個傳感器模塊12的信號輸出端,用于獲取電平信號,各采集節點10每分鐘采樣一次,并將采樣取得的電平信號轉換為字符串信息,該信息經WSN無線信道20傳輸給協調節點11;協調節點11除承擔建網、協調開閉環工作等任務外,還用于接收反映土壤濕度的字符串信息,并在閉環狀態下(閉環狀態下,入水閥21、入肥閥31、輸出閥41均不動作,即關閉)依土壤濕度信息,向預設的控水終端9下達指令,以控制短接閥51的打開和關閉,從而實現自動灌水的控制;控水終端9用于接收灌水命令,并通過控制預設的IO口的輸出,以控制與該IO口相連的繼電器91的動作,進而控制短接閥51的動作,完成向傳感器模塊12所在的預設區域30的自動灌水作業。

進一步地,傳感器模塊12包括土壤濕度探頭和光耦繼電器;土壤濕度探頭用于感應土壤濕度,在土壤濕度發生變化時,探頭的導通性發生變化,土壤濕潤時探頭導通,使得光耦繼電器的信號輸入端得電,土壤干燥時探頭斷開,使得光耦繼電器的信號輸入端失電;光耦繼電器輸入端連接土壤濕度探頭,輸出端為一對常開觸點,其中一個觸點接地,輸出端另一個觸點作為輸出端,向采集節點10輸出電平信號。

當土壤干燥時,傳感器模塊12的光耦繼電器復位,此時輸出觸點懸空,相當于向采集節點10輸出高電平;

當土壤濕潤時,傳感器模塊12的光耦繼電器置位,此時輸出觸點與地短接,向采集節點10輸出低電平。

進一步地,入水閥21、入肥閥31和輸出閥41均采用電磁閥,每個電磁閥的控制端均通過一繼電器與控制終端8的一個IO端口連接。每個控制終端8通過入水繼電器81連接一組輸送單元中的入水閥21,通過入肥繼電器82連接該組輸送單元中的入肥閥31,通過輸出繼電器83連接輸出閥41;

這些設備中,電磁閥既是控制系統最終的控制目標,也是入水、入肥以及實施灌溉等動作的執行設備,因此需圍繞著電磁的控制,再選擇其他設備。本方案中,所選全銅電磁閥的主要參數為DC 24V(伏特)、2A(安培),管徑為32mm,與灌溉管網所用的PPR管相匹配,電磁閥在失電情況下,閥門關閉。

選定的電磁閥的負載電流為2A(安培),因此需選擇觸點能承受此負載的繼電器,同時繼電器的控制電壓需與無線傳感器網節點(控制終端8、控水終端9)IO端口的輸出電平相互匹配,經過測試,選擇了HL 52S直流繼電器模塊(DC 5V),該模塊的觸點可承受250v、10A的負載,該直流繼電器模塊為2路繼電器模塊,各路繼電器均提供常開、常閉兩組觸點,低電平觸發。為了配合電磁閥的動作,選擇采用了常開觸點。

實施中,協調節點11的型號為FB2530BB,網關終端7的型號為FB2530EB,網關終端7帶9針RS232串口(母);WSN中的其它終端節點和路由節點的型號均為FB2530BB;采集終端、采集路由、協調節點的2.4G信號發射板型號為FB2530RF-A,帶有鞭狀天線,網關終端、控制終端、控水終端的2.4G信號發射板型號為FB2530RF。WSN中,各節點采用穩壓器供電時,直流電平為5V,采用電池供電時,為3V(即一對5號電池),信號發射板為FB2530BB、FB2530EB板載,無需單獨供電。此外,兩類節點GPIO輸出電平均為3V,滿足直流繼電器的觸發需要。

為了實現較為精確的灌溉量的控制,需測得各類管道的流量,如入水流量、入肥流量、輸出流量,等關鍵參數。項目采用WL-25數顯流量計,可測流量范圍為10~120L/min,管徑為32mm,與PPR管相匹配,流量計自帶電源。

進一步地,參見圖5,每個控制終端8至少使用了三個IO端口,每個IO端口均連接一個繼電器,并控制一個電磁閥,這樣通過一個控制終端8能夠控制一組輸出單元中的三個電磁閥,大大減少了控制終端8的配置數量。

實施例二

參見圖3,本發明實施例提供一種水肥一體自動澆灌系統指令預分析方法,包括以下步驟:

步驟S10,;移動控制終端向預設的控制終端8發出命令(開始施肥、終止施肥、狀態查詢),經移動通信網絡50,送至網關6;

在使用過程中,例如,用戶根據自己的經驗向某區域內的種植物施肥,首先明確預設區域30的編號,然后再編輯短信(也可由安卓APP調用SMS服務)發送命令,命令有施肥、中止、查詢三種,其中施肥命令需要包含預設區域30的編號以及施肥量、水肥比等參數信息,其余命令需包含預設區域30的編號等參數信息。

步驟S20,網關終端7通過串口回調函數,讀串口,獲取由網關6轉發的指令;這里的指令可以以短信的方式轉發;

步驟S30,分析施肥指令,可以理解為網關終端7對獲取的短信進行預分析;

步驟S31,判斷是否為預設指令,可理解為網關終端7分析獲取的短信的格式,判斷短信是指令還是垃圾信息,若為垃圾信息,則拋棄,且不對移動客戶端進行回應,若為指令,繼續進行分析;若是預設指令,則執行步驟32,若不是預設指令則執行步驟40,拋棄指令,不作回應;

步驟S32,,則進一步判斷是否為狀態查詢指令,可以理解為網關終端7分析指令是否為查詢指令,若不是查詢指令,則繼續判斷是否為其它類型的指令,若是,則執行步驟S35繼續判斷該查詢指令格式是否正確;若指令為查詢指令,且格式正確或完備,則執行步驟S70,設回應信息為預設控制終端的工作狀態信息;將控制終端8當前的工作狀態信息作為回應信息,若指令為查詢指令,但格式不正確或不完備,則執行步驟S50,設回應信息為指令錯;將命令錯作為回應信息,然后執行步驟S80,即網關終端7通過寫串口,將回應信息送至網關6,并經移動通信網返回給移動客戶端;

判斷查詢指令是否為其它類型的指令包括:

步驟S33,判斷是否為中止指令;網關終端7分析指令是否為中止指令,若不是中止指令,則必為施肥指令,并在判斷S34、S37中對其進行分析,若是中止指令,則執行步驟S36,繼續判斷該中止指令格式是否正確,若指令為中止指令但格式不完備,則執行步驟S50,若指令為中止指令且格式正確或完備,則執行步驟S60,設置回應信息為指令正確,并執行步驟S38,繼續判斷控制終端8當前是否處于忙碌態,且尚未進入輸出作業,若是則執行步驟S90,依通信簇,將指令、參數發送至預設的控制終端;即依對應的通信簇通過WSN無線信道20將指令、參數發送至控制終端8,然后執行步驟S80,寫串口,將回應信息送至網關,并通過移動通信網送達移動客戶端;若不是則不向控制終端8發送任何信息直接執行步驟S80;

其中S34,判斷指令格式是否正確且參數是否有效;此時指令必定為施肥指令,因此網關終端7直接判斷施肥指令的格式、參數是否正確,若不正確,執行步驟S50,若正確執行步驟S60,隨后執行步驟37,判斷預設的控制終端是否處于就緒態;判斷預設控制終端8當前的工作狀態是否處于就緒態,若是執行步驟S90后再執行步驟S80,否則直接執行步驟S80。

進一步地,參見圖4~6,圖3中步驟S90執行后,預設控制終端8的控制方法,包括:

判斷S901,由通信簇可知送達命令的類型;可理解為預設的控制終端8接收網關終端7依通信簇經WSN無線信道20傳來的命令、參數,由通信簇可知送達的命令是中止命令還是施肥命令;

步驟S920,解析參數信息,提取數據;可理解為從接收的信息中解算出參數數據;

步驟S930,依灌溉量、水肥比例、入水流速、入肥流速、輸出流速,計算出入水、入肥、輸出時間,保存至全局變量;可理解為依從參數數據中獲得的灌溉量、水肥比例,以及系統中預存的入水流速、入肥流速、輸出流速計算出入水時間、入肥時間、輸出時間,取入水時間、入肥時間中較小者為第一預設時間,二者間的差值為第二預設時間,輸出時間為第三預設時間;

步驟S940,調用開始函數,向網關終端發送忙碌狀態信息,向協調節點發送開環狀態信息;可理解為預設控制終端8調用開始函數,依通信簇向網關終端7發送預設控制終端8的工作狀態信息(忙碌),向協調節點11發送預設控制終端8的開閉環狀態信息(開環);

步驟S950,按入水、入肥時間中較小者,同時打開入水閥、入肥閥;可理解為預設控制終端8的第一IO端口8a,第二IO端口8b分別輸出低電平,使繼電器81、繼電器82置位,從而打開電磁閥21、電磁閥31;

步驟S960,較小時間超值時,關閉相應的閥門,保持另一閥門的打開,直至差值時間超時,才關閉另一閥門;可理解為達到第一預設時間時,預設控制終端8按較短時間值,向端口8a或端口8b發送置位指令,關閉時間值較短的閥門,保持時間值較長的閥門的打開狀態,直至第二預設時間超時,預設控制終端8才控制所需時間值較長的閥門關閉;

步驟S970,按全局變量中保存的輸出時間,執行輸出;可理解為此時輸入工作已完成,預設控制終端8通過第三IO端口8c,置位繼電器83,從而打開閥門41,進行輸出作業,直至第三預設時間超時,這時預設控制終端8的8c端口,復位繼電器83,從而關閉閥門41,結束輸出作業;

步驟S980,輸出結束后,調用結束函數,向網關終端發送就緒狀態信息,向協調節點發送閉環狀態信息;可理解為預設控制終端8調用結束函數,依通信簇向網關終端發送就緒狀態信息,向協調節點發送閉環狀態信息;

步驟S910,立即停止入水、入肥操作,打開輸出閥;可理解為若命令為中止命令,則預設控制終端8立即置位端口8a、端口8b,復位繼電器81、繼電器82,從而關閉入水、入肥電磁閥,然后調用步驟S970,步驟S980。

開環部分較為關鍵之處包括以下幾個部分:網關終端的串口數據分析,通過串口數據分析,提取正確的指令,并解算命令參數,這決定了系統正確執行移動客戶端意圖、排除干擾信息的能力;控制終端的狀態報告,通過開閉環狀態報告,使得系統中各預設區域的開環、閉環部分得以協調工作,通過工作狀態報告,使得移動客戶端的指令得以有序執行;各節點通信簇(輸入輸出簇)的設計和匹配,這決定了WSN中的信息在節點中有目的的傳送,決定了信源節點、信宿節點間有序、協調的工作;各節點的事件設計,這決定了各個節點的工作是有序、按節拍進行的;IO端口的使用,通過設定,將IO端口用作輸出或輸入,使得采集節點(采集終端或采集路由,下同)能夠獲得土壤濕度信息,使得控制終端、控水終端能夠通過IO端口驅動繼電器,進而控制電磁的打開和關閉,從而實現指令完成所需的動作。系統采用C語言進行編寫。

實施例三

參見圖6,圖6提供了系統閉環部分的工作時序,本發明實施例還提供一種閉環自動控水系統的控制方法,包括以下步驟:

時序由采集節點發出,采集節點以預設的頻率,定期采集指定的預設區域的土壤濕度信息,采集節點的IO端口設為輸入,接收土壤濕度傳感器模塊輸出的電平信號,采集節點通過每個與之相連的土壤濕度傳感器模塊獲取土壤濕度信號,將其轉換為字符串信息,并將濕度信息傳遞給協調節點;

協調節點接收到濕度信息后,首先查看預設區域是否處于閉環狀態,若預設區域處于閉環狀態,協調節點進入下一時序,否則不予理睬;

協調節點對來自閉環狀態下的預設區域的土壤濕度信息進行分析,執行業務邏輯;

協調器根據業務邏輯的結果,向控水終端下達進行自動灌水作業的指令,若預設區域缺水則啟動灌水作業,否則啟動停止灌水作業;

控水終端依通信簇接收到指令后,按指令進行自動灌水作業,控水終端的IO端口設為輸出,并與預設區域一一對應,若為灌水作業,則使得與預設區域對應IO端口輸出低電平,從而置位與該IO端口相連的繼電器,打開短接電磁閥,執行灌水作業,若為停止灌水作業,控水終端使得該IO端口輸出高電平,復位相連的繼電器,關閉短接電磁閥。

最后應說明的是:以上實施例僅用以說明本發明的技術方案,而非對其限制;盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明,本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改,或者對其中部分技術特征進行等同替換;而這些修改或者替換,并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。

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