專利名稱：物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及檢測(cè)和控制系統(tǒng)，特別涉及ー種物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當(dāng)前我國(guó)不管是農(nóng)業(yè)灌溉還是城市緑化用水都是采取很粗放的方式，即憑借經(jīng)驗(yàn)定時(shí)人工灌溉。這種原始的灌溉方式既無法保證植物正常生活所需水量，同時(shí)又大大浪費(fèi)了寶貴的水資源。而園林緑化用水當(dāng)中常用的人工漫灌方法會(huì)造成土壤表層水流過快而來不及滲透到植物根系就順著地形的流動(dòng)形成水洼或流到馬路當(dāng)中造成浪費(fèi)。起步晚，投入低，造成了這方面的技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。發(fā)達(dá)國(guó)家的節(jié)水灌溉方式已經(jīng)深入到植物生理的各個(gè)方面，結(jié)合植物蒸騰，土壤墑情，溫度等因素，配合計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的管理，能真正做到依據(jù)植物的需水量來供應(yīng)水量，大大降低水資源的浪費(fèi)。但是相對(duì)來說這些先進(jìn)的設(shè)備投入成本很高，相對(duì)不適合目前我國(guó)農(nóng)業(yè)大國(guó)的基本國(guó)情。在各種不同的灌溉系統(tǒng)中，由于土壤表層與其下方的各個(gè)深層含水量的不同，實(shí)時(shí)檢測(cè)不同深度土壌商情信息，根據(jù)作物不同生長(zhǎng)時(shí)期的需水量來酌量灌溉，目前還是ー個(gè)新的課題，有待研究，也存在如何既有利于植物的生長(zhǎng)又盡量不浪費(fèi)水資源的問題。另外，檢測(cè)和控制系統(tǒng)日漸龐大，采用傳統(tǒng)供電方式，電カ消耗較大，節(jié)電也是ー個(gè)需要解決的問題。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)空間的成本，比如GPRS等無線網(wǎng)絡(luò)，成本也較高。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種可以同時(shí)檢測(cè)和控制多層土壤的水分，達(dá)到灌溉水被植物根系有效吸收，防止過量灌溉，成本低，灌溉和節(jié)能效果好的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)，包括若干路由節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控計(jì)算機(jī)，各所述路由節(jié)點(diǎn)包括若干土壌水分傳感器、用于綠地噴灌裝置的若干閥門、中央控制器、充電模塊和太陽能電池板，其中，所述中央控制器包括控制器和與其分別相連的電源模塊、RS-485通訊模塊、RF射頻模塊和閥門控制器，所述太陽能電池板經(jīng)所述充電模塊與所述中央控制器相連，所述土壤水分傳感器分別通過所述RS-485通訊模塊與所述監(jiān)控計(jì)算機(jī)相連，所述閥門與所述閥門控制器對(duì)應(yīng)相連，所述中央控制器通過所述RF射頻模塊與所述監(jiān)控計(jì)算機(jī)無線通訊相連，所述RF射頻模塊采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。本實(shí)用新型物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)，其中每個(gè)所述路由節(jié)點(diǎn)包括所述土壤水分傳感器3個(gè)，第一土壤水分傳感器與地表的距離為10cm-15cm，第二土壤水分傳感器與地表的距離為15cm-20cm,第三土壤水分傳感器與地表的距離為20cm_30cm。本實(shí)用新型物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)，其中所述控制器設(shè)有與其相連的存儲(chǔ)模塊和時(shí)鐘模塊。本實(shí)用新型物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)，其中所述中央控制器還包括功率放大模塊，所述RF射頻模塊通過所述功率放大模塊與天線相連。[0010]本實(shí)用新型物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)，其中所述充電模塊包括鉛酸電池和與所述鉛酸電池相連的太陽能充電控制器，所述電源模塊與所述鉛酸電池相連，所述太陽能充電控制器與所述太陽能電池板相連。本實(shí)用新型物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是由于土壤水分傳感器分層豎直排列，水平埋放，同時(shí)檢測(cè)和控制多層土壤的水分，可以有效檢測(cè)地表下30cm范圍內(nèi)土壤溫度和水分的變化情況，將上層土壤的含水量控制在設(shè)定的范圍內(nèi)，保持中層土壤含水量穩(wěn)定，從而達(dá)到灌溉水被植物根系有效吸收而不下滲的目的，防止過量灌溉，節(jié)水效果明顯。由太陽能供電，節(jié)能低碳，低成本?；赯igBee的無線網(wǎng)絡(luò)無需增加網(wǎng)絡(luò)空間的成本，相比GPRS等無線網(wǎng)絡(luò)相比有著較大的優(yōu)勢(shì)。下面將結(jié)合實(shí)施例參照附圖進(jìn)行詳細(xì)說明，以對(duì)本實(shí)用新型的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)有深入的理解。

圖I為本實(shí)用新型物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)路由節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)方框圖；圖2為本實(shí)用新型物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)的示意圖；圖3為傳感器的安裝示意圖；圖4為控制器的電路圖；圖5電源模塊的電路圖；圖6為閥門控制器的電路圖；圖7為充電模塊的電路圖。
具體實(shí)施方式
下面以實(shí)施例對(duì)技術(shù)方案做詳細(xì)說明。參照?qǐng)DI和圖2，本實(shí)用新型物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)，包括若干路由節(jié)點(diǎn)8和監(jiān)控計(jì)算機(jī)I。各路由節(jié)點(diǎn)8包括若干土壌水分傳感器4、用于綠地噴灌裝置的若干閥門6、中央控制器2、太陽能電池板5和充電模塊3。中央控制器2包括控制器20和與其分別相連的RS-485通訊模塊25、RF射頻模塊21、存儲(chǔ)模塊24、時(shí)鐘模塊23、閥門控制器27和電源模塊26。RF射頻模塊21連接有功率放大模塊22和天線7。太陽能電池板5經(jīng)充電模塊3與中央控制器2相連。充電模塊3包括鉛酸電池31和與鉛酸電池31相連的太陽能充電控制器30。其中，土壌水分傳感器4分別通過RS-485通訊模塊25經(jīng)RS-485總線與監(jiān)控計(jì)算機(jī)I相連，閥門6與閥門控制器27對(duì)應(yīng)相連，中央控制器2通過RF射頻模塊21經(jīng)路由節(jié)點(diǎn)8與監(jiān)控計(jì)算機(jī)I無線通訊相連。RF射頻模塊21通過功率放大模塊22與天線7相連。電源模塊3與鉛酸電池31相連，太陽能充電控制器30與太陽能電池板5相連。路由節(jié)點(diǎn)8采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。與其它無線通信網(wǎng)絡(luò)相比，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性低、對(duì)資源要求少，低功耗，由于工作周期短、收發(fā)信息功耗較低、以及采用了休眠機(jī)制，ZigBee終端僅需要兩節(jié)普通的五號(hào)干電池就可以工作六個(gè)月到兩年。低成本，網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單且所需的存儲(chǔ)空間小，這極大降低了 ZigBee的成本。在本實(shí)用新型物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)的實(shí)施例中，參照?qǐng)D3，每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)8包括土壤水分傳感器4共3個(gè)，第一土壤水分傳感器41與地表的距離hi為10cm-15cm，第ニ土壤水分傳感器42與地表的距離hl+h2為15cm-20cm，第三土壤水分傳感器43與地表的距離hl+h2+h3為20cm-30cm。土壤水分傳感器4分三層豎直排列，水平埋放。地表以下IOcm內(nèi)上層土壤的含水量是系統(tǒng)的控制對(duì)象，在IOcm處安裝土壌水分傳感器監(jiān)測(cè)其水分變化。在15cm和25cm處安裝的傳感器用于監(jiān)測(cè)地表以下15cm至20cm的中層和距地表20cm以下的下層土壤的水分變化情況，以監(jiān)測(cè)灌溉水的下滲和地下水的向上補(bǔ)給情況。下面說明本實(shí)用新型物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)的測(cè)量過程。參照?qǐng)DI，監(jiān)控計(jì)算機(jī)I首先向中央控制器2發(fā)送數(shù)據(jù)采集間隔命令及灌溉閾值命令，中央控制器2解析命令并將將采集間隔和灌溉閾值保存在FLASH里。控制器20實(shí)時(shí)采集時(shí)鐘時(shí)間，如果采集間隔到達(dá)，則中央控制器2通過RS-485通訊模塊25向相應(yīng)的土壤水分傳感器4發(fā)送土壌含水量數(shù)據(jù)采集指令；土壌水分傳感器4根據(jù)采集指令測(cè)量土壌含水量并將數(shù)據(jù)返回給控制器20?？刂破?0首先將數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)模塊24內(nèi)，然后再把數(shù)據(jù) 返回給監(jiān)控計(jì)算機(jī)I ;中央控制器2將土壤含水量數(shù)據(jù)與事先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，井根據(jù)比較結(jié)果打開或關(guān)閉閥門6 ;最后將閥門6的開關(guān)狀態(tài)發(fā)送給監(jiān)控計(jì)算機(jī)I并保存在數(shù)據(jù)庫中，以便管理員查看。周而復(fù)始，構(gòu)成ー個(gè)閉環(huán)控制的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。下面說明本實(shí)用新型物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)的電路原理。使用本系統(tǒng)的前提是噴管系統(tǒng)已經(jīng)安裝完畢。參照?qǐng)D1，結(jié)合圖4至圖7，監(jiān)控計(jì)算機(jī)I與中央控制器2之間采用無線通訊方式，中央控制器2與土壌水分傳感器4之間采用RS-485總線連接。監(jiān)控計(jì)算機(jī)I設(shè)置有每個(gè)節(jié)點(diǎn)的土壌水分上、下限，作為灌溉決策閾值；建立節(jié)點(diǎn)與相應(yīng)區(qū)域中閥門控制器的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用于控制噴灌系統(tǒng)的電磁閥；設(shè)置實(shí)時(shí)采集土壌含水量數(shù)據(jù)的時(shí)間步長(zhǎng)，以及適宜的灌溉時(shí)間段。使用時(shí)按照噴灌裝置的分區(qū)將綠地劃分為若干區(qū)域，每ー區(qū)域設(shè)置灌溉控制的路由節(jié)點(diǎn)8，參照?qǐng)D2和圖3，每個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝多個(gè)土壤水分傳感器4，豎直排列，水平安裝，均連接至RS-485總線；將閥門控制器27的輸入端連到控制器20，輸出端安裝在區(qū)域內(nèi)噴灌系統(tǒng)的電磁閥上(正負(fù)極對(duì)應(yīng)相接)。上述電路為技術(shù)，故不作詳細(xì)說明。在本實(shí)用新型物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)的實(shí)施例中，系統(tǒng)采用模糊控制及開關(guān)量控制相結(jié)合的雙位控制算法，能將上層土壌的含水量控制在設(shè)定的范圍內(nèi)，保持中層土壌含水量穩(wěn)定，從而使灌溉水能被植物根系吸收而不會(huì)出現(xiàn)過量灌溉導(dǎo)致水分下滲的情況，也不會(huì)出現(xiàn)地下水向上補(bǔ)給導(dǎo)致地下水長(zhǎng)期虧損的情況，以此達(dá)到節(jié)約灌溉水和保護(hù)地下水資源的目的。下面以本實(shí)用新型物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)的實(shí)施例說明使用的方法。假設(shè)某綠地按照噴灌系統(tǒng)的控制分區(qū)的土壌含水量上限為30%，下限為27%，系統(tǒng)每過半小時(shí)采集一次土壌信息(即實(shí)時(shí)采集的時(shí)間步長(zhǎng)為O. 5h)。系統(tǒng)啟動(dòng)后開始計(jì)吋，半小時(shí)后進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，然后將得到的土壌含水量信息做處理，得到一個(gè)土壤含水量數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)與該控制分區(qū)的土壌含水量上下限作比較，如果處于上下限中間則不作進(jìn)一步處理，如果高于上限且該控制分區(qū)中電磁閥已打開，則向該控制分區(qū)的閥門控制器發(fā)送閥門關(guān)閉命令，若低于下限則判斷系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間是否處于適宜灌溉時(shí)間段，是則向該控制分區(qū)的閥門控制器發(fā)送閥門打開命令，若不是則不做進(jìn)一歩處理。至此，完成一個(gè)監(jiān)控周期，系統(tǒng)等待下次采集時(shí)間的到來。[0032]本實(shí)用新型都物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是I. 土壤水分傳感器分三層豎直排列，水平埋放，可以有效檢測(cè)地表下30cm范圍內(nèi)土壌溫度和水分的變化情況，結(jié)合控制算法，使系統(tǒng)可以將上層土壌的含水量控制在設(shè)定的范圍內(nèi)，保持中層土壤含水量穩(wěn)定，從而達(dá)到灌溉水被植物根系有效吸收而不下滲的目的。使用時(shí)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置合理的土壌水分上下限，可以防止過量灌溉，達(dá)到節(jié)水目的。2.獲得了更充分的灌溉決策依據(jù)，并且對(duì)灌溉效果的評(píng)估更準(zhǔn)確，便于修正灌溉策略達(dá)到最優(yōu)控制。3.節(jié)能，低碳。采用太陽能供電，不需要復(fù)雜的交流電連接，這樣既不破壞植被的美觀又能節(jié)約能源。4.低成本?；赯igBee的無線網(wǎng)絡(luò)無需增加網(wǎng)絡(luò)空間的成本，相比GPRS等無線網(wǎng)絡(luò)相比有著較大的優(yōu)勢(shì)。 上面所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本實(shí)用新型的構(gòu)思和范圍進(jìn)行限定。在不脫離本實(shí)用新型設(shè)計(jì)構(gòu)思的前提下，本領(lǐng)域普通人員對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做出的各種變型和改進(jìn)，均應(yīng)落入到本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，本實(shí)用新型請(qǐng)求保護(hù)的技術(shù)內(nèi)容，已經(jīng)全部記載在權(quán)利要求書中。
權(quán)利要求1.一種物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)，其特征在于包括若干路由節(jié)點(diǎn)(8)和監(jiān)控計(jì)算機(jī)(I)，各所述路由節(jié)點(diǎn)(8)包括若干土壤水分傳感器(4)、用于綠地噴灌裝置的若干閥門(6)、中央控制器(2)、充電模塊(3)和太陽能電池板(5)，其中，所述中央控制器(2)包括控制器(20)和與其分別相連的電源模塊(26)、RS-485通訊模塊(25)、RF射頻模塊(21)和閥門控制器(27)，所述太陽能電池板(5)經(jīng)所述充電模塊(3)與所述中央控制器(2)相連，所述土壤水分傳感器(4)分別通過所述RS-485通訊模塊(25)與所述監(jiān)控計(jì)算機(jī)(I)相連，所述閥門(6)與所述閥門控制器(27)對(duì)應(yīng)相連，所述中央控制器(2)通過所述RF射頻模塊(21)與所述監(jiān)控計(jì)算機(jī)(I)無線通訊相連，所述路由節(jié)點(diǎn)(8)采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)，其特征在于其中每個(gè)所述路由節(jié)點(diǎn)(8)包括所述土壤水分傳感器(4) 3個(gè)，第一土壤水分傳感器(41)與地表的距離(hi)為10cm-15cm,第二土壤水分傳感器(42)與地表的距離(hl+h2)為15cm-20cm,第三土壤水分傳感器(43)與地表的距離(hl+h2+h3)為20cm-30cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)，其特征在于其中所述控制器(20)設(shè)有與其相連的存儲(chǔ)模塊(24)和時(shí)鐘模塊(23)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)，其特征在于其中所述中央控制器(2)還包括功率放大模塊(22)，所述RF射頻模塊(21)通過所述功率放大模塊(22)與天線(7)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)，其特征在于其中所述充電模塊(3)包括鉛酸電池(31)和與所述鉛酸電池(31)相連的太陽能充電控制器(30)，所述電源模塊(26)與所述鉛酸電池(31)相連，所述太陽能充電控制器(30)與所述太陽能電池板(5)相連。
專利摘要本實(shí)用新型物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)，包括若干路由節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控計(jì)算機(jī)。各路由節(jié)點(diǎn)包括若干土壤水分傳感器、若干閥門、中央控制器、太陽能電池板和充電模塊。中央控制器包括控制器、RS-485通訊模塊、RF射頻模塊、存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘模塊、閥門控制器和電源模塊。太陽能電池板經(jīng)充電模塊與中央控制器相連。本實(shí)用新型物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式灌溉控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)測(cè)量土壤的溫度和多層土壤的水分，達(dá)到灌溉水被植物根系有效吸收而不下滲的目的，防止過量灌溉，節(jié)水效果明顯，有利于推廣應(yīng)用。由太陽能供電，節(jié)能低碳，低成本。基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)無需增加網(wǎng)絡(luò)空間的成本，相比GPRS等無線網(wǎng)絡(luò)相比有著較大的優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)A01G25/16GK202635265SQ20122013840
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月1日
發(fā)明者趙燕東, 王勇志, 劉衛(wèi)平, 聶銘君, 劉圣波 申請(qǐng)人:北京林業(yè)大學(xué)