本發(fā)明屬于大田或溫室作業(yè)時節(jié)水節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于磁力控制閥的自動化農(nóng)田噴/滴式灌溉技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在農(nóng)田灌溉的問題上，節(jié)能不一定能節(jié)水，因為灌溉時有浪費，但節(jié)水則一定節(jié)能，本發(fā)明就是基于農(nóng)田最大持水量這個參數(shù)來達到即節(jié)能又節(jié)水的雙重目的，從而解決了節(jié)能和節(jié)水這一對矛盾。

傳統(tǒng)的基于土壤控制的自動灌溉系統(tǒng)普遍存在以下缺陷：

1、缺乏一種由太陽能電源板與電池切換供電的雙電路供電電路，耗能上較太陽能供電大，可靠性低，故障無法檢測并顯示，從而影響了進水控制的的工作可靠性。

2、缺乏一種太陽能供電的進水控制閥，增加了系統(tǒng)能耗。

3、無法在大田作業(yè)中，同時檢測渠道的滲漏狀態(tài)，渠道水的利用系數(shù)低，也無法報警顯示。

4、在土壤濕度的控制模式上，普遍采用以土壤濕度作為控制變量的定值控制模式，屬于斷續(xù)控制模式，實際上是一種開環(huán)控制系統(tǒng)，從而導致供水量時多時少，控制精度低，耗水量也大，也不能對渠道水利用系數(shù)進行監(jiān)控，渠道滲漏也無法得知。

5、不能結(jié)合當時當?shù)氐奶锏胤N類(水田還是旱田)、土壤類別(粘土還是沙土)、農(nóng)作物的不同生長期、氣象狀態(tài)、歷史上的種植經(jīng)驗及土壤本身的營養(yǎng)狀況作為個性化的修正，以便更好地從當前實際出發(fā)進行個性化的精細耕作。

在硬件方面，本發(fā)明采用了由雙路供電電路控制的太陽能供電方式，解決了系統(tǒng)供電問題，采用了磁力控制閥降低了能耗和器件成本，延長了閥門使用年限，降低了成本。在土壤濕度傳感器的布置位置上，把布置在灌溉支水管上的磁力控制閥移到了灌溉主水管的出水端，在節(jié)省傳感器總數(shù)的同時與布置在灌溉主水管入口端的磁力控制閥相配合，解決了渠道水利用系數(shù)的測定問題，為渠道滲報警提供了條件。

在軟件方面，無論是大田還是溫室作業(yè)，本發(fā)明以已經(jīng)采集到的各類土壤溫度平均 值即單位容積下的含水量為基數(shù)，以整塊土地的最大含水量即飽和含水量為控制對象，以一個采樣間隔內(nèi)的土壤飽和水量和土壤溫度采集前已灌溉水量之差為控制變量，乘上個性化的調(diào)解系數(shù)后，再把已灌溉水量加上，得到在本采樣間隔內(nèi)實際需要灌溉的水量，再把它與本采樣間隔內(nèi)土壤飽和水量相比，以決定是否需要關(guān)閉自動控制閥，從而實現(xiàn)了連續(xù)控制，提高了土壤濕度控制的精度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能對土壤濕度進行進行閉環(huán)連續(xù)控制，以提高控制精度，能對渠道滲漏程度進行監(jiān)測的聯(lián)合監(jiān)控方法，以及一個既能節(jié)能又能節(jié)水的農(nóng)業(yè)自動化灌溉系統(tǒng)。

本發(fā)明的特征在于，是一種采用zigbee協(xié)議的基于自動灌溉用磁力控制閥的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)，包括：所述磁力控制閥、灌溉管網(wǎng)部分、無線傳輸部分、監(jiān)測控制部分、故障顯示部分，其中：

灌溉管網(wǎng)部分，是一種中央輻射型的星形噴灌或滴灌式的農(nóng)業(yè)灌溉管網(wǎng)，兩個所述自動灌溉用的磁力控制閥分別安裝在所述灌溉管網(wǎng)主管出口處的出水端和灌溉管網(wǎng)水泵出口處，

無線傳輸部分，包括：無線流量計和土壤濕度無線傳感器兩個子部分，其中：

無線流量計：共兩個，分別安裝在灌溉水泵出口處和所建灌溉管網(wǎng)主管出口處，

土壤濕度無線傳感器，共N個，序號n＝1，3...，N，埋在所述中央輻射型的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格結(jié)點的農(nóng)田下按作物種類確定的深處，

兩個自動灌溉用的磁力控制閥，各包括：閥體、外殼、控制共三個部分，其中閥體部分包括：進水閥閥體1.1、控制閥閥體1.2、進水閥閥蓋3.1、進水閥閥體進水孔4.1、進水閥膜片的進水孔4.2以及螺釘，其中：進水閥閥體進水孔4.1沿軸向開在所述進水閥閥體4.1的左側(cè)，進水閥膜片2.1沿軸向蓋在所述進水閥閥體1.1的上端平面上，所述進水閥膜片進水孔4.2開在所述進水閥膜片2.1上且與所述進水閥閥體進水孔4.1相連，進水閥閥體1.1的喇叭形開口處的裙邊壓在所述進水閥膜片2.1上且用第一螺釘19.1固定在所述進水閥閥體1.1的上端平面上；外殼部分包括：外殼上蓋13、外殼下殼體14以及密封圈18，其中：外殼下殼體14底部開有中心孔，與所述進水閥閥蓋3.1、瓶頸形進水孔的下端用螺紋連接的同時，又用第二螺釘19.2與所述外殼上蓋13相連，外殼上蓋13與所述外殼下殼體14固定連接且用密封圈18密封；控制部分是一個控制閥包括：控制閥閥體1.2、控制閥膜片2.2、3.2，控制閥閥蓋、活塞帽7、活塞柱8、彈簧12、控制閥外保護套9、磁鐵10、電源端串按可變 電阻R₁的磁力可調(diào)的電磁線圈11、進水孔、出水孔以及螺釘，其中：控制閥閥體1.2下端進水口處與所述進水閥閥蓋3.1瓶頸形進水孔的外柱面螺紋連接，所述控制閥閥體1.2內(nèi)周面的臺階上安放有一個在中心開有泄壓孔6而一側(cè)開有控制閥膜片進水孔4.3的所述控制閥膜片2.2，控制閥閥蓋3.2下端開口處的端面沿周向壓在所述控制控制閥膜片2.2上，所述控制閥閥蓋3.2的上端是一個向上凸出的封閉圓柱體，從上到下配置有相互連接的彈簧12和在底部倒“T”形突出部分套有活塞帽7的活塞柱8，電磁線圈11同軸地緊套在所述控制閥閥蓋3.2封閉圓柱上，且在外周加裝有一個控制閥外保護套9，所述控制閥外保護套9用第三螺釘19.3固定在所述控制閥閥體1.2上端面上，磁鐵10位于所述控制閥外保護套9內(nèi)，處于所述控制閥閥蓋3.2封閉圓柱體的上端面之上，控制閥閥體進水孔4.4是一個單向閥門，位于所述控制閥閥體1.2內(nèi)的下端靠近所述控制閥閥門下端進水口處，當所述電磁線圈11通電時，彈簧12帶動所述活塞帽7上提打開泄壓孔6時水便由所述進水閥閥蓋3.1的瓶頸形進水孔進入所述控制閥閥體出水孔4.4后，再通過位于所述泄壓孔6下方出水處的出水孔5噴出，還設(shè)有：控制電路板16，用第四螺釘19.4固定在所述外殼上蓋13的頂端內(nèi)側(cè)面上，所述控制電路板16由固定在所述外殼上蓋13上端面上的電源箱供電，

監(jiān)測控制部分，包括：同時具有N+2路數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能、無線收發(fā)功能的計算機、2塊所述控制電路板和電源箱，其中：

計算機，位于中心控制室設(shè)有：N個所述土壤濕度無線傳感器的輸出數(shù)據(jù)輸入端，而且端口的序號與計算機的輸入端口序號一一對應，2個所述無線流量計的輸出信號輸入端，而且端口的序號也與計算機的輸入端口序號一一對應，還設(shè)有：一個分別同步輸入到兩個所述磁力控制閥的控制電路板以便進行開、閉控制的無線控制信號輸出端，一個向上位機發(fā)出渠道水利用系數(shù)報警信號的無線報警信號輸出端，更設(shè)有一個輸出到故障顯示板的所述渠道水利用系數(shù)報警信號輸出端，

所述計算機除了中央控制器CPU外，還設(shè)有：N+2路輸入的無線接收模塊、N+2路輸入的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、N+2路輸入的數(shù)據(jù)緩存模塊、N路輸入的土壤濕度數(shù)據(jù)處理模塊、2路輸入的渠道水流量數(shù)據(jù)處理模塊、渠道水利用系數(shù)報警模塊、中斷處理模塊、顯示驅(qū)動電路、顯示屏以及2路輸出的無線發(fā)送模塊，

控制電路板，包括：2個用于控制所述磁力控制閥的磁力可調(diào)的電磁線圈11的無線啟動控制電路，簡稱無線啟動控制電路，

無線啟動控制電路，由解調(diào)電路、整流濾波電路、電壓放大電路以及功率放大電路依次 串聯(lián)構(gòu)成，輸入信號是基于土壤需要增減的灌溉水量得到的，功率放大電路的輸出與第三LED顯示燈L₃、所述電磁線圈11依次串接，

電源箱設(shè)有：太陽能電池板E_s和備用電池E₁構(gòu)成的雙路供電電路、簡稱雙路供電電路，備用電池失壓報警電路，簡稱報警電路以及LED顯示燈，其中：

雙路供電電路，輸出端由互相并聯(lián)的太陽能供電電路和備用電池供電電路構(gòu)成，其中：

太陽能供電電路，由太陽能電池板E_s手動常開按鈕k₀、第四LED顯示燈L₄以及第一繼電器K₁線圈依次首尾連接而成，

備用電池供電電路，由備用電池E₁、所述第一繼電器K₁的常閉觸點k₁、第一LED顯示燈L₁以及第二繼電器K₂的線圈依次首尾連接而成，所述并聯(lián)電路輸出端接所述功率放大電路的電源端，

報警電路，由報警電池E₂、所述第二繼電器K₂的常閉觸點k₂、第二LED顯示燈L₂以及蜂鳴報警器依次首尾連接而成；

故障顯示部分，包括：各安裝在所述各自動灌溉用的磁力控制閥外殼上蓋上的所述電源箱上的控制閥故障顯示屏以及安裝在所述計算機外殼上的故障顯示板，其中：

故障顯示屏，位于所述電源箱上，安裝有：四個所述LED顯示燈L₁，L₂，L₃，L₄，燈亮表示電源接通，燈滅表示電源斷開，

故障顯示板，設(shè)有：受控于所述渠道水利用系數(shù)報警模塊的渠道水滲漏顯示用的第五LED顯示燈L₅以及當某個所述土壤濕度無線傳感器輸入的土壤濕度值為零時用于顯示其失效用的、用對應的下標“NO.…”表示其序號的第六LED顯示燈L₆，NO.…，

所述計算機依次按以下步驟實現(xiàn)對土壤濕度和渠道水利用系數(shù)η的聯(lián)合監(jiān)控：

步驟(1)，計算機初始化：

土壤濕度數(shù)據(jù)存儲模塊，預存：

土壤濕度無線傳感器的下述參數(shù)，至少包括：名稱、生產(chǎn)廠家、型號、使用條件及性能參數(shù)、安裝日期、使用有效期以及歷史維修記錄，

所述土壤濕度無線傳感器的使用個數(shù)、編號及對應的埋藏位置，

農(nóng)作物名稱及品種，

種植方式：大田播種或溫室種植，水田或旱田，

土壤種類及其單位容積重量g/cm³：

粘土，1.39g/cm³， 粘壤土，1.39g/cm³，

壤土，1.40g/cm³， 沙土，1.50g/cm³，

沙壤土，1.40g/cm³，

土壤平均孔隙率變化范圍：

粘土，(25～30)％， 粘壤土，(23～27)％，

壤土，(23～25)％， 沙壤土，(20～22)％，

沙土，(7～14)％，

單位容積土壤內(nèi)的飽和水量＝土壤單位容積重量×平均孔隙率，渠道水流量數(shù)據(jù)存儲模塊，預存：上一次實時測量值Q₁，Q₂，

渠道水水泵出口處流量Q₁，

滴水主管或噴水主管出口處流量Q₂，

渠道水利用系數(shù)η＝(Q₁-Q₂)/Q₁，

水田的渠道水利用系數(shù)閾值η’為0.95，旱田的渠道水利用系數(shù)閾值η”為0.9，

按所述單位容積土壤內(nèi)的飽和水量和田地面積S內(nèi)土壤單位容積濕度平均值計算得到的土壤最大需水量Q_max：

Q_max＝S×α_田×h×(單位容積土壤內(nèi)的飽和水量-土壤單位容積濕度平均值)，其中：h為所述土壤濕度無線傳感器的埋深，單位為米，

S為田地面積，單位為米²，

α_田為由于包括田埂在內(nèi)的無法灌溉的土地而造成的面積損失，取值為0.5，稱為田地面積調(diào)整系數(shù)，

土壤當前實際需要灌溉的水量Q_實＝(Q_max-Q₂)×α_水+Q₂，

其中：α_水為根據(jù)當時當?shù)禺斍皻夂驐l件、田地種類及農(nóng)作物當前狀況而由操作員作出調(diào)整的灌溉水增量調(diào)整系數(shù)，是一個經(jīng)驗值，0＜α_水≤1，Q₂是已灌溉的水量，

CPU預存：

采樣周期：T，為設(shè)定值；

采樣間隔：Δt，為設(shè)定值；

步驟(2)，所述計算機依次按以下步驟對土壤濕度和大田作業(yè)的渠道水或溫室中的土壤濕度進行聯(lián)合監(jiān)控：

步驟(2.1)，所述計算機在初始時刻t₀啟動后在t₀-t₁第一采樣間隔Δt₁內(nèi)，操作員輸入以下參數(shù)：

種植方式，土壤種類，水田或旱田，土壤的單位容積重量和平均孔隙率，大田或溫室的田地面積S，田地面積調(diào)整系數(shù)α_田，灌水增量調(diào)整系數(shù)α_水，采樣周期T，采樣間隔Δt以及土壤濕度無線傳感器埋深h，

接著，操作員給所述土壤濕度無線傳感器上電，采集土壤濕度，

同時所述計算機啟動所述磁力控制閥，在對田地灌溉的同時采集所述渠道水水泵出口流量Q₁，大田或溫室灌溉管網(wǎng)主管的出口處的出水流量Q₂，

步驟(2.2)，在時刻t₁開始的第二采樣間隔Δt₂內(nèi)，依次計算大田或溫室中的下述參數(shù)：

單位容積土壤內(nèi)的濕度平均值，田地中的飽和水量，即土壤最大需水量Q_max，土壤當前實際需要灌溉的水量Q_實，Q_實＝Q₂+(Q_max-Q₂)×α_水，(Q_max-Q₂)為要增加的或者過多的灌溉水量，計算機根據(jù)(Q_max-Q₂)發(fā)出無線控制信號，

步驟(2.3)，判別種植方式，是大田還是溫室：

若是溫室，執(zhí)行步驟(2.4_(a))，

若是大田，執(zhí)行步驟(2.4_(b))，

步驟(2.4)，根據(jù)種植方式，分別進行處理：

步驟(2.4_(a))，執(zhí)行以下步驟：

判斷(Q_max-Q₂)大于或等于0否：

若：(Q_max-Q₂)＞0，表示灌水不夠，則繼續(xù)灌水，直到(Q_max-Q₂)＝0為止，關(guān)斷磁力控制閥，

若：(Q_max-Q₂)＝0，表示灌水達標，則控制所述磁力控制閥切斷供水，

若：(Q_max-Q₂)＜0，表示灌水超量，則關(guān)斷所述磁力控制閥，切斷供水；

步驟(2.4_(b))，執(zhí)行以下步驟：

步驟(2.4.1_(b))，判斷(Q_max-Q₂)大于或等于0否，執(zhí)行方法與步驟(2.4.1_(a))相同，

步驟(2.4.2_(b))，所述計算機判斷田地種類是水田還是旱田，

步驟(2.4.3_(b))，按田地種類分別計算渠道水利用系數(shù)η’或η”，

步驟(2.4.4_(b))，重復執(zhí)行步驟(2.2)～步驟(2.4.3_(b))，一直到t＝T為止，

步驟(2.5_(b))，所述計算機采集各采樣間隔Δt內(nèi)的渠道水利用系數(shù)并求取均值， 執(zhí)行以下步驟，用η′_cp表示水田渠道水平均利用系數(shù)，用η″_cp表示旱田渠道水平均利用系數(shù)，則判別如下：

若：η′_cp＜η′_閥值，則第五LED顯示燈L₅暗，

η′_cp≥η′_閥值，則第五LED顯示燈L₅亮，

若：η″_cp＜η″_閥值，則第六LED顯示燈L₆暗，

η″_cp≥η″_閥值，則第六LED顯示燈L₆亮，

η′是水田的渠道水利用系數(shù)閥值，η′＝0.95

η″是旱田的渠道水利用系數(shù)閥值，η″＝0.90

至此，一個周期T內(nèi)的監(jiān)控結(jié)束。

本發(fā)明的特征還在于，計算機和各土壤濕度無線傳感器在上電后自動灌溉用的磁力控制閥啟動灌溉前，必然先采集并計算出土壤濕度在灌溉前的平均值，以此計算出在第二采樣間隔Δt₃＝t₂-t₁內(nèi)的土地持有水量的初值，作為所述Δt₃內(nèi)已灌水量的一個組成部分。

本發(fā)明有益效果是：精細地控制并減少了大田作業(yè)和溫室種植的農(nóng)地總灌溉水量，降低了系統(tǒng)能耗，同時實現(xiàn)了渠道滲漏程度的同步監(jiān)測。

附圖說明

圖1系統(tǒng)示意圖。

圖2本發(fā)明監(jiān)控程序流程框圖。

圖3本發(fā)明系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖。

圖4雙路供電、備用電池失壓報警以及閥門電磁線圈無線控制圖。

圖5自動灌溉用的磁力控制閥中剖視圖。

具體實施方式

本發(fā)明是在ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)的。

在所述農(nóng)田土壤濕度和灌溉水量的分布式聯(lián)合監(jiān)控系統(tǒng)中。

所述控制電路板上的功率放大電路在所述計算機發(fā)出的磁力控制閥啟動控制信號到來時打開所述自動灌溉用的磁力啟動閥閥門進行灌溉，在新的采樣間隔開始時當按土壤單位容積量估算得到的整塊田地的土壤飽和水量與上一采樣間隔已灌水量之差去計算在所述新的采樣間隔內(nèi)需要增或減的水量，來決定計算機是否發(fā)出關(guān)斷功率放大管以斷開所述電磁線圈的控制信號：若需要增加，則閥門繼續(xù)打開，若相等或高要減，則閥門關(guān)斷。

計算機在一個周期末，計算出各采樣間隔內(nèi)渠道水利用系數(shù)平均值，分別按照是水田還是旱田，判斷渠道水利用系數(shù)是否超過設(shè)定的閥值，若計算機判定已大于設(shè)定的閥值，則相關(guān)的顯示燈亮，表示渠道水出現(xiàn)滲漏。