一种无线灌溉系统的制作方法

本实用新型涉及农业灌溉技术领域，尤其涉及一种无线灌溉系统。

背景技术：

水资源可用总量短缺是制约我国农业发展的第一瓶颈，节水灌溉设施得到了大力推广和应用。自动灌溉控制可以在保证作物高产的情况下节水、节能、节约劳动力、降低生产成本。然而，多数节水灌溉工程自动化建设滞后，需要在节水灌溉设施建设完成后，对灌溉设施进行自动化改造。传统的有线自动化灌溉控制系统，在控制器与电磁阀之间需要铺设大量电缆，由此带来工程施工周期长、费用高、维护扩展困难等问题。无线灌溉系统只需要在电磁阀处安装无线控制器，几乎不需要线缆就能实现对节水灌溉设施的自动化改造，具有良好的应用前景。

无线灌溉中继器是无线灌溉系统中的重要设备，以往的无线中继器多为单一频段的透明传输模块，功能单一。以一种无线电磁阀门中介绍的无线电磁阀门为例，设备中所应用的中继器为无线数传模块。该无线数传模块通过有线的方式如485、RS232与中央灌溉控制器相连，使中央灌溉控制器与无线电磁阀门之间进行数据交换。该中继器的结构如图1，包括依次连接的无线数传模块、MCU和485接口或RS232接口。

采用透明传输方式的无线数传模块，仅仅起到数据转发的作用，过分依赖中央灌溉控制器，无法独立工作。在自动灌溉系统中，环境参数的采集，如土壤温度、湿度、降雨量等信息尤为重要，仅以无线数传模块作为中继器，无法独立的获取和记录这些环境参数。环境参数采集操作需要由中央灌溉控制器发起采集指令，经中继器转发后无线阀门控制器接收并执行指令，执行后将数据经中继器转发后记录在中央灌溉控制器中，这使得无线灌溉系统过分依赖中央灌溉控制器。在控制逻辑简单、结构单一的自动灌溉系统中也必须安装中央灌溉控制器，提高了系统复杂性和系统成本。在具有远程中央服务器的灌溉控制器中，中继器无法与远程主机直接进行数据交换，同样需要依赖于中央灌溉控制器，远程主机的控制信号必须经由中央灌溉控制器的转发后再传递到中继器进而实现对灌溉系统的操作，系统结构如图2，图2中的无线灌溉系统包括无线阀控器1、土壤湿度传感器2、土壤温度传感器3、电磁阀4、中继器5、中央灌溉控制器6和中央服务器7，所述无线电磁阀包括无线阀控器1以及与所述无线阀控器1有线连接的电磁阀，所述土壤湿度传感器2和土壤温度传感器3均连接无线阀控器，所述无线电磁阀1和中继器5双向连接，中继器5和中央灌溉控制器6有线连接，中央灌溉控制器6和中央服务器7双向连接。

现有技术下灌溉系统的工作流程如图3。由图3可以看出，现有技术下灌溉系统的工作流程为：中央灌溉控制器发起命令，在发起命令后等待应答，若应答超时，则重复发起命令步骤，在应答不超时接收到中继器发送的回复内容时，检验回复内容，操作完成。中继器在接收到中央灌溉控制器的命令后转发命令，并等待电磁阀(此处指无线电磁阀)回复，在中继器收到回复后，将回复的信息发送给中央灌溉控制器。上述的远程主机为图2中所示的灌溉系统中央服务器7。由图3所示的流程图可知，简单的透明传输同时影响的灌溉控制操作的反馈，由于不能独立的处理与无线设备的等待回复、重发等操作需要在中央灌溉控制器或远程服务器(图2中的中央服务器)进行，这些操作阻塞了灌溉系统的运行，降低了无线灌溉系统的用户体验。

技术实现要素：

本实用新型提供全部或至少部分解决上述技术问题的无线灌溉系统。

本实用新型提供一种无线灌溉系统，包括：电磁阀、无线阀控器、环境传感器、中继器和中央服务器；其中，所述中继器包括：中央微处理器、无线通讯模块、手机通讯模块、时钟模块以及存储模块；

所述无线通讯模块、所述手机通讯模块和所述存储模块均与所述中央微处理器双向连接，所述时钟模块的输出连接所述中央微处理器的输入，所述无线阀控器的输出连接所述电磁阀的输入，所述无线阀控器和所述环境传感器双向连接，所述无线阀控器和所述无线通讯模块双向连接，所述手机通讯模块和所述中央服务器双向连接。

优选的，所述中继器还包括：USB功能模块；

所述中央微处理器的输出连接所述USB功能模块的输入。

优选的，所述中继器还包括：有线通讯模块；

所述有线通讯模块和所述中央微处理器双向连接。

优选的，所述无线灌溉系统还包括：中央灌溉控制器；

所述有线通讯模块与所述中央灌溉控制器双向连接，所述中央灌溉控制器与所述中央服务器双向连接。

优选的，所述中继器还包括：LED工作指示灯；

所述中央微处理器的输出连接所述LED工作指示灯。

优选的，所述存储模块包括电可擦可编程只读存储器和闪存，所述电可擦可编程只读存储器和闪存均均与所述中央微处理器双向连接。

优选的，所述时钟模块为RTC时钟芯片。

优选的，所述中继器还包括：用于为所述中央微处理器提供电能的太阳能供电系统；

所述太阳能供电系统连接所述中央微处理器。

优选的，所述太阳能供电系统包括用于检测可充电锂电池的电量的电量检测模块、太阳能电池板、可充电锂电池、可控开关和充放电控制器；

所述太阳能电池板、所述可控开关的两个电源端和所述可充电锂电池串联连接形成充电电路，所述可充电锂电池连接所述中央微处理器的电源端，所述电量检测模块的输入连接所述可充电锂电池，所述电量检测模块的输出连接所述充放电控制器的输入，所述充放电控制器的输出连接所述可控开关的控制端。

优选的，所述中中央微处理器采用8位单片机C8051F964，所述充放电控制器采用充电控制芯片LTC4071，所述锂电池采用18650锂电池，所述存储模块包括EEPROM AT24CS16和FLASH W25Q64，所述USB功能模块采用CH376芯片，所述时钟模块采用时钟芯片PCF8563，所述手机通讯模块采用支持GPRS的手机模块SIM900A，所述无线通讯模块采用SI4463芯片，所述有线通讯模块采用485通讯芯片。

由上述技术方案可知，本实用新型在结构简单无线灌溉系统中，中继器能够替代中央灌溉控制器，实现历史数据的存储和导出和简单的时序控制，可以直接采用中继器和无线电磁阀的网络结构，省去中央灌溉控制器，降低了无线灌溉系统的成本，有力与无线自动化灌溉技术的推广应用。在具有中央服务器的无线灌溉系统中，中继器能够直接接收和转发中央服务器的控制和采集指令，能够取代中央灌溉控制器的功能。在复杂的必须使用中央灌溉控制器的无线灌溉系统中，采用本实用新型的中继器，能够有效提高控制反馈速度，提高用户体验。

附图说明

图1为现有无线灌溉中继器的结构示意图；

图2为一种现有无线灌溉系统的结构示意图；

图3为现有无线灌溉系统的工作流程图；

图4为本实用新型一实施例提供的无线灌溉系统的原理框图；

图5为本实用新型一实施例提供的中继器的原理框图；

图6为本实用新型一实施例提供的中继器和中央灌溉控制器交互的流程图；

图7为本实用新型一实施例提供的具体的无线灌溉系统的原理框图。

附图标记说明

无线阀控器1 土壤湿度传感器2 土壤温度传感器3 电磁阀4中继器5 中央灌溉控制器6 中央服务器7 中央微处理器51 无线通讯模块52 手机通讯模块53 有线通讯模块54 USB功能模块55存储模块56 时钟模块57 LED工作指示灯58 太阳能供电系统59

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

图4为本实用新型一实施例提供的无线灌溉系统的原理框图。

图4所示为不采用中央灌溉控制器的无线灌溉系统的原理框图。

参照图4和图5，一种无线灌溉系统，包括：电磁阀4、无线阀控器1、环境传感器、中继器5和中央服务器7；其中，所述中继器5包括：中央微处理器51、无线通讯模块52、手机通讯模块53、时钟模块57以及存储模块56；

所述无线通讯模块52、所述手机通讯模块53和所述存储模块56均与所述中央微处理器51双向连接，所述时钟模块57的输出连接所述中央微处理器51的输入，所述无线阀控器1的输出连接所述电磁阀4的输入，所述无线阀控器1和所述环境传感器双向连接，所述无线阀控器1和所述无线通讯模块52双向连接，所述手机通讯模块53和所述中央服务器7双向连接。

值的说明的是，本实用新型的中央服务器7为远程主机，与中继器5之间通过INTERNET无线连接。

在本实施例中，中央服务器7发出的控制指令直接由中继器5接收并对无线电磁阀进行相应的操作。同时中央控制器也可以直接向中继器5查询电磁阀4的状态和传感器采集的环境信息。

作为一种优选实施例，所述中继器5还包括：USB功能模块55；

所述中央微处理器51的输出连接所述USB功能模块55的输入。

作为一种优选实施例，所述中继器5还包括：有线通讯模块54；

所述有线通讯模块54和所述中央微处理器51双向连接。

参照图2，作为一种优选实施例，所述无线灌溉系统还包括：中央灌溉控制器6；

所述有线通讯模块54与所述中央灌溉控制器6双向连接，所述中央灌溉控制器6与所述中央服务器7双向连接。

作为一种优选实施例，所述中继器5还包括：LED工作指示灯58；

所述中央微处理器51的输出连接所述LED工作指示灯58。

作为一种优选实施例，所述存储模块56包括电可擦可编程只读存储器和闪存，所述电可擦可编程只读存储器和闪存均均与所述中央微处理器51双向连接。

作为一种优选实施例，所述时钟模块57为RTC时钟芯片。

作为一种优选实施例，所述中继器5还包括：用于为所述中央微处理器51提供电能的太阳能供电系统59；

所述太阳能供电系统59连接所述中央微处理器51。

作为一种优选实施例，所述太阳能供电系统59包括用于检测可充电锂电池的电量的电量检测模块、太阳能电池板、可充电锂电池、可控开关和充放电控制器；

所述太阳能电池板、所述可控开关的两个电源端和所述可充电锂电池串联连接形成充电电路，所述可充电锂电池连接所述中央微处理器51的电源端，所述电量检测模块的输入连接所述可充电锂电池，所述电量检测模块的输出连接所述充放电控制器的输入，所述充放电控制器的输出连接所述可控开关的控制端。

所述可控开关可采用三极管和场效应管等，若采用三极管作为可控开关，则三极管的集电极和发射极可作为两个电源端，三极管的基极可作为控制端；若采用场效应管作为可控开关，则场效应管的源极和漏极可作为两个电源端，栅极可作为控制端。

参照图7，作为一种优选实施例，所述中中央微处理器51采用8位单片机C8051F964，所述充放电控制器采用充电控制芯片LTC4071，所述锂电池采用锂电池18650，所述存储模块56包括2K byte的EEPROM AT24CS16和8M Byte的FLASH W25Q64，其中AT24CS16负责设备参数和状态的存储，W25Q64负责传感器(主要指环境传感器)采集数据的存储，AT24CS16和W25Q64通过SPI接口与MCU通讯。所述USB功能模块55采用CH376芯片，能够直接将数据导出到U盘中，CH376通过SPI与通讯。所述时钟模块57采用由低功耗的时钟芯片PCF8563，同时为该芯片配备纽扣电池独立供电，保证在设备掉电时，不丢失时间，PCF8563通过IC接口与MUC通讯。所述手机通讯模块53采用支持GPRS的手机模块SIM900A，实现网络数据和手机短信的收发，手机模块接收MCU TTL串口发送的AT指令，实现手机网络的通讯。所述无线通讯模块52采用SI4463芯片，实现与无线电磁阀之间的无线通讯，SI4463通过TTL串口与MCU通讯，转发TTL串口的数据。所述有线通讯模块54采用485通讯芯片，有线通讯模块54采用485通讯芯片(图中为MAX485)将C8051F964的TLL转换为485串口与中央灌溉控制器6通讯。该图中太阳能电池板为10W太阳能板。

本实用新型结合自动化灌溉系统的需求，在现有无线通讯功能的基础上，将时序逻辑解析(时钟模块57的功能)、数据存储(存储模块56的功能)、手机网络通讯(手机通讯模块53的功能)、USB数据导出(USB功能模块55的功能)等功能添加到无线灌溉中继器(即本实用新型的中继器5)中，同时中继器5内部内置控制指令反馈功能，缩短控制反馈时间，使其成为一种能够独立完成自动化灌溉控制和关键数据采集记录的新型无线灌溉中继器。

时序逻辑解析功能能够使中继器5主动的发起环境数据采集指令(环境传感器根据环境数据采集指令采集环境数据，所述环境传感器可包括土壤湿度传感器2和土壤温度传感器3)和开关电磁阀4指令(电磁阀4根据该开关电磁阀指令开关)，在没有中央灌溉控制器的情况下，无线灌溉系统也能根据预设的时序控制逻辑和数据采集频率保持无线灌溉系统的正常工作。(存储模块56的)数据存储功能能够记录无线电磁阀(本文中的无线电磁阀为所述无线阀控器1和电磁阀4连接组成的结构，此处主要指所述无线阀控器1)端采集的环境数据，用户可以通过USB数据导出功能，利用U盘将存储的数据导出。手机网络通讯功能能够实现与无线灌溉系统远程主机(本文中的远程主机指所述中央服务器7)的通讯，无线灌溉系统能够直接响应远程主机的操作指令，降低系统的复杂性。内置的控制指令反馈功能实现了控制操作与控制状态的分级反馈，中继器5能够优先反馈控制指令，在指令下发完成后，刷新电磁阀4的工作状态，在下发不成功的情况下在中继器5中实现控制指令的重发，有效缩短了控制操作的响应时间，提升无线灌溉系统的用户体验。同时为了保证中继器5的独立工作，为中继器5添加了太阳能供电系统59。

具体地，本实用新型的无线灌溉系统中：

中继器5具有数据存储功能，能够存储无线电磁阀的状态，记录环境传感器采集的环境数据。

该存储功能以非易失的混合存储单元构成，包括存储速度快读写寿命长的EEPROM和存储容量大的FLASH构成，EEPROM用于存储设备参数、电磁阀4状态，FLASH用于存储环境信息和灌溉操作历史记录。

中继器5中集成了独立的RTC时钟，能够为中继器5提供时钟信号，使其具有自主采集和时序控制的功能。

中继器5中集成了USB数据导出模块(USB功能模块55)，用户能够直接通过U盘将中继器5中存储的历史数据导出。

中继器5集成了手机通讯模块53(手机通讯模块53)，在具有中央服务器7的灌溉系统中，中央服务器7可以直接将操作指令发送到中继器5，中继器5对无线电磁阀进行操作，不需要中央灌溉控制器的转发。

具有太阳能供电系统59，能够为中继器5提供不间断的电源，使其具有独立工作的能力。

中继器5能够存储无线电磁阀的状态，从而实现了分步骤的控制反馈和状态反馈，缩短了反馈时间，提升了无线灌溉系统的用户体验。

其中中央微处理器51采用低功耗的单片机，主要负责程序运算、数据调度等功能。

太阳能供电系统59的太阳能板转换的电能通过充放电控制器储存在锂电池中，锂电池直接给设备(主要指所述中继器5的所述中央微处理器51)供电，保证在阳光不足的情况下，设备依然能够不间断工作。

混合存储单元由两种类型的存储器组成，包括一个EEPROM和一个FLASH，EEPROM中存储经常读写和修改的设备参数、设备配置等信息，FLASH中存储读写频率较低且空间需求较大的数据，如环境采集历史数据、灌溉操作历史数据等。

USB功能模块55主要是实现将在存储器中存储的数据在设备中导出到U盘中的功能。

时钟模块57是一个RTC时钟芯片，为系统提供基础的自然时钟，是系统能够实现定时的环境数据采集和灌溉操作。

有线通讯模块54主要是指在有中央灌溉控制器的系统中，中继器5与中央灌溉控制器6通讯的功能。有线通讯模块54一般采用485或RS232串口方式。

手机通讯模块53的功能是在没有中央灌溉控制器6的情况下，中继器5能够独立与远程中央服务器7之间通讯，远程中央服务器7可以通过GPRS或者GSM短信的形式利用手机网络将控制数据下发，同时获取无线灌溉系统的运行状态。

无线通讯模块52实现中继器5与无线电磁阀之间通讯(主要指中继器5与无线阀控器1的通讯)。

LED工作指示灯58能够提示用户中继器5的工作状态，如手机通讯模块53的登录状态、无线通讯模块52的数据收发状态等。具体的，本实施例主要指中继器5的各个模块将自身的状态信息发送给所述中央微处理器51，再由所述中央微处理器51将各个状态信息发送给LED工作指示灯58，使其显示各个模块的状态。

利用中继器5的存储模块56和内部时钟(时钟模块57)，本实用新型介绍的中继器5采用了操作指令与设备状态分别应答的反馈方式。中继器5将无线电磁阀的状态存储在存储器(存储模块56)中，当电磁阀4状态改变或主动上发状态时更新中继器5中存储的电磁阀4状态，中央灌溉控制器6或远程主机可以直接通过访问中继器5获得无线灌溉系统中的电磁阀4状态。另外通讯的重试等功能都在中继器5中完成，每当有通讯请求时中继器5可以先行回复，不需要等待。具体的通讯流程如图6。图6中中央灌溉控制器发起命令，中继器5接收命令，并在接收命令后向中央灌溉控制器反馈命令，中央灌溉控制器在发起命令后等待应答直到接收到中继器5的反馈命令，操作完成。中继器5在向中央灌溉控制器反馈命令后向无线阀控器1发送命令，并等待无线阀控器1回复，若应答超时，则继续重复向无线阀控器1发送命令步骤，在应答不超时时，收到回复，存储状态。向中央灌溉控制器回复状态，在中央灌溉控制器接收到中继器5回复的状态时，检验电磁阀4的状态、延时后继续检验电磁阀4的状态。

本实用新型具有：

在复杂的必须使用中央灌溉控制器的无线灌溉系统中，采用本实用新型所述的中继器，能够有效提高控制反馈速度，提高用户体验。

在结构简单无线灌溉系统中，该中继器能够替代中央灌溉控制器，实现历史数据的存储和导出和简单的时序控制。

在具有中央服务器的无线灌溉系统中，该中继器能够直接接收和转发中央服务器的控制和采集指令，能够取代中央灌溉控制器的功能。

在简单的无线灌溉系统中采用该中继器，可以直接采用中继器和无线电磁阀的网络结构，省去中央灌溉控制器，降低了无线灌溉系统的成本，有力与无线自动化灌溉技术的推广应用。

本领域普通技术人员可以理解：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型权利要求所限定的范围。