一种灌溉系统的制作方法

本实用新型涉及灌溉设备研究领域，具体地，涉及一种灌溉系统。

背景技术：

我国是一个干旱缺水严重的国家。由于可利用的淡水资源有限，加上水资源浪费、污染以及气候变暖、降水减少等原因，加剧了水资源短缺的危机。我国人均水资源的占有量仅为世界平均水平的1/4。在灌溉系统中合理的推广智能化控制，不仅可以提高水资源利用率，缓解水资源日益紧张的矛盾，还可以增加农作物产量，降低成本，实现灌溉过程简单化、智能化。

现今许多的灌溉系统，它们所用的电源都为220V交流电或者干电池。使用220V交流电不仅布线不方便需要花费大量的人力物力，提高了成本，另外还有漏电、触电等安全隐患。而采用干电池，需要定期更换电池，不但麻烦，而且不符合绿色能源的潮流。

综上所述，本申请实用新型人在实现本申请实用新型技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术中，现有的灌溉系统的供电方式存在需要布线，浪费人力，成本较高，且具有安全隐患，或采用电池需要定期更换，不便于使用的技术问题。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种灌溉系统，解决了现有的灌溉系统供电方式存在的技术问题，实现了采用水能自发电，方便使用，节省人力物力，提高资源利用率，同时节能环保，也保证了系统电源电量充足的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种灌溉系统，包括主控单元和终端单元，终端单元部分包括微处理器、流量传感器、电动阀门、水流发电机模块、锂离子电池模块、ZigBee通信模块，其中：微处理器使用低功耗系列单片机对整个系统进行控制，用于接收流量传感器探测的水流量信息，并且结合水流量的信息调节电动阀门的开启程度；控制ZigBee通信模块进行无线通信，将终端单元的信息(包括水流信息等)经由ZigBee通信模块组成的无线传感器网络回传给主控单元，同时接收主控单元发来的控制命令并发出相应的操作控制指令。

流量传感器，用于检测水流输送管道内水流量并将水流量信息发送至微处理器，霍尔流量传感器流过的水流瞬时速率与输出矩形脉冲频率之间为一次函数关系：Q＝A*F+B，运用微处理器的输入捕获功能得到矩形脉冲频率，进而得到水流瞬时速率，再运用积分的方法，可以计算总流量；

电动阀门，用于根据微处理器发出的控制指令来调节水流输送管道内水流大小，电动阀门不同于各类截断类阀门，只实现开和关的功能，其可以控制阀门开启程度以实现水流输送管道内水流以指定水流速度输出；

水流发电机模块，流过的水流推动水轮机，将动能转化为电能；

锂离子电池模块，用于储存水流发电机产生的电能，并且将锂离子电池电压转换为微处理器系统的供电电压；

ZigBee通信模块，用于终端单元与终端单元和终端单元与主控单元无线信息传输，彼此之间组网组成无线传感器网络，从而实现远程流量数据传输和控制；

主控单元部分包括：ARM处理器、水流发电机模块、锂离子电池模块、液晶触摸屏、ZigBee通信模块，其中：

ARM处理器，包括STM32处理器、晶体振荡电路。晶体振荡电路，其为STM32处理器的时钟来源。STM32处理器用于控制液晶触摸屏，ZigBee通信模块。

水流发电机模块，利用流过的水流推动水轮机，用于将动能转化为电能；

锂离子电池模块，用于对微处理器和与微处理器连接的元器件供电；

液晶触摸屏，用于显示终端单元的传感信息，并通过液晶触摸屏输入控制信息，从而对需要控制的终端单元进行控制。

ZigBee通信模块，用于接收终端单元发送过来的信息，也用于向终端单元发送控制命令。

其中，本申请中的微处理器、流量传感器、电动阀门、水流发电机模块、锂离子电池模块、ZigBee通信模块、ARM处理器、液晶触摸屏均为现有技术中的模块或设备或组件，进一步的，所述的微处理器，其包括低功耗单片机、晶体振荡电路、电动阀驱动芯片；所述的单片机与晶体振荡电路，电动阀驱动芯片连接；晶体振荡电路为现有技术中常用的电路，其为单片机的时钟来源；电动阀驱动芯片的输入信号线连接单片机，电动阀驱动芯片的输出信号线连接电动阀从而实现对电动阀的控制。

进一步的，所述水流发电机模块，其包括叶轮发电部分、整流滤波稳压电路、充电保护电路；整流滤波稳压电路和充电保护电路均为现有技术中常用的电路，叶轮发电部分将水流的动能转化为交流电能；整流滤波稳压电路将交流电转化为直流恒压电源；充电保护电路，对电池的充电进行管理，提高充电效率并进行保护，防止过充。

进一步的，所述锂离子电池模块，其包括锂离子电池、电压转换电路；锂离子电池用于储存水流发电机产生的电能；电压转换电路为现有技术中常用的电路，电压转换电路的输入为锂离子电池，接受锂离子电池的放电，电压转换后用于为微处理器系统提供稳定的供电电压。

进一步的，为了使得本实用新型监测管道内水流温度时操作便捷，所述微处理器还连接有水温传感器，所述水温传感器用于检测水流输送管道内水流温度，并将检测到的温度信息传输至微处理器，当温度在设定正常范围内时，终端单元正常出水，并将水流温度信息通过无线传感器网络传至主控单元，供远程查看；否则微处理器立即关闭电动阀，停止出水，并通过无线传感器网络立即将水温异常警报传至主控单元，以便尽早采取措施，尽量不造成损失或减小损失，直至再次得到出水控制指令。

进一步的，为了使得本实用新型监测土壤湿度时操作便捷，所述微处理器还连接有湿度传感器，所述湿度传感器用于检测土壤中的湿度，并将检测到的湿度信息传输至微处理器。一方面，湿度信息通过无线传感器网络将湿度信息传至主控单元，供远程查看。另一方面，当湿度值高于设定值时，终端单元停止出水，反之当湿度过低时，微处理器自动打开电动阀，出水加湿土壤。当湿度值超标高于警戒值时，将通过无线传感器网络将传至主控单元，发出警告，以便尽早采取措施，尽量不造成损失或减小损失。

进一步的，微处理器还连接有蜂鸣器，当监测的水温与湿度不在正常范围内时，或者系统工作异常时，微处理器可以控制蜂鸣器发出报警声音，作出提示。

进一步的，微处理器通过ADC(模数转换)转换功能，可以监测锂离子电池电量，将电池电量信息通过无线传感器网络传至主控单元，供远程查看。

进一步的，所述微处理器、ZigBee通信模块、锂离子电池模块，设于同一集成电路板上。本实用新型通过将多个元器件集成为一体，使得本实用新型应用时便于管理和转移。

进一步的，在本次的控制系统应用中，由于终端单元系统使用了水流自发电模块，电源供应充足，因此能量因素并不成为无线传感器网络系统生命期的制约因素，这也大大提高了网络节点的稳定性和可靠性。

进一步的，本申请中的灌溉系统，还包括顺次连接的入水管道、传感器定位管道、连接管、电动阀门定位管道及出水管道、水流发电机模块，所述流量传感器安装于传感器定位管道上且其探头设于传感器定位管道内，所述电动阀门的执行器安装于电动阀门定位管道上。本实用新型整体集成为一体，在本实用新型应用时，将本实用新型串接在水流输送管道上即可进行相应的测试，使得本实用新型应用时更加便捷。

本申请中的系统采用水能自发电方式，提高资源利用率，同时节能环保，也保证了系统电源电量充足。无线传感器网络具有诸多传统网络所不具备的优势，包括网络部署简易、对恶劣环境的适应性好、长寿命以及高可靠性。随着对无线传感器网络研究的深入，无线传感器被广泛地应用在日常生产与生活中，并带来了很多的便利。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

(1)本实用新型采用了ZigBee无线传感器网络技术，无线传感器网络具有诸多网络所不具备的优势，布网简易、性价比高，如今其研究与应用都比较成熟，可以方便有效地对每个节点进行控制与监测。

(2)本实用新型应用了水流自发电模块，充分利用了流过水流的动能，将其转化为电能，为系统供电，节约了一部分能源，也避免了外接电源布线的麻烦。

(3)本实用新型应用时在主控单元通过3G/4G/GPRS模块连接物联网云平台，上传水流信息，并从云平台接收控制信息，实现多终端的显示和控制。

(4)本实用新型支持定量控制功能，可以设定输出水量和水流速度，输出指定速度的水量，并在输出完毕后自动关闭。

(5)本实用新型支持定速控制功能，通过电动阀门配合流量传感器实现水流速度的闭环控制，可以精确的调节水流大小，解决了传统灌溉系统大部分是基于开关控制，不能精确的调节水流的大小的问题，相较于比例积分调节阀，硬件成本低。

(6)本实用新型有水温传感器和湿度传感器，可以监测水流温度和土壤湿度。

本实用新型所有的硬件均是基于现有技术中已存在的硬件实现，取材便捷，虽然本实用新型的部分硬件在灌溉方面已有相关应用，但将这些硬件组合起来与水流自发电和当今流行的无线传感器网络结合起来使用为本实用新型首次提出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定；

图1为本发明一个具体实施例的终端单元部分的结构示意图；

图2为本发明一个具体实施例的主控单元部分的结构示意图；

图3为本发明的无线传感器网络的工作框图；

图4为本发明一个具体实施例配备有安装管道时的大致结构示意图。

其中1、入水管道，2、水流发电机模块，3、传感器定位管道，4、水温传感器，5、流量传感器，6、锂离子电池模块，7、集成电路板，8、电动阀门执行器，9、电动阀门定位管道，10、出水管道，11、ZigBee通信模块。

具体实施方式

本实用新型提供了一种灌溉系统，解决了现有的灌溉系统供电方式存在的技术问题，实现了采用水能自发电，方便使用，节省人力物力，提高资源利用率，同时节能环保，也保证了系统电源电量充足的技术效果。

为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本申请提供了如图1-图4所示，一种灌溉系统的终端单元部分，包括微处理器、流量传感器、电动阀门、ZigBee通信模块、水流发电机模块、锂离子电池模块；流量传感器、电动阀门、ZigBee通信模块、锂离子电池模块均与微处理器连接，微处理器使用超低功耗msp430f149单片机，流量传感器使用霍尔流量传感器，电动阀门使用微型电动球阀，ZigBee通信模块使用2.4G zigbeecc 2530无线串口收发模块，锂离子电池模块使用1000mA 3.7V聚合物锂电池。如图2所示，一种灌溉系统的主控单元部分，包括ARM处理器、水流发电机模块、锂离子电池模块、液晶触摸屏、ZigBee通信模块；ARM处理器使用STM32F103RBT6，锂离子电池模块使用2000mA 3.7V聚合物锂电池，液晶触摸屏使用3.2寸TFT液晶屏模块，带触摸彩屏65K色，ZigBee通信模块使用2.4G zigbeecc 2530无线串口收发模块。如图3所示，无线传感器网络分为终端单元和主控单元。终端单元主要负责感知环境，获取传感器所得到的相关信息，包括水流相关信息、传感信息等，也接受其它终端单元的数据并进行转发，使得信息能够顺利传递；主控单元：接收和处理其它终端单元的数据，同时也向其它终端单元发送命令信息。在实际应用中，每个终端单元和每个主控单元都有一个唯一的序列号，当终端单元收到信息后，与自己的序列号进行对比，当与自己的序列号匹配时，接收信息，并停止向下一级传递信息；否则向下一级继续转发信息。无线传感器网络具有网络部署简易、恶劣环境的适应性强、寿命长、可靠性高、性价比高、兼容性强等优势。

本实施例终端单元部分，请参考图4，霍尔流量传感器用于检测水流输送管道内水流量并将水流量信息发送至msp430f149；电动阀门用于根据msp430f149发出的控制指令来调节水流管道内水流大小，实现水流管道内水流以指定水流速度输出；ZigBee通信模块负责与外部进行无线通信，传递终端单元的水流以及传感信息，并且接收主控单元的控制信息，彼此之间组成无线传感器网络；水流发电机模块将流过管道的水流的动能转化为交流电能，并通过一系列的整流、滤波、稳压等过程将其转化为直流电能，并在本模块中电池充电管理芯片的参与下，将直流电能储存在锂离子电池中；锂离子电池模块主要用于对终端单元系统供电；msp430f149单片机对整个系统进行控制，用于接收流量传感器探测的水流量信息，并且结合水流量的信息调节电动阀门的开启程度，控制ZigBee通信模块进行无线通信，将终端单元的信息(包括水流信息等)经由ZigBee通信模块组成的无线传感器网络回传给主控单元，同时接收主控单元发来的控制命令并发出相应的操作控制指令。

所述的微处理器，其包括超低功耗16位msp430f149单片机、晶体振荡电路、电动阀驱动芯片；所述的msp430f149单片机与晶体振荡电路，电动阀驱动芯片连接；晶体振荡电路，其为单片机的时钟来源；电动阀驱动芯片的输入信号线连接单片机，电动阀驱动芯片的输出信号线，连接电动阀从而实现对电动阀的控制。

所述水流发电机模块，其包括叶轮发电部分、整流滤波稳压电路、充电保护电路；叶轮发电部分将水流的动能转化为交流电能；整流滤波稳压电路将交流电转化为恒压直流电源；充电保护电路，对电池的充电进行管理，提高充电效率并进行保护，防止过充。

所述锂离子电池模块，其包括锂离子电池、电压转换电路；锂离子电池用于储存水流发电机产生的电能；电压转换电路的输入为锂离子电池，接受锂离子电池的放电，电压转换后用于为微处理器系统提供稳定的供电电压。

在具体设置时，msp430f149单片机、锂离子电池模块、2530无线串口收发模块设于同一集成电路板上。

本实施例的优选实施方式：针对终端单元部分，本实施例的微处理器还连接有水温传感器，其中，水温传感器用于检测水流输送管道内水流温度。本实施例在具体实施时，水温传感器优选采用浸入式温敏电阻NTC 10K，与外部高精度10K电阻串联，水温变化时，NTC 10K的阻值也会发生变化，使其串联分压变化，通过微处理的ADC测出具体的分压，然后求出不同分压下的阻值，阻值与温度是一一对应的，查表从而计算得出水流的温度，当温度在设定正常范围内时，终端单元正常出水，并将水流温度信息通过无线传感器网络将水流温度信息传至主控单元，供远程查看；否则msp430f149立即关闭电动阀，停止出水，并通过无线传感器网络立即将水温异常警报传至主控单元，以便尽早采取措施，尽量不造成损失或减小损失，直至再次得到出水控制指令。

本实施例的优选实施方式：针对终端单元部分，本实施例所述msp430f149单片机还连接有土壤湿度传感器模块(4线)湿度计检测模块，所述湿度传感器用于检测土壤中的湿度，并将检测到的湿度信息传输至msp430f149单片机。一方面，湿度信息通过无线传感器网络将湿度信息传至主控单元，供远程查看。另一方面，当湿度值高于设定值时，终端单元不出水，反之当湿度过低时，msp430f149单片机自动打开电动阀，出水加湿土壤。当湿度值超标高于警戒值时，将通过无线传感器网络将传至主控单元，发出警告，以便尽早采取措施，尽量不造成损失或减小损失。

本实施例的优选实施方式：针对终端单元部分，本实施例所述msp430f149单片机还连接有3.3v有源蜂鸣器，当监测的水温与湿度不在正常范围内时，或者系统工作异常时msp430f149单片机可以控制蜂鸣器发出报警声音，作出警示。

本实施例的优选实施方式：针对终端单元部分，本实施例所述msp430f149单片机运用ADC(模数转换)转换功能，可以监测锂离子电池电量，将电池电量信息通过无线传感器网络传至主控单元，供远程查看。

本实施例的主控单元部分，包括ARM处理器、水流发电机模块、锂离子电池模块、液晶触摸屏、ZigBee通信模块，其中

ARM处理器，包括STM32F103RBT6、晶体振荡电路。晶体振荡电路，其为STM32F103RBT6的时钟来源。STM32F103RBT6用于系统控制，包括控制液晶触摸屏，ZigBee通信模块。

水流发电机模块，利用流过的水流推动水轮机，用于将动能转化为电能；

锂离子电池模块，用于对STM32F103RBT6微处理器和与STM32F103RBT6微处理器外围模块供电；

液晶触摸屏，用于显示终端单元的传感信息，并通过液晶触摸屏输入控制信息，从而对需要控制的终端单元进行控制。

ZigBee通信模块，用于接收终端单元发送过来的信息，也用于向终端单元发送控制命令。

本实施例的优选实施方式：针对主控单元部分，本实施例主控单元部分含有3G/4G/GPRS模块，3G/4G模块可以使用：有人串口转3G/4G三网全网通USR-LTE-7S4数据无线通讯模块，GPRS模块使用：A6mini GPRS模块。STM32F103RBT6通过uart串口与3G/4G/GPRS模块通信，可以用于将主控单元接收到的终端单元的传感信息上传到网络，供用户远程查看和控制，在手机或其他移动终端上看到实时传输的系统信息，并且每个终端单元可接收外接无线客户端反馈的控制数据信息，能实现多个无线客户端对本实施例进行远程控制，避免了必须值班监控造成的不便利、人力资源浪费等问题。

本实施例的优选实施方式：针对主控单元部分，本实施例所述STM32F103RBT6处理器运用ADC(模数转换)转换功能，可以监测锂离子电池电量，将电池电量信息通过无线传感器网络传至主控单元，供远程查看。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

(1)本实用新型采用了ZigBee无线传感器网络技术，无线传感器网络具有诸多网络所不具备的优势，布网简易、性价比高，如今其研究与应用都比较成熟，可以方便有效地对每个节点进行控制与监测。

(2)本实用新型应用了水流自发电模块，充分利用了流过水流的动能，将其转化为电能，为系统供电，节约了一部分能源，也避免了外接电源布线的麻烦。

(3)本实用新型应用时在主控单元通过3G/4G/GPRS模块连接物联网云平台，上传水流信息，并从云平台接收控制信息，实现多终端的显示和控制。

(4)本实用新型支持定量控制功能，可以设定输出水量和水流速度，输出指定速度的水量，并在输出完毕后自动关闭。

(5)本实用新型支持定速控制功能，通过电动阀门配合流量传感器实现水流速度的闭环控制，可以精确的调节水流大小，解决了传统灌溉系统大部分是基于开关控制，不能精确的调节水流的大小的问题，相较于比例积分调节阀，硬件成本低。

(6)本实用新型有水温传感器和湿度传感器，可以监测水流温度和土壤湿度。

尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。