一种智能灌溉单元及系统的制作方法

本发明涉及农田智能灌溉技术领域，特别是一种智能灌溉单元及系统。

背景技术：

水资源紧缺已经成为全球性的问题，节约用水并实现高效用水是人类生存与发展的需求，也是全球经济社会的需求。水资源很可能为继石油资源后人类面临的又一紧缺资源，这是我们不能回避的现实。我国作为贫水国家之一，加之人口众多，又正值经济建设发展时期，对水资源的需求日益增多。由于农业用水占据了我国总用水量中的70％，且农业灌溉效率低下和用水浪费的问题普遍存在，缺水与灌溉面积增加之间的矛盾日益激化。为了缓解水资源紧缺，实现作物高产稳产，需要在自动灌溉系统中合理地推广自动化智能控制。

目前，我国农田灌溉大多还停留在传统的以人工手动控制为主的灌溉模式，特别是在轮灌制中，每隔一段时间，比如玉米田灌溉时每隔3-6小时就要走到田间地头，手动关闭已灌溉区域阀门并手动打开待灌溉区域的阀门，当灌溉面积较大时，阀门众多，人力投入大、耗时长、阀门启闭不及时，这不仅造成了人力资源和水资源的浪费，还不便于精准控制灌溉量，对作物的生长极为不利。

为了解决上述问题，现有的自动化农业灌溉机械，特别是灌溉阀门的自动控制采用了电磁阀控制，但是电磁阀工作时，需要持续供电维持其开启状态，因此耗电量大，蓄能模块体积笨重、成本高昂，且现有的自动化农业灌溉机械功能单一，灌溉时，特别是滴灌作业时，对管道压力的控制依赖人为经验，随意性大，在整个灌溉过程没有科学的数据支撑，若灌溉区域存在坡度，则不同坡度处的出水桩出水压力不同，极易出现管道破裂或爆管的现象，将会导致灌溉用水、施肥随意，水肥利用率低，资源严重浪费(水肥利用率只有40％左右)，而长久随意的管控，更滋生了土壤结构破坏、环境污染等农业种植问题，严重影响我国大田农业的智能化发展。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种智能灌溉单元及灌溉系统，解决现有大田农业灌溉智能化程度低且成本高昂的问题。

本发明技术方案如下：

一种智能灌溉单元，包括传感器组、太阳能蓄电系统、阀门驱动系统和控制系统，所述控制系统包括控制主板，所述控制主板内置有休眠模式和唤醒模式，在休眠模式下，所述太阳能蓄电系统不向所述控制系统供电或仅向所述控制主板的主芯片提供能够将其唤醒的最低电量；所述唤醒模式包括被动唤醒模式，所述被动唤醒模式是由控制终端通过远程通信模块向所述控制主板发送控制指令，获取传感器组数据信息，并根据所述数据信息控制阀门驱动系统执行相应灌溉动作。

作为优选，所述唤醒模式还包括主动唤醒模式，所述主动唤醒模式是指所述控制芯片每隔一段时间自动获取传感器组中的数据信息，并将采集到的数据信息通过远程通信模块发送到服务器端存储和分析，达到预定旱情指标时自动报警或自动控制所述阀门驱动系统执行相应灌溉动作。

作为优选，所述智能灌溉单元还包括球阀和控制箱，所述控制箱内置有所述驱动系统的电动执行机构，所述控制系统还包括继电器板，所述电动执行机构的输出轴同轴心连接所述球阀的阀芯，所述继电器板控制所述电动执行机构的电机正转或反转一定的角度，进而控制所述球阀的启闭及开度。

作为优选，所述传感器组包括地表温湿度传感器组和地下温湿度传感器组，地下温湿度传感器组包括上下管口封闭的呼吸管和置于所述呼吸管内部的地下温湿度传感器，所述温湿度传感器从所述呼吸管的上管口置于所述呼吸管内部指定位置处后封闭该上管口；所述呼吸管的侧面均匀开有呼吸孔，所述呼吸孔的孔径能够阻止土壤进入所述呼吸管，且能够使土壤中的空气和水汽进入所述呼吸管。

作为优选，所述传感器组包括设于球阀出水管的压力传感器和流量传感器。

作为优选，所述传感器组还包括设于所述控制箱内的位置反馈传感器，所述电动执行机构包括电机和垂直传动机构，所述垂直传动机构的输入轴与输出轴相互垂直，所述输出轴的一端同轴心连接所述球阀的阀芯、另一端同轴心连接所述位置反馈传感器，所述位置反馈传感器根据需求向所述服务器和/或所述控制终端反馈所述阀芯的开度位置或档位。

作为优选，所述位置反馈传感器包括可编程磁钢、位置反馈板和磁钢座，所述位置反馈板上设有可编程磁钢角度传感芯片，所述磁钢座包括圆柱形铝制本体和延所述铝制本体的轴心向下延伸的螺杆，所述螺杆与所述输出轴上端轴心处的螺孔相匹配，所述铝制本体的上端同轴心设有用于固定所述可编程磁钢的磁钢盲孔，所述位置反馈板通过设于所述上层箱体底部的反馈板固定装置将所述可编程磁钢角度传感芯片紧固于所述可编程磁钢的上部。

作为优选，所述控制箱包括左右对接的电机箱和传动箱，所述电机、继电器板和所述太阳能蓄电系统的太阳能控制板置于所述电机箱，所述传动箱为上下两层箱体，上层箱体用于固定控制主板和位置反馈板，下层箱体用于放置所述垂直传动机构；所述电机箱的电机主轴与所述垂直传动机构的输入轴同轴心水平连接；所述输入轴的轴心位置开有异形通孔，且在用于固定所述输入轴的下层箱体位置，对应所述异形通孔位置开有手动孔；所述电机的主轴与所述输入轴之间通过与之同轴心的套筒相连，所述套筒与所述主轴连接端设有弹性装置，使得所述套筒可在穿过所述异形通孔的外力的作用下向所述主轴所在方向移动并脱离所述输入轴。

作为优选，所述传感器组还包括气象信息获取装置和作物生长信息获取装置，所述作物生长信息获取装置包括照片或视频采集装置。

一种智能灌溉系统，包括通过窄带物联网通信模块连接到服务器及控制终端的一个或多个上述智能灌溉单元；所述智能灌溉单元设于灌溉管网的出水桩或出水井位置，或所述智能灌溉单元根据农田的大小合理布置。

本发明相对于现有技术优势在于：

1、本发明所述的智能灌溉单元及系统，包括休眠模式和唤醒模式，所述太阳能蓄电系统在休眠模式下不向所述控制系统供电或仅向所述控制主板的主芯片提供能够将其唤醒的最低电量，且仅在需要灌溉时才会向驱动系统的电机和控制器通电，能够大幅减小太阳能蓄电系统的供电负担，进而储能装置和控制箱的体积和重量也能够大幅降低。

2、本发明所述的智能灌溉单元及系统，唤醒模式还包括被动唤醒模式和主动唤醒模式，主动唤醒模式可以规律采集土壤墒情信息、作物生长信息和气象信息，主动启动灌溉阀进行农田灌溉。被动唤醒模式可以根据用户需求获取或定制数据信息方便用户实时调整灌溉策略。

3、本发明所述的智能灌溉单元及系统，所述控制系统采集灌溉阀进水口和/或出水口处的流量压力信息，通过无线通讯模块发送到所述控制终端，由档位控制器和控制终端之间的反馈控制来驱动电机及垂直传动机构驱动所述球阀的阀芯旋转到合适压力值对应的开度档位，能够精准控制出水桩的出水量和出水压力，实现精准灌溉，且能避免因出水桩坡度不同造成压力差异而致使的支管和毛管脱管或爆管等问题。

4、本发明所述的智能灌溉单元及系统，所述电机主轴与所述阀体之间通过垂直传动机构相连，且所述垂直传动机构输出轴的上端与所述档位控制器同轴心竖直连接、下端与所述球阀的阀芯同轴心竖直连接，不仅能通过所述输出轴的转动直接将阀芯转动角度精确地传递到档位控制器，使得阀体转动与档位控制形成闭环反馈，控制更加精准，还能通过在输入轴的轴心位置开异形通孔，进而使得所述套筒可在穿过所述异形通孔的外力的作用下向所述主轴所在方向移动并脱离所述输入轴，通过旋转手动杆或能与异形通孔相嵌合的棒状扳手等实现智能灌溉阀的无电手动控制，结构简单而紧凑，进一步缩小了控制箱的体积和重量。所述垂直传动机构为减速比较大的蜗轮蜗杆传动结构，便于实现阀体的旋转速度控制，极大地避免了水锤现象。

5、本发明所述的智能灌溉单元及系统，所述无线通讯模块包括窄带物联网通信模块(nb-iot：narrowbandinternetofthings)，一个基站理论上能够实现将近几万台的智能灌溉阀控制，极大地降低了智能灌溉系统的成本，方便大面积的推广应用，且所述数据采集模块采集压力流量信息、气象信息、土壤墒情信息和作物生长信息等，方便建立区块链农业管理系统，使得全国范围内的智能农业管理成为可能。

附图说明

图1是本发明智能灌溉单元第一实施例的流程图；

图2是本发明智能灌溉单元第二实施例的流程图；

图3是本发明智能灌溉单元的第三实施例的立体结构图；

图4是本发明智能灌溉单元控制箱第三实施例的局部剖视图；

图5是本发明智能灌溉单元第三实施例的位置反馈传感器剖视图的局部放大图；

图6是本发明智能灌溉单元的模块框图；

图7是本发明智能灌溉系统的模块框图。

附图标记列示如下：1-太阳能蓄电系统；2-控制箱；21-电机箱，211-主轴，22-传动箱，221-上层箱体，222-下层箱体，2221-手动孔，23-控制主板，24-垂直传动机构，241-输入轴(蜗杆)，242-输出轴(蜗轮轴)，2421-蜗轮，243-套筒，244-弹性装置(弹簧)；3-传感器组，31-位置反馈传感器，311-可编程磁钢，312-位置反馈板，3121-可编程磁钢角度传感芯片，313-磁钢座，3131-铝制本体，3132-螺杆。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。

实施例1

一种智能灌溉单元，如图1-7所示，包括传感器组3、太阳能蓄电系统1、驱动系统和控制系统，所述控制系统包括控制主板23，所述控制主板23内置有休眠模式和唤醒模式，在休眠模式下，所述太阳能蓄电系统1不向所述控制系统供电或仅向所述控制主板23的主芯片提供能够将其唤醒的最低电量；所述唤醒模式包括被动唤醒模式，所述被动唤醒模式是由控制终端通过远程通信模块向所述控制主板23发送控制指令，获取传感器组3的数据信息，并根据所述数据信息控制驱动系统执行相应灌溉动作。其工作流程图如图1所示，所述控制终端可为电脑或智能手机，用户通过在控制终端上读取至少包括土壤墒情信息的传感器组数据信息来判断是否需要灌溉，并通过控制终端向控制主板发送远程信息控制灌溉阀的驱动系统轮流动作进行灌溉。所述太阳能蓄电系统1在休眠模式下不向所述控制系统供电或仅向所述控制主板23的主芯片提供能够将其唤醒的最低电量，且仅在需要灌溉时才会向驱动系统的电机和继电器板通电，能够大幅减小太阳能蓄电系统的供电负担，进而太阳能蓄电系统1的储能装置如锂电池和控制箱2的体积和重量也能够大幅降低。

实施例2

如图2所示，本实施例与上述实施例不同地是，所述唤醒模式还包括主动唤醒模式，所述主动唤醒模式是指所述控制主板23每隔一段时间自动获取传感器组3中的数据信息，并将采集到的数据信息通过远程通信模块发送到服务器端存储和分析，达到预定旱情指标时向控制终端自动报警或自动控制所述阀门驱动系统执行相应灌溉动作。此时，所述服务器内部设有足够应对不同作物的不同旱情的灌溉指标及灌溉策略供其选择。且所述阀门驱动系统可根据灌溉阀进出水管口的压力智能调整阀门的开度大小。

作为优选，所述传感器组3包括地表温湿度传感器组和地下温湿度传感器组，地下温湿度传感器组包括上下管口封闭的呼吸管和置于所述呼吸管内部的地下温湿度传感器，所述温湿度传感器从所述呼吸管的上管口置于所述呼吸管内部指定位置处后封闭该上管口；所述呼吸管的侧面均匀开有呼吸孔，所述呼吸孔的孔径能够阻止土壤进入所述呼吸管，且能够使土壤中的空气和水汽进入所述呼吸管。具体地，所述呼吸管侧面还可标注深度值，以采集不同深度位置处的土壤墒情。所述地表温湿度传感器组设于距地面不超过25厘米处，以检测农田地表温湿度，预判是否有病虫害发生。所述传感器组包括气象信息获取装置、作物生长信息获取装置和设于球阀出水管的压力流量传感器，所述作物生长信息获取装置包括照片或视频采集装置。主动唤醒模式可以规律采集土壤墒情信息、作物生长信息和气象信息，由服务器主动启动灌溉阀进行农田灌溉，被动唤醒模式可以根据用户需求获取或定制数据信息方便用户实时调整灌溉策略，实现灵活的灌溉控制。

所述控制系统的模块框图如图6所示，所述控制系统包括相互电连接的控制主板、继电器板、太阳能控制板和位置反馈板，所述控制主板为整个控制系统的核心，所述控制主板上设有窄带物联网nb-iot(narrowbandinternetofthings)通信模块和控制芯片，所述继电器板上设有两个继电器分别控制电机的正反转，所述位置反馈板上设有可编程磁钢角度传感芯片，能够向控制主板反馈所述阀芯的旋转角度，所述控制主板上设有传感器组的连接接头，通过窄带物联网通信模块向服务器和控制终端反馈采集到的的数据信息。

实施例3

如图3-5所示，所述智能灌溉单元还包括球阀和固定于球阀上的控制箱2，所述传感器组3、太阳能蓄电系统1、阀门驱动系统和控制系统均集成连接于所述控制箱2，所述控制箱2内置有所述驱动系统的电动执行机构，所述控制系统还包括继电器板，所述电动执行机构的输出轴242同轴心连接所述球阀的阀芯，所述继电器板控制所述电动执行机构的电机正转或反转一定的角度，进而控制所述球阀的启闭及开度。具体地，所述控制箱2包括左右密封对接的电机箱21和传动箱22，所述传感器组3还包括设于所述控制箱2内的位置反馈传感器31，所述电动执行机构包括电机和垂直传动机构24，所述垂直传动机构24的输入轴241与输出轴242相互垂直，所述输出轴242的一端同轴心连接所述球阀的阀芯、另一端同轴心连接所述位置反馈传感器31，所述位置反馈传感器31根据需求向所述服务器和/或所述控制终端反馈所述阀芯的开度位置或档位。

所述传动箱22为上下两层结构，上层箱体221用于固定控制器23、太阳能蓄电系统1的储能装置及太阳能控制板，下层箱体222用于放置垂直传动机构24；所述电机箱21用于放置所述电机和继电器板。

作为优选，所述位置反馈传感器31包括可编程磁钢311、位置反馈板312和磁钢座313，所述位置反馈板312上设有可编程磁钢角度传感芯片3121，所述磁钢座313包括圆柱形铝制本体3131和延所述铝制本体的轴心向下延伸的螺杆3132，所述螺杆3132与所述输出轴242上端轴心处的螺孔相匹配，所述铝制本体3131的上端同轴心设有用于固定所述可编程磁钢311的磁钢盲孔，所述位置反馈板312通过设于所述上层箱体221底部的反馈板固定装置将所述可编程磁钢角度传感芯片3121紧固于所述可编程磁钢311的正上方。

作为优选，所述电机的主轴211与所述垂直传动机构24的输入轴241同轴心水平连接；所述输入轴241的轴心位置开有异形通孔，且在用于固定所述输入轴241的下层箱体222位置，对应所述异形通孔位置开有手动孔2221；所述电机的主轴211与所述输入轴241之间通过与之同轴心的套筒243相连，所述套筒243与所述主轴211连接端设有弹性装置244，使得所述套筒243可在穿过所述异形通孔的外力的作用下向所述主轴211所在方向移动并脱离所述输入轴241。

所述控制主板23采集球阀进水口处的流量压力信息，通过无线通讯模块发送到所述控制终端，由位置反馈传感器31和控制终端之间的反馈控制来驱动电机及垂直传动机构24驱动所述球阀的阀芯旋转到合适压力值对应的开度能够精准控制出水桩的出水量和出水压力，实现精准灌溉，且能避免因出水桩坡度不同造成压力差异而致使的支管和毛管脱管或爆管等问题。

所述电机主轴211与所述阀体之间通过垂直传动机构24相连，且所述垂直传动机构24输出轴241的上端与所述档位控制器233同轴心竖直连接、下端与所述球阀的阀芯同轴心竖直连接，不仅结构简单而紧凑，使控制箱2的体积和重量大幅减小，还能通过所述输出轴241的转动直接将阀芯转动角度精确地传递到档位控制器，使得阀体转动与档位控制形成闭环反馈，压力和流量控制更加精准，实现高效节水的自动化管理。

作为优选，所述异形通孔的截面为正多边形，所述智能灌溉阀还包括与所述异形通孔形状相匹配手动杆；或所述异形通孔的截面为与六角棒状扳手相对应的正六边形。通过旋转手动杆或旋转能与异形通孔2411相嵌合的六角棒状扳手等实现智能灌溉阀的无电手动控制，以防止控制器故障或停电时，智能控制阀不能关闭，且该种设置也方便在安装调试时，手动调整不同高度出水桩的阀门开度，使其管压维持在合适的范围内而避免首次安装调试时出现脱管爆管的现象，提高了智能灌溉阀的使用安全性。

作为优选，如图3所示，所述垂直传动机构24为减速比较大的蜗轮蜗杆传动结构，便于实现阀体的旋转速度控制，极大地避免了水锤现象。所述输出轴为蜗轮轴242，所述输入轴为蜗杆241，所述蜗杆241的两端通过深沟球轴承固定于所述下层箱体222的壳体上，所述蜗杆241靠近所述电机箱21的一端向外延伸有第一轴承连接轴和台阶轴，所述台阶轴与所述套筒相嵌合；所述蜗杆241远离所述电机箱21的一端向外延伸有第二轴承连接轴。所述套筒243为两端开孔的实心结构，所述套筒241靠近所述电机箱21的一端与所述电机主轴211相嵌合，此时，所述套筒241靠近所述电机箱21一端的开孔为d形孔，所述电机主轴211为与所述d型孔形状相匹配的d形轴，二者相互嵌合，便于所述套筒241随所述主轴211的转动而转动。所述套筒241远离所述电机箱21一端的通过异形孔与所述输入轴241相嵌合，使得所述输入轴241随着所述套筒241在所述主轴211的带动下转动。

当所述弹性装置244处于自由状态时，如图3所示，所述套筒243靠近所述电机箱21一端的嵌合孔的底部与电机主轴211轴端面之间的距离大于所述台阶轴2412的长度。以便于所述套筒243在穿过所述异形通孔2411的外力的作用下向所述主轴211所在方向移动时，与所述输入轴241相互脱离，进而可以在手动孔位置自由转动所述输入轴241，实现阀门的手动启闭。

作为优选，所述无线通讯模块包括窄带物联网nb-iot(narrowbandinternetofthings)通信模块，一个基站能够实现将近几万台的智能灌溉阀控制，极大地降低了智能灌溉系统的成本，方便大面积的推广应用。方便建立区块链农业管理系统，使得全国范围内的智能农业管理成为可能。

实施例4

一种智能灌溉系统，其模块框图如图7所示，包括通过窄带物联网通信模块连接到服务器及控制终端的一个或多个上述智能灌溉单元；所述智能灌溉单元可设于灌溉管网的出水桩或出水井位置，或所述智能灌溉单元根据农田的大小合理布置。所述控制终端通过无线通讯系统获取来自于灌溉管网的所有智能灌溉阀采集的压力流量信息、气象信息、土壤墒情信息和作物生长信息，自动控制所述灌溉管网的智能灌溉阀的启闭及档位，实现精准灌溉。

具体地，所述控制终端包括远程控制主机和/或手机。所述球阀在控制终端的反馈控制包括自动调整控制模式和手动输入控制模式，所述自动调整控制模式下，根据数据采集模块采集到的压力流量信息、气象信息、土壤墒情信息和作物生长信息等综合判断需要进行灌溉的区域，根据需灌溉区域和旱情启动球阀到合适的档位进行灌溉。所述手动输入控制模式下，用户可根据数据采集模块采集到的各种信息，特别是实时的土壤墒情信息和作物生长信息，调整灌溉范围和灌溉时间。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。