一种基于市电互补光伏供电的棉田节水灌溉系统

本技术涉及棉田节水灌溉领域，具体涉及一种基于市电互补光伏供电的棉田节水灌溉系统。

背景技术：

1、新疆是我国主要棉花产区，地处西北内陆，属于严重干旱缺水地区，由于水资源稀缺，通常会采用一些节水措施，比如采用滴灌、喷灌替代传统大水漫灌方式，可以有效节约水资源。随着智能化发展，智能节水灌溉系统也逐渐被应用到农田灌溉中，智能节水灌溉系统根据土壤湿度，结合棉花不同生长期灌溉控制策略实施智能灌溉，进一步提高了水资源利用率。

2、目前农田智能节水灌溉系统最常用的供电方式通常是采用光伏系统供电，光伏系统供电可以极大节约电能，减少用电成本。但是，当长期处于阴天气候，阳光不足时，光伏转化电能效率较低，电池电压会降低，导致电动阀门无法正常启闭。并且光伏供电系统故障率较高，当光伏供电系统发生故障时，智能节水灌溉系统会处于瘫痪状态，系统无法正常运行，如果不能及时修复，会影响农业生产进程，造成经济损失。

3、为此，本实用新型提供一种基于市电互补光伏供电的棉田节水灌溉系统，系统可以实现市电与光伏供电互补，当光伏供电无法正常工作时，会自动切换到市电供电，保障棉田节水灌溉系统供电稳定，维持棉田节水灌溉系统正常工作。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于提供一种基于市电互补光伏供电的棉田节水灌溉系统，通过光伏供电与市电供电互补，实现棉田节水灌溉系统稳定运行，保证系统可以对棉田土壤湿度、灌溉水流量信息进行实时检测，通过触摸屏或远程监控中心实施手动控制电动阀门，或者结合灌溉控制策略进行智能决策灌溉，实现棉田灌溉高效用水。

2、为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于市电互补光伏供电的棉田节水灌溉系统，包括市电互补光伏供电系统、信息检测系统、阀门驱动控制系统、电动阀门和远程监控中心；所述市电互补光伏供电系统包括市电供电模块、光伏供电模块和电源切换模块；所述信息检测系统包括土壤湿度传感器、流量计、rs485转串口uart模块、信息采集微控制器和nb-iot无线通讯模块；所述阀门驱动控制系统包括触摸屏、rs232转串口uart模块、中央微控制器、nb-iot无线通讯模块和光耦隔离继电器；所述远程监控中心包括服务器、数据库、手机app应用和web应用。

3、进一步地，所述市电互补光伏供电系统的市电供电模块包括开关电源和降压模块，开关电源与降压模块电连接；开关电源将ac220v电压转化为dc24v电压，用于给触摸屏、电动阀门、光耦隔离继电器、土壤湿度传感器、流量计供电；降压模块将dc24v电压转化为dc5v电压，用于给电源切换模块、rs485转串口uart模块、rs232转串口uart模块、信息采集微控制器、中央微控制器、nb-iot无线通讯模块供电。

4、进一步地，所述市电互补光伏供电系统的光伏供电模块包括太阳能板、锂电池、太阳能充电控制器与升压模块，太阳能板、锂电池、升压模块均与太阳能充电控制器电连接；太阳能充电控制器上设置有dc5v usb接口，用于给电源切换模块、rs485转串口uart模块、rs232转串口uart模块、信息采集微控制器、中央微控制器、nb-iot无线通讯模块供电；升压模块与太阳能充电控制器电连接，将锂电池的dc12v电压转化为dc24v电压，用于给触摸屏、电动阀门、光耦隔离继电器、土壤湿度传感器、流量计供电。

5、进一步地，所述市电互补光伏供电系统的电源切换模块包括电压检测模块、mcu微控制器、中间继电器和锂电池充电模块，用于检测锂电池电压，当锂电池电压较低时，由光伏供电模块供电切换为市电供电模块供电，同时，锂电池充电模块将市电供电模块的ac220v电压转化为dc12v电压给锂电池充电。

6、进一步地，所述电源切换模块的mcu微控制器采用stm32f103rct6微控制器，电压监测模块检测锂电池电压，传输到mcu微控制器，当电压过低时，mcu微控制器控制中间继电器相应触点闭合，将光伏供电切换为市电供电。

7、进一步地，所述信息检测模块的土壤湿度传感器采用rs485信号输出方式的土壤湿度传感器；流量计采用rs485信号输出方式的电磁流量计，具有液晶显示屏可以实时显示流量信息；信息采集微控制器采用stm32f103rct6微控制器。

8、进一步地，所述阀门驱动控制模块的触摸屏采用samkoon ak070mg型号触摸屏，具有数据存储与历史数据查看功能；中央微控制器采用stm32f103zet6微控制器；光耦隔离继电器采用dc24v供电/3.3v触发信号光耦隔离继电器。

9、进一步地，所述电动阀门采用具备阀门状态信号反馈功能的电动法兰蝶阀。

10、进一步地，所述阀门驱动控制系统，包含3种模式：手动模式、自动模式和智能模式；手动模式需农户根据种植经验判断是否需要灌溉，通过触摸屏现场打开电动阀门，也可以使用手机app应用或web应用远程打开电动阀门实现灌溉；自动模式设有灌溉时间和灌溉量两中设定输入框，农户可以选择其中一种方式，通过设置固定的灌溉时间或者固定的灌溉量进行灌溉；智能模式系统会综合利用采集的土壤湿度信息和灌溉水流量信息，结合棉田灌溉控制算法，实现智能调节灌溉用水。

11、进一步地，一种基于市电互补光伏供电的棉田节水灌溉系统，其自动模式包括如下步骤：

12、s1、通过土壤湿度传感器采集棉田土壤湿度参数；

13、s2、中央微控制器判断土壤湿度参数是否低于最低湿度设定阈值，如果土壤湿度低于最低湿度设定阈值，中央微控制器控制光耦隔离继电器阀门开启触点闭合；

14、s3、开启电动阀门，进行灌溉；

15、s4、灌溉过程中，土壤湿度传感器持续采集棉田土壤湿度参数，当土壤湿度参数高于设定最高湿度设定阈值，如果土壤湿度低于最高湿度设定阈值，中央微控制器控制光耦隔离继电器阀门关闭触点闭合；

16、s5、关闭电动阀门，完成灌溉。

17、与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

18、1.系统采用光伏供电方式为棉田节水灌溉系统提供电源，极大节省了电能消耗，同时，还提供了市电供电方式，当长时间阳光不足，电压较低时可以切换到市电供电，有效避免了因锂电池电压较低或光伏供电其他故障而导致棉田节水灌溉系统无法正常工作的情况，保证了系统运行可靠性。

19、2.通过信息检测系统采集土壤湿度参数和灌溉水流量信息参数，并将采集到的数据传输到触摸屏，以及远程监控中心，实现了棉田土壤湿度和灌溉水流量信息的实时监测，触摸屏和远程监控中心可以查看历史数据，便于综合利用灌溉信息。

20、3.采用具备功耗低，传输距离远特性的nb-iot无线通讯方式，在降低系统功耗的同时可以保证远距离数据传输稳定性；nb-iot无线通讯方式采用蜂窝网络，无需自建基站，通过移动基站与服务器建立通信连接，完成数据传输以及远程监控中心对阀门控制指令下达，有效节省成本，提高了设备自动化程度。

技术特征：

1.一种基于市电互补光伏供电的棉田节水灌溉系统，其特征在于：包括市电互补光伏供电系统（1）、信息检测系统（2）、阀门驱动控制系统（3）、电动阀门（4）和远程监控中心（5）；所述市电互补光伏供电系统（1）包括市电供电模块（6）、光伏供电模块（7）和电源切换模块（8）；所述信息检测系统（2）包括土壤湿度传感器（19）、流量计（20）、rs485转串口uart模块（21）、信息采集微控制器（22）和nb-iot无线通讯模块（23）；所述阀门驱动控制系统（3）包括触摸屏（24）、rs232转串口uart模块（25）、中央微控制器（26）、nb-iot无线通讯模块（23）和光耦隔离继电器（27）；所述远程监控中心（5）包括服务器（28）、数据库（29）、手机app应用（30）和web应用（31）。

2.根据权利要求1所述的一种基于市电互补光伏供电的棉田节水灌溉系统，其特征在于：所述市电互补光伏供电系统（1）的市电供电模块（6）包括开关电源（9）和降压模块（10），开关电源（9）与降压模块（10）电连接；开关电源（9）将ac220v电压转化为dc24v电压，用于给触摸屏（24）、电动阀门（4）、光耦隔离继电器（27）、土壤湿度传感器（19）、流量计（20）供电；降压模块（10）将dc24v电压转化为dc5v电压，用于给电源切换模块（8）、rs485转串口uart模块（21）、rs232转串口uart模块（25）、信息采集微控制器（22）、中央微控制器（26）、nb-iot无线通讯模块（23）供电。

3.根据权利要求1所述的一种基于市电互补光伏供电的棉田节水灌溉系统，其特征在于：所述市电互补光伏供电系统（1）的光伏供电模块（7）包括太阳能板（11）、锂电池（12）、太阳能充电控制器（13）与升压模块（14），太阳能板（11）、锂电池（12）、升压模块（14）均与太阳能充电控制器（13）电连接；太阳能充电控制器（13）上设置有dc5v usb接口，用于给电源切换模块（8）、rs485转串口uart模块（21）、rs232转串口uart模块（25）、信息采集微控制器（22）、中央微控制器（26）、nb-iot无线通讯模块（23）供电；升压模块（14）与太阳能充电控制器（13）电连接，将锂电池（12）的dc12v电压转化为dc24v电压，用于给触摸屏（24）、电动阀门（4）、光耦隔离继电器（27）、土壤湿度传感器（19）、流量计（20）供电。

4.根据权利要求1所述的一种基于市电互补光伏供电的棉田节水灌溉系统，其特征在于：所述市电互补光伏供电系统（1）的电源切换模块（8）包括电压检测模块（15）、mcu微控制器（16）、中间继电器（17）和锂电池充电模块（18），用于检测锂电池（12）电压，当锂电池（12）电压较低时，由光伏供电模块（7）供电切换为市电供电模块（6）供电，同时，锂电池充电模块（18）将市电供电模块（6）的ac220v电压转化为dc12v电压给锂电池（12）充电。

技术总结
本技术公开了一种基于市电互补光伏供电的棉田节水灌溉系统，包括市电互补光伏供电系统、信息检测系统、阀门驱动控制系统、电动阀门和远程监控中心；所述市电互补光伏供电系统包括市电供电模块、光伏供电模块和电源切换模块；所述信息检测系统包括土壤湿度传感器、流量计、RS485转串口UART模块、信息采集微控制器和NB‑IoT无线通讯模块；所述阀门驱动控制系统包括触摸屏、RS232转串口UART模块、中央微控制器、NB‑IoT无线通讯模块和光耦隔离继电器。通过本技术的方案可实现市电与光伏供电互补，保证棉田节水灌溉系统稳定运行，实现电动阀门远程控制以及土壤湿度和灌溉水流量信息实时监测。

技术研发人员：李贺,张立新,胡雪,郭天圣,乔天旗,张雄业,郑宇,吴勋
受保护的技术使用者：石河子大学
技术研发日：20221226
技术公布日：2024/1/12