一种基于能量回收的渠道流量测量装置的制作方法

本申请涉及农业技术领域，更具体地说，涉及一种基于能量回收的渠道流量测量装置。

背景技术：

随着农业现代化的发展，对农业各环节的集约化和智能化管理的要求也越来越高。农业灌溉是农业生产中重要的环节，为了实现节约用水、精细化用水，需要对深入田间地头的灌溉渠道的流量进行测量，而目前尚没有专用的设备对渠道流量进行实时测量，只能通过人工方式基于渠道的水位进行手工计算得到当前流量，测量效率极低。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请提供一种基于能量回收的渠道流量测量装置，用于对渠道中水流的流量进行检测，以提高渠道流量的测量效率。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种基于能量回收的渠道流量测量装置，应用于农业灌溉系统的灌溉渠道，所述渠道流量测量装置包括压电发生器、能量收集电路、配电电源、无线传输单元、超声探头、模拟前端单元、处理器和存储单元，其中：

所述压电发生器设置在所述灌溉渠道内水面以下；

所述能量收集电路设置有能量收集端和能量输出端，所述能量收集端与所述压电发生器的输出端电连接，所述能量输出端与所述配电电源的输入端电连接；

所述配电电源用于基于接收到的电能向所述渠道流量测量装置中的用电单元供电；

所述超声探头设置在所述灌溉渠道内，并输出反映所述渠道内不同水层的水流速度信号；

所述模拟前端单元与所述超声探头信号连接，用于接收所述水流速度信号，并对所述水流速度信号进行滤波放大处理，并将经过滤波放大处理后的水流速度信号输出到所述处理器；

所述处理器设置有信号输入端、第一数据输出端和第二数据输出端，所述信号输入端用于接收所述水流速度信号，所述第一数据输出端用于输出流量数据，所述第二数据输出端用于输出所述流量数据；

所述存储单元与所述第一数据输出端信号连接，用于接收并存储所述流量数据；

所述无线传输单元与所述第二数据输出端信号连接，用于通过无线方式将所述流量数据发送至灌溉控制系统，还用于接收所述灌溉控制系统发送的数据请求指令。

可选的，所述压电发生器设置在所述灌溉渠道的稳流段。

可选的，所述配电电源包括直流-直流变压模块。

可选的，所述能量收集电路包括第一级电路和第二级电路，其中：

所述第一级电路的输入端用于作为所述能量收集端、输出端与所述第二级电路的输入端电连接；

所述第二级电路的输出端用于作为所述能量输出端。

可选的，所述第一级电路包括第一电感、第一mos管、第一二极管和第一电容，其中：

所述第一电感的一端用于作为所述第一级电路的输入端，且与所述压电发生器的一端连接，所述第一电感的另一端与所述第一二极管的正极、所述第一mos管的一端连接；

所述第一二极管的负极用于作为所述第一级电路的输出端，且分别与所述第一电容的一端连接；

所述第一mos管的另一端与所述压电发生器的另一端、所述第一电容的另一端连接；

所述第一mos管用于基于所述处理器的控制信号执行开关动作。

可选的，所述第二级电路包括第二电感、第二mos管、第二二极管和第二电容，其中：

所述第二电感的一端用于作为所述第二级电路的输入端，且与所述第一级电路的输出端连接，所述第二电感的另一端与所述第二二极管的正极、所述第二mos管的一端连接；

所述第二二极管的负极用于作为所述第二级电路的输出端，且分别与所述第二电容的一端连接；

所述第二mos管的另一端与所述压电发生器的另一端、所述第二电容的另一端连接；

所述第二mos管用于基于所述处理器的控制信号执行开关动作。

可选的，还包括第三mos管，其中：

所述第三mos管的一端与所述无线传输单元连接、另一端与所述第一级电路和所述第二级电路之间的连接点连接，所述第三mos管被配置为在所述无线传输单元发送数据时基于所述处理器的控制信号断开、在所述无线传输单元空闲时基于所述处理器的控制信号闭合。

可选的，还包括储能单元，其中：

所述储能单元与所述能量收集单元的能量输出端电连接。

可选的，所述储能单元包括超级电容。

从上述的技术方案可以看出，本申请公开了一种基于能量回收的渠道流量测量装置，应用于农业灌溉系统的灌溉渠道，其特征在于，渠道流量测量装置包括压电发生器、能量收集电路、配电电源、无线传输单元、超声探头、模拟前端单元、处理器和存储单元。压电发生器在水压的作用下产生电能并经过能量收集电路整理后对各用电设备供电。处理器基于不同位置的超声探头的水流速度信号计算流量数据，并经过无线传输单元将流量数据发送至灌溉控制系统，实现对灌溉渠道内流量的测量。通过本装置可以无需手工测量和计算即可得到渠道中水流的当前流量，提高了测量效率。

另外，由于本装置所用的电能来源于基于水流压力的能量回收系统，包括压电发生器、能量收集电路、配电电源和无线传输单元，因此能够使其在无外接电源的野外环境下工作，提高了其适应范围。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的一种基于能量回收的渠道流量测量装置的示意图；

图2为本申请实施例的压电发生器和超声探头的安装示意图；

图3为本申请实施例的压电发生器的结构图；

图4为本申请实施例的压电发生器的等效电路图；

图5为本申请实施例的一种能量收集电路的电路图；

图6为本申请实施例的另一种能量收集电路的电路图；

图7为本申请实施例的配电电源的示意图；

图8为本申请实施例的另一种基于能量回收的渠道流量测量装置的示意图；

图9为本申请实施例的渠道流量测量装置的工作模式图；

图10为本申请实施例的渠道流量测量装置的测量过程的流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本申请实施例的一种基于能量回收的渠道流量测量装置的示意图。

如图1所示，本实施例提供的渠道流量测量装置应用于灌溉渠道内，用于对渠道内的流量进行检测，并通过无线方式将流量数据发送至最近的无线基站，无线基站则将该流量数据发送至灌溉控制系统。该装置包括压电发生器10、能量收集电路20、配电电源2030、无线传输单元40、超声探头50、模拟前端单元60、处理器70和存储单元80。

压电发生器设置在灌溉渠道内水面以下，具体来说设置在灌溉渠的稳流段，如图2所示，从底部到顶部均匀布置了多层的压电发生器来收集水压能量。进水扩口是张开的喇叭形状，起到引导水流的作用。紧挨着进水口是稳流段，该段的主要作用是对水流进行整定，便于后一级的流量测量。超声探头是测量流量的传感器，从底部到顶部间隔布置，主要位于测量装置结构的测流段，用于输出检测到的水流速度信号。

压电发生器的两端与能量收集电路的输入端连接，用于将其在水压作用下产生的电信号输出至能量收集电路中。压电发生器的结构如图3所示，其等效电路如图4所示。

压电发生器分为结构层，该层主要接受水流的压力，电极+和电极-分别对应电源的正负，电极中间是压电层。整个压电发生器的外围是外壳屏蔽层。压电发生器的等效电路如图中所示，水流压力通过压电发生器后等效为一个电流源并联一个电容及一个等效内阻。通过这个等效电路，在能量收集电路中可以选择合适的电路及控制来进行能量变换

能量收集电路设置有能量收集端和能量输出端，能量收集端与压电发生器的输出端电连接，能量输出端与配电电源的输入端电连接。

该能量收集电路包括第一级电路和第二级电路，如图5所示。该第一级电路的输入端用于作为能量收集端、另一端作为其输出端，并与第二级电路的输入端连接，第二级电路的输出端用于作为该能量收集电路的能量输出端。

该第一级电路包括第一电感l1、第一mos管m1、第一二极管d1和第一电容c1。第一电感的一端用于作为该第一级电路的输入端，另一端分别与第一二极管的正极、第一mos管的一端、具体为漏极或源极电连接；第一二极管的负极则用于作为第一级电路的输出端。

第一mos管的另一端、具体为源极或漏极与压电发生器的另一端连接，还与第一电容的另一端连接。该第一mos管的栅极通过驱动电路与处理器的相应端口连接，该端口输出的控制信号用于控制第一mos管的开闭。

该第二级电路包括第二电感l2、第二mos管m2、第二二极管d2和第二电容c2。第一电感的一端用于作为该第二级电路的输入端，另一端分别与第二二极管的正极、第二mos管的一端、具体为漏极或源极电连接；第二二极管的负极则用于作为第二级电路的输出端。

第二mos管的另一端、具体为源极或漏极与压电发生器的另一端连接，还与第二电容的另一端连接。该第二mos管的栅极通过驱动电路与处理器的相应端口连接，该端口输出的控制信号用于控制第二mos管的开闭。

第一级电路的工作过程包括：

当第一mos管在处理器的控制下处于导通状态时，压电变换器产生的能量给第一电感充电，第一电感存储能量；第一电容放电向负载、即第二级电路提供能量。当第一mos开关关断后能量的传输过程较为复杂，第一电感、第一电容和负载三者之间的能量传输与第一电感的大小密切相关，存在一个临界电感lc，当l<lc时，第一级电路工作于断续电流模式；而当l>lc时，第一级电路工作于连续电流模式。

当第一级电路工作于连续电流模式时，可以分为两个阶段，第一mos管导通时为第一电感储能阶段，此时电源不向负载、即第二级电路提供能量，第二级电路靠储于第一电容的能量维持工作。第一mos管阻断时，压电发生器和电感共同向第二级电路供电，同时还向第一电容充电。在这里我们需用合适的电感使得第一级电路能够工作在连续电流模式。

第二级电路的工作原理及模式和第一级电路一致，这里不再赘述。

第二级电路的输入同时引入了无线传输单元的能量收集，如图6所示，无线传输单元的天线接收基站发射的信号，同时通过第三电感l3、第三电容c3和第四电容c4的阻抗电路把能量进行合适变换送到第二级电路，第三mos管m3用于将无线传输单元与第二级电路的输入端连接，起到收集能量和接收信号转换的作用。当第三mos管关断时，天线接收的信号主要进行通信，第三mos管导通时主要进行能量的收集。

配电电源用于基于接收到的电能向渠道流量测量装置中的用电单元供电，如向处理器的电压输入端、无线传输单元、超声探头等用电设备供电。

由于能量收集单元的输出电压经过两级的变换，随着外界环境的变化，电压波动较大，其输出电压为9～36伏。为了适应其它用电设备不同的电压要求，需要通过一个配电电源进行电压变换，这里的配电电源包括一个直流-直流电源变换器，用于将波动的电压转换为稳定的5v，3.3v，1.8v供设备使用，如图7所示。

模拟前端单元的输入端与超声探头信号连接，用于接收水流速度信号，并对水流速度信号进行滤波放大处理，并将经过滤波放大处理后的水流速度信号输出到处理器；

处理器设置有信号输入端、第一数据输出端和第二数据输出端，信号输入端与模拟前端单元的输出端连接，用于接收水流速度信号。根据超声探头在有水和无水时状态的区别，以此可以判断水流大概淹没位置，根据不同的层数选择流量计算公式即可得到相应水层流量，对各层流量求和得到总的流量。

处理器通过其第一数据输出端与存储单元连接，用于向存储器输出该流量数据，以使存储器以一定的数据格式存储依次产生的流量数据，以备后续查询。

处理器的第二输出端与无线传输单元连接，用于通过无线方式将流量数据发送至灌溉控制系统，还用于接收灌溉控制系统发送的数据请求指令，该数据请求指令用于控制处理器从存储器调取历史流量数据并发送至灌溉控制系统。由于系统能量主要来自于水流的压力，所以无线传输单元既要有较低的功耗，也需要有较远的传输距离，目前来说5g的nb-iot网络是一种理想的手段。

从上述技术方案可以看出，本实施例提供了一种基于能量回收的渠道流量测量装置，应用于农业灌溉系统的灌溉渠道，其特征在于，渠道流量测量装置包括压电发生器、能量收集电路、配电电源、无线传输单元、超声探头、模拟前端单元、处理器和存储单元。压电发生器在水压的作用下产生电能并经过能量收集电路整理后对各用电设备供电。处理器基于不同位置的超声探头的水流速度信号计算流量数据并经过无线传输单元将流量数据发送至灌溉控制系统，实现对灌溉渠道内流量的测量。通过本装置可以无需手工测量和计算即可得到渠道中水流的当前流量，提高了测量效率。

由于本装置所用的电能来源于基于水流压力的能量回收系统，包括压电发生器、能量收集电路、配电电源和无线传输单元，因此能够使其在无外接电源的野外环境下工作，提高了其适应范围。

另外，本实施例中的装置还可以增设相应的储能单元90，如图8所示。该储能单元用于在能量收集电路所收集电能超过系统所需时，将电能输出至该储能单元存储，以使系统欠电时对外输出。该储能单元可以利用超级电容实现。

本申请中的测量装置的工作模式如图9所示。整个测量装置的工作模式分为4个阶段，休眠模式、能量收集模式、运行模式和关闭模式。在休眠模式下，处理器停止并保留数据。这减少了处理器的动态电流消耗。

在能量收集模式下，当有水压或无线信号时，处理器控制能量收集电路的mos管执行开关动作，并检测储能单元上的电压，能量收集之后，系统进入到运行模式。

运行模式下，主要利用传感器探头进行流量的检测，采集完成之后，通过无线传输单元把采集的数据传输出去。

当没有水压能量时，系统处于关闭模式，此时系统不进行流量的检测，只是定时的通过无线传输单元与数据中心进行通信。

本申请中的运行模式下的流量测量过程如图10所示。由于压电变换器的能量收集器均匀分布在稳流段的内壁，当有水流经过压电变换器时，该压电变换器能够产生能量，从而我们可以根据压电变换器是否产生能量来判定水位高度。

根据水位高度可以得到超声传感器被淹没的层数，根据不同的层数，选择流量计算公式。计算出瞬时流量。计算出瞬时流量后，需要进行滤波，保证输出数据的平滑稳定。然后更新流量值，等待下一个测量周期的到来，进行下一次的测量。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做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施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。