分布式自动灌溉系统及其工作方法与流程

本发明涉及智能农业领域，具体而言，涉及一种自动灌溉系统及其工作方法。

背景技术：

智能农业（或称工厂化农业），是指在相对可控的环境条件下，采用工业化生产，实现集约高效可持续发展的现代超前农业生产方式，就是农业先进设施与陆地相配套、具有高度的技术规范和高效益的集约化规模经营的生产方式。它集科研、生产、加工、销售于一体，实现周年性、全天候、反季节的企业化规模生产;它集成现代生物技术、农业工程、农用新材料等学科，以现代化农业设施为依托，科技含量高，产品附加值高，土地产出率高和劳动生产率高，是我国农业新技术革命的跨世纪工程。

因此，为了提高农业的自动化程度，需要设计一套自动灌溉系统及其工作方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种自动灌溉系统以及工作方法，以实时监测各灌溉区域土壤的湿度数据。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

本发明实施例提供了一种自动灌溉系统，包括：

分布于各灌溉区域的自动灌溉装置，以及监控服务器；其中

所述自动灌溉装置包括：湿度检测电路，以及与所述湿度检测电路电性连接的水泵控制电路和无线模块；

所述湿度检测电路适于检测泥土的湿度变化，当湿度达到预设的湿度值时通过所述水泵控制电路控制水泵停止灌溉；并且

所述无线模块适于泥土的湿度数据无线发送至监控服务器。

在本发明较佳的实施例中，所述湿度检测电路包括电压比较器、滑动变阻器、第一测量端、第二测量端、分压电阻以及电源；

所述电源、所述第一测量端、所述第二测量端以及所述分压电阻依次电性连接后接地；

所述第一测量端与所述第二测量端分别插入泥土中；

所述电压比较器与所述电源电性连接后接地；

所述电压比较器的同相端与所述滑动变阻器电性连接；

所述电压比较器的反相端电性连接于所述第二测量端与所述分压电阻之间；

所述电压比较器的输出端与所述水泵控制电路电性连接；

所述电压比较器适于当电压比较器的反相端的电压小于同相端电压时输出第一控制信号以通过所述水泵控制电路控制所述水泵工作；以及

所述电压比较器的反相端的电压大于所述同相端电压时输出第二控制信号以通过所述水泵控制电路控制所述水泵工作。

在本发明较佳的实施例中，所述湿度检测电路还包括第一发光二极管；

所述第一发光二极管的阳极通过第一电阻与所述电源电性连接；以及

所述第一发光二极管的阴极接地；

所述第一发光二极管适于在所述湿度检测电路工作时发出灯光指示。

在本发明较佳的实施例中，所述水泵控制电路包括继电器以及第一开关管；

所述电源、所述继电器的输入回路以及所述第一开关管的第二极以及第三极依次电性连接后接地；

所述继电器的输出回路用于控制所述水泵的工作状态；

所述第一开关管的第一极与所述电压比较器的输出端电性连接；

所述第一开关管适于在接收到所述第一控制信号时导通，所述继电器工作以控制所述水泵工作；以及

所述第一开关管在接收到所述第二控制信号时截止，所述继电器不工作以控制所述水泵停止工作。

在本发明较佳的实施例中，所述水泵控制电路还包括第二发光二极管以及第二电阻；

所述第二发光二极管的阳极通过所述第二电阻与所述电源电性连接；

所述第二发光二极管的阴极与所述第一开关管的第二极电性连接；

所述第二发光二极管适于在所述第一开关管导通时工作。

在本发明较佳的实施例中，所述水泵控制电路还包括第二开关管以及强停开关；

所述第二开关管的第一极通过所述强停开关与所述电源电性连接；

所述第二开关管的第二极与所述第一开关管的第一极电性连接；

所述第二开关管的第三极接地；

所述第二开关管适于在强停开关闭合时导通，拉低所述第一开关管的第一极的电压，所述第一开关管截止，以使所述水泵停止工作。

在本发明较佳的实施例中，所述水泵控制电路还包括第三电阻以及二极管；

所述二极管的阳极与所述第一开关管的第二极电性连接；

所述二极管的阴极通过所述第三电阻与所述第二开关管的第二极电性连接。

在本发明较佳的实施例中，所述无线模块为zigbee模块，所述zigbee模块与一天线装置相连，以将泥土的湿度数据无线发送至监控服务器。

在本发明较佳的实施例中，所述天线装置包括：衬底层，在所述衬底层上面设置金属层，所述金属层上面设置寄生单元，金属层位于天线衬底层和寄生单元之间；

所述金属层上设置至少四个开口镂空区域，所述寄生单元位列在相邻的开口之间，寄生单元的数量至少为三个，相邻寄生单元之间的距离相等，寄生单元的尺寸相同，寄生单元内侧区域的开口镂空区域面积相同；

所述天线装置还具有馈电单元，所述馈电单元设置在其中一寄生单元长度方向的中间位置；

所述寄生单元与金属层上的开口镂空区域通过电磁耦合辐射实现叠加耦合。

在本发明较佳的实施例中，所述寄生单元的长度不小于开口镂空区域的长度，寄生单元的宽度不大于量相邻两侧开口镂空区域的宽度。

在本发明较佳的实施例中，所述开口镂空区域分布在金属层上被寄生单元划分在不同区域内，在寄生单元划分形成的区域内，开口镂空区域的数量至少为一个；

并且，在不同区域内，开口镂空区域包括至少一个开口。

又一方面，本发明还提供了一种自动灌溉系统的工作方法。

所述自动灌溉系统的工作方法包括：

分布于各灌溉区域的自动灌溉装置，以及监控服务器；其中

所述自动灌溉装置包括：湿度检测电路，以及与所述湿度检测电路电性连接的水泵控制电路和无线模块；

所述湿度检测电路适于检测泥土的湿度变化，当湿度达到预设的湿度值时通过所述水泵控制电路控制水泵停止灌溉；并且

所述无线模块适于泥土的湿度数据无线发送至监控服务器。

相对于现有技术，本发明实施例具有以下有益效果：

本发明提供了一种自动灌溉系统以及工作方法，其中，自动灌溉系统包括：分布于各灌溉区域的自动灌溉装置，以及监控服务器；其中所述自动灌溉装置包括：湿度检测电路，以及与所述湿度检测电路电性连接的水泵控制电路和无线模块；所述湿度检测电路适于检测泥土的湿度变化，当湿度达到预设的湿度值时通过所述水泵控制电路控制水泵停止灌溉；并且所述无线模块适于泥土的湿度数据无线发送至监控服务器，本自动灌溉系统通过简易化的电路控制，来实现各灌溉区域的土壤湿度采集和自动灌溉，节约了生产成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1示出了本发明实施例所提供的一种自动灌溉系统的原理框图；

图2示出了本发明实施例所提供的一种自动灌溉装置的电路原理图。

图3是本发明天线结构的批量制造图示；

图4是本发明天线装置的具体结构平面图；

图5是本发明天线结构的其他构建形式。

图中：

自动灌溉系统100；湿度检测电路110；水泵控制电路120；

金属层111、112、114、115；寄生单元113；寄生单元之间区域的开口镂空区域201；寄生单元之外区域的开口镂空区域202；馈电单元f。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例

请参阅图1，本发明提供了一种自动灌溉系统。

分布于各灌溉区域的自动灌溉装置，以及监控服务器；其中所述自动灌溉装置包括：湿度检测电路，与所述湿度检测电路电性连接的水泵控制电路和无线模块；所述湿度检测电路适于检测泥土的湿度变化，当湿度达到预设的湿度值时通过所述水泵控制电路控制水泵停止灌溉；并且所述无线模块适于泥土的湿度数据无线发送至监控服务器。

本自动灌溉装置对水泵的控制不依赖处理器模块，仅通过湿度检测电路即可以实现自动灌溉，避免了由于处理器死机或者损坏造成无法灌溉的现象，降低了故障发生率。

其中，湿度检测电路110适于检测泥土的湿度变化，当湿度达到预设的湿度值时通过水泵控制电路120控制水泵停止灌溉。通过简易化的电路控制，节约了小型种植的灌溉成本，产生的经济效益高。其中，预设的湿度值依据达到灌需要的湿度时的湿度值得出。

在本实施例中，湿度检测电路110通过检测泥土随湿度变化的阻值来通过水泵控制电路120控制水泵工作状态。根据采样得到泥土的湿度与阻值的变化曲线，选取达到预设的湿度值时的阻值。

其中，湿度检测电路110包括电压比较器lm393、滑动变阻器r3、第一测量端、第二测量端、分压电阻r9以及电源vcc，电源vcc、第一测量端、第二测量端以及分压电阻r9依次电性连接后接地，第一测量端与第二测量端分别插入泥土中，电压比较器lm393与电源vcc电性连接后接地，电压比较器lm393的同相端与滑动变阻器r3电性连接，电压比较器lm393的反相端电性连接于第二测量端与分压电阻r9之间，电压比较器lm393的输出端与水泵控制电路120电性连接，电压比较器lm393适于当电压比较器lm393的反相端的电压小于同相端电压时输出第一控制信号以通过水泵控制电路120控制水泵工作；以及电压比较器lm393的反相端的电压大于同相端电压时输出第二控制信号以通过水泵控制电路120控制水泵工作。其中，同相端的电压为达到预设的湿度值时，分压电阻r9的分压。

在图1中，第一端测量端以及第二测量端插入泥土时，等效成一个电阻r4，通过直接检测由于湿度变化引起的阻值的变化经过电压比较器lm393输出控制信号来控制水泵控制电路120，当湿度达到预设的湿度值时，阻值减小，电压比较器lm393的反相端的电压大于同相端电压，成本低廉，实用性强。

在本实施例中，湿度检测电路110还包括第一发光二极管led1，第一发光二极管led1的阳极通过第一电阻与电源vcc电性连接；以及第一发光二极管led1的阴极接地，第一发光二极管led1适于在湿度检测电路110工作时发出灯光指示。

在本实施例中，水泵控制电路120包括继电器k以及第一开关管q1。

其中，电源vcc、继电器k的输入回路以及第一开关管q1的第二极以及第三极依次电性连接后接地；继电器k的输出回路用于控制水泵的工作状态；第一开关管q1的第一极与电压比较器lm393的输出端电性连接；第一开关管q1适于在接收到第一控制信号时导通，继电器k工作以控制水泵工作；以及第一开关管q1在接收到第二控制信号时截止，继电器k不工作以控制水泵停止工作。通过第一开关管q1的导通或截止来使继电器k控制水泵的工作状态，电路的稳定性好，元件成本低。

水泵控制电路120还包括第二发光二极管led2以及第二电阻r6；第二发光二极管led2的阳极通过第二电阻r6与电源vcc电性连接；第二发光二极管led2的阴极与第一开关管q1的第二极电性连接；第二发光二极管led2适于在第一开关管q1导通时工作。通过第二发光二极管led2的工作与否来判断水泵的工作状态，方便简洁，实用性强。

其中，水泵控制电路120还包括第二开关管q2以及强停开关s；第二开关管q2的第一极通过强停开关s与电源vcc电性连接；第二开关管q2的第二极与第一开关管q1的第一极电性连接；第二开关管q2的第三极接地；第二开关管q2适于在强停开关s闭合时导通，拉低第一开关管q1的第一极的电压，第一开关管q1截止，以使水泵停止工作，在需要停止灌溉时，通过强停开关s来控制，方便快捷。

水泵控制电路120还包括第三电阻r7以及二极管d，二极管d的阳极与第一开关管q1的第二极电性连接，二极管d的阴极通过第三电阻r7与第二开关管q2的第二极电性连接。

在本实施例中，第一开关管q1以及第二开关管q2为npn型三极管，第一开关管q1以及第二开关管q2的第一极为基极，第一开关管q1以及第二开关管q2的第二极为发射极，第一开关管q1以及第二开关管q2的第三极为集电极，在其他实施例中，只要能实现本方案的开关管均在本发明的保护范围之内。

在本实施例中，所述无线模块与一天线装置相连，以将泥土的湿度数据无线发送至监控服务器；所述无线模块可以是zigbee模块，且所述zigbee模块可以采用具有8051内核的处理器，例如cc2530模块，并且在监控服务器侧也设有另一主无线模块也接收各自动灌溉装置中无线模块发送的相应土壤的湿度数据，上述主无线模块可以通过串口向监控服务器发送相应湿度数据。

所述无线模块也可以采用3g或4g模块，且还包括与3g或4g模块相连的处理器模块。

所述无线模块的信号采集端通过一ad模块从电压比较器的反相端获得温度电平信号，即温度数据。

由于各灌溉区域的环境非常复杂，基于高阶电系数环境影响频率偏移，使得无线通信效率大大降低，尤其是农场区域，涉及到大面积灌溉，更应该考虑无线通讯效率；因此，对于本天线装置需要获得较好的宽频和增益特性，可抵抗频率偏移导致辐射效率大幅下滑的现象，保证数据传输的稳定性。

如图3至图5所示，基于上述目的，本发明提供的天线装置，进而满足无线通讯的多种性能要求，具体的，包括：衬底层（图中未显示）、金属层（111，112，114，115）以及寄生单元113；衬底层可以为常规的pcb层，也可以为本领域常见的衬底材料，在衬底层上面设置金属层，所述金属层上面设置寄生单元113，金属层位于天线衬底层和寄生单元之间；金属层上设置至少四个开口镂空区域，所述寄生单元位列在金属层上相邻的开口之间，寄生单元的数量为三个，寄生单元之间的距离相等，寄生单元的尺寸长度相同，寄生单元之间区域的开口镂空区域面积相同，寄生单元之外区域的开口镂空区域面积可以不等；本天线装置的馈电单元f设置在寄生单元长度方向的中间位置。

参见图3，本发明的天线制作工艺特别，批量生产的方式使得天线的成本得以控制，批量生产的衬底可以为常规的pcb板，简易且降低成本。

参见图4，寄生单元113的长度等于开口（左一侧两个开口的长度或者右一侧单个开口的长度）镂空区域的长度，寄生单元113的宽度不大于量两侧相邻开口镂空区域的中间距离。寄生单元的引入，可以有效的控制天线单元尺寸，并且控制辐射单元的纵向增益特性，合适的寄生单元尺寸对辐射纵向的信号进行了有效的引导和聚焦，保证了天线尺寸减小时又能针对性的提升天线的辐射增益，然而如果寄生单元的具体尺寸设计不合适会造成较大的辐射偏移，这里优选的选择合理尺寸，本案中天线寄生单元的尺寸较合适的范围为长1.5-2.5cm，宽2-4mm；优选的，选择寄生单元的介电常数值范围为10-20。

除此以外，镂空区域的开口位置对天线装置的辐射效果也会产生较为直接的影响，附图5中可见，当开口区域边缘距离金属层111上端的边缘距离小于距离金属层112下端的边缘距离时，天线的高频性能显著可以得到提升，开口区域的边缘距离两端的距离区域相同时，天线的低频性能显著可以增强。通过调整不同寄生单元之间的开口位置可以调节天线的不同频段性能，例如双频操作或者多频操作，因此，具有较好的针对性，可以适于多种无线模块频段。

金属层的开口可以是一个，也可以是两个以上，当开口数量较多时天线的多频特性会较为明显，然而其辐射增益会有所损耗，作为弥补，可以通过使得至少两个开口区域的开口尺寸相同，通过相同的尺寸可以对需要的辐射频段进行增益叠加耦合弥补，这种叠加耦合通过金属层开口区域与寄生单元之间共同电磁耦合实现。所述寄生单元将金属层划分成若干块规则的形状，例如矩形、正方形等。

参见图4，寄生单元之一的中间位置设置有馈电单元f，该馈电装置的具体方式可以为表面的贴片馈电方式，在具体的自动灌溉装置的空间位置尚可的时候，该馈电设置也可以通过穿越衬底层的同轴馈电方式加以实现，只是其占用空间相比贴片会较大，但是其获得的天线传输特性和效果会有所有裨益。

作为实施例的又一案例，如上所述，由于金属层在开口时可能会出现多个开口造成增益耗损的现象，本发明针对这一缺陷进行了进一步修正，参见附图4，通过将寄生单元一侧的开口进行削减，从而使得不相关的多余频段进行削弱，降低增益的耗损，提升目标频段的有效增益，此外因为降低了无益信号的耦合，剩余有益信号的耦合叠加可以使得天线装置在接近干扰源时仍然有良好的性能体现。

本天线装置由衬底层、金属层以及寄生单元共同构成，通过在金属层上设置若干尺寸的开口镂空区域并结合在镂空区域的外侧位置设置寄生单元，通过寄生单元与开口镂空区域的叠加耦合效应实现天线装置的微型化以及高增益的有益效果。该天线装置制造方法工艺简单、制造成本低，且制成的自动灌溉装置的天线阻抗低、增益高，可有效满足自动灌溉装置较为复杂的环境要求。

实施例2

在上述实施例1基础上，本实施例2提供了一种自动灌溉系统的工作方法，包括：

分布于各灌溉区域的自动灌溉装置，以及监控服务器；其中

所述自动灌溉装置包括：湿度检测电路，与所述湿度检测电路电性连接的水泵控制电路和无线模块；

所述湿度检测电路适于检测泥土的湿度变化，当湿度达到预设的湿度值时通过所述水泵控制电路控制水泵停止灌溉；并且

所述无线模块适于泥土的湿度数据无线发送至监控服务器。

综上所述，本发明提供了一种自动灌溉系统及其工作方法，其中

自动灌溉系统包括：分布于各灌溉区域的自动灌溉装置，以及监控服务器；其中所述自动灌溉装置包括：湿度检测电路，以及与所述湿度检测电路电性连接的水泵控制电路和无线模块；所述湿度检测电路适于检测泥土的湿度变化，当湿度达到预设的湿度值时通过所述水泵控制电路控制水泵停止灌溉；并且所述无线模块适于泥土的湿度数据无线发送至监控服务器，本自动灌溉系统通过简易化的电路控制，来实现各灌溉区域的土壤湿度采集和自动灌溉，节约了生产成本。

本实施例中关于自动灌溉装置中各模块、电路的实现原理和工作过程在实施例1中已经进行了详细阐述，可以参见上述内容。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。