一种水力发电式智能喷灌管理装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种水力发电式智能喷灌管理装置，包括测控装置、信号电缆、喷灌节点管路以及土壤水传感器。测控装置包括电动水阀、水力发电模块、储能供电电路和喷灌测控电路。储能供电电路包括充电法拉电容、充电管理电路、储能蓄电池、放电保护电路、放电法拉电容和电量测控电路。土壤水传感器包括左平面电容、右平面电容以及夹层平行板电容。通过高效的能量收集管理和智能化土壤水测控达到更好的节水节能和增产提质效果。还公开了一种基于水力发电式智能喷灌管理装置的使用方法，在喷灌作业期间和作物耗水期间，根据作物的用水特性和土壤水检测情况，自动控制喷灌作业的启停和调整用电策略，实现喷灌节点管理的全自动化。

【技术实现步骤摘要】
一种水力发电式智能喷灌管理装置及方法
本专利技术涉及智能节水灌溉设备
，尤其涉及一种水力发电式智能喷灌管理装置及方法。
技术介绍
当前，喷灌技术在大田种植、果蔬种养和城市绿保等场合得到了广泛应用。相比于渠灌、渗灌、滴灌等其它灌溉措施，喷灌技术具有节水节能、增产提质、省工省地等突出优点。典型的喷灌系统由喷头、管网、首部和水源组成，其中首部是控制中枢，执行对水源水的加压、过滤和辅料注入工作，并控制整个喷灌系统的运行与停止。可见，典型的喷灌系统是一种集中控制系统，其缺点在于难以实现精细作业。为了达到规模效应，一套喷灌系统往往需要覆盖相当大的灌溉面积。在大规模集中控制下，系统覆盖区域内的喷灌节点统一启停，无法协调地势高低、背阴向阳和作物疏密等物理条件对土壤水再分布的影响，也无法针对不同作物的用水特性进行局部水量调节。其结果就是，要想实现充分灌溉就难免浪费水资源，要想节约用水就难免影响部分作物的水肥供给。以上问题可以通过分布式喷灌控制技术予以解决。给喷灌系统的每个喷头配置智能化的喷灌管理设备，根据所在区域的土壤水情和作物的用水特性，自动控制本地喷灌作业的起止时机，把灌溉首部的集中控制功能疏解出来，实现喷灌管理的精细化和用水效益的最大化，达到节水节能、增产增收和灵活高效的目的。要在不增加管网成本的基础上实现分布式喷灌控制，必须开发智能化的喷灌管理设备，其核心关键技术包括两个方面，一是喷灌区域的土壤水情检测和分析技术，据此确定灌溉策略，实现灌溉效益的最大化；二是设备的自供电技术，利用本地能量收集解决设备的供电问题，减小设备的铺设和维护成本，提高设备布置施工的灵活性。根据检测参数的不同，可以把当前的土壤水检测技术分为两类：一类用于检测土壤含水量，包括烘干法、中子法、时域反射法、遥感法等；一类用于检测水土势或水吸力，包括张力计法、压力膜法、水汽压法等。其中，土壤的水土势反映了土壤给作物供水的能力，主要来自于土壤的毛细管效应，在一定程度上可以用土壤有效水含量来代替。对智能化喷灌管理而言，往往需要同时在线测量土壤水总含量和土壤水土势(或土壤有效水含量)，必须结合这两个参数各自的情况和相互之间的关系才能制定出优化的喷灌策略。在现有方法中，只有时域反射仪和张力计适合现场应用，但两者的组合应用在功率消耗、响应速度、携装轻便等方面均不适合用于智能化喷灌管理设备的集成开发。对于自治设备的自供电，太阳能、风能和水能是普遍采用的方法。对喷灌管理设备而言，水力发电无疑是最合适的。喷灌管理设备的水电能量收集和运用具有以下特点：一是为了实现设备的小型化并且尽量减小发电设备对喷灌水压的耗损，最好采用微型的低压差水力发电机，发电功率通常低至1瓦左右，需要设计高效率的能量收集与存储电路，并提高电路对水压差异的适应性；二是为了实现喷灌自治，需要在本地控制喷灌水阀的开合，相对于发电功率来说，电动水阀开合的瞬时功率要高一到两个数量级，需要设计高功率密度的供电电路；三是喷灌作业周期往往远远小于作物的用水消耗周期，这就意味着充电时间短而用电时间长，因此需要在提高供电电路能量密度的基础上根据实际情况智能调整用电策略。目前，为了实现高效节水和增产提质，还未出现精细灌管理的智能化喷灌装置。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提供了一种水力发电式智能喷灌管理装置，通过测控装置和土壤水传感器收集管理水电能量，在线检测土壤水的总含量和土壤有效水含量，并进行智能化喷灌管理。为了达到上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种水力发电式智能喷灌管理装置，包括测控装置、信号电缆、喷灌节点管路以及土壤水传感器。测控装置与信号电缆的一端电连接，信号电缆的另一端与土壤水传感器电连接。其中，土壤水传感器埋设在喷灌区域内的土壤中，土壤水传感器用于在线检测土壤中的水含量，形成检测信息，信号电缆将检测信息输送给测控装置。测控装置包括电动水阀、水力发电模块、储能供电电路和喷灌测控电路。电动水阀的进口连接有高压供水管，电动水阀的出口与水力发电模块的进水口连接，水力发电模块的出水口连接有喷水管，喷水管的出口喷出水。水力发电模块的发电输出端与储能供电电路的电源输入端电连接，储能供电电路的电源输出端与喷灌测控电路的电源输入端电连接。喷灌测控电路的电源监控输入端与储能供电电路的电量测控输出端电连接，喷灌测控电路的土壤水检测信号输入端与信号电缆的一端电连接，喷灌测控电路的控制输出端与电动水阀电连接。储能供电电路包括充电法拉电容、充电管理电路、储能蓄电池、放电保护电路、放电法拉电容和电量测控电路。充电法拉电容的引脚与储能供电电路的电源输入端电连接，并且与充电管理电路的输入端电连接。充电管理电路的输出端与储能蓄电池电连接，储能蓄电池还与放电保护电路的输入端电连接。放电保护电路的输出端与放电法拉电容电连接，放电法拉电容的引脚与储能供电电路的电源输出端电连接。电量测控电路的测控接口分别与充电法拉电容、放电法拉电容、储能蓄电池以及充电管理电路电连接，电量测控电路的监控接口与喷灌测控电路的电源监控接口电连接。土壤水传感器包括左平面电容、右平面电容以及夹层平行板电容。左平面电容设置在夹层平行板电容的左侧，左平面电容与夹层平行板电容之间设置有左侧隔离电极。右平面电容设置在夹层平行板电容的右侧，右平面电容与夹层平行板电容之间设置有右侧隔离电极。左平面电容与左侧隔离电极之间、左侧隔离电极与左电极平板之间、右平面电容与右侧隔离电极之间、右侧隔离电极与右电极平板之间均设置有通过绝缘层。左平面电容上设置有左平面电容电极，左平面电容电极包括左平面电容正极和左平面电容负极，左平面电容正极与左平面电容负极相互叉指交扣。左平面电容正极的外侧设置有左平面正隔离电极，左平面电容负极的外侧设置有左平面负隔离电极，其中，左平面正隔离电极用于消除左平面电容正极外侧的电场泄漏导致的测量误差，左平面负隔离电极用于消除左平面电容负极外侧的电场泄漏导致的测量误差。右平面电容上设置有右平面电容电极，右平面电容电极包括右平面电容正极和右平面电容负极，右平面电容正极与右平面电容负极相互叉指交扣。右平面电容正极的外侧设置有右平面正隔离电极，右平面电容负极的外侧设置有右平面负隔离电极，其中，右平面正隔离电极用于消除右平面电容正极外侧的电场泄漏导致的测量误差，右平面负隔离电极用于消除右平面电容负极外侧的电场泄漏导致的测量误差。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：以PCB工艺为基础制作具有夹层结构的土壤水传感器，实现了土壤水传感器的低功耗、小体积和易加工性，能够同时检测土壤水的总含量和有效水含量。土壤水传感器采用叉指交扣的平面电容结构和电容等电位隔离技术，简化了平面电容的计算模型、提高了平面电容的模型通用性、改善了平面电容的高频性能，消除了电容之间的旁路干扰的电极边缘电场对测量结果的影响，使测量结果更加独立、准确。以前后法拉电容和储能蓄电池形成具有“三明治”结构的储能供电电路，在前后法拉电容之间跨接低导通压差前馈二极管，并辅以智能化充电管理电路，提高了电路的水电能量收集效率和工作电压建立速度，使供本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水力发电式智能喷灌管理装置，其特征在于：包括测控装置、信号电缆、喷灌节点管路以及土壤水传感器；所述测控装置与所述信号电缆的一端电连接，所述信号电缆的另一端与所述土壤水传感器电连接；其中，所述土壤水传感器埋设在喷灌区域内的土壤中，所述土壤水传感器用于在线检测土壤中的水含量，形成检测信息，所述信号电缆将所述检测信息输送给所述测控装置；/n所述测控装置包括电动水阀、水力发电模块、储能供电电路和喷灌测控电路；所述电动水阀的进口连接有高压供水管，所述电动水阀的出口与所述水力发电模块的进水口连接，所述水力发电模块的出水口连接有喷水管，所述喷水管的出口喷出水；所述水力发电模块的发电输出端与所述储能供电电路的电源输入端电连接，所述储能供电电路的电源输出端与所述喷灌测控电路的电源输入端电连接；所述喷灌测控电路的电源监控输入端与所述储能供电电路的电量测控输出端电连接，所述喷灌测控电路的土壤水检测信号输入端与所述信号电缆的一端电连接，所述喷灌测控电路的控制输出端与所述电动水阀电连接；/n所述储能供电电路包括充电法拉电容、充电管理电路、储能蓄电池、放电保护电路、放电法拉电容和电量测控电路；所述充电法拉电容的引脚与所述储能供电电路的电源输入端电连接，并且与所述充电管理电路的输入端电连接；所述充电管理电路的输出端与所述储能蓄电池电连接，所述储能蓄电池还与所述放电保护电路的输入端电连接；所述放电保护电路的输出端与所述放电法拉电容电连接，所述放电法拉电容的引脚与所述储能供电电路的电源输出端电连接；所述电量测控电路的测控接口分别与所述充电法拉电容、所述放电法拉电容、所述储能蓄电池以及所述充电管理电路电连接，所述电量测控电路的监控接口与所述喷灌测控电路的电源监控接口电连接；/n所述土壤水传感器包括左平面电容、右平面电容以及夹层平行板电容；所述左平面电容设置在所述夹层平行板电容的左侧，所述左平面电容与所述夹层平行板电容之间设置有左侧隔离电极；所述右平面电容设置在所述夹层平行板电容的右侧，所述右平面电容与所述夹层平行板电容之间设置有右侧隔离电极；所述左平面电容与所述左侧隔离电极之间、所述左侧隔离电极与所述夹层平行板电容的左电极平板之间、所述右平面电容与所述右侧隔离电极之间、所述右侧隔离电极与所述夹层平行板电容的右电极平板之间均设置有通过绝缘层；/n所述左平面电容上设置有左平面电容电极，所述左平面电容电极包括左平面电容正极和左平面电容负极，所述左平面电容正极与所述左平面电容负极相互叉指交扣；所述左平面电容正极的外侧设置有左平面正隔离电极，所述左平面电容负极的外侧设置有左平面负隔离电极，其中，所述左平面正隔离电极用于消除所述左平面电容正极外侧的电场泄漏产生的测量误差，所述左平面负隔离电极用于消除所述左平面电容负极外侧的电场泄漏导致的测量误差；/n所述右平面电容上设置有右平面电容电极，所述右平面电容电极包括右平面电容正极和右平面电容负极，所述右平面电容正极与所述右平面电容负极相互叉指交扣；所述右平面电容正极的外侧设置有右平面正隔离电极，所述右平面电容负极的外侧设置有右平面负隔离电极，其中，所述右平面正隔离电极用于消除所述右平面电容正极外侧的电场泄漏产生的测量误差，所述右平面负隔离电极用于消除所述右平面电容负极外侧的电场泄漏导致的测量误差。/n...

【技术特征摘要】
1.一种水力发电式智能喷灌管理装置，其特征在于：包括测控装置、信号电缆、喷灌节点管路以及土壤水传感器；所述测控装置与所述信号电缆的一端电连接，所述信号电缆的另一端与所述土壤水传感器电连接；其中，所述土壤水传感器埋设在喷灌区域内的土壤中，所述土壤水传感器用于在线检测土壤中的水含量，形成检测信息，所述信号电缆将所述检测信息输送给所述测控装置；
所述测控装置包括电动水阀、水力发电模块、储能供电电路和喷灌测控电路；所述电动水阀的进口连接有高压供水管，所述电动水阀的出口与所述水力发电模块的进水口连接，所述水力发电模块的出水口连接有喷水管，所述喷水管的出口喷出水；所述水力发电模块的发电输出端与所述储能供电电路的电源输入端电连接，所述储能供电电路的电源输出端与所述喷灌测控电路的电源输入端电连接；所述喷灌测控电路的电源监控输入端与所述储能供电电路的电量测控输出端电连接，所述喷灌测控电路的土壤水检测信号输入端与所述信号电缆的一端电连接，所述喷灌测控电路的控制输出端与所述电动水阀电连接；
所述储能供电电路包括充电法拉电容、充电管理电路、储能蓄电池、放电保护电路、放电法拉电容和电量测控电路；所述充电法拉电容的引脚与所述储能供电电路的电源输入端电连接，并且与所述充电管理电路的输入端电连接；所述充电管理电路的输出端与所述储能蓄电池电连接，所述储能蓄电池还与所述放电保护电路的输入端电连接；所述放电保护电路的输出端与所述放电法拉电容电连接，所述放电法拉电容的引脚与所述储能供电电路的电源输出端电连接；所述电量测控电路的测控接口分别与所述充电法拉电容、所述放电法拉电容、所述储能蓄电池以及所述充电管理电路电连接，所述电量测控电路的监控接口与所述喷灌测控电路的电源监控接口电连接；
所述土壤水传感器包括左平面电容、右平面电容以及夹层平行板电容；所述左平面电容设置在所述夹层平行板电容的左侧，所述左平面电容与所述夹层平行板电容之间设置有左侧隔离电极；所述右平面电容设置在所述夹层平行板电容的右侧，所述右平面电容与所述夹层平行板电容之间设置有右侧隔离电极；所述左平面电容与所述左侧隔离电极之间、所述左侧隔离电极与所述夹层平行板电容的左电极平板之间、所述右平面电容与所述右侧隔离电极之间、所述右侧隔离电极与所述夹层平行板电容的右电极平板之间均设置有通过绝缘层；
所述左平面电容上设置有左平面电容电极，所述左平面电容电极包括左平面电容正极和左平面电容负极，所述左平面电容正极与所述左平面电容负极相互叉指交扣；所述左平面电容正极的外侧设置有左平面正隔离电极，所述左平面电容负极的外侧设置有左平面负隔离电极，其中，所述左平面正隔离电极用于消除所述左平面电容正极外侧的电场泄漏产生的测量误差，所述左平面负隔离电极用于消除所述左平面电容负极外侧的电场泄漏导致的测量误差；
所述右平面电容上设置有右平面电容电极，所述右平面电容电极包括右平面电容正极和右平面电容负极，所述右平面电容正极与所述右平面电容负极相互叉指交扣；所述右平面电容正极的外侧设置有右平面正隔离电极，所述右平面电容负极的外侧设置有右平面负隔离电极，其中，所述右平面正隔离电极用于消除所述右平面电容正极外侧的电场泄漏产生的测量误差，所述右平面负隔离电极用于消除所述右平面电容负极外侧的电场泄漏导致的测量误差。


2.根据权利要求1所述的水力发电式智能喷灌管理装置，其特征在于：所述测控装置包括防水壳体，所述电动水阀、所述水力发电模块、所述储能供电电路和所述喷灌测控电路都安装在所述防水壳体的内部，所述电动水阀的进口、所述水力发电模块的出水口以及所述信号电缆均穿过所述防水壳体。


3.根据权利要求1所述的水力发电式智能喷灌管理装置，其特征在于：所述左平面电容正极的外侧宽度是所述左平面电容正极宽度的一半；所述左平面电容负极的外侧宽度是所述左平面电容负极宽度的一半；所述右平面电容正极的外侧宽度是所述右平面电容正极宽度的...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐忠林，王艳霞，
申请(专利权)人：陕西工业职业技术学院，
类型：发明
国别省市：陕西;61