專利名稱：陣列式土壤濕度自動反饋滴灌控制裝置及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及滴灌技術領域，特別涉及陣列式土壤濕度自動反饋滴灌控制裝置及其控制方法，該裝置采用土壤濕度傳感器陣列監(jiān)測處于不同位置不同深度的土壤濕度情況并實時反饋到控制裝置，控制裝置根據監(jiān)測結果自動控制水肥滴灌的開啟和關閉，無需人工干預。
背景技術：
水肥滴灌控制技術可實現(xiàn)農業(yè)生產中的精確灌水和施肥，大大提高水肥的利用率，降低生產中的勞動強度以及水肥資金投入。根據土壤濕度自動反饋滴灌控制技術可根據土壤濕度情況，主動進行精確的水肥滴灌工作，相對于傳統(tǒng)上需要人工介入的水肥滴灌工作，可以更顯著地降低種植人員的勞動強度和水肥消耗。但是，現(xiàn)有的土壤濕度監(jiān)測方式只能監(jiān)測固定地點固定深度的土壤濕度情況，無法對較大區(qū)域內不同深度的土壤濕度情況進行有效監(jiān)測和評估，這種片面的監(jiān)測結果，使得實際使用中水肥滴灌效果往往低于預期，尤其是在地勢多變的山地和丘陵地區(qū)中使用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的主要目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供一種結構簡單、合理，可有效監(jiān)測和評估土壤濕度情況來進行水肥滴灌的陣列式土壤濕度自動反饋滴灌控制
直ο本發(fā)明的另一目的在于提供上述裝置的控制方法。為達上述目的，本發(fā)明采用如下的技術方案陣列式土壤濕度自動反饋滴灌控制裝置，包括供電單元、土壤濕度監(jiān)測單元、控制單元、電磁閥以及滴灌管，所述供電單元分別與土壤濕度監(jiān)測單元、控制單元、電磁閥連接， 土壤濕度監(jiān)測單元、控制單元、電磁閥依次連接，所述電磁閥連接在滴灌管上；所述土壤濕度監(jiān)測單元為若干個，并呈現(xiàn)陣列分布地置于被測土壤中。所述土壤濕度監(jiān)測單元包括土壤濕度傳感器，各土壤濕度傳感器呈陣列分布地置于被測土壤中。各土壤濕度傳感器通過A/D接口與控制單元連接。所述土壤濕度監(jiān)測單元為16 64個。當土壤濕度監(jiān)測單元為16個時，各土壤濕度監(jiān)測單元之間優(yōu)選采用4X4的陣列式分布結構，當土壤濕度監(jiān)測單元為64個時，各土壤濕度監(jiān)測單元之間優(yōu)選采用8X8的陣列式分布結構。土壤濕度傳感器陣列組成土壤濕度監(jiān)測部分。所述控制單元包括微控制器、電磁閥驅動單元，顯示單元和電子開關單元，土壤濕度監(jiān)測單元、微控制器、電磁閥驅動單元、電磁閥依次連接，所述顯示單元與微控制器連接， 所述微控制器、電磁閥驅動單元、顯示單元分別與供電單元連接，所述電子開關分別與微控制器、土壤濕度監(jiān)測單元連接。其中，微控制器即為MCU控制單元。所述供電單元包括相互連接的電源單元和DC/DC升壓電路，電源單元分別與微控制器、顯示單元連接；DC/DC升壓電路分別與電磁閥驅動單元、土壤濕度監(jiān)測單元連接。電磁閥驅動單元優(yōu)選為由四對三極管橋接構成的電磁閥全橋驅動單元電路。電磁閥由電磁閥驅動單元驅動。所述電磁閥優(yōu)選為雙穩(wěn)態(tài)自保持式電磁閥。所述顯示單元為外部人機接口，包括顯示屏和控制按鍵，所述顯示屏、控制按鍵均分別與微控制器連接。顯示屏優(yōu)選為液晶顯示屏，控制按鍵為鍵盤輸入設備。各土壤濕度傳感器的信號線連接方式采用總線型的連接拓撲結構，即所有土壤濕度傳感器通過一個總線與微控制器連接，或者，土壤濕度傳感器陣列的信號線采用星型連接結構，即每行土壤濕度傳感器通過一個總線與微控制器連接。上述陣列式土壤濕度自動反饋滴灌控制裝置的控制方法，包括如下步驟(1)初始化設置控制單元、電磁閥，設定滴灌工作的土壤濕度均值門限(設為X)和方差門限(設為Δ2)，將電磁閥的工作狀態(tài)指示位初始化為關閉狀態(tài)(設電磁閥的工作狀態(tài)指示位為0時表示電磁閥處于關閉狀態(tài)，電磁閥的工作狀態(tài)指示位為1時表示電磁閥處于開啟狀態(tài))；供電單元分別為土壤濕度監(jiān)測單元、控制單元、電磁閥供電；即陣列式土壤濕度自動反饋滴灌控制裝置的工作程序為首先對系統(tǒng)進行初始化，完成包括對電磁閥、系統(tǒng)時鐘、A/D接口( 土壤濕度傳感器采集接口)，以及外部人機接口如鍵盤，液晶的初始化工作，并設定滴灌工作的土壤濕度均值門限，方差門限以及電磁閥的工作狀態(tài)指示位；(2)控制單元采用休眠/喚醒機制工作，即平時處于休眠狀態(tài)，每間隔一段時間， 控制單元被自動喚醒，輪流選通各土壤濕度傳感器，并將土壤濕度監(jiān)測值記錄到控制單元中；(3)各土壤濕度傳感器采集其所在位置土壤的濕度，并將采集到的土壤濕度值發(fā)送至控制單元的微控制器中，微控制器記錄所采集到的土壤濕度值；(4)微控制器對各土壤濕度傳感器采集到的土壤濕度值進行計算，得出各土壤濕度傳感器采集到的土壤濕度值的均值以及方差；各土壤濕度傳感器采集到的土壤濕度值的
均值滿足
權利要求
1.陣列式土壤濕度自動反饋滴灌控制裝置，其特征在于包括供電單元、土壤濕度監(jiān)測單元、控制單元、電磁閥以及滴灌管，所述供電單元分別與土壤濕度監(jiān)測單元、控制單元、 電磁閥連接，土壤濕度監(jiān)測單元、控制單元、電磁閥依次連接，所述電磁閥連接在滴灌管上； 所述土壤濕度監(jiān)測單元為若干個，并呈現(xiàn)陣列分布地置于被測土壤中。
2.根據權利要求1所述的陣列式土壤濕度自動反饋滴灌控制裝置，其特征在于所述土壤濕度監(jiān)測單元包括土壤濕度傳感器，各土壤濕度傳感器呈陣列分布地置于被測土壤中。
3.根據權利要求2所述的陣列式土壤濕度自動反饋滴灌控制裝置，其特征在于所述土壤濕度監(jiān)測單元為16 64個。
4.根據權利要求2所述的陣列式土壤濕度自動反饋滴灌控制裝置，其特征在于所述控制單元包括微控制器、電磁閥驅動單元、顯示單元和電子開關，土壤濕度監(jiān)測單元、微控制器、電磁閥驅動單元、電磁閥依次連接，所述顯示單元與微控制器連接，所述微控制器、電磁閥驅動單元、顯示單元分別與供電單元連接；所述電子開關連接微控制器、土壤濕度監(jiān)測單元。
5.根據權利要求4所述的陣列式土壤濕度自動反饋滴灌控制裝置，其特征在于所述供電單元包括相互連接的電源單元和DC/DC升壓電路，電源單元分別與微控制器、顯示單元連接；DC/DC升壓電路分別與電磁閥驅動單元、土壤濕度監(jiān)測單元連接。
6.根據權利要求4所述的陣列式土壤濕度自動反饋滴灌控制裝置，其特征在于所述顯示單元包括顯示屏和控制按鍵，所述顯示屏、控制按鍵均分別與微控制器連接。
7.根據權利要求1所述的陣列式土壤濕度自動反饋滴灌控制裝置，其特征在于所述電磁閥為雙穩(wěn)態(tài)自保持式電磁閥。
8.權利要求4所述陣列式土壤濕度自動反饋滴灌控制裝置的控制方法，其特征在于， 包括如下步驟(1)初始化設置控制單元、電磁閥，設定滴灌工作的土壤濕度均值門限和方差門限，并將電磁閥的工作狀態(tài)指示位初始化為關閉狀態(tài)；供電單元分別為土壤濕度監(jiān)測單元、控制單元、電磁閥供電；(2)每間隔一段時間，控制單元被自動喚醒，并輪流選通各土壤濕度傳感器；(3)各選通的土壤濕度傳感器采集其所在位置土壤的濕度，并將采集到的土壤濕度值發(fā)送至控制單元的微控制器中，微控制器記錄所采集到的土壤濕度值；(4)微控制器對各土壤濕度傳感器采集到的土壤濕度值進行計算，得出各土壤濕度傳感器采集到的土壤濕度值的均值以及方差；各土壤濕度傳感器采集到的土壤濕度值的均值 兩足 其中d為所求的各土壤濕度傳感器采集到的土壤濕度值的均值，η為土壤濕度傳感器的個數，Xi為第i個土壤濕度傳感器采集到的土壤濕度值；各土壤濕度傳感器采集到的土壤濕度值的方差滿足其中，P為所求的各土壤濕度傳感器采集到的土壤濕度值的方差值d為各土壤濕度傳感器采集到的土壤濕度值的均值，η為土壤濕度傳感器的個數，Xi為第i個土壤濕度傳感器采集到的土壤濕度值；(5)控制單元中的微控制器將所述步驟中計算出來的均值、方差值分別與所述步驟⑴設定的土壤濕度均值門限、方差門限進行對比，微控制器根據對比結果，向電磁閥驅動單元發(fā)送電磁閥的驅動信號，由電磁閥驅動單元控制電磁閥的開啟及關閉，進而控制滴灌作業(yè)的開啟和關閉，實現(xiàn)滴灌作業(yè)。
9.根據權利要求8所述陣列式土壤濕度自動反饋滴灌控制裝置的控制方法，其特征在于所述步驟(5)中，微控制器對電磁閥驅動單元的控制具體如下(5-1)如果所述步驟(4)中，各土壤濕度傳感器采集到的土壤濕度值的均值小于步驟 (1)設定的土壤濕度均值門限，方差小于步驟(1)設定的方差門限，且電磁閥的工作狀態(tài)指示位為關閉狀態(tài)，則微控制器向電磁閥驅動單元發(fā)送正向脈沖驅動信號，開啟電磁閥，開始滴灌工作，并更新電磁閥的工作狀態(tài)指示位為開啟狀態(tài)；若電磁閥工作狀態(tài)指示位為開啟狀態(tài)，則不發(fā)送信號，保持電磁閥開啟狀態(tài)；(5-2)如果所述步驟(4)中，各土壤濕度傳感器采集到的土壤濕度值的均值小于步驟 (1)設定的土壤濕度均值門限，方差大于步驟(1)設定的方差門限，且電磁閥的工作狀態(tài)指示位為關閉狀態(tài)，則微控制器向電磁閥驅動單元發(fā)送正向脈沖驅動信號，開啟電磁閥，開始滴灌工作，并更新電磁閥的工作狀態(tài)指示位為開啟狀態(tài)；若電磁閥的工作狀態(tài)指示位為開啟狀態(tài)，則不發(fā)送信號，保持電磁閥開啟狀態(tài)；(5-3)如果所述步驟中，各土壤濕度傳感器采集到的土壤濕度值的均值大于步驟 (1)設定的土壤濕度均值門限，方差小于步驟(1)設定的方差門限，且電磁閥的工作狀態(tài)指示位為開啟狀態(tài)，則微控制器向電磁閥驅動單元發(fā)送反向脈沖驅動信號，關閉電磁閥，并更新電磁閥的工作狀態(tài)指示位為關閉狀態(tài)；如果電磁閥的工作狀態(tài)指示位為關閉狀態(tài)，則微控制器不向電磁閥驅動單元發(fā)送驅動信號，保持電磁閥關閉狀態(tài)；(5-4)如果所述步驟(4)中，各土壤濕度傳感器采集到的土壤濕度值的均值大于步驟 (1)設定的土壤濕度均值門限且小于1.05倍的所述土壤濕度均值門限，方差大于步驟(1) 設定的方差門限，且電磁閥的工作狀態(tài)指示位為關閉狀態(tài)，則微控制器向電磁閥驅動單元發(fā)送正向脈沖驅動信號，電磁閥驅動單元控制開啟電磁閥，開始滴灌工作，并更新電磁閥的工作狀態(tài)指示位為開啟狀態(tài)；若電磁閥的工作狀態(tài)指示位為開啟狀態(tài)，則不發(fā)送信號，保持電磁閥開啟狀態(tài)；(5-5)如果所述步驟(4)中，各土壤濕度傳感器采集到的土壤濕度值的均值大于1.05 倍的所述土壤濕度均值門限，方差大于步驟(1)設定的方差門限，且電磁閥的工作狀態(tài)指示位為開啟狀態(tài)，則微控制器向電磁閥驅動單元發(fā)送反向脈沖驅動信號，關閉電磁閥，并更新電磁閥的工作狀態(tài)指示位為關閉狀態(tài)；若電磁閥的工作狀態(tài)指示位為關閉狀態(tài)，則微控制器不向電磁閥驅動單元發(fā)送驅動信號，保持電磁閥關閉狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明提供了陣列式土壤濕度自動反饋滴灌控制裝置，包括供電單元、土壤濕度監(jiān)測單元、控制單元、電磁閥以及滴灌管，所述供電單元分別與土壤濕度監(jiān)測單元、控制單元、電磁閥連接，所述電磁閥連接在滴灌管上；所述土壤濕度監(jiān)測單元為若干個，并呈陣列分布地置于被測土壤中。本發(fā)明還提供了上述裝置的控制方法。本發(fā)明可有效監(jiān)測和評估土壤濕度情況并主動進行水肥滴灌，有效提高勞動效率，并減少無謂的水肥消耗。
文檔編號A01G25/16GK102204502SQ20111014211
公開日2011年10月5日 申請日期2011年5月30日 優(yōu)先權日2011年5月30日
發(fā)明者劉永鑫, 岳學軍, 徐興, 李加念, 洪添勝, 蔡坤, 陳展云, 麥康世 申請人:華南農業(yè)大學