農(nóng)田灌溉用水自動供給與計(jì)量系統(tǒng)以及該系統(tǒng)的控制方法與流程

本發(fā)明屬于自動控制與計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及農(nóng)田灌溉用水自動供給與計(jì)量系統(tǒng)以及該系統(tǒng)的控制方法。

背景技術(shù)：

我國地域遼闊，人口眾多，水資源分布嚴(yán)重不均，一方面中東部計(jì)華南地區(qū)雨量充沛，有時(shí)會出現(xiàn)洪澇，而西北部干旱嚴(yán)重，常年少雨，缺水嚴(yán)重，制約了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的有效發(fā)展。水資源的短缺問題已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市建設(shè)、生態(tài)保護(hù)、環(huán)境治理等諸多方面的“瓶頸”。如何大力推廣和實(shí)施節(jié)水灌溉、充分利用有限水資源是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，水資源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略已成為灌區(qū)農(nóng)業(yè)水利管理工作的當(dāng)務(wù)之急。

目前水資源雖比較匱乏，但農(nóng)業(yè)節(jié)約水灌溉技術(shù)仍未得到很好的普及利用，特別在我國西部地區(qū)，本身就是一個水資源特別匱乏的地區(qū)，而農(nóng)民受傳統(tǒng)農(nóng)耕意識的影響，耕作采用大水漫灌的方式，使得水資源的利用率非常低，其原因就是絕大部分地區(qū)水資源的使用是無序和無償?shù)摹?/p>

為此，國家將逐步實(shí)施水資源有償使用，大力推進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)，推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程。為配合國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略，必須開發(fā)一種有效的水資有償使用與供給技術(shù)，緩解水資源匱乏的問題，提高水資源的利用率，增強(qiáng)人們節(jié)水灌溉的意識。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于提供農(nóng)田灌溉用水自動供給與計(jì)量系統(tǒng)，通過手機(jī)app或gprs短信控制灌渠閘門的開閉狀態(tài)與開閉幅度；本發(fā)明的另一目的是提供該系統(tǒng)的控制方法，通過手機(jī)app或gprs短信設(shè)定供水量的多少及流量大小。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

農(nóng)田灌溉用水自動供給與計(jì)量系統(tǒng)，包括上位機(jī)，所述的上位機(jī)與步進(jìn)電機(jī)控制器相連，步進(jìn)電機(jī)控制器與步進(jìn)電機(jī)相連，步進(jìn)電機(jī)通過齒輪減速器與驅(qū)動齒輪相連；在所述的驅(qū)動齒輪處設(shè)置齒輪盤，在齒輪盤下方設(shè)置螺桿；所述的螺桿通過螺母與閘門相連；在所述的閘門的上游設(shè)置導(dǎo)流槽，導(dǎo)流槽提供恒定截面積的水流通路；在所述的導(dǎo)流槽的兩側(cè)設(shè)置一對流速傳感器。

所述的螺母固定在閘門上。

在所述的閘門兩側(cè)設(shè)置閘墩，閘門在閘墩內(nèi)上下移動。

所述的導(dǎo)流槽為方形桶狀結(jié)構(gòu)。

所述的齒輪盤轉(zhuǎn)動設(shè)置在支架上，在齒輪盤下方設(shè)置滾珠，滾珠設(shè)置在上半圓槽和下半圓槽組成的凹槽內(nèi)。

所述的上半圓槽設(shè)置在齒輪盤上，所述的下半圓槽設(shè)置在支架上。

在所述的支架上安裝用于約束螺桿的軸承。

所述的上位機(jī)與直流供電系統(tǒng)相連，直流供電系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)及太陽能電板相連，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)供電。

所述的上位機(jī)通過無線或有線與中央控制計(jì)算機(jī)、手機(jī)或平板電腦和讀卡器之間分別進(jìn)行指令發(fā)布和數(shù)據(jù)交換。

所述的農(nóng)田灌溉用水自動供給與計(jì)量系統(tǒng)的控制方法，包括如下步驟：

1)儀器安裝

由中央控制計(jì)算機(jī)通過gprs網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)連接；手機(jī)或平板電腦通過無線藍(lán)牙信號與上位機(jī)連接；讀卡器通過電纜與上位機(jī)相連；上位機(jī)通過電纜與步進(jìn)電機(jī)相連；流速傳感器經(jīng)過流量計(jì)變送器與上位機(jī)相連；風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電板給直流供電系統(tǒng)供電，直流供電系統(tǒng)給整個系統(tǒng)供電；

2)數(shù)據(jù)采集和計(jì)算

將兩個流速傳感器測得的流速數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，根據(jù)導(dǎo)流槽的截面積，通過計(jì)算獲得的流量數(shù)據(jù)暫存于上位機(jī)中；

3)數(shù)據(jù)傳輸

上位機(jī)通過gprs傳輸給中央控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸；將水卡的數(shù)據(jù)通過與上位機(jī)相連的讀卡器讀入到上位機(jī)中，獲得相應(yīng)的用水量，或通過手機(jī)或平板電腦發(fā)送指令或讀取數(shù)據(jù)。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的農(nóng)田灌溉用水自動供給與計(jì)量系統(tǒng)，根據(jù)下游河床大致面積及用水速度自動控制灌渠閘門的開度，實(shí)現(xiàn)流速控制，能獲得最佳水利用率，能對灌渠用水進(jìn)行定量供給；通過太陽能與風(fēng)能系統(tǒng)供電，可以在沒有交流電的場合使用；利用閘門的螺桿提升裝置，可以在閘門穩(wěn)定狀態(tài)下電機(jī)不需通電工作，大大節(jié)省能源，使得直流電供電成為可能；該系統(tǒng)的控制方法，使用中央控制計(jì)算機(jī)通過gprs網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對灌區(qū)內(nèi)多臺閘門同時(shí)進(jìn)行控制與數(shù)據(jù)采集；利用讀卡器讀取卡中數(shù)據(jù)信息，輸入流速，就可在一定的時(shí)間內(nèi)獲得相應(yīng)的用水額度；也可用手機(jī)或平板電腦通過藍(lán)牙向上位機(jī)發(fā)布工作命令，并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

附圖說明

圖1是農(nóng)田灌溉用水自動供給與計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖；

圖2是農(nóng)田灌溉用水自動供給與計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)側(cè)視簡圖；

圖3導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)簡圖；

圖4閘門啟閉驅(qū)動螺桿簡圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

如圖1-4所示，附圖標(biāo)記如下：風(fēng)力發(fā)電機(jī)1、太陽能電板2、步進(jìn)電機(jī)控制器3、上半圓槽4、步進(jìn)電機(jī)5、齒輪減速器6、驅(qū)動齒輪7、支架8、直流供電系統(tǒng)9、上位機(jī)10、軸承11、滾珠12、螺桿13、螺母14、中央控制計(jì)算機(jī)15、手機(jī)或平板電腦16、讀卡器17、流量計(jì)變送器18、閘墩19、閘門20、流速傳感器21、下半圓槽22、導(dǎo)流槽23和齒輪盤24。

如圖1所示，農(nóng)田灌溉用水自動供給與計(jì)量系統(tǒng)，包括上位機(jī)10，上位機(jī)10與步進(jìn)電機(jī)控制器3相連，步進(jìn)電機(jī)控制器3與步進(jìn)電機(jī)5相連，上位機(jī)10通過步進(jìn)電機(jī)控制器3控制步進(jìn)電機(jī)5正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)；步進(jìn)電機(jī)5通過齒輪減速器6與驅(qū)動齒輪7相連，在驅(qū)動齒輪7處設(shè)置齒輪盤24，如圖4所示，在齒輪盤24下方設(shè)置螺桿13，步進(jìn)電機(jī)5通過齒輪減速器6及驅(qū)動齒輪7驅(qū)動齒輪盤24及螺桿13轉(zhuǎn)動；螺桿13通過螺母14與閘門20相連，螺母14固定在閘門20上，螺桿13通過螺母14控制閘門20啟閉；在閘門20兩側(cè)設(shè)置閘墩19，閘門20在閘墩19內(nèi)上下移動。其中，在閘門20的上游設(shè)置導(dǎo)流槽23，導(dǎo)流槽23提供恒定截面積的水流通路，起到計(jì)量通路的作用；如圖2所示，在導(dǎo)流槽23的兩側(cè)設(shè)置一對流速傳感器21，對兩個流速傳感器21的測量值取平均值，用于測量導(dǎo)流槽23內(nèi)水體的平均流速。

其中，如圖3所示，導(dǎo)流槽23為方形桶狀結(jié)構(gòu)。

上位機(jī)10與直流供電系統(tǒng)9相連，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)供電；直流供電系統(tǒng)9與風(fēng)力發(fā)電機(jī)1及太陽能電板2相連，為整個系統(tǒng)提供電源，使得系統(tǒng)能在缺少交流電的情況下正常工作。

齒輪盤24設(shè)置在支架8上，在齒輪盤24下方設(shè)置滾珠12，滾珠12設(shè)置在上半圓槽4和下半圓槽22組成的凹槽內(nèi)，滾珠12使得齒輪盤24能在支架8上自由轉(zhuǎn)動，進(jìn)而使得螺桿13在驅(qū)動齒輪7的驅(qū)動下能自由轉(zhuǎn)動，大大減少螺桿13上的齒輪盤24與支架8之間的摩擦力。其中，上半圓槽4設(shè)置在齒輪盤24上，下半圓槽22設(shè)置在支架8上，上半圓槽4和下半圓槽22直接在齒輪盤24和支架8刻制而成。

在支架8上安裝用于約束螺桿13的軸承11。

上位機(jī)10通過無線或有線與中央控制計(jì)算機(jī)15、手機(jī)或平板電腦16和讀卡器17之間分別進(jìn)行指令發(fā)布和數(shù)據(jù)交換。

農(nóng)田灌溉用水自動供給與計(jì)量系統(tǒng)的控制方法，包括如下步驟：

1)儀器安裝

由中央控制計(jì)算機(jī)15通過gprs網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)10連接；手機(jī)或平板電腦16通過無線藍(lán)牙信號與上位機(jī)10連接；讀卡器17通過電纜與上位機(jī)10相連；上位機(jī)10通過電纜與步進(jìn)電機(jī)5相連；流速傳感器21經(jīng)過流量計(jì)變送器18與上位機(jī)10相連；風(fēng)力發(fā)電機(jī)1和太陽能電板2給直流供電系統(tǒng)9供電，直流供電系統(tǒng)9給整個系統(tǒng)供電；

2)數(shù)據(jù)采集和計(jì)算

兩個流速傳感器21測得的初始數(shù)據(jù)實(shí)際上是水流速度，將兩個流速傳感器21測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到導(dǎo)流槽內(nèi)水流的平均流速，將導(dǎo)流槽23的截面積與平均流速相乘就得到單位時(shí)間內(nèi)的流量，該數(shù)據(jù)暫存于上位機(jī)10中；

3)數(shù)據(jù)傳輸

上位機(jī)10通過gprs傳輸給中央控制計(jì)算機(jī)15，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸；將水卡的數(shù)據(jù)通過與上位機(jī)10相連的讀卡器17讀入到計(jì)算機(jī)，獲得相應(yīng)的用水量，通過手機(jī)或平板電腦16發(fā)送指令或讀取數(shù)據(jù)。

工作原理：風(fēng)力發(fā)電機(jī)1、太陽能電板2給直流供電系統(tǒng)9充電；直流供電系統(tǒng)9給整個閘門控制系統(tǒng)提供直流電源，中央控制計(jì)算機(jī)15、手機(jī)或平板電腦16發(fā)出放水指令時(shí)，上位機(jī)10通過步進(jìn)電機(jī)控制器3控制步進(jìn)電機(jī)5轉(zhuǎn)動，通過驅(qū)動齒輪7、齒輪盤24帶動螺桿13轉(zhuǎn)動，在螺母14的作用下閘門20開啟放水，這時(shí)導(dǎo)流槽23內(nèi)的流速傳感器21開始測量流速，上位機(jī)10根據(jù)測量的流量值與預(yù)設(shè)的流量進(jìn)行動態(tài)比較，比較結(jié)果如果偏差超出精度范圍，上位機(jī)10自動調(diào)節(jié)閘門20的開度，以滿足流量設(shè)定要求；當(dāng)放水量達(dá)到預(yù)定值時(shí)，上位機(jī)10控制閘門20關(guān)閉。