[發(fā)明專利]一種水力發(fā)電式智能噴灌管理裝置及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110098184.X
• 申請(qǐng)日: 2021-01-25
• 公開（公告）號(hào): CN112772365A
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 唐忠林;王艷霞
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院
• 主分類號(hào): A01G25/02
• 分類號(hào): A01G25/02;A01G25/16;H02J7/34;H02J7/00;F03B13/00
• 代理公司: 陜西增瑞律師事務(wù)所 61219
• 代理人: 孫衛(wèi)增

本發(fā)明公開了一種水力發(fā)電式智能噴灌管理裝置，包括測(cè)控裝置、信號(hào)電纜、噴灌節(jié)點(diǎn)管路以及土壤水傳感器。測(cè)控裝置包括電動(dòng)水閥、水力發(fā)電模塊、儲(chǔ)能供電電路和噴灌測(cè)控電路。儲(chǔ)能供電電路包括充電法拉電容、充電管理電路、儲(chǔ)能蓄電池、放電保護(hù)電路、放電法拉電容和電量測(cè)控電路。土壤水傳感器包括左平面電容、右平面電容以及夾層平行板電容。通過高效的能量收集管理和智能化土壤水測(cè)控達(dá)到更好的節(jié)水節(jié)能和增產(chǎn)提質(zhì)效果。還公開了一種基于水力發(fā)電式智能噴灌管理裝置的使用方法，在噴灌作業(yè)期間和作物耗水期間，根據(jù)作物的用水特性和土壤水檢測(cè)情況，自動(dòng)控制噴灌作業(yè)的啟停和調(diào)整用電策略，實(shí)現(xiàn)噴灌節(jié)點(diǎn)管理的全自動(dòng)化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及智能節(jié)水灌溉設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種水力發(fā)電式智能噴灌管理裝置及方法。

背景技術(shù)

當(dāng)前，噴灌技術(shù)在大田種植、果蔬種養(yǎng)和城市綠保等場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用。相比于渠灌、滲灌、滴灌等其它灌溉措施，噴灌技術(shù)具有節(jié)水節(jié)能、增產(chǎn)提質(zhì)、省工省地等突出優(yōu)點(diǎn)。典型的噴灌系統(tǒng)由噴頭、管網(wǎng)、首部和水源組成，其中首部是控制中樞，執(zhí)行對(duì)水源水的加壓、過濾和輔料注入工作，并控制整個(gè)噴灌系統(tǒng)的運(yùn)行與停止。可見，典型的噴灌系統(tǒng)是一種集中控制系統(tǒng)，其缺點(diǎn)在于難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)作業(yè)。為了達(dá)到規(guī)模效應(yīng)，一套噴灌系統(tǒng)往往需要覆蓋相當(dāng)大的灌溉面積。在大規(guī)模集中控制下，系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內(nèi)的噴灌節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一啟停，無法協(xié)調(diào)地勢(shì)高低、背陰向陽和作物疏密等物理?xiàng)l件對(duì)土壤水再分布的影響，也無法針對(duì)不同作物的用水特性進(jìn)行局部水量調(diào)節(jié)。其結(jié)果就是，要想實(shí)現(xiàn)充分灌溉就難免浪費(fèi)水資源，要想節(jié)約用水就難免影響部分作物的水肥供給。

以上問題可以通過分布式噴灌控制技術(shù)予以解決。給噴灌系統(tǒng)的每個(gè)噴頭配置智能化的噴灌管理設(shè)備，根據(jù)所在區(qū)域的土壤水情和作物的用水特性，自動(dòng)控制本地噴灌作業(yè)的起止時(shí)機(jī)，把灌溉首部的集中控制功能疏解出來，實(shí)現(xiàn)噴灌管理的精細(xì)化和用水效益的最大化，達(dá)到節(jié)水節(jié)能、增產(chǎn)增收和靈活高效的目的。要在不增加管網(wǎng)成本的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)分布式噴灌控制，必須開發(fā)智能化的噴灌管理設(shè)備，其核心關(guān)鍵技術(shù)包括兩個(gè)方面，一是噴灌區(qū)域的土壤水情檢測(cè)和分析技術(shù)，據(jù)此確定灌溉策略，實(shí)現(xiàn)灌溉效益的最大化；二是設(shè)備的自供電技術(shù)，利用本地能量收集解決設(shè)備的供電問題，減小設(shè)備的鋪設(shè)和維護(hù)成本，提高設(shè)備布置施工的靈活性。

根據(jù)檢測(cè)參數(shù)的不同，可以把當(dāng)前的土壤水檢測(cè)技術(shù)分為兩類：一類用于檢測(cè)土壤含水量，包括烘干法、中子法、時(shí)域反射法、遙感法等；一類用于檢測(cè)水土勢(shì)或水吸力，包括張力計(jì)法、壓力膜法、水汽壓法等。其中，土壤的水土勢(shì)反映了土壤給作物供水的能力，主要來自于土壤的毛細(xì)管效應(yīng)，在一定程度上可以用土壤有效水含量來代替。對(duì)智能化噴灌管理而言，往往需要同時(shí)在線測(cè)量土壤水總含量和土壤水土勢(shì)(或土壤有效水含量)，必須結(jié)合這兩個(gè)參數(shù)各自的情況和相互之間的關(guān)系才能制定出優(yōu)化的噴灌策略。在現(xiàn)有方法中，只有時(shí)域反射儀和張力計(jì)適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，但兩者的組合應(yīng)用在功率消耗、響應(yīng)速度、攜裝輕便等方面均不適合用于智能化噴灌管理設(shè)備的集成開發(fā)。

對(duì)于自治設(shè)備的自供電，太陽能、風(fēng)能和水能是普遍采用的方法。對(duì)噴灌管理設(shè)備而言，水力發(fā)電無疑是最合適的。噴灌管理設(shè)備的水電能量收集和運(yùn)用具有以下特點(diǎn)：一是為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化并且盡量減小發(fā)電設(shè)備對(duì)噴灌水壓的耗損，最好采用微型的低壓差水力發(fā)電機(jī)，發(fā)電功率通常低至1瓦左右，需要設(shè)計(jì)高效率的能量收集與存儲(chǔ)電路，并提高電路對(duì)水壓差異的適應(yīng)性；二是為了實(shí)現(xiàn)噴灌自治，需要在本地控制噴灌水閥的開合，相對(duì)于發(fā)電功率來說，電動(dòng)水閥開合的瞬時(shí)功率要高一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，需要設(shè)計(jì)高功率密度的供電電路；三是噴灌作業(yè)周期往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于作物的用水消耗周期，這就意味著充電時(shí)間短而用電時(shí)間長(zhǎng)，因此需要在提高供電電路能量密度的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際情況智能調(diào)整用電策略。目前，為了實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水和增產(chǎn)提質(zhì)，還未出現(xiàn)精細(xì)灌管理的智能化噴灌裝置。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種水力發(fā)電式智能噴灌管理裝置，通過測(cè)控裝置和土壤水傳感器收集管理水電能量，在線檢測(cè)土壤水的總含量和土壤有效水含量，并進(jìn)行智能化噴灌管理。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：