一种蔬菜大棚智能滴灌装置及其工作方法

本发明属于蔬菜大棚技术领域，具体涉及一种蔬菜大棚智能滴灌装置及其工作方法。

背景技术：

滴灌作为目前最节约水资源的浇灌方式之一，其易于实现，原理简单。滴灌就是利用塑料管道将水通过直径约10mm毛管上的孔口或滴头送到作物根部进行局部灌溉，水的利用率可达95%以上。用花洒等器具漫灌，不仅会导致很大一部分水因蒸发而产生浪费，而且极难把握浇水的量，造成土壤和肥料的流失，而滴灌系统直接作用于根部，在避免水蒸发的同时结合施肥，可以将肥料的利用率提高一倍以上。

节电滴灌技术可提高农作物生产效益，近年来，中国滴灌自动控制系统研究进展迅猛，出现了不同种类的灌溉自动控制装置。但是，目前市场上绝大多数滴灌系统装置，存在灵活性较差、维护成本高、界面单调不可调、无太阳能供电等弊端，应用不灵活。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种蔬菜大棚智能滴灌装置及其工作方法，以解决背景技术中所提出的缺陷或问题。

为实现上述发明目的，本发明的实施例提供一种蔬菜大棚智能滴灌装置，其特征在于，包括一控制柜及设置在蔬菜大棚内的浇水系统，所述控制柜包括柜体和安装在柜体前端面的柜门；所述柜体内设置有第一隔板和第二隔板，所述柜体设置有控制装置和多个水泵；所述控制装置包括控制电源主件、微控制器、多个电磁阀驱动器、多个传感器接口、多个排风扇接口、多个散热风扇；所述柜门上设置有一lcd液晶屏；多个所述散热风扇安装在柜门上，多个所述排风扇安装在蔬菜大棚内；所述控制电源主件设置在第一隔板的上方，所述微控制器、电磁阀驱动器设置在第二隔板的上端，所述第二隔板的下方与柜体底部所形成的空间内设置有多个水泵，所述浇水系统包括若干滴水管路，每一所述水泵连接有一滴水管路，每一所述滴水管路上设置有电磁阀，所述电磁阀驱动器与电磁阀连接且对驱动电磁阀开闭；所述滴水管路穿过蔬菜大棚内并设置有若干滴灌口；所述控制装置的外侧设置有与控制装置的传感器接口连接的多个传感器，所述控制电源主件包括锂电池、稳压电路，所述锂电池连接稳压电路，所述稳压电路输出稳定电压；所述控制电源主件电连接微控制器且为微控制器供电，所述微控制器的输入端电连接多个多传感器接口，多个所述传感器分别通过电缆连接多个传感器，所述微控制器的输出端电连接多个水泵、多个电磁阀、多个散热风扇及多个排风扇接口，多个所述排风扇接口通过电缆连接外部的多个排风扇。

进一步的，多个所述传感器至少包括土壤水分传感器、二氧化碳传感器和温湿度传感器。

进一步的，所述控制电源主件还包括一太阳能供电子系统，所述太阳能供电子系统包括光伏组件及电池控制器，所述光伏组件通过电池控制器为锂电池供电，所述光伏组件包括太阳能电池板，所述电池控制器包括功率转换器、充电控制芯片及电池控制单片机及电量监测装置，所述电量监测装置用于监测锂电池剩余电量。

进一步的，所述蔬菜大棚内纵向排列设置有多个固定支架，所述固定支架包括多个纵向支撑杆及固定连接在多纵向支撑杆的横向固定板。

优选的，所述横向固定板上均匀布置有多个驱动电机，相邻两所述纵向支撑杆的相对面分别设置有一基座，所述基座内安装有带座轴承，两相邻所述纵向支撑杆的相对面分别转动连接有一丝杠，所述丝杠的一端设置有一从动带轮，所述横向固定板上设置有一驱动电机，所述驱动电机的输出轴上设置有一主动带轮，所述主动带轮通过皮带连接从动带轮，所述丝杠上啮合连接有一固定座，所述固定座的上端设置有一滑块，所述滑块滑动连接在横向固定板下方的滑轨内；所述固定座的下方固定连接排风扇，每一所述排风扇通过一软管连接有在所述蔬菜大棚上的排风口处。

进一步的，所述蔬菜大棚内还设置有加热扇，所述加热扇通过电缆连接在控制柜内的控制装置上。

进一步的，所述柜体内设置有用于监测柜体内部温度的温度传感器，所述柜体上设置有散热口，所述散热口处安装有格栅网，当所述温度传感器监测到温度高于设定值时，所述微控制器控制散热风扇打开对柜体内进行散热。

优选的，所述格栅网包括有设置在外侧的防水百叶、设置在内侧的固定网格及设置在防水百叶与固定网格之间防尘棉。

本发明还提供一种蔬菜大棚智能滴灌装置的工作方法，其特征在于，包括以下过程：

s1、光伏组件通过电池控制器给锂电池充电，锂电池通过稳压电路为微控制器提供稳定电压；太阳能供电子系统在阳光充足时，对蓄电池充电；

s2、用户根据需要设定灌溉参数及时钟，实现自动灌溉，微控制器根据设定的参数信息控制不同滴水管路上的电磁阀和水泵开启或关闭，实现定时滴灌开环控制；

s3、传感器接口所连接的多个土壤水分传感器、二氧化碳传感器和温湿度传感器，土壤水分传感器检测土壤中的水分，从而，微控制器根据所采集到的土壤水分信息，控制不同滴水管路上的电磁阀和水泵开启或关闭，实现根据水分信息进行闭环滴灌；

s4、所述二氧化碳传感器实时监测蔬菜大棚内的二氧化碳含量，微控制器根据所采集到的二氧化碳信息，控制排风扇的打开和关闭，当二氧化碳含量超过所设定值时，通过排风扇及软管从排风口排出，从而保证蔬菜大棚内的氧气足够；

s5、当温湿度传感器监测到蔬菜大棚内湿度过高或者温度过低时，微控制器控制加热扇打开，进行加热，保证蔬菜大棚内温度合适，湿度合适的状态；当温度过高时，微控制器控制排风扇打开，保证蔬菜大棚的温度处于20°-30°之间；

s6、用户通过人机界面对系统时间、滴灌时间、选择定时控制或闭环控制进行滴灌。

进一步的，所述步骤s4或s5中，还包括以下过程：所述微处理器控制驱动电机转动，驱动电机带动主动带轮旋转，主动带轮带动从动带轮旋转，从动带轮带动丝杠旋转，从而固定在横向固定板上沿直线移动，从而排风扇沿直线运动，从而对排风扇行进路线周围气体与外部气体进行交换，保证内部含氧量充足。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

（1）本发明的滴灌控制装置具有太阳能供电、低成本、低功耗的功能，能适应不同环境，可开环控制电磁阀自动开关实现定时定量控制滴灌系统灌溉，或由土壤水分传感器感知土壤水分从而闭环控制电磁阀自动开关实现灌溉系统自动运行，省工省力，适应农村劳动力转移与人口老龄化趋势。

（2）本发明通过二氧化碳传感器实时监测蔬菜大棚内的二氧化碳含量，微控制器根据所采集到的二氧化碳信息，控制排风扇的打开和关闭，当二氧化碳含量超过所设定值时，通过排风扇及软管从排风口排出，从而保证蔬菜大棚内的氧气足够；实现对蔬菜大棚内的空气质量进行闭环控制。

（3）本发明通过当温湿度传感器监测到蔬菜大棚内湿度过高或者温度过低时，微控制器控制加热扇打开，进行加热，保证蔬菜大棚内温度合适，湿度合适的状态；当温度过高时，微控制器控制排风扇打开，保证蔬菜大棚的温度处于20°-30°之间；从而实现对蔬菜大棚内温湿度进行闭环控制。

（4）本发明的供电电源增加了太阳能供电子系统，更有利于节能，通过滴灌技术有利于节水。

附图说明

图1为本发明的一种蔬菜大棚智能滴灌装置结构示意图；

图2为本发明的一种蔬菜大棚智能滴灌装置中系统原理框图；

图3为本发明的一种蔬菜大棚智能滴灌装置中太阳能供电子系统的供电框图；

图4为本发明的一种蔬菜大棚智能滴灌装置中人机界面子系统软件结构示意图；

图5为本发明的一种蔬菜大棚智能滴灌装置中控制柜的内部结构示意图。

附图标记说明：1、控制柜；2、第一隔板；3、第二隔板；4、控制电源主件；5、微控制器；6、电磁阀驱动器；7、土壤水分传感器；8、二氧化碳传感器；9、温湿度传感器；10、排风扇；11、散热风扇；12、lcd液晶屏；13、电磁阀；14、纵向支撑杆；15、横向固定板；16、驱动电机；17、丝杠；18、主动带轮；19、从动带轮；20、皮带；21、固定座；22、加热扇；23、蔬菜大棚；24、格栅网；25、软管；26、水泵；27、h桥电机控制电路；28、太阳能电池板。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作为广义理解，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。

如图1、图2及图5所示，一种蔬菜大棚智能滴灌装置，包括一控制柜1及设置在蔬菜大棚内的浇水系统，所述控制柜1包括柜体和安装在柜体前端面的柜门；所述柜体内设置有第一隔板2和第二隔板3，所述第二隔板2上设置有防水层，所述柜体设置有控制装置和多个水泵26；所述控制装置包括控制电源主件4、微控制器5、多个电磁阀驱动器6、多个传感器接口、多个排风扇接口、多个散热风扇11；所述柜门上设置有一lcd液晶屏12；lcd液晶屏12双向电连接微控制器5；优选的，本发明中的太阳能电池板28形成顶部挡水边沿，防止雨水进入lcd液晶屏12内，使用更加安全；多个所述散热风扇11安装在柜门内侧，多个所述散热风扇11分布在柜门上与第一隔板2上方、第一隔板2与第二隔板3中间位置及第二隔板3下方位置多对应的位置处；多个所述排风扇10安装在蔬菜大棚23内，对蔬菜大棚23内进行排气换气；所述控制电源主件4设置在第一隔板2的上方，所述微控制器5、电磁阀驱动器6设置在第二隔板3的上端，所述第二隔板3的下方与柜体底部所形成的空间内设置有多个水泵26，所述浇水系统包括若干滴水管路，每一所述水泵26连接有一滴水管路，每一所述滴水管路上设置有电磁阀13，所述滴水管路穿过蔬菜大棚23内并设置有若干滴灌口；所述控制装置的外侧设置有与控制装置的传感器接口连接的多个传感器，所述控制电源主件4包括锂电池、稳压电路和电量监测装置，所述锂电池连接稳压电路，所述稳压电路输出稳定电压；所述控制电源主件4电连接微控制器5且为微控制器5供电，所述微控制器5的输入端电连接多个多传感器接口，多个所述传感器分别通过电缆连接多个传感器，所述微控制器的输出端电连接多个水泵26、多个电磁阀13、多个散热风扇11及多个排风扇接口，多个所述排风扇接口通过电缆连接外部的多个排风扇10。

本发明完成了一套温室蔬菜大棚节能所用的蔬菜大棚智能滴灌装置，针对温室蔬菜大棚自动滴灌、棚内空气质量及棚内温度自动调节的需求，同时，本发明也公开了太阳能供电的滴灌控制系统，该蔬菜大棚智能滴灌装置包括stm32f103zet微控制器5、实时时钟模块、脉冲式电磁阀及驱动模块、传感器接口、太阳能充电子系统，并提供lcd液晶屏12。测试光伏组件、锂电池的输出特性与供电电压3.7～5v下静态功耗，滴灌控制系统供电电压在3v以上正常工作。平均静态电流最低为70μa。以容量为800ma·h的3.7v锂电池供电，滴灌控制系统在无太阳能补给下的待机时间达30天。太阳能电池每天以42.25mw的输出功率对系统充电30min可维持系统不间断运行。控制装置功耗低，太阳能充电，适合于温室蔬菜大棚的滴灌系统自动控制。

控制装置工作参数：外接脉冲式电磁阀额定电压不高于6v，输出电流不高于700ma；电磁阀供电线长度小于100cm，线径不小于0.5mm；蓄电池采用可充电锂电池，该可充电锂电池规格为14500，额定电压3.7v，最高电压4.2v，容量不小于200mah；滴灌管路所采用的水管及套接套管直径不大于30.0mm水管。

在本发明进一步的实施例中，多个所述传感器至少包括土壤水分传感器7、二氧化碳传感器8和温湿度传感器9。

在本发明进一步的实施例中，所述控制电源主件4还包括一太阳能供电子系统，所述太阳能供电子系统包括光伏组件及电池控制器，所述光伏组件通过电池控制器为锂电池供电，所述光伏组件包括太阳能电池板，所述电池控制器包括功率转换器、充电控制芯片及电池控制单片机。

本发明为节能减排，引入可再生绿色能源太阳能供电子系统，如图3所示。照度与输出电压变化易引起太阳能电池输出特性最大功率点漂移，用spv1040d芯片调节使太阳能电池稳定工作在最大功率输出点；选用静态电流1μa的cn3063芯片进行太阳能充电控制。单片机处于读取充电状态，若单片机因锂电池电压太低无法工作，太阳能供电子系统能为蓄电池一直充电至系统重新恢复工作。

在本发明进一步的实施例中，所述蔬菜大棚23内纵向排列设置有多个固定支架，所述固定支架包括多个纵向支撑杆14及固定连接在多纵向支撑杆14的横向固定板15。可行的，所述纵向支撑杆14的底部位置设置有三角形支架，以保证固定支架的稳定性，同时相邻的固定支架之间可以通过连杆进行连接保证整体结构的稳定性。

优选的，所述横向固定板15上均匀布置有多个驱动电机16，可行的，所述驱动电机16通过h桥电机驱动电路27连接微控制器5；相邻两所述纵向支撑杆14的相对面分别设置有一基座，所述基座内安装有带座轴承，两相邻所述纵向支撑杆14的相对面分别转动连接有一丝杠17，所述丝杠17的一端设置有一从动带轮19，所述横向固定板15上设置有一驱动电机16，所述驱动电机16的输出轴上设置有一主动带轮18，所述主动带轮18通过皮带20连接从动带轮19，所述丝杠17上啮合连接有一固定座21，所述固定座21的上端设置有一滑块，所述滑块滑动连接在横向固定板15下方的滑轨内；所述固定座21的下方固定连接排风扇10，每一所述排风扇10通过一软管25连接有在所述蔬菜大棚23上的排风口处。

在本发明进一步的实施例中，所述蔬菜大棚23内还设置有加热扇22，所述加热扇22通过电缆连接在控制柜1内的控制装置上。优选的，加热扇22安装在固定支架的纵向支撑杆14上，可行的，所述加热扇可相对纵向支撑杆14旋转，实现不同区域进行加热。

在本发明进一步的实施例中，所述柜体内设置有用于监测柜体内部温度的温度传感器，所述柜体上设置有散热口，所述散热口处安装有格栅网24，当所述温度传感器监测到温度高于设定值时，所述微控制器控制散热风扇打开对柜体内进行散热。

优选的，所述格栅网24包括有设置在外侧的防水百叶、设置在内侧的固定网格及设置在防水百叶与固定网格之间防尘棉。

本发明还提供一种蔬菜大棚智能滴灌装置的工作方法，包括以下过程：

s1、光伏组件通过电池控制器给锂电池充电，锂电池通过稳压电路为微控制器提供稳定电压；太阳能供电子系统在阳光充足时，对蓄电池充电；

s2、用户根据需要设定灌溉参数及时钟，实现自动灌溉，微控制器根据设定的参数信息控制不同滴水管路上的电磁阀和水泵开启或关闭，实现定时滴灌开环控制；

s3、传感器接口所连接的多个土壤水分传感器、二氧化碳传感器和温湿度传感器，土壤水分传感器检测土壤中的水分，从而，微控制器根据所采集到的土壤水分信息，控制不同滴水管路上的电磁阀和水泵开启或关闭，实现根据水分信息进行闭环滴灌；

s4、所述二氧化碳传感器实时监测蔬菜大棚内的二氧化碳含量，微控制器根据所采集到的二氧化碳信息，控制排风扇的打开和关闭，当二氧化碳含量超过所设定值时，通过排风扇及软管从排风口排出，从而保证蔬菜大棚内的氧气足够；

s5、当温湿度传感器监测到蔬菜大棚内湿度过高或者温度过低时，微控制器控制加热扇打开，进行加热，保证蔬菜大棚内温度合适，湿度合适的状态；当温度过高时，微控制器控制排风扇打开，保证蔬菜大棚的温度处于20°-30°之间；

s6、用户通过人机界面对系统时间、滴灌时间、选择定时控制或闭环控制进行滴灌。

用户可经人机接口对滴灌参数进行配置，通过lcd液晶屏与加、减、返回、确认4个按键组成人机接口硬件。屏幕所显示的输入框、时间显示框等元素抽象成控件，每控件由显示函数、属性列表、事件回调函数，封装成c语言结构体。回调函数和显示函数在结构体中表示为函数指针。

如图4所示，在lcd液晶屏的人机界面控件集合中，对控件进行声明与初始化；由界面显示函数在屏幕上绘制用户界面；据用户指令和需显示内容，界面控制状态机调用控件并回调函数，进行更新。微控制器选用单片机stm32f103，最高频率72mhz，16位总线，片上集成512kb的flash与64kb的ram，全部程序由keil5编译。微控制器绝大部分时间工作在待机模式。实时时钟产生定时信号或按键产生中断信号，唤醒单片机，被唤醒的单片机执行完刷新用户界面或控制电磁阀的程序后，重新进入停机模式。驱动电磁阀时，h桥关闭，升压芯片工作，给并联蓄电池电容充电，充电完成后升压芯片关闭，打开h桥，电容存储的电荷进行驱动电磁阀。

进一步的，所述步骤s4或s5中，还包括以下过程：所述微处理器控制驱动电机转动，驱动电机带动主动带轮旋转，主动带轮带动从动带轮旋转，从动带轮带动丝杠旋转，从而固定在横向固定板上沿直线移动，从而排风扇沿直线运动，从而对排风扇行进路线周围气体与外部气体进行交换，保证内部含氧量充足。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。