一种物联网农业灌溉控制器的制作方法

本发明属于自动化技术领域，具体涉及一种物联网农业灌溉控制器。

背景技术：

为了保护水资源及生态环境，必须科学合理地提高农业灌溉用水及用电水平。针对我国在农业灌溉中存在水电费征收难、资源浪费严重和灌溉过程中常发生各种水事纠纷等问题，设计一套科学的灌溉及水电管理系统，通过农业灌溉控制器实现科学灌溉，实时掌握不同灌溉区域的水、电资源使用情况尤为必要。该灌溉控制器将5g/4g、物联网和自动控制技术应用于农业灌溉。资源管理部门通过该灌溉控制器和配套管理软件实现水电资源的实时监控、管理和调配。用户通过手机app操控灌溉控制器实现交存水、电费、灌溉用水流量控制和开机操作。灌溉控制器通过云服务器实现用户排队、水电消耗的统计和自动计时、计费功能。资源管理部门可通过该控制器和资源管理软件可实时掌握所辖灌溉区域水、电资源消耗和用户缴费数据，为制定科学的用水、电规划提供依据。

技术实现要素：

本发明的主要目的是为了解决我国农业灌溉中存在的问题，提供一种使用方便，控制可靠，经济实用的物联网农业灌溉控制器。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是：一种物联网农业灌溉控制器，其包括嵌入式处理器模块、单片机、5g/4g通讯模块、802.3和光纤网络接口、变频器、水量检测模块、电量检测模块和人机交互模块；嵌入式处理器模块基于5g/4g通讯模块和嵌入式系统实现与云服务器和用户手机的数据交换，单片机实现水泵流量控制、水电计量流量和费用计量、人机交互功能。单片机分别与嵌入式处理器模块、5g/4g通讯模块、802.3和光纤网络接口、变频器、水量检测模块、电量检测模块和人机交互模块连接。

本发明使用时，将农业灌溉控制器安装在农田机井旁，该灌溉控制器能够接收灌溉用户手机app和资源管理部门发出的指令执行指定操作，并能够将灌溉过程中的用户信息、灌溉时间和水电消耗数据通过物联网传输给云端的服务器。在无人值守的情况下，该控制器能够按照用户通过手机预约的灌溉顺序、时间段和设定灌溉流量自动完成灌溉操作，并实现水、电资源消耗的计量。在灌溉之前，用户首先需要下载手机app，并通过该app在云端服务器上完成用户注册和水、电预交费功能。在没有灌溉需求的情况下，灌溉控制器处于微功耗的待机模式。当灌溉控制器工作时，可通过5g/4g通讯模块接收未来时间段不同用户的灌溉需求，即灌溉用户、灌溉时间段和灌溉流量的设定。当灌溉控制器上的时钟到达某一用户预先设定好的灌溉起始时间点时，控制器从待机状态恢复到正常运行状态。此时灌溉机开启水泵，按照用户设定好的灌溉水流量进行灌溉作业。当该用户的灌溉终止时间到达时，控制器将水泵停止，同时将该用户的灌溉时间段、用水和用电数据上传到云服务器上，然后灌溉控制器进入微功耗的待机状态，等待下一个用户灌溉时间的到来。灌溉控制器通过lcd和触摸屏作为人机交互模块，实现控制器地址、操作密码、开放用户预约时间段、允许灌溉时间段、流量控制参数的设定操作，以及该控制器历史灌溉用户数据和本机灌溉数据的查询操作。

本发明属于物联网农业灌溉管理系统的一个子机系统。其有益效果是：通过本发明，某一灌溉区域的灌溉用户信息、用户用水信息、用户用电信息及该区域的总灌溉水电消耗数据可通过物联网或5g/4g网络上传到云端服务器，资源管理部门可通过实时查询这些信息做出科学的资源调配决策；该发明具有待机不占用当地电能资源、功耗低、运行稳定、可靠性高、人机交互友好的特点，在已有条件下可最大限度地解放农业灌溉管理人员的劳动强度、降低灌溉用户因灌溉问题引起的矛盾纠纷，为未来我国智慧农业的发展提供技术支持。不同于传统灌溉机的ic卡操作，灌溉用户不再需要到灌溉控制器旁通过刷卡进行开机或关机操作。在水利设施完善情况下，灌溉用户通过手机或计算机操控即可完成远程开机、关机、用水量、用电量及费用消耗的实时查询，实现真正的无人值守。

附图说明

图1为本发明一种实施例的灌溉控制器结构示意图。

具体实施方式

实施例：

如图1所示：一种物联网农业灌溉控制器，其包括硬件部分和软件部分。硬件部分包括嵌入式处理器模块、单片机、水量检测模块、电量检测模块、电池供电的实时时钟模块、包含5g/4g通讯模块、802.3和光纤网络接口，lcd显示模块、触摸屏模块。软件部分包括人机交互模块、pid控制模块。

实施例硬件部分：

嵌入式处理器模块（处理器单元）采用64位armcortex-a8架构的高性能运算芯片，在嵌入式操作系统支持下与其它模块进行数据交换，嵌入式处理器模块基于5g/4g通讯模块或802.3和光纤网络接口和嵌入式系统实现与云服务器和用户手机的数据交换，是整个灌溉控制器的逻辑判断和运算单元。该模块通过运行嵌入式linux3.2操作系统实现整个灌溉控制器的实时控制。主要运行任务包括与云端数据服务器的数据交换、接收灌溉用户与操作人员的操作请求和灌溉流量的闭环控制。

用电量检测模块用于用户电能消耗的计量。该模块采用艾锐达公司的im3318作为电能计量模块。该模块为用户提供电压、电流、功率因素和当前有功功率等参数。当用户开始灌溉时，嵌入处理器基于该模块提供的数据对用户使用的电能开始计量，当用户灌溉停止时，式处理器将该用户消耗的电能数据上传到云服务器。

电池供电的实时时钟模块（时钟）为整个系统提供标准格林威治时间，当用户设定好的起始灌溉时间到达时，时钟模块会向处理器发出中断请求以唤醒处理器开始工作，驱动水泵开始灌溉。当终止灌溉时间到达时，处理器停止水泵运行，同时使处理器进入待机状态，等待下一用户灌溉时间的到达。

5g/4g通讯模块、802.3和光纤网络接口用于将灌溉控制器的运行数据与云端服务器建立链接，该模块能够提供5g/4g和光纤通讯的接口。通过该物联网模块，控制器将灌溉用户每次消耗的用水量、用电量、灌溉时间段、灌溉流量和用户数据上传到云服务器，便于工作人员的后续查询。

lcd显示模块和触摸屏模块是人机交互模块的接口，主要实现控制器工作状态的指示和相关功能的设置。通过这两个模块，操作人员可对控制器的工作参数进行修改、手动启动和停止灌溉操作和本机历史数据的查询功能。

流量检测控制包括流量的检测和流量控制两部分。流量检测实现不同类型流量传感器的数据采集任务，可实现4-20ma电流检测、小信号放大及转换、流量传感器数字输出信号的读取等功能。流量控制接受单片机的输出信号，通过改变变频器工作频率实现灌溉水泵流量的控制。

实施例软件部分：

5g/4g通讯模块实现控制器与灌溉用户手机app软件、控制器与云端服务器的实时通讯功能。一方面，该模块能够接收灌溉用户通过手机发送的操作命令数据，控制器按照用户要求完成对应操作后将操作对应结果返回用户手机。另一方面，在运行状态下该模块既可将每个灌溉用户的灌溉时间段、用水和用电数据上传到云服务器，也可接受云服务器针对该灌溉控制器的对应远程操作命令。

人机交互模块（简称人机交互）通过触摸屏和lcd完成控制器状态指示和参数设置功能。在无人值守条件下，lcd模块处于待机状态，不显示任何内容。只有操作人员开始操作本机，lcd模块才开始显示本机工作状态。工作状态指示内容包括当前灌溉用户信息、用户设定好的灌溉起始时间段、实时水流量、水电消耗数据及相关费用指示。工作参数的设置包括本机操作人员密码设置、时间校准设置、开放用户预约时间段设置、灌溉用水流量pid控制参数设置和灌溉允许时间段设置5个功能。操作人员通过触摸屏手动启动、手动停止灌溉操作可对该机进行现场调试和完成功能性验证，或在系统故障状态下完成手动操作下的灌溉作业。

pid控制模块按照用户预先设定的流量值实现水泵流量的闭环控制功能。pid控制采用定时驱动方式，即当处理器内部的pid定时器溢出后，开始pid运算。指定设备维护人员可通过给定密码，对该模块的三个控制参数（比例、积分、微分）进行设置和修改。

水量检测模块（水流量检测）和电量监测模块（用电量检测）实现对每一用户在灌溉过程中的水资源和电能资源消耗的计量。本质上，用户的灌溉用水消耗量等于灌溉流量在灌溉时间段的积分过程，灌溉用电消耗量等于实时有功功率在灌溉时间段的积分。