基于共享收费模式的光伏智能灌溉系统及其使用方法

本发明设计设计农田水利，尤其涉及基于共享收费模式的光伏智能灌溉系统及其使用方法。

背景技术：

1、作为农业大国，我国的农业灌溉总用水量占可使用淡水资源的70％以上。随着全球对可持续能源和农业效率的关注日益增加，光伏智能灌溉系统作为一种环保且高效的技术解决方案，正在得到广泛的研究和应用。然而传统的光伏灌溉系统通常需要高昂的初始投资，这对于许多农民或小型农场来说是一个重大的经济负担。

技术实现思路

1、本发明的目的在于设计一种基于共享收费模式的光伏智能灌溉系统，降低农户的经济负担，减少水资源浪费，使灌溉更加智能、清洁。

2、本发明提供一种基于共享收费模式的光伏智能灌溉系统，包括供水单元、供肥单元、供电模块、监测模块、控制模块、2个以上灌溉模块；每个灌溉模块包括电磁阀、滴灌头；所述供电模块包括电表、太阳能板和蓄电池；所述供水单元包括进水部和蓄水池；供肥单元包括肥料桶和水肥混合桶；

3、供电模块通过电表，分别与供水单元、供肥单元、监测模块、控制模块、灌溉模块相连接以提供电能；蓄水池与肥料桶通过水肥混合桶相连接，用于产生预审浓度的水肥混合液；

4、所述监测模块与控制模块通信连接，为控制模块提供监测信号；所述监测模块包括蓄水池液位传感器、灌溉分管路流量计、无人机单元；

5、所述无人机单元配备多光谱相机和gps；基于所述多光谱相机采集的图像数据得到田地面积、土壤含水量；使用所述gps进行无人机导航；

6、所述控制模块分别与供水单元、供肥单元、灌溉模块通信连接，提供控制信号；所述控制模块分别控制供水单元的进水部为蓄水池充水，水肥混合液的浓度，灌溉模块中电磁阀的通断；

7、水肥混合桶通过若干分水管与各灌溉模块连接，所述每个所述分水管上设置所述灌溉分管路流量计，所述灌溉分管路流量计与灌溉模块一一对应，所述分水管通过电磁阀连接滴灌头；

8、所述控制模块分别与供水单元、供肥单元、灌溉模块连接提供控制信号；

9、每个灌溉模块对应一块田地，所述水肥混合桶位于各田地的中央。

10、所述监测模块中的蓄水池液位传感器可以能够获取蓄水池内地液位，便于蓄水池水量的控制；无人机单元中无人机配备多光谱相机，能够高效地采集大范围的土壤图像数据，快速提供土壤含水量信息，相较于现有技术的湿度计测量，无人机能够获取更大范围的信息，更加准确；

11、采用太阳能板和蓄电池作为供电模块，实现系统的自给自足，解决了传统电力供应不稳定、成本高的问题，降低了系统运行成本，进而降低农户的灌溉成本；

12、所述供水单元、供肥单元和蓄水池通过水肥混合桶连接，产生预设浓度的水肥混合液，为农作物提供均衡的水分和养分供给，提高了农作物的生长效率和产量；

13、所述的灌溉模块每个对应一块田地，实现分块管理，可以根据不同田地的需求进行个性化的灌溉和养分供给，提高了农作物的适应性和品质；所述水肥混合桶位于各田地的中央，各田地对应的灌溉分管路长度相近，便于无人机导航巡视的往返及获取图像数据；

14、所述灌溉分管路流量计和电磁阀的精确控制，可以实现精准灌溉，避免了水资源的浪费，达到了节约用水的目的；

15、优选的，所述进水部包括潜水泵与储雨单元，所述储雨单元包括卷膜电机、遮阳膜、遮阳棚；

16、所述监测模块还包括雨量传感器；

17、所述储雨单元位于蓄水池的上方，所述遮阳棚为刚性框架结构，设置于蓄水池的上方，所述遮阳棚上设置所述卷膜电机，所述遮阳棚上可移动的设置有遮阳膜；

18、所述的储雨单元能够有效地收集和利用雨水资源，提高水资源的利用效率；

19、所述的雨量传感器能够实时监测降雨量，并根据降雨调整遮阳膜的开闭，从而实现对雨水收集的有效控制；

20、所述的遮阳棚和遮阳膜能够避免雨水直接暴露在太阳下，从而减少蓄水池水量蒸发。

21、优选的，所述控制模块还包括电磁阀节能模块。

22、电磁阀节能模块保证正常灌溉的同时，尽可能地减少用电量，实现节能；所述的电磁阀在灌溉过程中不再持续以额定电压工作，而是工作在更为节能的电压状态下，减少了电磁线圈的发热，从而延长了电磁阀的使用寿命。

23、优选的，所述的控制模块包括中央控制单元、无线控制单元；所述中央控制单元处理来自监测模块的信号；无线控制单元由无线控制柜组成，无线控制柜内包含zigbee通信模块和gprs通信模块，无线控制柜分布在各块农田，通过zigbee通信模块形成现场局域网；通过gprs通信实现农田灌溉远程监控。

24、通过实时控制和远程监控，本系统能够准确判断农田的灌溉需求，实现精准灌溉，提高了灌溉效率，减少了水资源的浪费。

25、本发明还提供一种基于共享收费模式的光伏智能灌溉系统的使用方法，利用无人机进行遥感及图像识别，以获取田地的块数，每块田地的农田面积和所种植的作物数据，将所述光伏智能灌溉系统安装在各块田地的中央，为每块田地分配一个灌溉模块；

26、使用所述太阳能板获取太阳能转化为电能供光伏智能灌溉系统使用，将没有使用的电能储存于蓄电池中，通过电表获取供电模块的总输出电量；

27、基于作物数据，使用控制模块控制供肥单元提供的肥料种类和浓度；

28、制定无人机导航路线，利用遥感技术及图像识别技术识别并记录每块田地的初始土壤含水量，并以初始土壤含水量由低到高判定灌溉优先级顺序，从初始土壤含水量最低的田地开始依次灌溉，在灌溉时间内无人机每隔五分钟巡视一次正在灌溉的田地并识别土壤含水量，当土壤含水量满足要求时停止灌溉；

29、在田地的灌溉时间内，根据下一块田地记录的初始土壤含水量，初步计算下一块田地的预计灌溉水量，并使用控制单元控制供水单元对所述蓄水池进行供水，使用蓄水池液位传感器和灌溉分管路流量计监测，当当前灌溉时间内蓄水池内的水量及已用灌溉水量之和不少于在灌田地的预计灌溉水量及下一块田地的预计灌溉水量之和时，停止供水单元供水；在田块开始灌溉时无人机巡视田地，并根据首次巡视获取的实际土壤含水量调整预计灌溉水量，当实际土壤含水量少于初始土壤含水量时，供水单元继续抽水，若实际土壤含水量大于初始土壤含水量时，则不需要再次抽水；以避免下雨土壤含水量变化导致过度灌溉；

30、在蓄水池水量满足当前灌溉农田预计灌溉水量的同时控制模块控制潜水泵继续给蓄水池蓄水，以在下块农田开始灌溉时，提前满足该农田的预计灌溉水量。避免了灌溉期间蓄水池水量不够的问题；同时避免了频繁将蓄水池蓄满水，在一定程度上节省用电，降低农户用电成本。

31、使用灌溉分管路流量计监测记录计费周期下每个灌溉模块的供水量，作为每块田地的水肥收费依据；

32、使用电表记录计费周期下的总用电量，作为每块田地的用电收费依据。

33、优选的，使用所述雨量传感器探测雨量，当下雨时，使用卷膜电机卷起遮阳膜，使雨水通过遮阳棚进入蓄水池；

34、当蓄水池充满或不下雨时，使用卷膜电机打开遮阳膜，减少蓄水池中的水分蒸发；

35、当雨水不足以提供灌溉用水时，使用所述潜水泵将地下水抽取至蓄水池。

36、通过雨量传感器探测雨量并由卷膜电机控制遮阳膜的开闭，减少水分蒸发、利用雨水补充蓄水池的水量，节水节能。

37、优选的，使用所述电磁阀节能模块，在灌溉时，控制所述电磁阀以额定电压工作，并以一定速度降低电压，直至所述灌溉分管路流量计检测到管道流量小于0.05l/min时，逐渐增加电压到正好保证电磁阀能打开，并保持此电压继续进行此次灌溉。

38、保证电压能保持电磁阀开启满足灌溉工作时，减少了不必要的电能消耗，减少电磁阀发热，延长使用寿命。

39、优选的，利用无人机遥感和图像识别技术获取田地面积和初始土壤含水量，预计灌溉水量的计算公式如下：

40、预计灌溉水量＝田地面积×灌溉深度×土壤容重×(理想土壤含水量-初始土壤含水量)

41、其中，灌溉深度为水需要渗透到土壤中的深度，这取决于作物根系深度和土壤特性，单位为米；土壤容重为单位体积土壤的干重，以千克/立方米为单位；理想土壤含水量表示作物所需最佳的土壤水分的重量百分率，不同作物的理想土壤含水量不同；初始土壤含水量表示灌溉前土壤水分的重量百分率；预计灌溉水量计算结果单位为千克，经过换算为立方米。

42、利用无人机遥感和图像识别技术获取不同田地面积数据，无人机可以在较短的时间内覆盖大范围的地区，并且能够以较高的速度获取大量的图像数据。相比于传统的人工测量方法，无人机的速度更快，可以在更短的时间内完成面积测量任务。

43、利用无人机遥感和图像识别技术获取土壤含水量数据，可以覆盖大范围的土地，迅速获取大量数据，而现有技术的湿度计测量通常只能在一个固定的位置上进行监测，覆盖范围有限。

44、计算预计灌溉水量，根据作物和土壤水分状况，精确确定灌溉水量，避免了过量或不足的灌溉，提高了水资源的利用效率。

45、优选的，获取基于共享收费模式的光伏智能灌溉系统的每个用户账户中，在使用系统前充值的金额，系统按照各用户所使用电量及用水量扣除账户内的费用，直至充值的金额用完，停止对金额用完的账户对应的田地进行灌溉，并通过控制模块提醒用户充值。

46、灌溉费用通过公式获得：

47、s＝q×s

48、d＝n×d/8

49、式中：s是灌溉用水费用；n是农户灌溉的农田数；s是灌溉用水单价，由肥料费用和水费综合定价。；q是农户农田灌溉用水量；d是农户总电费；d是电费单价。

50、农户共享使用水、肥和太阳能，按照各自的用水量、用电量收取相应费用，解决了传统农户自行用水用电的资源不稳定的问题，提高了资源利用效率和稳定性。农户共同使用本发明的设备和基础设施的共享，农户可以共同分担维护和管理费用，从而降低各自的生产成本；

51、优选的，在相同计费周期下，当检测到任一个灌溉模块的供水量大于其它灌溉模块平均值的5倍时，控制模块发出设备检修通知。避免电磁阀遭受破坏。

52、有益效果：

53、本发明采用共享收费模式，用户共同使用灌溉设备、共享太阳能以及水肥，凭借按需收费，减少农户前期投资、降低生产成本。