農田區域精量灌溉光照強度傳感變送器的製作方法
2023-05-09 02:20:51 1
專利名稱：農田區域精量灌溉光照強度傳感變送器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種室外農田區域精量灌溉光照強度傳感系統，尤指一種應用在人工栽培區域環境與農田精量灌溉控制技術等方面的農田區域精量灌溉光照強度傳感變送器。
本發明要解決的技術問題是要解決適用於我國不同地區生態氣候條件的農田墒情預報與灌溉決策支持系統軟體，還要解決農田灌溉精量控制系統的硬體與之配套等問題。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是該裝置的光照強度傳感變送器與上位計算機或現場控制裝置相連接，並與計算機精量灌溉控制系統相關聯，構成一個分布式農田區域精量灌溉計算機控制系統，該裝置是室外氣象要素的關鍵部件之一。
所述的農田區域精量灌溉光照強度傳感變送器的光照強度傳感變送器由光輻射衰減級、光輻射感應級、濾波驅動級、抗幹擾輸出保護級及外殼組成，在其光輻射比例衰減器的前端為太陽光輻射入園弧玻璃透光罩，其後端的光輻射感應器與光電模擬轉換相連接，光電模擬轉換與低通濾波相連接，低通濾波與電壓跟隨驅動相連接，在電壓跟隨驅動和低通濾波的模塊之間接入抗幹擾自恢復電源，電壓跟隨驅動連接著輸出保護電路和模擬信號輸出，是一個實施在以現場控制計算機為中心的農田精量灌溉控制系統中的關鍵部件。
所述的農田區域精量灌溉光照強度傳感變送器的計算機精量灌溉控制系統由上位計算機、現場控制裝置、室外氣象系列傳感變送器(溫度、溼度、風速、風向、雨量)、農田水勢傳感變送器、精量灌溉控制系統軟體、精量灌溉控制應用軟體、電氣驅動控制裝置、水泵、電動機、電磁閥、報警裝置及其相應接口等組成。
所述的農田區域精量灌溉光照強度傳感變送器的光輻射比例衰減器為100∶1的透光衰減器。
所述的農田區域精量灌溉光照強度傳感變送器的抗幹擾自恢復電源的自恢復保險絲輸出端承受外接短路和為60V的電源錯接，其最後輸出信號通過必要的保護電路向外輸出0V～3.3V精確模擬量。
一種農田區域精量灌溉光照強度傳感變送器的運行方式是上位計算機通過串行接口通訊與農田灌溉現場的現場控制裝置相聯，除必要的土壤或基質水勢傳感變送器外，室外氣象重要的參數之一就是光照強度傳感變送器與上位計算機或現場控制裝置相聯，構成一個分布式農田區域精量灌溉計算機控制系統。在系統進行運行的過程中，光照強度傳感變送器實時採集現場日照強度瞬時變化參數，在一定時間範圍內進行平均，然後進入灌溉控制模塊中與區域種植作物類別、溫度、溼度、風速、風向、雨量以及農田的土壤或基質的參數進行比較、分析，形成區域精量灌溉控制決策，決定對某一區域農田灌溉現場實施精量灌溉。
其工作步驟是步驟1.系統啟動啟動計算機農田精量灌溉計算機控制系統；步驟2.控制模式設定進入控制模式設定區域，手動或自動設定；步驟3.各類作物灌溉參數設置各類作物灌溉參數及水勢；步驟4.室外動態環境參數設置室外動態環境參數及室外溫溼度、光照強度、風速風向與雨量；步驟5.作物選擇選擇區域種植作物的類別；步驟6. 灌溉區域掃描系統進入灌溉區域掃描。
步驟7.實時比較分析對所有設定的灌溉參數、所選作物、土壤實時水勢、氣象實時參數、進行比較分析；步驟8.動態延遲驅動輸出完成對某一區域灌溉的決策，進入動態延遲驅動輸出，決定啟停灌溉水池水泵，決定開閉管道電磁閥。
步驟9.循環控制在計算機模擬操作平臺上，可周而復始循環控制；步驟10.結束。
本發明的有益效果是系統在運行時可根據室外光照強度的實時變化及比較其他必要的參數，系統即可進入農田精量灌溉控制系統，進行精確精量灌溉，不僅達到農田節水的目的，也省去了大量的必須的人工設定參數輸入工作，給用戶帶來了極大方便；在灌溉系統光照強度傳感變送器設計中，採用了標準化、模塊化和系列化的設計，是一個具有高可靠性、抗強幹擾的實用灌溉自動化系統；在電壓跟隨器驅動和低通濾波模塊之間專門接入了抗幹擾自恢復電源，大大提高了光照強度傳感變送器抗幹擾性能和使用環境要求，有效避免了因模擬量信號長距離和外界電源波動異常而有可能造成的輸出信號紊亂現象；此外，本發明還具有(1)特性動態範圍廣(0μW/cm2～100000μW/cm2)提高室外光環境的使用範圍，不因亮度差異大而造成信號紊亂現象；(2)良好的線性特性曲線入射光源強度和輸出訊號大小成良好的正比關係，降低信號補償處理成本；(3)高光子轉換效率很微弱的入射光照射都能被記錄下來，若配合光電倍增強管，即使在暗夜景物仍然還可以測得其光系統變化；(4)園弧玻璃透光感光面積大利用180°圓弧玻璃透光罩可接受全方位日照角度變化；(5)光譜響應廣能檢測很寬波長範圍的光(300～1100nm/s)，增加系統使用彈性，擴大系統應用領域；(6)體積小、重量輕採用輕質耐腐蝕的鋁合金外殼，頂部為圓弧玻璃罩，全密封防水標準；(7)低能秏，電荷傳輸效率信噪比高，傳輸距離長且不受強電磁場影響；(8)品質穩定，堅固，不易老化，使用方便，可大批量生產及節省能耗、保護環境、提高生產效率和經濟效益等。
附
圖1是本發明工作原理方框圖；附圖2是本發明運行方式的工作步驟方框圖；附圖3是本發明的自恢復保護電路圖；附圖中標號說明1-太陽光輻射；2-園弧玻璃透光罩；3-光輻射比例衰減器；4-光輻射感應器；5-光電模擬轉換；6-低通濾波；7-電壓跟隨驅動；
8-抗幹擾自恢復電源；9-輸出保護電路；10-模擬信號輸出；11-系統啟動；12-控制模式設定；13-各類作物灌溉參數；14-室外動態環境參數；15-作物選擇；16-灌溉區域掃描；17-實時比較分析；18-動態延遲驅動輸出；19-自恢復保險絲。
所述的農田區域精量灌溉光照強度傳感變送器的光照強度傳感變送器由光輻射衰減級、光輻射感應級、濾波驅動級、抗幹擾輸出保護級及外殼組成，在其光輻射比例衰減器3的前端為太陽光輻射1入園弧玻璃透光罩2，其後端的光輻射感應器4與光電模擬轉換5相連接，光電模擬轉換5與低通濾波6相連接，低通濾波6與電壓跟隨驅動7相連接，在電壓跟隨驅動7和低通濾波6的模塊之間接入抗幹擾自恢復電源8，電壓跟隨驅動7連接著輸出保護電路9和模擬信號輸出10，外殼由全鋁合金材料按防水要求製作而成，是一個實施在以現場控制計算機為中心的農田精量灌溉控制系統中的關鍵部件。
所述的農田區域精量灌溉光照強度傳感變送器的計算機精量灌溉控制系統還包括由上位計算機、現場控制裝置、室外氣象系列傳感變送器(溫度、溼度、風速、風向、雨量)、農田水勢傳感變送器、精量灌溉控制系統軟體、精量灌溉控制應用軟體、電氣驅動控制裝置、水泵、電動機、電磁閥、報警裝置、及其相應接口等組成。
所述的農田區域精量灌溉光照強度傳感變送器的光輻射比例衰減器3為100∶1的透光衰減器。當室外的日光輻射經園弧透光玻璃折射，經100∶1透光衰減器後，在光輻射感應器的最佳感應範圍內轉換成模擬信號。由於室外的日光強度是按規律周期動態變化的，但在某一段較短的時間區域內太陽光是相對穩定的。為了排除外界幹擾，不受強電磁場影響須經過低通濾波平滑補償，進一步提高信噪比。由於光子轉換效率高，很微弱的入射光照射都能被記錄下來，良好的線性特性電壓跟隨器驅動使入射光源強度和輸出訊號大小成良好的正比關係，遠距離驅動能力也得以很大的提高。
所述的農田區域精量灌溉光照強度傳感變送器的抗幹擾自恢復電源的自恢復保險絲19輸出端承受外接短路和為60V的電源錯接，最後輸出信號通過必要的保護電路向外輸出0V～3.3V精確模擬量。
本發明的工作條件及技術參數為使用電壓(交流) 170V～250V工作電壓(直流) 9V～12V環境工作溫度-20℃～60℃環境工作相對溼度20％～95％模擬量輸出範圍 0V～3.3V相應光強輸出範圍0μW/cm2～100000μW/cm2模擬量轉換線性誤差≤0.1V/‰輸出極限保護自恢復 短路輸出極限錯接電壓 ≤60V響應時間 ≤100μS本發明的內在結構為光輻射比例衰減器(100∶1)、光輻射感應器(TSL245)、抗幹擾自恢復電源(R135)、低通濾波(RC)、電壓跟隨驅動(TIL4502)、輸出保護電路(1N5231B)、模擬信號輸出接口(XS12)。外部結構為園弧R25mm玻璃透光罩、輕質耐腐蝕的鋁合金圓柱外殼，外型尺寸(H150mm Φ80mm) 重量(Wg1000g)。
請參閱附圖2所示，一種農田區域精量灌溉光照強度傳感變送器的運行方式是上位計算機通過串行接口通訊與農田灌溉現場的現場控制裝置相聯，除必要的土壤或基質水勢傳感變送器外，室外氣象重要的參數之一就是光照強度傳感變送器與上位計算機或現場控制裝置相聯，構成一個分布式農田區域精量灌溉計算機控制系統。在系統進行運行的過程中，光照強度傳感變送器實時採集現場日照強度瞬時變化參數，在一定時間範圍內進行平均，然後進入灌溉控制模塊中與區域種植作物類別、溫度、溼度、風速、風向、雨量以及農田的土壤或基質的參數進行比較、分析，形成區域精量灌溉控制決策，決定對某一區域農田灌溉現場實施精量灌溉。
本發明的工作步驟是步驟1.系統啟動11啟動計算機農田精量灌溉計算機控制系統；
步驟2.控制模式設定12進入控制模式設定區域，手動或自動設定；步驟3.各類作物灌溉參數13設置各類作物灌溉參數及水勢；步驟4.室外動態環境參數14設置室外動態環境參數及室外溫溼度、光照強度、風速風向與雨量；步驟5.作物選擇15選擇區域種植作物的類別；步驟6.灌溉區域掃描16系統進入灌溉區域掃描。
步驟7.實時比較分析17對所有設定的灌溉參數、所選作物、土壤實時水勢、氣象實時參數、進行比較分析；步驟8.動態延遲驅動輸出18完成對某一區域灌溉的決策，進入動態延遲驅動輸出，決定啟停灌溉水池水泵，決定開閉管道電磁閥。
步驟9.循環控制在計算機模擬操作平臺上，周而復始循環控制；步驟10.結束。
以下舉一運行實例來進一步說明本發明為了節省我國缺水地區寶貴的水資源，充分利用計算機控制技術應用與農田精量灌溉就顯得異常重要。節省能耗、保護環境、提高生產效率和經濟效益，就必須依賴於高新技術對農田精量控制用水的應用和依靠計算機控制技術的軟、硬體投入才能得以實現。田間精量灌溉計算機控制系統具有灌溉流程綜合控制，系統故障報警，灌溉系統畫面操作平臺和信息處理。系統對於能實現多道灌溉程序控制，進行大面積灌水提高精確量和均勻度，進行生產過程量化控制，實現和完成對田間精量控制用水設備的一系列複雜操作程序，起到了人工操作不可替代的作用。
啟動計算機農田精量灌溉計算機控制系統，進入控制模式設定區域(手動/自動)，設置作物灌溉參數(水勢等)，設置動態環境參數(室外溫溼度、光照強度、風速風向、雨量等)，系統進入灌溉區域掃描，對所有設定的灌溉參數、所選作物、土壤實時水勢、氣象實時參數、進行比較分析，完成對某一區域灌溉的決策，進入動態延遲驅動決定啟停灌溉水池水泵，決定開閉管道電磁閥。所有的水泵、管道、電磁閥的實時工作狀態都及時反映在計算機模擬操作平臺上，周而復始循環控制。本發明的光照強度傳感器在系統運行時，及時反饋光強實時參數至控制中心再結合室外氣象參數，決定某區域的灌溉程序。可想而知，要實現農田精量灌溉，本發明所起的是極其重要的。
權利要求
1.一種農田區域精量灌溉光照強度傳感變送器，其特徵在於光照強度傳感變送器與上位計算機或現場控制裝置相連接，並與計算機精量灌溉控制系統相關聯。
2.根據權利要求1所述的農田區域精量灌溉光照強度傳感變送器，其特徵在於所述的光照強度傳感變送器由光輻射衰減級、光輻射感應級、濾波驅動級、抗幹擾輸出保護級及外殼組成，在其光輻射比例衰減器的前端為太陽光輻射入園弧玻璃透光罩，其後端的光輻射感應器與光電模擬轉換相連接，光電模擬轉換與低通濾波相連接，低通濾波與電壓跟隨驅動相連接，在電壓跟隨驅動和低通濾波的模塊之間接入抗幹擾自恢復電源，電壓跟隨驅動連接著輸出保護電路和模擬信號輸出。
3.根據權利要求1所述的農田區域精量灌溉光照強度傳感變送器，其特徵在於所述的計算機精量灌溉控制系統有上位計算機、現場控制裝置、室外氣象系列傳感變送器、農田水勢傳感變送器、精量灌溉控制系統軟體、精量灌溉控制應用軟體、電氣驅動控制裝置、水泵、電動機、電磁閥、報警裝置、及其相應接口。
4.根據權利要求1、2所述的農田區域精量灌溉光照強度傳感變送器，其特徵在於所述的光輻射比例衰減器為1001透光衰減器。
5.根據權利要求1、2所述的農田區域精量灌溉光照強度傳感變送器，其特徵在於所述的抗幹擾自恢復電源的自恢復保險絲輸出端承受外接短路和為60V的電源錯接。
6.一種農田區域精量灌溉光照強度傳感變送器的運行方式，其特徵在於上位計算機通過串行接口通訊與農田灌溉現場的現場控制裝置相聯，其工作步驟是步驟1.系統啟動啟動計算機農田精量灌溉計算機控制系統；步驟2.控制模式設定進入控制模式設定區域，手動或自動設定；步驟3.各類作物灌溉參數設置各類作物灌溉參數及水勢；步驟4.室外動態環境參數設置室外動態環境參數及室外溫溼度、光照強度、風速風向與雨量；步驟5.作物選擇選擇區域種植作物的類別；步驟6.灌溉區域掃描系統進入灌溉區域掃描。步驟7.實時比較分析對所有設定的灌溉參數、所選作物、土壤實時水勢、氣象實時參數、進行比較分析；步驟8.動態延遲驅動輸出完成對某一區域灌溉的決策，進入動態延遲驅動輸出，決定啟停灌溉水池水泵，決定開閉管道電磁閥。步驟9.循環控制在計算機模擬操作平臺上，周而復始循環控制；步驟10.結束。
全文摘要
一種涉及室外農田區域精量灌溉光照強度傳感系統，尤指一種應用在人工栽培區域環境與農田精量灌溉控制技術等方面的農田區域精量灌溉光照強度傳感變送器。該裝置是室外氣象要素的光照強度傳感器和計算機精量灌溉控制系統組成，包含有室外氣象傳感參數、農田土壤水勢、現場控制機及局部數字通訊的軟、硬體組成，完成對農田灌溉各電動執行器的全程調控，該裝置的光照強度傳感變送器與上位計算機或現場控制裝置相連接。本發明的優點能提高光系統環境的使用範圍，有良好的線性特性曲線，高光子轉換效率，園弧玻璃透光感光面積大，光譜響應廣，體積小、重量輕，低能秏，使用方便，節省能耗、保護環境、提高生產效率和經濟效益等。
文檔編號A01G25/16GK1440639SQ03116240
公開日2003年9月10日 申請日期2003年4月8日 優先權日2003年4月8日
發明者陳金星, 張仲寧 申請人:中國科學院上海生命科學研究院