异形区域智能喷灌控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术提出了一种适用于异形区域的智能喷灌控制系统及喷灌方法，包括主控模块、转角模块、变频模块、喷头装置、按键模块，通过主控模块同时控制转角模块和变频模块，实时调节喷头装置的喷射方向和喷射距离，实现异形区域的精准喷灌，用户可在异形区域内任意选择喷头装置的安装位置，以喷头装置的安装位置为中心，将异形区域划分成若干个三角形，操作按键模块采集角度和边长信息输入主控模块，通过对三角形区域进行数学建模，得到喷头装置的喷射距离。本发明专利技术易于操作，建模灵活，适用性强，解决了传统喷灌方式造成的喷洒过量、喷灌区域受限和人力物力浪费等问题，对于加快喷灌技术智能化发展具有重要意义。

Intelligent Sprinkler Irrigation Control System and Control Method in Special Area

The invention provides an intelligent sprinkler irrigation control system and a sprinkler irrigation method suitable for irregular area, which includes main control module, rotation module, frequency conversion module, sprinkler device and key module. Through the main control module, the rotation module and frequency conversion module are controlled simultaneously, and the sprinkler direction and sprinkler distance of the sprinkler device are adjusted in real time to realize precise sprinkler irrigation in irregular area. Users can use the irregular area. Installation position of sprinkler device is selected arbitrarily. Centering on the installation position of sprinkler device, the special-shaped area is divided into several triangles. The angle and side length information of operation key module is input into the main control module. The sprinkler distance of sprinkler device is obtained by mathematical modeling of the triangle area. The invention has the advantages of easy operation, flexible modeling and strong applicability, solves the problems of excessive spraying caused by traditional sprinkler irrigation method, limited sprinkler irrigation area and waste of manpower and material resources, and is of great significance for speeding up the intelligent development of sprinkler irrigation technology.

【技术实现步骤摘要】
异形区域智能喷灌控制系统及控制方法
本专利技术属于农林喷灌系统，具体设计了一种异形区域智能喷灌控制系统及控制方法。
技术介绍
我国是农业大国，灌溉需水量大，但是我国水资源匮乏，在喷灌过程中水的渗透、蒸腾和过量浇灌更加剧了水资源的浪费，采用异形区域智能喷灌控制系统，能够合理用水，针对需喷灌区域施行精准喷灌。圆形均匀喷灌的节水方式在生活应用中极其常见，但是在现实生活中，受自然地理特征和常用喷灌控制系统的限制，需要喷灌的场地形状大多并非规则圆形，采用异形区域智能喷灌控制系统，能够解决传统喷灌方式造成的水量过量喷洒、喷灌区域受限和浪费人力物力的问题。经检索，中国农机化“旋转喷头装置的水压周期控制与非圆形灌域的实现”(2004年第6期)中将喷灌区域分割成小扇形，通过采用负反馈闭环控制技术实现不同的喷灌域形状，系统中需要检测装置角度传感器和测距传感器，操作麻烦。中国专利第CN103551269A号公开了“基于变频调速的草坪喷头变域喷洒周期确定方法”提出了采用变频调速技术实现草坪喷头变域喷洒开环控制时的周期确定方法，实现了正方形喷洒域喷洒，但是需要根据正方形的对称性测量确定中心点，确定安装喷头的位置。中国专利第CN107278815A号公开了“一种适合多种异形面积的园林喷灌系统及控制方法”提出根据待喷灌面积区域建立坐标系，测量得到待喷灌面积区域的边界曲线函数，并计算得到待喷灌面积区域的几何中心，然后将喷头套管布置在几何中心处，此方法需建立坐标系并测量得到边界曲线函数，来确定喷头套管的布置位置，测量过程耗时费力。又提出对待喷灌面积区域的边界曲线进行微分处理，将距离值、角度值、压力值进行组合依次得到对应点位的数据值，将此数据值作为边界曲线上点位的三维数据值，通过控制电液比例减压阀与步进电机分别达到各点位的三维数据值，此方法数据值匹配过程复杂，需要使用的设备数量多，成本过高。中国专利第CN104012371A号公开了“适用于不规则区域的节水灌溉装置及灌溉方法”，在节水灌溉方法中提出确定旋转喷头的位置坐标参数方法为，测量出灌溉系统距离待喷灌区域的最外围轮廓曲线上的每个点的实际距离，得到各个点的坐标参数，从而确定旋转喷头的位置坐标参数，根据接收到的数据参数实时控制舵机的角度，实现雾化喷头装置的仰角的调节，从而实现旋转喷头的变半径喷洒，能够实现变半径喷洒，但是此方法必须测量得到灌溉系统距离待灌溉区域的最外围轮廓曲线上每个点的实际距离，测量过程浪费时间和人力物力。中国专利第CN103947511A号公开了“一种适用于不规则形状灌溉区的灌溉系统及灌溉方法”提出使用光照传感器、土壤湿度传感器、雨水感应器实时灌溉区域内的环境参数来判断是否进行喷灌作业，此方法用到的传感器使用寿命短，检测结果易产生误差，易造成判断失误。提出在上位机中录入灌溉区轮廓曲线，并在轮廓曲线中标注灌溉点坐标，计算出喷头装置距离喷灌区域的最外围轮廓线的长度参数，上位机通过串口通讯线将包含长度参数的指令发送给主控制器的灌溉方法，此方法没有明确的计算公式。也提出在工作时，喷头机组包括的地插安装在需要喷灌的区域内合适的地方，地插安装位置需对灌溉区域进行测量和计算，耗时费力，并且不能保证所选取的地插安装地方为最合适的地方。中国专利第CN103749246A号公开了“无死角草坪胶水机”提出无死角草坪胶水机分别与数据处理模块单独相连多自由度喷头和3D视觉系统，数据处理模块与多自由度喷头装置单向数据传输，与3D视觉系统双向数据传输的方法，实现不规则草坪绿化带的无死角灌溉；所使用的3D视觉系统由多种传感器组成，能够扫描草坪形状、绿化带密度以及地皮湿度的信息；但是系统复杂，成本较高，难以实现。本专利技术专利与上述文献的根本区别在于：①用户可在异形区域内任意选择喷头装置的安装位置，无需在异形区域内经过测量计算，选取特定合适的安装位置；②无需使用角度传感器和测距传感器，只需操作按键控制步进电机转动一圈即可一次性完成异形区域参数采集；③控制方法不同，完成参数采集后，对异形区域进行三角形划分，通过数学建模可算出任意方向上的准确喷射距离，从而实现异形区域的精准喷灌，建模灵活，操作方便，效率更高。
技术实现思路
本专利技术提出了一种异形区域智能喷灌控制系统及控制方法，解决了农林不规则区域内进行传统喷灌造成的喷洒过量、喷灌区域受限和人力物力浪费等问题。本专利技术的技术方案如下：异形区域智能喷灌控制系统，包括主控模块、转角模块、变频模块、喷头装置、按键模块，其中主控模块包括单片机、电压放大、D/A转换、内存扩展和电平转换，转角模块包括步进电机和驱动器，变频模块包括变频器和潜水电泵，按键模块含蜂鸣器，通过主控模块同时控制转角模块和变频模块，实时调节喷头装置的喷射方向和喷射距离，最终实现对异形区域的精准喷灌。基于上述控制系统，本专利技术还提供了一种适用于异形区域的控制方法，包括步骤如下：如图2所示，在异形区域内任意选择喷头装置的安装位置，以喷头装置的安装位置O点为中心，将异形区域划分成n个三角形，第i个三角形的另两个顶点分别为Ai和Bi，操作按键模块使喷头装置从初始方向(即OA1)开始逆时针旋转，采集OA1与OAi间的夹角δi、OA1与OBi间的夹角求取两者的差值(即OAi和OBi间的夹角)作为第i个三角形的顶角θi，采集从中心点O到异形区域边缘点Ai和Bi的距离作为第i个三角形的边长ai和bi，然后将采集到的角度和边长信息输入主控模块，供单片机查询、计算和使用。如图3所示，在异形区域中，步进电机逆时针转动带动喷头装置进行喷灌，依次覆盖各个三角形区域，当覆盖第i-1个三角形区域时，程序会快速对第i个三角形区域进行数学建模，在第i个三角形区域内，OE边的长度d跟随步进电机转动角度θ的变化而变化。当步进电机带动喷头装置从初始方向(即OA1)转动θ角至第i个三角形内任意位置时，根据θ角和所采集参数(即顶角θi、夹角δi和边长ai、bi)可得到该方向上中心点到三角形底边交点的距离d(即OE)，也就是喷头装置的喷射距离d：式中：ai：三角形OAi边的长度，单位cm；bi：三角形OBi边的长度，单位cm；ci：三角形AiBi边的长度，单位cm；θi：OAi与OBi间的夹角，单位°，θi∈(0°，180°)；OA1与OBi间的夹角，单位°，δi：OA1与OAi间的夹角，单位°，δi∈(0°，360°)；θ：OA1与OE间的夹角θ，单位°，θ∈(0°，360°)。公式(I)推导过程如下：如图3所示，在ΔOAiBi内，∠AiOBi为θi：当步进电机带动喷头装置从初始方向(即OA1)转动θ角到ΔOAiBi内时，喷头方向与底边AiBi相交于E点，在ΔOAiE内，∠AiOE为β：β＝θ-δi，θ∈(0°，360°)，δi∈(0°，360°)，β∈(0°，180°)(2)在ΔOAiBi内，由余弦定理得到AiBi边的长度ci：同理由余弦定理可得到∠Ai：在ΔOAiE内，∠OEAi为α：α＝180°-β-∠Ai，β∈(0°，180°)，∠Ai∈(0°，180°)，α∈(0°，180°)(5)在ΔOAiE内，由正弦定理可得到喷射距离d：d＝aisin∠Ai/sinα，∠Ai∈(0°，180°)，α∈(0°，180°)(6)通过查询所选变频器的频本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.异形区域智能喷灌控制系统及控制方法，其特征在于，系统包括主控模块、转角模块、变频模块、喷头装置、按键模块，通过主控模块同时控制转角模块和变频模块，实时调节喷头装置的喷射方向和喷射距离，最终实现对异形区域的精准喷灌。

【技术特征摘要】
1.异形区域智能喷灌控制系统及控制方法，其特征在于，系统包括主控模块、转角模块、变频模块、喷头装置、按键模块，通过主控模块同时控制转角模块和变频模块，实时调节喷头装置的喷射方向和喷射距离，最终实现对异形区域的精准喷灌。2.如权利要求1所述的异形区域智能喷灌控制系统，其特征在于，主控模块包括单片机、D/A转换、电压放大和内存扩展，转角模块包括驱动器和步进电机，变频模块包括变频器和潜水电泵，按键模块含蜂鸣器。3.如权利要求1所述的异形区域智能喷灌控制系统，其特征在于，步进电机带动喷头装置转动一圈需要800步，即步进电机每转动一步带动喷头装置转动0.45°。4.如权利要求1所述的异形区域智能喷灌控制方法，其特征在于，用户可在异形区域内任意位置安装喷头装置，不需要测量选取特定位置，也不需要安装传感器采集参数。5.如权利要求4所述的异形区域智能喷灌控制方法，其特征在于，以喷头...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄华芳，于孟杰，胡素贞，崔高普，胡悦，
申请(专利权)人：天津科技大学，
类型：发明
国别省市：天津,12