太阳能景观灯式智能灌溉控制器

本发明涉及一种太阳能景观灯式智能灌溉控制器，属于园林、城市景观、农业等方面应用的景观灯、智能灌溉控制领域，特别是涉及一种基于频域法的土壤湿度检测的电子和自动控制技术。

我国淡水资源占世界淡水资源6%，人均淡水资源仅为世界平均水平的25%，而且分布严重不均，尤其是华北，西北和东北部分地区资源性缺水相当严重。随着工农业的发展和人民生活的改善，全国淡水用水量逐年增加，淡水资源供需矛盾越发突出。

对于城市园林景观中的绿植物灌溉，目前所采用的灌溉方式无非就是喷灌、滴灌和渗灌等；灌溉控制方式以人工干预居多，基于定时控制、自动控制的灌溉控制器虽然也有使用，但总是存在着这样那样的问题：比如节水、节能效果不明显，操作设定比较复杂、需要专业人员参与，价格比较昂贵，设备功能单一等问题。

景观照明与绿植物灌溉目标相同，都是为了提升环境质量，本可以相互依存以减少施工费用，提升设备综合性能，但由于技术问题而分开设置造成资源浪费。

基于此，为满足市场需求，开发出了一款经济适用，节水节电，集智能灌溉和景观照明于一体的太阳能景观灯式智能灌溉控制器。

本发明通过以下方案实现：太阳能景观灯式智能灌溉控制器，包括接受太阳光能的太阳能电池板、用于辅助充电功能的5V电源适配器、景光灯反光罩、景观灯LED发光板（模组）、主控制电路板、灯罩、铝合金灯杆、磷酸铁锂蓄电池、DC12V低压电磁阀，霍尔流量传感器，与电磁阀和霍尔流量传感器相连的带有过滤网的进/出水口接头、土壤湿度传感器。

对上述技术方案的进一步改进为：所述铝合金灯杆的上部有一直径6mm圆孔，所述圆孔上嵌入以塑胶护套，用以AC220V进线防护。所述铝合金灯杆的下部从下至上依次开有直径21毫米通孔和直径25毫米椭圆孔，用于嵌入的电磁阀和水流传感器的接口，磷酸铁锂蓄电池、DC12V低压电磁阀，霍尔流量传感器置于灯杆内，所述灯杆的一侧电磁阀的出水口与水流传感器的进水口通过活动弯嘴互联，所述灯杆的另一侧是带有滤网的连接于霍尔流量传感器的进水口、连接于电磁阀的出水口。

对上述技术方案的进一步改进为：所述磷酸铁锂蓄电池和电磁阀、霍尔流量传感器位于铝合金灯杆内，周围空腔由多孔膨胀泡沫填充，用以防水和加固。

对上述技术方案的进一步改进为：所述土壤湿度传感器由三根探针和震荡、处理电路组成一体，置于灯杆底端封盖的塑胶盒内，并用环氧树脂封装。

对上述技术方案的进一步改进为：所述景观灯LED发光板（模组）包括用于接受MCU控制信号的功率控制开关、用于驱动LED发光的恒流驱动器以及8颗0.5W 5054封装的LED发光膜组。

对上述技术方案的进一步改进为： 所述主控制电路板是整个系统的控制中枢，包括太阳能充电电路、用于切换DC5V电源适配器给磷酸铁锂蓄电池充电的辅助充电电路、由HM4251B芯片为主构成的锂电池充电管理电路、由HM9228芯片为主构成的DC/DC转换电路给电磁阀提供12V 1.5A备用电源以及单片机控制的电磁阀驱动电路、由HM1548B芯片为主构成的DC/DC转换电路给土壤湿度传感器提供5V/0.5A备用电源以及单片机控制的土壤湿度传感器启/停控制电路、由时钟日历PCF8563外加32.768KHz晶振构成的时间管理电路用以精准计时和周期性唤醒单片机工作、由精密电阻网络构成的模拟量采样电路分别供给单片机太阳能电池板输出电压和磷酸铁锂蓄电池电压等信号、由采用内部16MHz晶振的FT61F0A3-RB单片机作控制器用于完成信号的采集转换和输出控制。

对上述技术方案的进一步改进为：所述土壤湿度传感器包括DC5V电源精密滤波电路、高频信号电磁隔离电路、电感与三根不锈钢探针构成LC震荡电路、由SN74LVC1G17逻辑芯片构成的用于把正弦波变方波的施密特触发缓冲电路、由GN74D逻辑芯片构成的方波四分频电路，用于完成土壤湿度的检测，并提高单片机的中断捕获精度，从而也确保了土壤湿度的检测精度。

对上述技术方案的进一步改进为：所述水流传感器的3根导线（含3.2V电源线、地线、信号线）通过一个间距2.54毫米的3端口连接器，插接于控制板的相对应端子上。

对上述技术方案的进一步改进为：所述电磁阀的2根驱动线线（含12V电源线，地线）通过带一个间距2.54毫米2端口连接器，插接于控制板上相对应端子上。

对上述技术方案的进一步改进为：所述磷酸铁锂蓄电池的2根电源线（含电源+，电源-）通过一个间距3.96毫米2端口连接器，插接于控制板相对应端子上。

对上述技术方案的进一步改进为：所述土壤湿度传感器共有四根线（含5V电源线，地线，3.2V电源线，信号线）通过一个间距2.54毫米的4端口连接器，插接于控制板的相对应端子上。

对上述技术方案的进一步改进为：所述土壤湿度传感器嵌入于灯杆下部，由四颗螺丝固定。

对上述技术方案的进一步改进为：所述的用于辅助充电功能的5V电源适配器位于太阳能电池板下，反光罩凹槽里面，由扎带固定，太阳能电池板压实，只要太阳光能达到所述由HM4251B芯片为主构成的锂电池充电管理电路的充电阈值时，太阳能充电，5V电源适配器备用（呈关闭状态）；只有太阳光能低于HM4251B芯片为主构成的锂电池充电管理电路的充电阈值、并且此时磷酸铁锂蓄电池端电压低于3V时，5V电源适配器才参与作用，正是因为有了这样的软硬件环境和机制，本发明适用于任何光照环境，并且磷酸铁锂蓄电池一直保持浅充电浅放电的工作状态，有效延长锂电池的工作寿命。

对上述技术方案的进一步改进为：所述FT61F0A3-RB单片机的控制软件系统所采取的控制方略是：单片机绝大部分时间都处于睡眠状态，只有日历时钟芯片在工作；日历时钟每隔3分钟给单片机一个跳变脉冲，中断并唤醒单片机，单片机处理外设中断：打开土壤湿度传感器电源，土壤湿度传感器LC震荡电路起振，待震荡稳定后打开定时器及捕获中断使能，关外设中断；当单片机定时器完成对来自于土壤湿度传感器的四分频方波周期的捕获后，单片机进入捕获中断：读取单片机所捕获的四分频方波周期值、关定时器和捕获中断，关土壤湿度传感器5V电源；程序进入景观灯控制程序，读取太阳能值，判定是否开/关灯，根据条件完成开/关灯动作；进入辅助充电控制程序，读取电池端电压和太阳能值，根据条件判定是否进入辅助充电功能；进入开/关电磁阀灌水程序：当太阳能值低于预设阀值并且土壤湿度值低于预设阀值，电磁阀打开浇水，同时通过霍尔流量传感器监测水流状况，若因水管阻塞，电磁阀故障或供水停止或供水不足，景观灯闪烁报警；若霍尔流量传感器出水正常，继续开阀并周期检测土壤湿度；当土壤湿度值大于或等于预设湿度值，灌水电磁阀关闭；单片机继续进入睡眠状态，等待日历时钟的外设中断唤醒； 整个系统处于周期性的睡眠、唤醒交替工作状态，工作时间只占整体运行时间的1.63% ，节能效果比较明显。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的主控制电路板功能框图。

图3为本发明的土壤湿度传感器的功能框图。

图4为本发明的整体控制流程示意图。

图5为本发明的LED发光板（模组）电路板示意图。

图6为本发明的土壤湿度传感器印刷电路板示意图。

图7为本发明的主控制电路板示意图。

图中：1、边框；2、太阳能电池板；3、5V电源适配器；4、景光灯反光罩；5、灯罩； 6、LED发光板（模组）；7、主控制板；8、线束；9、灯杆；10、磷酸铁锂蓄电池；11、AC220V进线孔；12、DC12V电磁阀；13、霍尔流量传感器；14、活动弯嘴连接件；15、进水滤网；16、进水接头；17、出水接头；18、土壤湿度传感器；19、土壤湿度传感器探针。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是：术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“上端”、“下端”、“两端”、“一端”、“另一端”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和元/器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”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或限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应作广义理解，例如“连接”可以是固定连接、也可以是插接或可拆卸连接、或一体化连接；可以是结构/机构连接、也可以是电气连接；可以使直接相连、也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元/器件的内部连通、也可以是多个元/ 器件的互连。对本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明提供一种实施例：太阳能景观灯式智能灌溉控制器，包括兼具支撑和防护作用的灯罩5，灯罩5的上端是太阳能电池板2，太阳能电池板2放置于灯罩5的卡槽内，由玻璃胶防水密封，太阳能电池板2由边框1通过螺丝固定连接于灯罩5上；灯罩5的里面从上到下依次连接有5V电源适配器3、景观灯反光罩4、LED发光板（模组）6、主控制板7；所述主控制板7通过3根排针与LED发光（模组）6相连，用以完成LED发光（模组）的供电和控制；所述太阳能电池板2的下方，景观灯反光罩4的上部凹槽内是5V电源适配器3，5V电源适配器3的交流进线通过LED发光板（模组）5的中间过孔以连接器的形式与从AC220V进线孔11进入的AC220V市电相连；5V直流出线通过LED发光板（模组）6的过孔与主控制板7的P5+,P5-相连，用以完成对磷酸铁锂蓄电池10的备用辅助充电；太阳能电池板的出线通过LED发光板（模组）6的过孔与主控制板7的PV+,PV-相连，用以完成对磷酸铁锂蓄电池10的主充电；主控制板7的底层分布电源进线接口、有电磁阀连接器接口、霍尔水流量传感器接口、土壤湿度传感器接口。

进一步，首先要依次把磷酸铁锂蓄电池10、DC12V电磁阀12、霍尔水流量传感器13、土壤湿度传感器18与主控制板7的相应接口相连，然后才能把灯罩6下端通过螺纹与灯杆9相连；所连线束8由耐弯曲的不同线径的硅胶线制成。

进一步，灯杆9内放置有磷酸铁锂蓄电池10、DC12V电磁阀12、霍尔水流量传感器13以及线束8，周围空腔填充有多孔发泡材料，起防水和固定作用；DC12V电磁阀12、霍尔水流量传感器13有进出水方向之分，其中DC12V电磁阀12的进水口与霍尔水流量传感器13的出水口位于灯杆9的同侧，由90度弯头活动管节14相连，两个活动管节之间用透明管相连，便于观察水流；在灯杆9的另一侧，霍尔水流传感器的进水口装有进水滤网15，与进水滤网15相连的是进水接头16；与DC12V电磁阀12的出水口相连的是出水接头17，电磁阀的动作由主控制板控制。

进一步，灯杆9的下端头与土壤湿度传感器18相连，并以螺丝固定；土壤湿度传感器18的下端是三根不锈钢探针19。

进一步，土壤湿度传感器18的电路板上有三个直径5mm焊盘过孔；三个不锈钢探针一端是尖头，便于插入土壤，另一端是螺丝，通过不锈钢螺帽，铜垫片，弹簧垫片紧固定在土壤湿度传感器18的电路板上的三个直径5mm焊盘过孔上，与电路板上的其它电子元器件构成LC振荡电路。土壤湿度传感器18的电路板置于灯杆9的塑胶端盖内，并以环氧树脂灌封，保护电子元器件防止受潮损坏。

进一步，土壤湿度传感器18的工作原理是基于频域法实现的；经测试验证可知，土壤的干湿度在0-100%的范围内与其所呈现的电阻值不具有正的线性相关特性，而土壤中水分含量的大小与土壤的介电常数ε正相关，而电容的大小C=εS /4πkd，其中ε是电容极板之间介质的介电常数、S是电容极板的正对面积，d是电容极板之间的距离、k是静电力常量（常数），π圆周率恒量。三根不锈钢探针插在土壤中，相当于两个平板电容并联，不同的土壤湿度，有不同的介电常数ε，从而所反映出的电容值也就不同；据此，设计出了一个LC振荡电路，震荡电路的震荡频率f=1/[2π(LC)0.5]；对于不同的电容值所产生的震荡波形介于正弦波或准正弦波之间，波形的频率能直接反映出土壤的含水量；实际测试表明，对于同样电路结构的不同产品在相同环境下测试，LC振荡器所产生的振荡频率几乎相同，频率周期误差在数十纳秒之间。为了进一步提高测试的准确性，经施密特触发电路把正弦波变成方波信号，再经双D触发器把方波型号4分频，从而拉长了LC震荡输出周期，便于单片机捕获抓取周期值，同时也提高了测试结果的准确性；经测试对比，该周期值能够准确反映出土壤含水情况，同时，该土壤湿度传感器起振快，测量时间短，数据准确性大于单片机的模数转换输出值；由于频域反射法是测量外援电磁波（振荡频率）与该电磁波（振荡频率）经探针反射后两者之间的相位差，因此其测试结果需要经过拟合运算，才能准确反映出土壤湿度，属于被动测试；而本发明没有外援频率，直接由含有不同水分的土壤作为电介质与探针构成震荡电容参与LC震荡，所产生的振荡频率完全取决于土壤的介电常数ε，属于主动测试，对于现场实时控制系统来说不需要拟合运算，只需要准不同类型土壤墒情所对应的测试结果即可；不锈钢构成的探针本身比较耐腐蚀，加之大部分时间探针不带电，只有测试瞬间带电，所产生电化学反应微弱，可以实现长期在线实时测试。

进一步，随机取十个土壤湿度传感器在随机的空（不插土壤）、插入干土、插入中湿土壤，插入饱和水土壤的测试条件下测试，测试结果（五次均值），见附表1，表中时间单位是毫秒，数据精确到0.01毫秒（10纳秒级），

从表中可以看出不同传感器在相同条件下结果值在允许误差范围内。

进一步，土壤湿度传感器硬件部分由以下功能构成：201、5V电源滤波电路；201、电磁隔离电路；203、LC振荡电路；204、正弦波/方波转换电路；205、方波分频电路构成，具体参见土壤湿度传感器功能框图 图3。

进一步，所述土壤湿度传感器印刷电路板，参见土壤湿度传感器印刷电路板示意图 图5 。

进一步，所述主控制板7由以下不同功能模块构成：101、充电管理模块，102、DC12V升压模块，103、DC5V升压模块，104、电磁阀驱动模块，105、土壤湿度检测驱动模块，106、日历时钟定时模块，107、流量信号整理模块，108、太阳能和电池电压检测模块，109、辅助充电切换模块以及单片机控制模块110组成，各功能模块在单片机的控制下协调工作，完成相应动作，从而构成太阳能景光灯式智能灌溉控制器有机统一体，具体参见主控制板功能模块示意图 图2。

进一步，本发明整个的工作过程是：系统送电后，程序首先执行初始化模块1，所述的初始化1所完成的任务：设置系统时钟、启用所用模块，对中断，定时器以及时钟日历芯片等外部设备进行初始化设置，对输出端口初始化清零等；然后进入循环运行状态：执行景观灯控制程序2，辅助充电程序3，电磁阀灌水程序4，睡眠等待外设唤醒，执行中断程序，完成土壤湿度检测控制5；具体参见整体控制流程示意图 图4。

进一步，所述主控制电路印刷电路板，参见主控制电路板示意图 图6。

进一步，所述LED发光板（模组）印刷电路板，参见LED发光板（模组）电路板示意图图7。