果园喷雾管网压力监测评估系统及监测评估方法

摘要

本发明公开了一种果园喷雾管网压力监测评估系统及监测评估方法，所述系统包括上位机、无线接收模块以及多个无线发送节点；所述多个无线发送节点部署在喷雾管网上，每个无线发送节点与无线接收模块相连，用于发送该无线发送节点处喷雾管网内药液压力数据的数字信号；所述上位机与无线接收模块相连，可以绘制喷雾管网节点压力分布图，管理压力数据，评估管道喷雾控制系统的压力调节能力；所述喷雾管网的入口与药泵的出药端相连，药泵的进药端与药池相连，药泵还与管道喷雾电动机和管道喷雾控制系统相连。本发明可监测评估整个喷雾管网药液压力，可用于研究管网压力分布规律，可为管道喷雾控制系统的优化提供依据，可降低监测评估成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种监测评估系统及监测评估方法，尤其是一种果园喷雾管网压力监测评估系统及监测评估方法，属于果园农药喷雾领域。

背景技术

我国山地多，移动式喷雾机械很难进入，山地喷药作业劳动强度大且效率低。管道喷雾无需机具在山地中移动行走，可多个出药口同时作业，省力省工，适合山地使用，但由于管道药液压力随地形、管网布局、喷雾位置、出药口数目和作业方式不同会产生波动，同时，药液在管道中流动时会出现压力损失，从而存在压力不稳定、分布不均衡、损失大、易爆管等问题。前期研究还发现，喷雾压力的改变，会对喷雾量、雾锥角、雾滴谱、飘移和沉积产生影响，从而影响喷雾效果。

日本在20世纪70年代开始研制管道喷雾设施，很快全国推广，尤其是在山地和密植园已大面积使用。20世纪80年代中期，管道喷雾技术引入我国并开始研究应用。传统管道喷雾使用恒频恒压电动机，以恒定转速带动药泵运转输出恒定流量，对压力和药量输出缺乏有效控制，近年来，国内外学者致力于研究各种管道喷雾控制系统对喷雾压力进行调控，但对控制系统系统调节压力能力的评估较少见报道。因此管道喷雾中对整个喷雾管网的药液压力进行监测，对配套使用的管道喷雾控制系统的压力调节能力进行评估显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足之处，提供一种果园喷雾管网压力监测评估系统，该系统可监测评估整个喷雾管网药液压力，可用于研究管网压力分布规律，可为管道喷雾控制系统的优化提供依据，可降低监测评估成本，可解决传统管道喷雾对整个喷雾药液压力缺乏有效监测的问题，可提高喷雾效果。

本发明的另一目的在于提供一种果园喷雾管网压力监测评估方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种果园喷雾管网压力监测评估系统，所述系统包括上位机、无线接收模块以及多个无线发送节点；

所述多个无线发送节点部署在喷雾管网上，每个无线发送节点与无线接收模块相连，用于发送该无线发送节点处喷雾管网内药液压力数据的数字信号；

所述上位机与无线接收模块相连，用于保存和实时显示所有无线发送节点的压力数据和节点号，绘制喷雾管网节点压力分布图，管理压力数据，评估管道喷雾控制系统的压力调节能力；

所述喷雾管网的入口与药泵的出药端相连，药泵的进药端与药池相连，药泵还与管道喷雾电动机和管道喷雾控制系统相连。

进一步的，每个无线发送节点包括微处理单元、压力变送器、信号调理电路和无线发送模块，所述压力变送器与信号调理电路相连，所述微处理单元分别与信号调理电路、无线发送模块相连，所述无线发送模块与无线接收模块相连。

进一步的，所述无线接收模块采用Zigbee无线接收模块，所述无线发送模块采用Zigbee无线发送模块，所述上位机通过USB转串口模块与Zigbee无线接收模块相连。

进一步的，所述喷雾管网包括喷雾主管以及多条与喷雾主管相连的喷雾支管，所述无线发送节点按相等间距分布于喷雾管网的喷雾主管和多条喷雾支管处，所述无线发送模块与无线接收模块之间采用广播形式进行通讯。

进一步的，每条喷雾支管上按相等间距安装上升至地面的立式出药口，所述立式出药口上连接软管和喷枪。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种果园喷雾管网压力监测评估方法，所述方法包括以下步骤：

S1、在上位机设定最佳压力、极限压力和节点数；

S2、启动监测评估后，无线接收模块以轮询的方式向各个无线发送节点发送指令，当对应节点号的无线发送模块接收到自己的节点号后，向上位机发送监测到的数据；

S3、上位机接收并保存所有无线发送节点的压力值、节点号以及压力采集时刻；实时显示喷雾管网平均压力、最大压力、最大压力点、最小压力以及最小压力点；实时显示所有无线发送节点的节点号以及压力值；实时绘制喷雾管网节点压力分布图；实时给出有无爆管风险警示；实时给出增减压力指示；每隔一段时间给出管道喷雾控制系统的实时压力调节能力等级；

S4、当停止监测评估后，上位机给出管道喷雾控制系统的总体压力调节能力等级，自动保存该次设定的最佳压力、极限压力以及节点号，供下一次监测评估时自动调用。

进一步的，步骤S3中，所述绘制喷雾管网节点压力分布图，具体为：

根据设定的最佳压力和极限压力分别绘制最佳压力和极限压力分割线，最佳压力分割线为绿色水平线，极限压力分割线为红色水平线；位于最佳压力分割线以下的压力值用绿色三角形标示，位于极限压力分割线以上的压力值用红色正方形标示，位于两条分割线之间的压力值用黄色圆圈标示。

进一步的，步骤S3中，所述给出有无爆管风险警示，具体为：

若节点压力上升变化率大于设定值或节点压力值高于最佳压力的120％，给出有爆管风险警示；若节点压力下降变化率大于设定值、节点压力值高于极限压力或节点压力值一直保持在低压状态，给出已爆管警示；其余情况给出无风险警示。

进一步的，步骤S3中，所述给出增减压力指示，具体为：

若平均压力低于最佳压力的80％，给出需增压的指示，若平均压力高于最佳压力的120％或有节点超出极限压力，给出需减压的指示，否则给出无需增减的指示。

进一步的，所述压力调节能力等级根据设定的最佳压力和极限压力，通过对接收到的喷雾管网各个无线发送节点的压力值进行统计分析，从喷雾管网工作平均压力与最佳压力的吻合度、压力调节速度以及爆管危险指数三方面给出。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明将多个无线发送节点部署在喷雾管网上，每个无线发送节点可以发送其节点处喷雾管网内药液压力数据的数字信号给无线接收模块，由无线接收模块将压力数据传输给上位机，上位机能够实时显示所有无线发送节点的压力数据和节点号，绘制喷雾管网节点压力分布图，管理压力数据，评估配套使用的管道喷雾控制系统的压力调节能力，对喷雾管网全网压力进行监测，可为研究喷雾管网压力分布规律提供第一手数据，可为管道喷雾控制系统的优化提供依据，可解决传统管道喷雾对整个喷雾药液压力缺乏有效监测的问题，可提高喷雾效果；采用上位机进行数据的显示和记录，采用无线方式进行数据采集，提高了研究压力分布的工作效率。

2、本发明的每个无线发送节点为Zigbee无线发送节点，具体采用Zigbee无线发送模块制成，并且设置了与所有Zigbee无线发送模块相对应的Zigbee无线接收模块，无需大量使用昂贵的无线压力传感器和无线压力接收模块，可降低监测评估成本，并且所有Zigbee无线发送模块和Zigbee无线发送模块工作于同一个工作网络中，使用同一个工作网络号，同一个信道号，减少数据在传输的过程中的丢包率，大大的提高无线数据通讯的可靠性。

3、本发明的上位机绘制的喷雾管网节点压力分布图可根据设定的最佳压力和极限压力用不同颜色和形状区分各节点压力值，使压力监测更为直观。

4、本发明的上位机可以对爆管现象进行预测，可防止爆管，避免农药浪费和污染环境，根据节点压力变化率和节点压力值，可实时给出有无爆管风险警示，通过显示最大压力节点号和其他超出极限压力值的节点号，可方便排查爆管可能发生的位置。

5、本发明的喷雾管网的每条喷雾支管上按相等间距安装上升至地面的立式出药口，立式出药口上连接软管和喷枪，多个立式出药口同时喷雾，泵房无需专人值守，可省力省工，可提高喷药效率。

6、本发明无需机具在果园移动行走，特别适合山地果园和密植果园使用。

附图说明

图1为本发明实施例1的果园喷雾管网布置示意图。

图2为本发明实施例1的果园喷雾管网压力监测评估系统的组成框图。

图3为本发明实施例1的果园喷雾管网压力监测评估系统中上位机的操作界面示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

本实施例以一个具有三行果树，喷雾管网上共部署二十个Zigbee无线发送节点为例进行详细说明。

如图1所示，在果园地下预先埋设果园专用PVC喷雾管网，该喷雾管网包括喷雾主管以及三条与喷雾主管相连的喷雾支管，喷雾主管和喷雾支管以“梳子”型方式布置，喷雾主管的入口与药泵的出药端相连，喷雾主管从药泵的出药端引出，沿垂直于果树种植行的方向敷设；每行果树从喷雾主管上引出一条喷雾支管，喷雾支管沿果树种植行的方向敷设；喷雾主管以及每条喷雾支管上每隔15m安装Zigbee无线发送节点；每条喷雾支管上每隔5m安装上升至地面的立式出药口，该立式出药口上连接软管和喷枪；药泵的进药端与药池相连，药泵还与管道喷雾电动机和管道喷雾控制系统相连。

如图2所示，本实施例的果园喷雾管网压力监测评估系统包括上位机、Zigbee无线接收模块以及二十个Zigbee无线发送节点(图中示出了其中两个)。

二十个Zigbee无线发送节点部署在喷雾管网上，每个Zigbee无线发送节点包括供电单元、微处理单元、压力变送器、信号调理电路和Zigbee无线发送模块，供电单元分别与微处理单元、压力变送器、Zigbee无线发送模块相连，压力变送器通过信号线与信号调理电路相连，微处理单元分别与信号调理电路、Zigbee无线发送模块相连；Zigbee无线发送模块与Zigbee无线接收模块相连，具体地，Zigbee无线发送模块与Zigbee无线接收模块之间采用广播形式进行通讯。

所述供电单元用于为微处理单元、压力变送器、Zigbee无线发送模块提供电源，具体选用24V锂电池给压力变送器提供24V电源，锂电池经过电压转换电路为Zigbee无线发送模块提供3.3V电源，锂电池还经过电压转换电路为微处理单元提供3.3V电源。

所述压力变送器用于检测管网内药液压力；所述信号调理电路用于将压力变送器检测到的代表压力信号的电流值转换成微处理单元能接收的电压值；所述微处理单元为一个单片机最小系统，将接收到的代表压力的电压信号转换成数字量；所述Zigbee无线发送模块用于发送压力信号数字量。

由上述内容可知，每个Zigbee无线发送节点用于发送该Zigbee无线发送节点处喷雾管网内药液压力数据的数字信号，相应地，Zigbee无线接收模块用于以一对多的方式接收所有Zigbee无线发送节点传来的压力数据。

所述上位机通过USB转串口模块与Zigbee无线接收模块相连，用于保存和实时显示所有无线发送节点的压力数据和节点号，绘制喷雾管网节点压力分布图，管理压力数据，评估管道喷雾控制系统的压力调节能力；图3示出了上位机的操作界面，操作界面可以输入参数和操作监测评估系统；显示各个压力参数；显示节点压力分布图；给出有无爆管风险、增减压力指示；显示配套使用的管道喷雾控制系统的压力调节能力。

进一步地，上位机可以设定最佳压力、极限压力和节点数，通过在“最佳压力”和“极限压力”和“节点数”的文本框中输入数字来设定；接收并保存所有Zigbee无线发送节点的压力值、节点号以及压力采集时刻；实时显示平均压力、最大压力、最大压力点、最小压力以及最小压力点，具体通过“平均压力”、“最大压力”、“最大压力点”、“最小压力”以及“最小压力点”的文本框来显示；实时显示所有Zigbee无线发送节点的节点号以及压力值；同时实时绘制喷雾管网节点压力分布图，便于监测整个喷雾管网的药液压力。

更进一步地，上位机绘制的喷雾管网节点压力分布图可根据设定的最佳压力和极限压力用不同颜色和形状区分各节点压力值，使压力监测更为直观，具体为：根据设定的最佳压力和极限压力分别绘制最佳压力和极限压力分割线，最佳压力分割线为绿色水平线，极限压力分割线为红色水平线；位于最佳压力分割线以下的压力值用绿色三角形标示，位于极限压力分割线以上的压力值用红色正方形标示，位于两条分割线之间的压力值用黄色圆圈标示。

进一步地，上位机可以对爆管现象进行预测，可防止爆管，避免农药浪费和污染环境，根据节点压力变化率和节点压力值，可实时给出有无爆管风险警示，警示包括有爆管风险、无爆管风险和已爆管三类，具体为：若节点压力上升变化率大于设定值或节点压力值高于最佳压力的120％，给出有爆管风险警示；若节点压力下降变化率大于设定值、节点压力值高于极限压力或节点压力值一直保持在低压状态，给出已爆管警示；其余情况给出无风险警示，其中，有爆管风险、无爆管风险和已爆管的警示通过“有无爆管风险”文本框显示。通过显示最大压力节点号和其他超出极限压力值的节点号，可方便排查爆管可能发生的位置。

进一步地，上位机可以实时给出是否需要增减管网压力的指示，具体为：若平均压力低于最佳压力的80％，给出需增压的指示，若平均压力高于最佳压力的120％或有节点超出极限压力，给出需减压的指示，否则给出无需增减的指示；其中，需增压、需减压、无需增减的指示通过“增减压力指示”文本框显示。

进一步地，所述上位机可以对配套使用的管道喷雾控制系统的压力调节能力进行评级，一共5个等级，1级最好，5级最差，压力调节能力等级根据设定的最佳压力和极限压力，通过对接收到的喷雾管网各个无线发送节点的压力值进行统计分析，从喷雾管网工作平均压力与最佳压力的吻合度、压力调节速度以及爆管危险指数三方面给出，压力调节能力的评级分为实时压力调节能力和总体压力调节能力两个方面，上位机每隔5分钟给出管道喷雾控制系统的实时压力调节能力等级，每次监测评估结束给出管道喷雾控制系统的总体压力调节能力等级；其中，实时压力调节能力等级通过“实时压力调节能力”文本框显示，总体压力调节能力等级通过“总体压力调节能力”文本框显示。

实施例2：

本实施例提供了一种果园喷雾管网压力监测评估方法，该方法预先搭建好管道喷雾平台，包括安装好喷雾管网，连接好软管和喷枪，部署好Zigbee无线发送节点，组装好管道喷雾电动机，安装好配套使用的管道喷雾控制系统，其包括以下步骤：

S1、在上位机设定最佳压力、极限压力和节点数，具体是打开上位机的操作界面，在“最佳压力”和“极限压力”和“节点数”的文本框中输入数值，以设定最佳压力、极限压力和节点数；

S2、在上位机的操作界面点击“启动监测评估”按钮，启动后，Zigbee无线接收模块以轮询的方式向各个Zigbee无线发送节点发送指令，当对应节点号的Zigbee无线发送模块接收到自己的节点号后，向上位机发送监测到的数据；

S3、上位机接收并保存所有无线发送节点的压力值、节点号以及压力采集时刻；通过“平均压力”、“最大压力”、“最大压力点”、“最小压力”以及“最小压力点”的文本框实时显示喷雾管网平均压力、最大压力、最大压力点、最小压力以及最小压力点；实时显示所有无线发送节点的节点号以及压力值；实时绘制喷雾管网节点压力分布图；通过“有无爆管风险”的文本框实时给出有无爆管风险警示；通过“增减压力指示”文本框实时给出增减压力指示；每隔一段时间通过“实时压力调节能力”文本框给出管道喷雾控制系统的实时压力调节能力等级；

S4、在上位机的操作界面点击“停止监测评估”按钮，通过“总体压力调节能力”的文本框给出管道喷雾控制系统的总体压力调节能力等级，自动保存该次设定的最佳压力、极限压力以及节点号，供下一次监测评估时自动调用。

综上所述，本发明将多个无线发送节点部署在喷雾管网上，每个无线发送节点可以发送其节点处喷雾管网内药液压力数据的数字信号给无线接收模块，由无线接收模块将压力数据传输给上位机，上位机能够实时显示所有无线发送节点的压力数据和节点号，绘制喷雾管网节点压力分布图，管理压力数据，评估配套使用的管道喷雾控制系统的压力调节能力，对喷雾管网全网压力进行监测，可为研究喷雾管网压力分布规律提供第一手数据，可为管道喷雾控制系统的优化提供依据，可解决传统管道喷雾对整个喷雾药液压力缺乏有效监测的问题，可提高喷雾效果；采用上位机进行数据的显示和记录，采用无线方式进行数据采集，提高了研究压力分布的工作效率。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。