[发明专利]一种混合种植农田定点灌溉装置

权利要求书

1.一种混合种植农田定点灌溉装置，其特征在于该装置包括垄头控制模块、传动模块、传动牵引模块、田地湿度传感器矩阵和数据传输处理模块；所述垄头控制模块用来提供传动动力、控制传送方向，并收纳传动模块和传动牵引模块；所述传动模块驱使传动牵引模块前后运动；所述传动牵引模块用来控制灌溉、进行灌溉、监视灌溉和对不同农作物进行识别；所述田地湿度传感器矩阵用来检测水分百分比；所述数据传输处理模块用来传输无线网络摄像头拍摄的视频和图像数据，并对图像进行处理识别出图像中的农作物、湿度传感器检测到的水分百分比与阈值进行判断、计算GPS距离和夹角、计算喷水导管出水口末端的水的流速；该装置能够根据农作物的叶子形状区分农作物，从而实现对不同农作物的合理灌溉；

所述垄头控制模块包括暗箱、暗箱门、暗箱门直齿齿条、固定棒、传导螺旋推拉滑块、传导螺旋、第二直流电机、传送带、传导螺旋推拉滑块导轨、滑动块导轨凹槽、支柱和第一直流电机；

所述暗箱固定放置在地块一端，在朝向地块的另一端的暗箱侧面上开有暗箱门；在暗箱内部底面上固定有传导螺旋，传导螺旋的传动方向为传动牵引小车向前或向后行驶的方向，以传导螺旋为中心，在传导螺旋的两侧平行布置有传导螺旋推拉滑块导轨，传导螺旋推拉滑块导轨两端通过相应的支柱固定在暗箱底面上；所述传导螺旋推拉滑块的下部穿过传导螺旋，且能在传导螺旋推拉滑块导轨上前后移动，在传导螺旋推拉滑块的前端设置有滑动块导轨凹槽；传导螺旋的转动轴的后端通过传送带与第二直流电机的转动轴连接，第二直流电机固定在暗箱内部的底面上；在传导螺旋的正前方竖直固定有固定棒；

在暗箱门的内侧中间位置，沿暗箱门的长度方向设置有暗箱门直齿齿条，暗箱门直齿齿条通过直齿齿轮与第一直流电机的转动轴连接，通过第一直流电机的转动带动暗箱门滑动打开和关闭；暗箱门顶部滑动到暗箱最底部时，在对应的地块里的位置上，在暗箱门的后方安装热释电红外传感器并且在暗箱门的前方安装暗箱门激光器，当暗箱门完全打开时，暗箱门恰好能挡住暗箱门激光器发射的激光光束；

所述传动模块包括软质水管、剪刀状平面伸缩连杆、柱状支撑滑杆、柱状支撑滑轮、剪刀状平面伸缩连杆连接钉、滚珠、带轴滚珠、滑动块和弹簧；所述剪刀状平面伸缩连杆能进行伸长和收缩，由剪刀状的多个重复单元构成，所述剪刀状平面伸缩连杆的两端均连接有两个滑动块，剪刀状平面伸缩连杆的各重复单元通过剪刀状平面伸缩连杆连接钉连接，每个滑动块均能绕与相应滑动块连接的剪刀状平面伸缩连杆连接钉转动，在滑动块的上下表面上均安装有四个带轴滚珠的转动轴，在滑动块的外侧面上下各放置了两个滚珠，在滑动块的左右侧面分别放置一根弹簧，弹簧能推拉滑动块；位于剪刀状平面伸缩连杆后端的滑动块插入传导螺旋推拉滑块的滑动块导轨凹槽中，将传动模块与垄头控制模块连接；

沿剪刀状平面伸缩连杆的伸缩方向上，每隔一段距离，在剪刀状平面伸缩连杆的下表面固定有柱状支撑滑杆，柱状支撑滑杆上端与剪刀状平面伸缩连杆连接钉连接固定，下端安装有柱状支撑滑轮，柱状支撑滑轮的转动方向与剪刀状平面伸缩连杆的伸缩的方向一致，柱状支撑滑杆的长度与剪刀状平面伸缩连杆到地面的距离相匹配；在剪刀状平面伸缩连杆上表面上盘放有软质水管，且软质水管能跟随剪刀状平面伸缩连杆一起伸长和收缩，沿软质水管的管壁布置有电线，通过电线为整个装置供电；所述软质水管的一端穿过暗箱与外部水源连接，在软质水管的进水口处设置电动蝶阀；

所述传动牵引模块包括防水透明塑料布、支架、无线网络摄像头、导轨凹槽、通线孔、圆柱形接水口、锁栓、传动牵引壁门、传动牵引小车、导水转动轴、激光器、CCD传感器、牵引直齿齿条、第三直流电机、喷水导管和齿条连接钉；在传动牵引小车的上表面安装有无线网络摄像头，在无线网络摄像头外包裹有防水透明塑料布，防水透明塑料布由支架支撑；在传动牵引小车的后侧面上方开有导轨凹槽，该导轨凹槽用于插入位于剪刀状平面伸缩连杆前端的滑动块，将传动牵引模块与传动模块连接；在导轨凹槽下方的传动牵引小车的后侧面上设有通线孔和圆柱形接水口，该圆柱形接水口与传动模块的软质水管的前端连接，软质水管上的电线从通线孔中穿入传动牵引小车，并且与传动牵引小车上的无线网络摄像头和传动牵引单片机连接；

在传动牵引小车的右侧面上开有传动牵引壁门，通过锁栓关闭或打开传动牵引壁门；所述导水转动轴竖直放置在传动牵引小车内部的空腔中，导水转动轴的上部与传动牵引小车的顶部连接，下部正对圆柱形接水口，在圆柱形接水口和导水转动轴下部之间连接软质胶管；在导水转动轴的上部安装有一个激光器，且该激光器发射的激光光束与导水转动轴中水流的流向相同；在位于导水转动轴上部的激光器的正前方，且在传动牵引小车内部的顶部水平固定有另一个激光器，且这一激光器发射出的激光光束与传动牵引小车向前运动的方向始终平行；在两个激光器的正前方的传动牵引小车的内部顶部，竖直固定有CCD传感器，两个激光器发出的激光光束均能照射在CCD传感器上；将喷水导管的一端水平插入导水转动轴下部的接口中，导水转动轴下部通过齿条连接钉连接牵引直齿齿条一端，牵引直齿齿条的另一端穿出传动牵引小车的左侧面，并且牵引直齿齿条能够绕齿条连接钉转动，所述第三直流电机通过直齿齿轮与牵引直齿齿条连接，所述第三直流电机固定在传动牵引小车内部的左侧面上；

所述田地湿度传感器矩阵由多个湿度传感器按照正六边形的形状排列而成，相邻的三个正六边形共用一个顶点，每个正六边形的顶点和中心各放置一个湿度传感器，每个湿度传感器均埋在农田地表下方；

所述数据传输处理模块包括垄头单片机、暗箱门GPS芯片、传动牵引单片机、传动牵引GPS芯片、服务器、湿度单片机、湿度GPS芯片、电脑终端和电动蝶阀单片机；所述服务器与垄头单片机、传动牵引单片机、电动蝶阀单片机、湿度单片机分别通过相应的无线收发芯片以无线的方式相连接；所述电脑终端和服务器均放置在农民的家中，并且电脑终端与服务器相连接；

所述垄头单片机分别与第一直流电机、第二直流电机、暗箱门GPS芯片、热释电红外传感器和暗箱门激光器连接；暗箱门GPS芯片安装在暗箱门直齿齿条附近；所述垄头单片机放置在暗箱内；所述传动牵引单片机位于传动牵引小车空腔内的上部，分别与无线网络摄像头、传动牵引GPS芯片、第三直流电机和传动牵引小车内部的两个激光器及CCD传感器连接；每个湿度单片机均连接有一个湿度GPS芯片和一个湿度传感器，各自的湿度GPS芯片与各自的湿度单片机连接，一个湿度GPS芯片和一个湿度单片机用防水塑料袋包裹住，且位于各自湿度传感器的正下方；所述电动蝶阀单片机放置在电动蝶阀的表面上，并且与电动蝶阀连接；

采用不同颜色来表示水分百分比，深蓝色表示此处水分百分比为80％～100％，蓝色表示此处水分百分比为60％～80％，浅蓝色表示此处水分百分比为40％～60％，浅红色表示此处水分百分比为20％～40％，红色表示此处水分百分比为10％～20％，深红色表示此处水分百分比为0％～10％；服务器接受到水分百分比数据和GPS3坐标，发送指令给用户电脑，在某块地块下方的显示矩形矿中的显示出小黄点，并且在小黄点处显示此水分百分比所在范围内所对应的颜色；

当湿度传感器检测水分百分比在10％以下时，认为此时田地需要灌溉；因此服务器统计深红点的个数，若深红点的个数超过总数的1/2时，可认为此块田地需要灌溉；

在以传动牵引小车为圆心，半径为2m，圆心角为120°的传动牵引小车前方的扇形区域中，服务器得到此区域内所有三角形区域顶点的GPS3坐标，得到每个三角形区域的中心GPSo坐标，服务器计算中心GPSo坐标与传动牵引小车GPS2坐标的距离，在灌溉方向是从左向右的规则下，服务器取这些距离中最大的距离所对应的三角形区域为最先灌溉的区域，服务器计算将要灌溉的三角形区域的中心GPSo和GPS2的连线与传动牵引小车行驶方向的夹角度数θ；

服务器以无线形式发出无线网络摄像头303逆时针旋转服务器计算出的GPSo和GPS2的连线与传动牵引小车行驶方向的夹角度数θ的指令，并且将指令传递给传动牵引无线收发芯片,传动牵引无线收发芯片收到指令后，将指令送给传动牵引单片机，传动牵引单片机控制无线网络摄像头的低功率电机，使低功率电机逆时针旋转GPSo和GPS2的连线与传动牵引小车行驶方向的夹角度数θ，这样无线网络摄像头的拍摄方向就朝向了将要灌溉的三角区域的方向，然后服务器发出打开无线网络摄像头的指令，无线网络摄像头便开始了拍摄，并且无线网络摄像头将拍摄到的图像以无线的形式传递给服务器，服务器将这些数据传递给电脑终端，此时在电脑终端的用户界面上的监控画面下方的矩形显示框中显示拍摄的画面；然后服务器对拍摄的图像进行处理识别，识别出此三角形区域的农作物的种类；

识别出农作物的种类后，此时农民才能按住旋转无线网络摄像头按钮随意旋转无线网络摄像头观察灌溉情况；

服务器发出第三直流电机314逆时针旋转和传动牵引模块中的两个激光器311、CCD传感器312打开的指令，传递给传动牵引单片机的传动牵引无线收发芯片，传动牵引无线收发芯片收到指令后，将指令传递给传动牵引单片机，两个激光器、CCD传感器开始正常工作，传动牵引单片机控制第三直流电机314开始逆时针旋转，此时在CCD传感器上有两个激光点光斑，CCD传感器上正中间的激光点光斑是固定在传动牵引小车顶部的激光器发射激光光束形成的，而另一个激光点光斑是导水转动轴310上方的激光器发射激光光束形成的，并且这个激光点光斑在不断向左运动，CCD传感器实时将图像传递给服务器，服务器实时计算这两个激光点光斑之间的水平距离，再根据水平距离计算偏转角度，算法如下：两个激光点光斑之间的水平距离为D，导水转动轴距CCD传感器的水平距离为H，偏转角度为β，

规定:导水转动轴上方的激光器发射激光光束在CCD传感器上形成的激光点光斑的横坐标值小于固定在传动牵引小车顶部的激光器发射激光光束在CCD传感器上形成的激光点光斑的横坐标值，β大于0；导水转动轴上方的激光器发射激光光束在CCD传感器上形成的激光点光斑的横坐标值大于固定在传动牵引小车顶部的激光器发射激光光束在CCD传感器上形成的激光点光斑的横坐标值，β小于0；导水转动轴上方的激光器发射激光光束在CCD传感器上形成的激光点光斑的横坐标值等于固定在传动牵引小车顶部的激光器发射激光光束在CCD传感器上形成的激光点光斑的横坐标值，β等于0；

当β＝GPSo和GPS2的连线与传动牵引小车行驶方向的夹角度数θ时，服务器发出第三直流电机停止转动的指令，此时导水喷管也指向了将要灌溉的三角区域；

服务器根据将要灌溉的三角形区域的中心GPSo坐标与传动牵引小车GPS2坐标的距离L计算喷水导管出水口的流速V；算法如下：喷出的水在空中形成平抛曲线，导水喷管的圆形出水口的圆心距离地面的高度为K，

g为重力加速度；

L＝Vt；

从中能计算出服务器将流速V以无线形式发射给电动蝶阀无线收发芯片，电动蝶阀无线收发芯片接收这一数值，并且把这一数值传递给电动蝶阀单片机，电动蝶阀单片机控制电动蝶阀，电动蝶阀调整阀口大小，使导水喷管出水处的流速为V。