技术领域
[0001] 本
发明属于农田排水技术领域，主要涉及一种单片机控制的智能农田排水系统。
背景技术
[0002] 我国是农业大国，但是应用于农田的排水系统还不是很多，智能化程度也不高，在我国的平原地区，当下连绵大雨的时候如果雨水不能即时排出，会对庄稼造成很大的危害，最终造成经济损失。为了能够即时的排出积水，减少损失，需要设计合理的农田排水系统。
[0003] 现在我国对农田排水系统主要还是利用沟渠进行排水，或者设计更合理的
排水管道，在
专利CN201380029850.8中介绍了一种表面排水系统，设计了一种新型的呈等腰三
角形的排水管道，充分将排水管道和地表结合，效果很显著。但是在农田里铺设地下排水管道会花费巨大的资金，对
土壤环境造成不可逆的影响，农田种庄稼的时候没办法
犁地，而且智能化程度不高，所以设计更加智能化的，花费较少的，对环境没影响的排水系统是未来的主要趋势。
[0004] 我国的农田排水系统在应用时，由于农田积水中淤泥较多，会导致管道堵塞，在专利CN201410059838.8中介绍了一种排水系统的拦浮渣结构，可以有效解决农田排水容易堵塞的问题。但是农田里会施加化肥，积水中会含有氮磷等元素，将其直接排出会对周边的土壤环境造成很大的影响。所以需要设计更加方便，无污染或者降低污染的排水系统。
发明内容
[0005] 针对
现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是：提供一种单片机控制的智能农田排水系统。该排水系统的积水收集装置采用浓度差进行积水收集，可以有效避免农田积水容易造成管道堵塞的危险，蒸馏结晶装置可以很方便的将溶质提炼出来重复利用，安装方便，结构简单、智能化及机械化程度高，有效减少了对农田的污染。
[0006] 本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种单片机控制的智能农田排水系统，其特征在于该系统包括积水收集装置、积水
净化处理装置、蒸馏结晶装置、
图像采集装置、积水重复利用装置和单片机控制装置；所述积水收集装置位于中间，所述蒸馏结晶装置位于所述积水收集装置的上方，蒸馏结晶装置的排出口连接积水重复利用装置的进口，所述图形采集处理装置安装在积水重复利用装置的上方；单片机控制装置控制积水收集装置、积水净化处理装置、蒸馏结晶装置、图像采集装置、积水重复利用装置进行相应动作；积水收集装置的出口与积水净化装置的入口连接，积水净化装置的出水口通
过冷凝管与蒸馏结晶装置的入口连接；
[0007] 所述积水收集装置利用浓度差进行吸水，包括多个相互分离的集水袋、中空导
流管、滑
块、滑轨、电磁线圈、
滑轮以及旋转滑杆，中空导流管上均匀设有多个对外凹槽，在每个凹槽中均设置有滑轨和固定杆，固定杆位于滑轨的一端，在固定杆上方通过
横杆固定有滑轮，滑轮连接旋转滑杆的一端，旋转滑杆的另一端连接集水袋一端，滑块嵌套在滑轨上，滑块与该集水袋的另一端连接；在固定杆上安装有电磁线圈，电磁线圈位于滑轮的正下方且贯穿整个固定杆；所述集水袋由渗透膜制成，内部填充易溶于水的盐；在集水袋的内部安装有分光光度计，所述中空导流管内部含有多条通道，通道的数量与集水袋的数量相匹配，每个通道通过一个小软管连接一个相应滑块的输盐口，输盐口与集水袋内部相通；
[0008] 所述积水净化处理装置包括吸水管、抽水
泵、弯曲管、三通管、螺旋管、
沉淀池、絮凝剂池和
旋流分离器；一个集水袋连接一个吸水管，吸水管的另一端通过抽水泵与三通管的一口连接；所述絮凝剂池通过管道与三通管的二口连接；所述三通管的三口与螺旋管的一端
螺纹连接，螺旋管的另一端通过弯曲管、导水管与沉淀池连接；沉淀池通过抽水管及另一个抽水泵与旋流分离器的旋流分离器进水口连接；所述旋流分离器的底部为排液口，中部引出溢流口，溢流口通过溢流管与蒸馏结晶装置连接；
[0009] 所述蒸馏结晶装置包括结晶罐体和冷凝罐体，两个罐体并列放置，上部通过冷凝管连接；在结晶罐体内安装有水位探测器，结晶罐体的进口连接溢水管，结晶罐体的下端排出口正对中空导流管上端；
[0010] 所述积水重复利用装置包括蓄水池和抽水机，所述蓄水池的进口与冷凝罐体的冷凝罐体排水口通过排水管连接，蓄水池内部安装有抽水泵，抽水泵上连接喷水管，且喷水管穿出蓄水池，由喷水管喷水为农田
灌溉使用；
[0011] 所述图像采集装置包括四组CCD相机，四组CCD相机分别通过相机
支架固定安装在蓄水池上部的前后左右方位上。
[0012] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0013] 本发明的积水收集装置采用的是利用浓度差进行吸水，克服了一般排水装置因为农田浮渣的存在导致排水管堵塞的危害，克服了一般排水装置排水不及时的缺点，克服了一般排水装置排水不彻底的缺点。集水袋采用的是渗透膜制成，可以使水流进流出而溶质不会流出。集水袋内部的溶质采用易于溶于水的盐，而且集水袋内部还含有分光光度计，用来测量集水袋内部溶液的浓度，当浓度低于设定值时会发出
信号给结晶罐体，判断结晶罐体内部是否有水，若没有则使结晶罐体的排出口打开，盐会重复利用，从而始终保持集水袋内部的浓度高于外部。
[0014] 本发明的图像采集及处理采用的是
机器视觉技术，首先用CCD相机拍摄农田
植物的照片，然后将拍摄到的图片与
图像处理模块进行判别，首先将拍摄到的目标转换成图像信号，传送给图像处理模块，得到拍摄目标的形态信息，根据
像素分布、
亮度、
颜色等信息，将其转换成
数字信号，然后图像处理模块对数字信号进行各种计算来提取目标的特征进行判别。从而确定种植的植物种类，然后调出关于该植物的正常状态，患病状态等各种信息，通过将拍摄的图片进行
阈值分割等标定颜色，与已知的关于该植物的图片进行对比，从而确定该植物是否缺失N、P、K等微量元素，或者缺水分等。从而可以更加智能化实现对农田植株的观察与调控，既能为农田排水，又能辅助浇灌，提醒农民作物生长情况，有效节省了人
力。
附图说明
[0015] 图1为本发明具体实例的总体结构示意图；
[0016] 图2为本发明积水收集装置结构示意图；
[0017] 图3为本发明积水收集装置集水袋结构放大图；
[0018] 图4为本发明积水收集装置结构放大图；
[0019] 图5为本发明蒸馏结晶装置结构示意图；
[0020] 图6为本发明数据图像采集装置结构示意图；
[0021] 图7为本发明旋流分离器装置示意图；
[0022] 图8为本发明蓄水池示意图；
[0023] 图中：11为集水袋，12为中空导流管，13为凹槽，14为积水收集装置信号发射器，15为滑块，16为旋转滑杆，17为滑轨，18为电磁线圈，19为横杆，110为滑轮，111为输盐口；21为旋流分离器进水口，22为螺旋管，23为弯曲管，24为导水管，25为抽水管，26为沉淀池，27为絮凝剂池，28为旋流分离器，29为吸水管，210为抽水泵，211为溢水管，212为溢出口，213为三通管，214为排液口；31为罐体支架，32为冷凝罐体排水口，33为排水管，34为排出口，35为蒸馏结晶装置信号接收器，36为冷凝罐体，37为冷凝管，38为结晶罐体，39为旋转
电机，310为旋转杆，311为搅拌扇叶，312为电热网，313为导热墙；41为底托，42为相机放置槽，43为支架；51为蓄水池，52为喷水管，53为抽水机。
具体实施方式
[0024] 下面结合
实施例和附图对本发明作进一步详细描述，但并不以此作为对本
申请保护范围的限定：
[0025] 本发明单片机控制的智能农田排水系统(简称排水系统或系统，参见图1-7)包括积水收集装置、积水净化处理装置、蒸馏结晶装置、图像采集装置、积水重复利用装置和单片机控制装置；所述积水收集装置位于中间，所述积水净化处理装置位于所述积水收集装置的左侧，所述蒸馏结晶装置位于所述积水收集装置的上方，所述积水重复利用装置位于所述蒸馏结晶装置的右侧，所述图形采集处理装置在所述积水重复利用装置的上方，与所述蒸馏结晶装置齐平；单片机控制装置控制积水收集装置、积水净化处理装置、蒸馏结晶装置、图像采集装置、积水重复利用装置进行相应动作；积水收集装置的出口与积水净化装置连接，向积水净化装置中的积水中添加絮凝剂，经过螺旋管道充分融合，在沉淀池沉淀，再通过旋流分离器排除沉淀物。净化后的水通过冷凝管与蒸馏结晶装置连接，蒸馏结晶装置安装在积水收集装置的上方。再通过排水管与积水重复利用装置连接，图像采集装置则固定在蓄水池上方，检测前后左右四个方位上的农田情况。
[0026] 所述积水收集装置利用浓度差进行吸水，包括多个相互分离的集水袋11、中空导流管12、滑块15、滑轨17、电磁线圈18、滑轮110以及旋转滑杆16，中空导流管12上均匀设有多个对外凹槽13，在每个凹槽13中均设置有滑轨17和固定杆，固定杆位于滑轨的一端，在固定杆上方通过横杆19固定有滑轮110，滑轮110连接旋转滑杆16的一端，旋转滑杆的另一端连接集水袋一端，滑块15嵌套在滑轨17上，滑块与该集水袋的另一端连接，通过旋转滑杆与滑块的作用将集水袋收起和展开；在固定杆上安装有电磁线圈，固定杆上端与横杆连接在一起，电磁线圈18位于滑轮的正下方且贯穿整个固定杆；电磁线圈18通电，能对滑块产生吸引力或排斥力使滑块上滑或下滑，在集水袋的作用下旋转滑杆下旋转或上旋转，从而使集水袋收缩与展开；所述集水袋由渗透膜制成，内部填充易溶于水的盐，保证集水袋的浓度高于外界浓度；在集水袋的内部安装有分光光度计，所述中空导流管内部含有多条通道，通道的数量与集水袋的数量相匹配，每个通道通过一个小软管连接一个相应滑块的输盐口，输盐口与集水袋内部相通，每个滑块与集水袋紧密连接，通过中空导流管流进的盐可以经过滑块最终流进集水袋，从而保证集水袋内部的的浓度始终高于外部，从而稳定吸水；当集水袋展开时，滑块滑到滑轨的下方，此时小软管可以将盐传到集水袋中，当集水袋收起时，此时的盐不会进入到集水袋，而是在通道里面保存，直到下次使用盐才会进入集水袋。
[0027] 所述积水净化处理装置包括吸水管29、抽水泵210、弯曲管23、三通管213、螺旋管22、沉淀池26、絮凝剂池27和旋流分离器28；一个集水袋连接一个吸水管29，吸水管的另一端通过抽水泵210与三通管213的一口连接，将集水袋内收集的积水抽出；所述絮凝剂池27通过管道与三通管的二口连接；所述三通管的三口与螺旋管22的一端
螺纹连接，螺旋管22的另一端通过弯曲管23、导水管24与沉淀池26连接；沉淀池26通过抽水管25及另一个抽水泵与旋流分离器进水口21连接，积水中的杂质在沉淀池26中沉淀，然后通过抽水管25和一个抽水泵将沉淀池中的水通过旋流分离器进水口21进入旋流分离器28，所述旋流分离器的底部为排液口214，中部引出溢流口212，溢流口通过溢流管211与蒸馏结晶装置连接；
[0028] 水沿切线方向进入旋流分离器，经过
离心力的作用，浊液下沉，从排液口214排出，清液上升，从溢出口212溢出；所述积水净化装置是将泥水与絮凝剂通过一个三通管将两种液体混合在一起，再经过一个螺旋管，使得泥水和絮凝剂充分搅拌，再注入到沉淀池沉淀，然后送到旋流分离器进行分离；
[0029] 所述蒸馏结晶装置包括结晶罐体38和冷凝罐体36，两个罐体并列放置，上部通过冷凝管37连接；在结晶罐体38内安装有水位探测器，可以探测此时罐体内部的水位，结晶罐体的进口连接溢水管211，结晶罐体的下端排出口34正对中空导流管上端；
[0030] 结晶罐体38内部安装有旋转杆310，旋转杆上安装有搅拌扇叶311，旋转杆310的上端连接旋转电机30，且旋转电机位于结晶罐体38外部，随着旋转电机的转动而实现搅拌的功能，结晶罐体的内壁上设有导热墙313，导热墙内有电热网312，随着搅拌的进行，逐渐加热实现水
蒸发进冷凝罐体，盐结晶由排出口排出；在结晶罐体内部的水位探测器用于探测罐体内的水位，当到达阈值时，溢水管211会暂时关闭，直到蒸发工作完成，结晶出的盐会进入结晶罐体38的排出口34，溢水管211打开，继续进水，持续工作。从而控制结晶罐体38的排出口34将盐排出到中空导流管12；
[0031] 所述积水重复利用装置包括蓄水池51和抽水机53，所述蓄水池51的进口与冷凝罐体36的冷凝罐体排水口32通过排水管33连接，将冷凝罐体36的冷凝水排到蓄水池51中，蓄水池内部安装有抽水泵53，抽水泵上连接喷水管52，且喷水管穿出蓄水池，由喷水管52喷水为农田灌溉使用，给
农作物生长提供必需的营养物质；当蓄水池51中的抽水泵53接收到单片机发送来的信号，开始工作，经
过喷水口52将水灌溉到农田。
[0032] 所述图像采集装置包括四组CCD相机，四组CCD相机分别通过相机支架固定安装在蓄水池上部的前后左右方位上；所述相机支架43通过底托41固定在蓄水池上部，相机支架43上部设有相机放置槽42，相机放置槽42内安装CCD相机。在四个方位安放，可以采集到四个方向的图像，并采用机器视觉技术结合系统内嵌的模块进行判别，所述系统内嵌模块指的是图像处理模块。
[0033] 所述单片机控制装置包括单片机、单片机信号接收器、单片机信号发射器、积水收集装置信号发射器14、蒸馏结晶装置信号接收器35、警报器和图像处理模块(图中未标出)，所述单片机安装在控制室内，单片机信号接收器、单片机信号发射器、图像处理模块均与单片机连接，单片机同时与四个CCD相机、警报器、电磁线圈18、抽水泵53电连接，单片机信号接收器放在
屋顶，单片机信号发射器放在单片机旁边，积水收集装置信号发射器14安装在积水收集装置附近，蒸馏结晶装置信号接收器35安装在蒸馏结晶装置上，积水收集装置信号发射器14与单片机信号接收器及集水袋11内部的分光光度计电连接，单片机信号发射器与蒸馏结晶装置信号接收器35电连接。
[0034] 所述的分光光度计内部有处理模块，可以将探测到的浓度与设定的阈值比较，当浓度低于阈值时，就会将信号通过积水收集装置信号发射器将信号传送给单片机控制装置，由单片机信号接收器接收信号，经过单片机进行处理再将
控制信号由单片机信号发射器传递给蒸馏结晶装置，由蒸馏结晶装置信号接收器接收，从而控制蒸馏结晶装置打开结晶罐体的下方排出口。所述结晶罐体的排出口的下部是中空导流管，蒸馏后得到的盐通过排出口将盐导入中空导流管，并沿着中空导流管的管道将盐送到集水袋11中。
[0035] 其中单片机采用STM32F101R6单片机，该单片机低成本、功耗低，足以满足本发明的需要。具体实现流程是：首先单片机将CCD相机拍摄到的目标转换成图像信号，传送给图像处理模块，得到拍摄目标的形态信息，根据像素分布、亮度、颜色等信息，将其转换成数字信号，然后图像处理模块对数字信号进行处理，并对提取目标的特征进行判别，从而确定种植的植物种类，然后调出关于该植物的正常状态、患病状态的各种信息，通过将拍摄的图片进行阈值分割等标定颜色，与已知的关于该植物的图片进行对比，从而确定该植物是否缺失微量元素，或者缺水分等，若缺水分，单片机会控制抽水泵53将水喷出，若缺微量元素，单片机则会控制警报器示警，使系统更加智能化。然后就可以将处理后的信号通过单片机信号发射器发射出去。
[0036] 本发明的进一步特征在于所述中空导流管12上有八个凹槽，分成两组，一组凹槽的滑轮安装在相应滑轨的上端，另一组凹槽的滑轮安装在相应滑轨的下端，相邻两个滑轮在上端的凹槽之间的夹角为90°，相邻两个滑轮在上端的凹槽之间设置滑轮在下端的凹槽，相邻两个滑轮在下端的凹槽之间的夹角也为90°，如此布置，能够最大限度的利用中空导流管的径向空间，增加集水袋的容积，提高排水收集效率。
[0037] 本发明排水系统的工作原理及流程是：首先是积水收集装置利用浓度差进行吸水，将收集到的积水通过三通管213将积水和絮凝剂混合在一起，经过在螺旋管22内的充分融合，流入沉淀池，再将沉淀池中的水送入旋流分离器，在旋流分离器中使得浊液下降，清液上升，通过溢出口进入到蒸馏结晶装置的蒸馏罐体，经过加热，蒸馏，水
蒸汽通过冷凝管到达冷凝罐体，而蒸馏结晶装置会出现盐的结晶。冷凝罐体的水最终流入到积水重复利用装置的蓄水池中。当集水袋内部的分光光度计检测到浓度降低时，会通过积水收集装置信号发射器将信号发射给单片机控制装置，然后单片机信号发射器将信号发送给蒸馏结晶装置信号接收器，控制蒸馏结晶罐体的排出口打开，给集水袋补充盐，使浓度始终高于外部浓度，持续吸水。
[0038] 实施例1
[0039] 本实施例排水系统包括积水收集装置、积水净化处理装置、蒸馏结晶装置、图像采集装置、积水重复利用装置以及单片机控制装置。积水收集装置通过导水管与积水净化装置连接，在积水净化装置，积水中添加絮凝剂，经过螺旋管道充分融合，在沉淀池沉淀，再通过旋流分离器排除沉淀物。净化后的水通过上行管道与蒸馏结晶装置连接，蒸馏结晶装置安装在积水收集装置的上方；再通过排水管与积水重复利用装置连接，图像采集装置则分四个方位固定在蓄水池上方。
[0040] 所述积水收集装置利用浓度差进行吸水，在中空导流管12上有八个凹槽13，分成两组，互不相交，一组凹槽的滑轮安装在相应滑轨的上端，另一组凹槽的滑轮安装在相应滑轨的下端，相邻两个滑轮在上端的凹槽之间的夹角为90°，相邻两个滑轮在上端的凹槽之间设置滑轮在下端的凹槽，相邻两个滑轮在下端的凹槽之间的夹角也为90°。八个凹槽内部各固定有一个滑轨17和一个固定杆，固定杆与滑轨一端相接，在滑轨上嵌套一个滑块15，一个滑块15连接一个集水袋11，共八个集水袋，在固定杆的上固定有一个电磁线圈18，在电磁线圈18的上方以横杆固定有滑轮110和旋转滑杆16，旋转滑杆一端与滑轮连接，另一端连接集水袋；当电磁线圈18通电时，对滑块15产生向上的吸引力，滑块15带动集水袋11向上移动，滑轮110和旋转滑杆16则围绕着横杆19向下转动，使集水袋11收起来，当开始工作时，将此步骤反过来即是。此时展开集水袋11，使与地面的
接触面积增大，增加吸水量。所述浓度差进行吸水，需要保证集水袋11内部的浓度差高于外部浓度差，在此采用易溶于水，并可以通过蒸发结晶的方式重新提炼出来的盐，优选的盐为
钾盐，不仅易溶于水，钾元素还有利于植物的生长。用
钾盐来增加集水袋内的浓度，而且可以将盐重复利用，本发明将结晶罐体安放在中空导流管12的上部，所述中空导流管内部含有多条通道，通道的数量与集水袋的数量相匹配，每个通道通过一个小软管连接一个相应滑块的输盐口，输盐口111与集水袋内部相通；可以方便的实现盐重复利用，实现了自然环保，避免了浪费。
[0041] 所述积水净化装置包括吸水管29、抽水泵210、弯曲管23、三通管213、螺旋管22、沉淀池26、絮凝剂池27和旋流分离器28，一个吸水管29连接一个集水袋11，通过抽水泵210将集水袋收集的积水抽出，经过三通管213一口，三通管213的一口呈圆形，在圆形的外围有一个圆滑的菱形，使吸水管29通过螺丝固定在一口，不会脱落。絮凝剂池27通过管道及相应的抽水泵210与三通管213二口连接，二口呈圆形，可以添加胶垫固定，不会漏水。三通管213的三口呈圆形，内部很有螺纹，可将硬质的螺旋管22旋转进螺纹内。沉淀池26与螺旋管22通过弯曲管23、导水管24连接，沉淀池26中的水通过抽水管25和相应的抽水泵连接到旋流分离器进水口21，水沿切线方向从旋流分离器进水口21进入旋流分离器28，经过离心力的作用，浊液下沉，从排液口214排出，清液上升，从溢出口212溢出；
[0042] 所述蒸馏结晶装置包括结晶罐体38和冷凝罐体36，两个罐体并列放置，通过冷凝管37连接，结晶罐体38内部与一层电热网312被导热墙313围起来，在结晶罐体内部有水位探测器，可以探测此时罐体内部的水位，当到达阈值时，溢水管211会暂时关闭，直到蒸发工作完成，结晶出的盐会进入结晶罐体38的排出口34，溢水管211打开，继续进水，持续工作。8个集水袋11内部的分光光度计与积水收集装置信号发射器连接，所述的分光光度计内部有处理模块，可以将探测到的浓度与设定的阈值比较，当浓度低于阈值时，就会将信号通过积水收集装置信号发射器将信号传送给单片机控制装置，由单片机信号接收器接收信号，经过单片机进行处理再将控制信号由单片机信号发射器传递给蒸馏结晶装置，由蒸馏结晶装置信号接收器接收，从而控制蒸馏结晶装置打开结晶罐体38的下方排出口。所述结晶罐体的排出口的下部是中空导流管12，蒸馏后得到的盐通过排出口将盐导入中空导流管12，并沿着中空导流管12的管道将盐送到集水袋11中。
[0043] 所述积水重复利用装置是将冷凝罐体36的冷凝水排到蓄水池51中，当蓄水池51中的抽水泵53接收到单片机发送来的信号，开始工作，经过喷水口52将水灌溉到农田，给农作物生长提供必需的营养物质。
[0044] 所述图像采集装置，是在蓄水池51的上方安装四组CDD相机支架43，通过将CDD相机放进相机放置槽42，可以拍摄四个角度的图片，将拍摄到的图片采用机器视觉技术结合图像处理模块进行判别。
[0045] 所述单片机控制装置包括单片机、单片机信号接收器、单片机信号发射器、积水收集装置信号发射器14、蒸馏结晶装置信号接收器35、警报器和图像处理模块，所述单片机安装在控制室内，单片机信号接收器、单片机信号发射器、图像处理模块均与单片机连接，单片机同时与四个CCD相机、警报器、电磁线圈18、抽水泵53电连接；单片机信号接收器放在屋顶，单片机信号发射器放在单片机旁边，积水收集装置信号发射器14安装在积水收集装置附近，蒸馏结晶装置信号接收器35安装在蒸馏结晶装置上，积水收集装置信号发射器14分别与单片机信号接收器及集水袋11内部的分光光度计电连接，单片机信号发射器与蒸馏结晶装置信号接收器35电连接。
[0046] 本发明未述及之处适用于现有技术。
