Устройство автоматической подачи воды
AUTOMATIC WATER SUPPLY DEVICE

Техническое решение относится к оросительным системам и предназначено для организации автоматического полива.
Из уровня техники известно решение, представляющее собой устройство автоматического полива, подключенное к устройству подачи воды посредством клапана, управляемого с помощью компьютера с процессором, который в свою очередь соединен с памятью хранения программного обеспечения. К входному устройству компьютера подключены датчики влажности почвы, датчики давления воды, блок управления клапанами, блок управления насосом. Работу устройства обеспечивает контроллер на основе данных, полученных с датчиков, и прогнозов погоды по сети Интернет. Патент РФ на полезную модель №180092, МПК A01G 25/16, опубл. 04.06.2018.
Общими признаками заявляемого решения и известного аналога являются:
- исполнительный механизм подачи воды;
- блок управления с микроконтроллером;
- независимый вход для подключения внешних датчиков;
- привод для управления исполнительным механизмом подачи воды;
- энергонезависимая память;
- радио-трансивер;
- элемент электропитания, выполненный в виде аккумуляторной батареи.
Отличительными признаками заявляемого решения являются:
- радио-трансивер выполнен в виде микрочипа с возможностью передавать и принимать информацию по беспроводным сетям;
- элемент электропитания подключен к солнечной батарее;
- элемент электропитания подключен к гидрогенератору исполнительного механизма подачи воды с возможностью получать питание при открытом состоянии исполнительного механизма подачи воды;
- исполнительный механизм подачи воды выполнен в виде шарового моторизованного крана.
Недостатком данного технического решения является низкая надежность работы устройства, связанная с нестабильностью энергоснабжения. В случае отключения электроэнергии внешней электрической сети или неисправности блока питания, через который осуществляется передача тока, устройство прекратит работу. Кроме того, работа такого устройства возможна только при высоком давлении, которое поддерживается с помощью насоса. В случае неисправности насоса, подача воды не будет осуществлена и устройство не будет работать.
Известно техническое решение, выбранное в качестве ближайшего аналога, представляющее собой систему умного полива, содержащую центральную систему управления, сконфигурированную для получения информации о внешней среде, имеющую пользовательский интерфейс и планировщик задач в виде процессора. Планировщик задач содержит приемник, настроенный на получение графика полива, процессор, для преобразования графика полива в ряд управляющих сигналов, которые распознает контроллер полива, и интерфейс сигнала для подключения к контроллеру. Питание системы умного полива осуществляется от внешней сети или от аккумулятора, подключенного к солнечной панели. Исполнительным механизмом подачи воды является система клапанов. Патент US на изобретение №9414552, МПК A01G25/16; G05B15/02, опубликован 05.11.2015.
Общими признаками заявляемого решения и известного аналога являются:
- исполнительный механизм подачи воды;
- блок управления с микроконтроллером;
- независимый вход для подключения внешних датчиков;
- привод для управления исполнительным механизмом подачи воды;
- энергонезависимая память;
- радио-трансивер;
- радио-трансивер выполнен в виде микрочипа с возможностью передавать и принимать информацию по беспроводным сетям;
- элемент электропитания, выполненный в виде аккумуляторной батареи;
- элемент электропитания подключен к солнечной батарее.
Отличительными признаками заявляемого решения являются:
- элемент электропитания подключен к гидрогенератору исполнительного механизма подачи воды с возможностью получать питание при открытом состоянии исполнительного механизма подачи воды;
- исполнительный механизм подачи воды выполнен в виде шарового моторизованного крана.
В известном техническом решении устройство получает питание посредством подключения к внешней сети электропитания, либо за счет аккумулятора и солнечной батареи. Такое устройство является частично автономным и нестабильным, так как основное энергоснабжение осуществляется за счет внешней электрической сети. В случае отключения электроэнергии, питание устройства будет зависеть только от солнечной панели, что не является надежным источником. Кроме того, используемые в таком устройстве клапаны не обеспечивают работу устройства при нулевом давлении в трубопроводе.
Технический результат заявляемого технического решения проявляется в повышении надежности устройства. Питание устройства от солнечной панели и гидрогенератора делает его полностью автономным, так как даже при отсутствии освещения солнечной панели, подзарядка аккумулятора осуществляется при работе исполнительного механизма подачи воды, что обеспечивает стабильное энергоснабжение устройства. Кроме того, исполнительный механизм подачи воды, выполненный в виде шарового моторизованного крана, обеспечивает возможность использования устройства при нулевом давлении в водопроводе.
Технический результат достигается тем, что в устройстве автоматической подачи воды, содержащем исполнительный механизм подачи воды, блок управления с микроконтроллером, связанные с блоком управления независимый вход  для подключения внешних датчиков, привод для управления исполнительным механизмом подачи воды, энергонезависимую память, радио-трансивер, выполненный в виде микрочипа с возможностью передавать и принимать информацию по беспроводным сетям, и элемент электропитания, выполненный в виде аккумуляторной батареи и подключенный к солнечной батарее, согласно заявляемому решению исполнительный механизм подачи воды содержит гидрогенератор, к которому подключен элемент электропитания с возможностью получать питание при открытом состоянии исполнительного механизма подачи воды. Исполнительный механизм подачи воды может быть выполнен в виде шарового моторизованного крана, в частном случае реализации, имеющего нормально закрытое состояние.
Исполнительный механизм подачи воды, в частности, выполненный в виде шарового моторизованного крана, является одним из основных узлов устройства, обеспечивающих его работу. При выполнении исполнительного механизма подачи воды в виде шарового моторизованного крана, повышается надежность устройства, обеспечивая возможность его использования при нулевом давлении в водопроводе, а также автоматизированное и/или дистанционное управление потоком воды. Исполнительный механизм подачи воды может быть выполнен таким образом, что он имеет нормально закрытое состояние, что исключает неконтролируемый расход жидкости при сбое в работе устройства. Однако выполнение исполнительного механизма подачи воды не ограничивается таким вариантом исполнения. Он может иметь как нормально закрытое, так и нормально открытое состояние, а также может и не иметь фиксированного нормального состояния, то есть всегда остается в открытом/закрытом состоянии до тех пор, пока не поступает команда на его закрытие/открытие.
Блок управления с микроконтроллером является функциональным узлом устройства, с помощью которого производится выполнение алгоритма работы исполнительного механизма подачи воды, что обеспечивает надежную работу устройства.
Независимый вход для подключения внешних датчиков, связанный с блоком управления, позволяет создавать и/или корректировать алгоритм работы исполнительного механизма подачи воды на основании данных, зарегистрированных датчиками. С помощью датчиков осуществляется регистрация и обработка данных о состоянии окружающей среды, а также их передача на устройство пользователя или сервер. Таким образом, исполнительный механизм не будет запущен, например, в дождь. Или запустится ранее некоторого стандартного времени, при снижении уровня влаги в почве ниже установленного порога.
Энергонезависимая память является средством хранения алгоритмов в виде программ, необходимых для выполнения работы исполнительного механизма подачи воды. В частности, время открытия и закрытия крана, в зависимости от показателей внешних условий, зарегистрированных датчиками, или других заложенных параметров.
Радио-трансивер, выполненный в виде микрочипа, служит для осуществления приема и передачи информации на внешний сервер или для связи с устройством пользователя напрямую по беспроводным сетям.
Элемент электропитания, выполненный в виде аккумуляторной батареи, подключенной к солнечной батарее и гидрогенератору исполнительного механизма подачи воды, обеспечивает надежность устройства за счет его автономного энергоснабжения.
Гидрогенератор исполнительного механизма подачи воды заряжает аккумулятор в процессе работы, что позволяет стабилизировать параметры энергоснабжения, улучшить существенность выходного напряжения, и, как следствие, обеспечить надежность устройства.
Заявляемое устройство для автоматической подачи воды далее поясняется с помощью блок-схемы предпочтительного варианта исполнения устройства, представленной на фигуре.
На фиг.1 изображено устройство (1) автоматической подачи воды, которое включает блок управления (2) с микроконтроллером (3), связанные с блоком управления (2) независимый вход (4) для подключения внешних датчиков, привод (5) для управления исполнительным механизмом (6) подачи воды, энергонезависимую память (7), радио-трансивер (8), элемент электропитания (9), подключенный к солнечной батарее (10) и к гидрогенератору (11) исполнительного механизма (6) подачи воды.
Далее со ссылками на фигуру описана конструкция устройства автоматической подачи воды.
Устройство (1) содержит блок управления (2) с микроконтроллером (3), являющимися функциональным узлом устройства (1), обеспечивающим выполнение алгоритмов его работы. Устройство (1) содержит независимый вход (4) для подключения внешних датчиков, таких как: датчики влажности почвы, датчики влажности воздуха, датчики атмосферного давления, датчики температуры воздуха, датчики температуры почвы. Устройство (1) включает исполнительный механизм (6) подачи воды, снабженный приводом (5), обеспечивающим его открытие или закрытие. Исполнительный механизм (6) подачи воды может представлять собой моторизованный шаровой гидравлический кран, а в качестве привода (5) выполнен сервопривод с зубчатой передачей. Приводом (5) исполнительного механизма (6) подачи воды управляет электроника блока (2) управления с микроконтроллером (3), при подаче напряжения на привод, кран меняет свое состояние закрыто/открыто.
Устройство (1) включает энергонезависимую память (7), в которой хранятся алгоритмы работы исполнительного механизма (6) подачи воды в виде программ для выполнения блоком управления (2) с микроконтроллером (3).
Блок управления (1) с микроконтроллером (2) связан с радио-трансивером (8), выполненным в виде микрочипа для осуществления приема и передачи информации по беспроводным сетям на внешний сервер, или для связи с мобильным устройством напрямую. В частности, в качестве радио-трансивера (8) может быть использован GSM/GPRS модуль.
Источником стабильного энергоснабжения в устройстве служит элемент электропитания (9), выполненный в виде аккумуляторной батареи, получающий энергию от гидрогенератора (11) и солнечной панели (10), при этом элемент электропитания (9) подключен к гидрогенератору (11) исполнительного механизма (6) подачи воды с возможностью получать питание при открытом состоянии исполнительного механизма (6) подачи воды.
Микроконтроллер (3) блока (2) управления может быть выполнен с запрограммированным уникальным номером, зашифрованным в QR-код, для его распознавания через приложение мобильного устройства или персональный компьютер пользователя.
Устройство может быть выполнено в герметичном корпусе, с высоким классом защиты, например, IP65, и подключено к водопроводу через присоединительные элементы, преимущественно фитинги.
Один из предпочтительных вариантов использования заявленного устройства (1) продемонстрирован далее на примере.
Производится идентификация QR-кода устройства (1) через приложение мобильного устройства или ПК, преимущественно на базе операционных систем Android или iOS, и дальнейшая настройка устройства, в частности, настройка алгоритмов работы исполнительного механизма (6) подачи воды.
Например, пользователь может настроить исполнительный механизм (6) подачи воды на открытие при понижении влажности почвы ниже заданного значения. Количество воды, подаваемой на участок, может определяться временем открытия исполнительного механизма (6) подачи воды, либо достижением необходимого значения влажности почвы. Все вышеперечисленные значения времени, влажности и т.п. могут так же задаваться пользователем. Устройство (1) является независимой единицей, с возможностью объединения в группу устройств, работающих по одному алгоритму. Пользователь может в приложении открывать/закрывать исполнительный механизм (6) подачи воды отдельного устройства либо их группы.
Устройство (1) устанавливается на водопровод, проложенный к целевому объекту, например, к теплице.
Датчики, подключенные к независимому входу (4), связанному с устройством (1), регистрируют показатели, а радио-ресивер (8) подает их в виде данных (температура, давление, влажность) на устройство пользователя, например, мобильный телефон или ПК, или на сервер. Те же данные поступают на блок управления (2) устройства (1) и используются микроконтроллером (3) для выполнения алгоритма работы исполнительного механизма (6) подачи воды, сохраненного в энергонезависимой памяти. Данные, поступившие на сервер, подвергаются обработке, хранению и дальнейшей передаче на устройство пользователя, например, посредством сети Internet.
Непосредственное управление исполнительным механизмом (6) подачи воды может производиться с помощью блока управления (2), через связанный с ним привод (5), по заложенному алгоритму либо по командам с устройства пользователя. При наступлении события, требующего подачи воды к целевому объекту, например, датчик влажности почвы зафиксировал значение ниже порогового или поступила команда от мобильного устройства пользователя, данное событие обрабатывается микроконтроллером (3), который формирует сигнал подачи напряжения на привод (5) на открытие исполнительного механизма (6) подачи воды. При получении данного сигнала происходит подача напряжения от элемента электропитания (9) к приводу (5). От привода (5) через зубчатую передачу передается крутящий момент на запирающий шаровой механизм крана (заслонка в кране отодвигается, занимая открытое положение) и происходит подача воды к целевому объекту. Поток воды может быть также осуществлен и при нулевом давлении в трубопроводе.
Поток воды приводит в работу гидрогенератор (11), который в свою очередь начинает вырабатывать и подавать энергию на элемент электропитания (9). Накоплению энергии элемента электропитания (9) так же способствует солнечная панель (10). Таким образом, обеспечивается заряд элемента электропитания (9) и, как следствие, стабильность энергоснабжения устройства (1).
При наступлении события, требующего прекратить подачу воды к целевому объекту, например, после определенного времени или по команде от мобильного устройства пользователя, данное событие обрабатывается микроконтроллером (3), который формирует сигнал снятия напряжения с привода (5). Кран исполнительного механизма (6) подачи воды закрывается (заслонка крана сдвигается, занимая закрытое положение) и прерывается поток воды.
Мониторинг состояния устройства (1) или их группы также может осуществляться пользователем через мобильное приложение.
Представленные фигуры, описание конструкции и использования устройства не исчерпывают возможные варианты исполнения и не ограничивают каким-либо образом объем заявляемого технического решения. Возможны иные варианты исполнения и использования в объеме заявляемой формулы. В зависимости от назначения, устройство автоматической подачи воды может быть изготовлено разных размеров, цветов и конфигураций.
Устройство автоматической подачи воды характеризуется высокой надежностью за счет маловероятного риска отказа, независимых от внешней электрической сети, гидрогенератора и солнечной панели, заряжающих элемент питания, являющегося источником стабильного энергоснабжения устройства; возможности использования устройства при нулевом давлении в водопроводе при выполнении исполнительного механизма подачи воды в виде шарового моторизованного крана.
С помощью заявляемого устройства могут быть организованы системы капельного и струйного полива в крытых теплицах и оранжереях и для ирригационных работ на открытом пространстве. Кроме использования в небольших частных хозяйствах, устройство может быть использовано и для организации автоматических систем подачи свежей чистой воды в поилки на животноводческих фермерских хозяйствах разной направленности и размеров. Также с его помощью можно настроить систему для ирригации полей различных сельскохозяйственных культур, в том числе и наиболее эффективным методом капельного полива.