基于A(yíng)rduino的智能?chē)婎^研究和設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)當(dāng)前園林中存在的噴灌設(shè)備位置固定導(dǎo)致噴灑面積不能完全滿(mǎn)足不同地形噴灌需求的問(wèn)題，提出一種可根據(jù)噴灌邊界需求隨意改變噴灌邊界的方法并加以驗(yàn)證，再結(jié)合傳感器對(duì)周?chē)h(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并上傳云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)園林噴灌系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控，進(jìn)行可行性驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，文中設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)中的單個(gè)智能?chē)婎^可隨著綠化邊界不同而覆蓋不同的噴灌面積。通過(guò)反復(fù)性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可行、可控，對(duì)節(jié)水、節(jié)能和精確灌溉具有重要意義。

關(guān)鍵詞：變域噴灌；Arduino；俯仰角；云平臺(tái)；遠(yuǎn)程監(jiān)控；噴灑域

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274；S24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）06-00-05

0 引 言

噴灌是對(duì)城市綠化一種有效的灌溉方式，目前噴灌系統(tǒng)以定半徑圓形噴灑面積的噴灌為主。但實(shí)際上不同區(qū)域?qū)姽嗝娣e的需求不同，如噴灌邊界遇到道路需要縮小噴灌面積，避免噴灑至路面；坡面和平面土壤濕度不同，所需水量不同等[1]。為解決上述問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)有傳感網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)某區(qū)域內(nèi)噴頭的智能化改造。利用傳感器采集環(huán)境溫濕度、土壤溫濕度，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)將采集的數(shù)據(jù)有選擇地上傳至云平臺(tái)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。噴灌系統(tǒng)的整體、個(gè)性化特征直接影響著噴灌效率及水資源利用率[2]。噴灌傳感網(wǎng)示意圖如圖1所示。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

噴灌系統(tǒng)中的噴頭是實(shí)施噴灌的關(guān)鍵設(shè)備之一，本設(shè)計(jì)針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)智慧噴灌系統(tǒng)中的智能?chē)婎^進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，選取搖臂式噴頭進(jìn)行智能改造。智能?chē)婎^分全功能智能?chē)婎^和精簡(jiǎn)功能智能?chē)婎^。根據(jù)噴頭所處位置，對(duì)遠(yuǎn)離邊界，相對(duì)距離較近，所處土壤環(huán)境、地形相似的噴頭統(tǒng)一部署，選擇性攜帶溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器等采集周?chē)h(huán)境。邊界附近噴頭為全功能智能?chē)婎^，除采集信息外，可很好地減小云端負(fù)荷，縮短延遲。為滿(mǎn)足不同范圍的噴灌需求，噴頭的噴射量程可變[3]?；谝陨戏治?，全功能?chē)婎^主要通過(guò)噴頭智能化設(shè)計(jì)，利用超聲波傳感器采集邊界信息，實(shí)現(xiàn)了一種低成本不規(guī)則噴灑域的計(jì)算方法，結(jié)合溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器等進(jìn)行可控噴灌，并可云端控制[4]。

1.1 系統(tǒng)組成

文中研究的以變域噴灌為主的全智能?chē)婎^，需在360°搖臂噴頭上安裝控制器、傳感器等智能設(shè)備，為減小云端負(fù)荷，可根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)改變噴頭的轉(zhuǎn)速和噴灑域，根據(jù)需要選擇數(shù)據(jù)上傳云端，通過(guò)云平臺(tái)Web可視化界面、微信小程序、移動(dòng)可視化界面監(jiān)控設(shè)備。系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

系統(tǒng)可分為硬件、軟件、云平臺(tái)、可視化界面和微信小程序。

硬件主要采用node MCU作為主控制器，外接溫濕度傳感器、防水超聲波測(cè)距傳感器、土壤濕度傳感器和步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)等。核心主板的處理器模塊為基于ESP8266的可編程WiFi模塊，具有編程能力和WiFi聯(lián)網(wǎng)功能，有很好的擴(kuò)展性[5-6]。

信號(hào)采集部分的土壤濕度傳感器接入主控制器，溫濕度傳感器和超聲波測(cè)距傳感器接入從控制器1；系統(tǒng)執(zhí)行部分控制噴頭水平旋轉(zhuǎn)的3個(gè)步進(jìn)電機(jī)中的2個(gè)接入從控制器1，控制噴頭俯仰角的舵機(jī)接入從控制器1；另一個(gè)協(xié)助噴頭水平旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)接入從控制器2。因?yàn)闇貪穸葌鞲衅?、土壤濕度傳感器等所測(cè)環(huán)境不同，單控制器易繞線(xiàn)，為后續(xù)拓展，防止負(fù)載太大，故角度控制亦采用多控制器，數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi傳輸。

1.2 系統(tǒng)功能

本設(shè)計(jì)通過(guò)壓片可調(diào)的變域噴頭，在不同壓力、不同環(huán)境下自動(dòng)控制俯仰角，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)按需噴灌[7-9]。結(jié)合目前的云平臺(tái)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，利用微信小程序快捷管控[10]。經(jīng)過(guò)重復(fù)性試驗(yàn)，系統(tǒng)通過(guò)自學(xué)習(xí)可合理動(dòng)態(tài)設(shè)置閾值，變域噴灌系統(tǒng)較傳統(tǒng)圓形噴灌或方形噴灌系統(tǒng)更靈活，控制更便捷；可通過(guò)微信小程序隨時(shí)遠(yuǎn)程控制。試驗(yàn)表明，本系統(tǒng)可提高園林噴灌效率，可通過(guò)云平臺(tái)及Web和移動(dòng)端進(jìn)行可視化監(jiān)控，或通過(guò)微信控制，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用意義。

本系統(tǒng)以ESP8266開(kāi)發(fā)板為控制器，采用超聲波測(cè)距傳感器測(cè)出非噴灑區(qū)域邊界，根據(jù)噴灑范圍與俯仰角的關(guān)系，通過(guò)控制俯仰角來(lái)控制噴灌范圍。通過(guò)該控制器也可以根據(jù)溫濕度、土壤濕度來(lái)設(shè)定澆水的頻率與時(shí)間。

（1）制定常態(tài)化噴灌策略。由于不同地域地形不同，環(huán)境各異，植物生長(zhǎng)規(guī)律差異，制定定時(shí)變速?lài)姽嗖呗?，在保證綠植良好生長(zhǎng)的同時(shí)，節(jié)約寶貴的水資源。利用土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器等檢測(cè)環(huán)境參數(shù)，設(shè)置個(gè)性化噴灌時(shí)間和水平轉(zhuǎn)速。在干旱的環(huán)境下，定時(shí)噴灌時(shí)間加長(zhǎng)或旋轉(zhuǎn)速度降低，使土壤更好地吸收水份；反之，縮短噴灌時(shí)間或加快旋轉(zhuǎn)速度。具體而言，首先，采集實(shí)時(shí)溫濕度信息、氣象信息和土壤信息，設(shè)置常規(guī)噴灌時(shí)間。如夏天上午噴灌

10分鐘，下午噴灌10分鐘，冬天中午噴灌5分鐘等；其次，采集土壤濕度傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)土壤的濕度來(lái)設(shè)置噴頭旋轉(zhuǎn)速度，如濕度過(guò)低將減慢步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使噴灑區(qū)域增大噴灑水量；濕度過(guò)高需加快步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使噴頭快速轉(zhuǎn)過(guò)該區(qū)域，減小噴灑水量。

（2）制定隨需變域噴灌策略[8]。根據(jù)不同噴灑區(qū)域，改變噴頭俯仰角，按需噴灌。處于道路邊緣的噴頭根據(jù)超聲波測(cè)距改變噴頭俯仰角，達(dá)到可噴灌范圍內(nèi)的最大半徑，根據(jù)監(jiān)測(cè)的邊界，縮小噴灌范圍，避免可噴灌范圍內(nèi)無(wú)需噴灑的區(qū)域[9]。

（3）設(shè)計(jì)多控制器遠(yuǎn)程傳輸控制，解決超負(fù)載問(wèn)題及遠(yuǎn)程傳輸問(wèn)題。采用WiFi實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸控制，根據(jù)噴灑域內(nèi)的土壤溫度、環(huán)境等控制噴灌，并實(shí)時(shí)在線(xiàn)測(cè)控[4]。通過(guò)云平臺(tái)監(jiān)測(cè)所需的設(shè)備及其工作狀態(tài)。通過(guò)微信小程序控制開(kāi)關(guān)，實(shí)時(shí)顯示噴頭所在位置的溫濕度以及土壤濕度等[11]。

2 硬件系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)包括搖臂式噴頭、主控制器、噴嘴、擋水壓片、驅(qū)動(dòng)組件、超聲波傳感器、舵機(jī)安裝筒、轉(zhuǎn)動(dòng)水管等。工作時(shí)，安裝筒固定在土壤上，擋水壓片用于控制噴嘴處水流的方向。全功能智能?chē)婎^示意圖如圖3所示，噴頭硬件搭建實(shí)物如

圖4所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可以利用衛(wèi)星定界、紅外探測(cè)定界計(jì)算邊界域，但由于成本較高，且對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性要求較高，因此文中設(shè)計(jì)利用超聲波檢測(cè)、云下制動(dòng)控制方式，此舉既實(shí)現(xiàn)了邊界的判定，也減小了云端負(fù)荷。

3.1 邊界計(jì)算方法

以噴頭位置O點(diǎn)為原點(diǎn)，程序設(shè)計(jì)以右向水平角度為初始0°，設(shè)噴頭旋轉(zhuǎn)角度為α。當(dāng)α達(dá)到∠BOC時(shí)，根據(jù)俯仰角與半徑的關(guān)系，改變其俯仰角，使其半徑動(dòng)態(tài)減小，直至旋轉(zhuǎn)至∠BOE時(shí)，恢復(fù)俯仰角為0°，以最大半徑旋轉(zhuǎn)。通過(guò)超聲波檢測(cè)傳輸距離，得到所需俯仰角度。噴灌區(qū)域示意圖如圖5所示。

計(jì)算出實(shí)地道路至噴頭的距離，設(shè)其值為y：

（1）

考慮到拋物線(xiàn)根據(jù)俯仰角改變，運(yùn)算較復(fù)雜，而實(shí)際工程應(yīng)用對(duì)該距離的精度要求不高，故采用實(shí)驗(yàn)方法找出俯仰角與噴灌距離的關(guān)系。試驗(yàn)時(shí)噴頭轉(zhuǎn)速可根據(jù)水壓力、流量等自動(dòng)調(diào)整，故可忽略實(shí)時(shí)的水壓和流量。為簡(jiǎn)化試驗(yàn)，選擇在場(chǎng)地平整、地面坡度小于1%的地面，進(jìn)行橫向180°噴灑試驗(yàn)。

將壓片與噴頭平行的位置設(shè)為0°，開(kāi)始測(cè)試不同俯仰角對(duì)應(yīng)的噴灑距離。利用重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，測(cè)得多組數(shù)據(jù)，求解噴灌距離和俯仰角關(guān)系擬合多項(xiàng)式。噴灌半徑與俯仰角的關(guān)系曲線(xiàn)如圖6所示。

經(jīng)分析，曲線(xiàn)符合多項(xiàng)式趨勢(shì)線(xiàn)，當(dāng)階數(shù)為2時(shí)，決定系數(shù)為0.922；階數(shù)為3時(shí)，決定系數(shù)為0.973 2；階數(shù)為4時(shí)，決定系數(shù)為0.985 6；階數(shù)為5時(shí)，決定系數(shù)為0.991 6。考慮實(shí)地誤差影響較少，且可實(shí)地糾錯(cuò)，選擇階數(shù)為4，以決定系數(shù)為0.985 6的多項(xiàng)式作設(shè)計(jì)依據(jù)，得出擬合多項(xiàng)式：

（2）

式中：俯仰角度為α；噴灌距離為y。根據(jù)式（2）可得出不同噴灌半徑所需設(shè)置的俯仰角度。

3.2 噴灑域設(shè)計(jì)

用防水超聲波檢測(cè)路面距離，當(dāng)設(shè)備檢測(cè)到路面邊界時(shí)，需要控制器驅(qū)動(dòng)舵機(jī)帶動(dòng)壓片旋轉(zhuǎn)至指定角度，完成壓水花操作[12-13]。噴灑域變域流程如圖7所示。

3.3 其它智能功能

通過(guò)溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器采集環(huán)境參數(shù)，決定水平旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制噴灑的水量[14]。通過(guò)調(diào)整傳感器精度，根據(jù)植物對(duì)空氣溫濕度需求、土壤干濕程度、作物對(duì)土壤濕度的要求，通過(guò)反復(fù)性實(shí)驗(yàn)設(shè)置干、潮、濕閾值，并對(duì)不同情況進(jìn)行轉(zhuǎn)速設(shè)置。使得系統(tǒng)在干燥土壤處轉(zhuǎn)速緩慢，灑水量大；在晴天且潮濕土壤處轉(zhuǎn)速中等，灑水量中等；不論晴雨，當(dāng)土壤潮濕且可滿(mǎn)足植物需求時(shí)，全速轉(zhuǎn)動(dòng)，灑水量較少；下雨時(shí)自動(dòng)關(guān)閉噴頭；當(dāng)土壤達(dá)到所需濕度時(shí)，噴頭噴灌自動(dòng)停止。水平旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)如圖8所示。

4 試驗(yàn)測(cè)試效果

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件，在地面坡度小于1%的地面對(duì)設(shè)定噴灑半徑和俯仰角的關(guān)系進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，得到噴頭俯仰角與半徑關(guān)系，見(jiàn)表1所列。

由于實(shí)驗(yàn)室所用泵壓力較小，故噴灌半徑較近，若改為真正的園林噴灌水壓，理論上可滿(mǎn)足所需要求，再結(jié)合傳感器決定噴頭轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而精準(zhǔn)控制噴水量。

5 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，將采集的數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的處理上傳和上層管理指令的執(zhí)行[15]。

5.1 Web配網(wǎng)流程

為方便無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸，解決不在已存網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)控制器無(wú)法上網(wǎng)的問(wèn)題，對(duì)控制器進(jìn)行Web配網(wǎng)，由此可在任何一個(gè)有WiFi熱點(diǎn)的環(huán)境下隨時(shí)連接網(wǎng)絡(luò)。為了實(shí)現(xiàn)Web配網(wǎng)，讓ESP8266開(kāi)啟WebServer服務(wù)器。Web配置如圖9所示。

若有存儲(chǔ)的WiFi熱點(diǎn)，主控制器作為客戶(hù)端接入網(wǎng)絡(luò)；若網(wǎng)絡(luò)不存在，則通過(guò)Web配網(wǎng)，控制器自身作為AP實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)。主設(shè)備配網(wǎng)界面如圖10所示。

5.2 云平臺(tái)可視化

為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將控制器采集的數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)，故先連接至云平臺(tái)[8]，再抓取云平臺(tái)數(shù)據(jù)傳送至微信小程序、Web可視化界面和移動(dòng)可視化界面，可實(shí)時(shí)在電腦端和手機(jī)端監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行情況及環(huán)境參數(shù)。

在云平臺(tái)上不僅可以進(jìn)行變域噴灌的監(jiān)測(cè)，還可實(shí)現(xiàn)常規(guī)光照、土壤溫濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

5.2.1 Web可視化設(shè)計(jì)與部署

通過(guò)Web可視化界面可以實(shí)時(shí)監(jiān)控噴灌系統(tǒng)狀況，根據(jù)需要添加光照、土壤濕度等傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)。云平臺(tái)Web可視化界面如圖11所示。

5.2.2 移動(dòng)可視化設(shè)計(jì)

移動(dòng)可視化設(shè)計(jì)有利于實(shí)地巡查，實(shí)時(shí)更改工作狀態(tài)。通過(guò)云平臺(tái)監(jiān)測(cè)傳感器采集的數(shù)據(jù)，人工控制系統(tǒng)設(shè)備。移動(dòng)可視化界面如圖12所示。

6 微信小程序

本設(shè)計(jì)利用微信小程序可以開(kāi)啟或關(guān)閉設(shè)備，也可查看設(shè)備上傳的各傳感器數(shù)據(jù)，無(wú)需中間服務(wù)器。阿里云物聯(lián)網(wǎng)IoT平臺(tái)將設(shè)備數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)至微信小程序，使用戶(hù)可以直觀(guān)看到數(shù)據(jù)并采取措施。微信小程序連接成功及數(shù)據(jù)展示如

圖13所示。

7 結(jié) 語(yǔ)

為滿(mǎn)足園林噴灌需求，設(shè)計(jì)了采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸和控制系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，用戶(hù)可通過(guò)Web、移動(dòng)端、微信小程序?qū)υO(shè)備進(jìn)行控制并查看環(huán)境信息。該設(shè)計(jì)集傳感采集、數(shù)據(jù)上報(bào)、設(shè)備聯(lián)動(dòng)于一體，提出了變域噴灌的解決方案并展示了實(shí)驗(yàn)結(jié)果[13]。本系統(tǒng)為避免云平臺(tái)數(shù)據(jù)流超負(fù)荷，未將所有數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)。對(duì)有必要監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)主控制器上傳至云平臺(tái)，并進(jìn)行流轉(zhuǎn)獲取，作為Web可視界面、移動(dòng)端數(shù)據(jù)來(lái)源和微信小程序數(shù)據(jù)來(lái)源。當(dāng)多噴頭系統(tǒng)進(jìn)行如此改進(jìn)后，可遠(yuǎn)程對(duì)綠地或園林噴灌進(jìn)行控制，極大減輕了人工負(fù)荷。

該裝置實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，消除了大量布線(xiàn)存在的短路隱患，減輕了單一控制器負(fù)載負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)了智能?chē)婎^不規(guī)則噴灑域噴灌，在節(jié)省大量人力成本的同時(shí)也降低了用水量[11]；利用內(nèi)外雙齒輪、三步進(jìn)電機(jī)控制支架從而控制噴頭旋轉(zhuǎn)，借助外層管起到了很好的防水作用。

注：本文通訊作者為楊寧。

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基金項(xiàng)目：2020年內(nèi)蒙古電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院校內(nèi)科技項(xiàng)目：不規(guī)則覆蓋面積的智能?chē)姼认到y(tǒng)設(shè)計(jì)（KZY202003）

作者簡(jiǎn)介：楊 寧（1986—），女，碩士，講師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。