基于物聯網技術的沙化河岸防風固沙裝置設計

胡浩博，方兆琪，賀怡，段士博，馬惠鋮，王海軍

（1.延安大學西安創新學院，陜西 西安 710100；2.西安理工大學，陜西 西安 710100）

0 引 言

隨著社會經濟的高速發展，人與自然和諧相處顯得尤為重要。為了實現人與自然的協調可持續發展，人們應增強接近自然、熱愛自然、保護自然、修復自然的意識。在沙化河岸防風固沙中，通過人工灌溉修復生態環境具有修復效率低下、成本高且修復周期長等缺點。為此，本文設計一種基于物聯網技術的沙化河岸防風固沙灌溉裝置，用于自然生態的修復，踐行“綠水青山就是金山銀山”的理念[1]。沙化河岸防風固沙灌溉裝置由機械車和存儲水箱組成，集機械設計、物聯網技術和傳感器技術等于一體，能夠實現機械化的生態修復，具有高效率、低成本、智能化、便攜等優點。在實際應用中，能夠高效完成林帶灌溉等生態修復任務。此外，儲水箱也可裝生態修復液，進行沙土環境的植被修復[2]。裝置結構簡明、應用簡便、清潔環保，在一定程度上能夠進一步有效地解決我國沙化河岸以及土地荒漠化地區的防風固沙治理問題。

1 系統整體設計

沙化河岸防風固沙林帶的灌溉裝置總體設計方案集機械設計技術、傳感器技術、物聯網技術等于一體，針對底層沙化河岸的環境感知、灌溉修復，通過物聯網中間件（Air724UG 4G LET通信模塊）感知環境數據的傳輸，再到物聯網云端（中國電信物聯網開放平臺，簡稱Ctwing平臺）進行數據存儲、分析及可視化。本套裝置采用“端-管-云”一體，進一步打破傳統的生態灌溉修復模式[3-5]。裝置總體設計框圖如圖1所示。

圖1 裝置總體設計框圖

2 裝置底層實現

裝置設計以“綠水青山就是金山銀山”為理念、“防風治沙、熱愛自然”為設計要求，采用CAD建模、測試，選購環保式設計器材、高精度傳感器等，搭建“端-管-云”一體的防風固沙、生態修復的完整體系。

裝置底層由機械車、多重傳感器、灌溉修復水箱等實體組成，機械車中部采用機械轉軸，以增強車體在沙化河岸路面移動的靈動性。機械車體外圍裝有監測沙化河岸環境的多重傳感器，進行環境感知、監測。機械車體后方固定有儲水箱用于灌溉水的存儲[6]。裝置底層機械車主觀設計如圖2所示。

圖2 裝置底層機械車主觀設計

2.1 裝置底層轉軸的設計

機械車底層轉軸是連接車體前后兩部分的重要連接體，該轉軸中間利用圓筒連接轉軸前后兩部分，以降低轉軸轉動過程中的摩擦力。轉軸上設有螺絲孔，用于與機械車體的銜接固定。裝置底層轉軸設計如圖3所示。

圖3 裝置底層轉軸設計

2.2 裝置底層存儲水箱設計

本套裝置是一種環保式沙化河岸的防風固沙的灌溉裝置，灌溉裝置主體為儲水箱。儲水箱采用環保式亞克力板，箱體為方形，長100 mm、寬100 mm、高100 mm。箱體底角采用固定螺絲與機械車身進行連接與固定。灌溉水泵處于箱體的正中間，在箱體一層有出水小孔，用于灌溉出水；儲水箱亦可裝生物修復液，對林帶植被用生物修復液進行修復，實現箱體的雙重復用功能以及資源充分化[7]。裝置儲水箱體設計如圖4所示。

圖4 裝置儲水箱體設計

2.3 裝置底層中間件作用及功能

沙化河岸防風固沙林帶灌溉裝置中的物聯網中間件使用上海合宙通信科技的Air724UG 4G LET模塊，主要負責底層數據與中國電信物聯網開放平臺的通信，該模塊具有4G基站定位功能，既可以實時將系統底層數據進行上云操作，又可通過基站對此灌溉修復裝置進行定位，構建沙化河岸環境監測網。裝置將機械設計技術、傳感器技術與物聯網技術相結合，主要應用于沙化河岸等植被破壞的生態待修復地域。該套灌溉裝置利用光敏傳感器、土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器等多重智能傳感器輔助環境修復，可進一步降低人力成本、經濟成本，達到科學灌溉、智能監測、自主移動，能夠進一步推動我國機械設計技術、物聯網技術與我國環境沙化治理的緊密結合，實現我國沙化河岸等沙化環境的機械智能化治理。

裝置中間件與Ctwing平臺連接，充分利用云平臺的資源，實現云平臺與沙化河岸防風固沙林帶灌溉裝置的緊密結合。裝置底層端進行數據感知、控制灌溉，物聯網中間件進行數據傳輸，Ctwing云平臺進行數據存儲、分析以及可視化[8]。云端再通過分析的數據反饋給系統底層，系統進行全雙工通信、雙向約束，共同實現對裝置的控制，以實現該機械灌溉裝置的云管理模式。

3 裝置整體外形設計

通過機械車移動在河岸水源處進行存儲水箱儲水；儲水完成后，機械車移至需要灌溉修復的林帶植被區域進行灌溉；機械車體表面裝有傳感器，感知裝置所在的待修復區域狀況。通過傳感器感知數據，反饋至云平臺處理，平臺對底層數據進行分析，下發指令給底層，通過儲水箱對沙化河岸林帶進行灌溉與生態修復，防止水土流失，治理沙化土地[9]。裝置整體外形設計如圖5所示。

圖5 裝置整體外形設計

沙化河岸的防風固沙林帶裝置采用機械車與儲水箱結合設計。車體底板采用軟不銹鋼材質，該材質具有薄、輕、透等特點；底板上設有多空螺絲插桿，用于儲水箱與車體的緊密固定。儲水箱底角四周采用環保實用的亞克力板設計，保證了灌溉水箱能更好地固定于車體上，在機械車底板上打穿4個可插入的螺絲孔，用于灌溉水箱的固定。

4 裝置底層與云圖設計

沙化河岸的防風固沙林帶裝置通過底層機械車實現灌溉裝置的靈活移動。在車體底層裝有多重傳感器，進行必要的沙化河岸林帶環境的感知；機械車以STM32F103系列控制器作為控制主板，通過手機APP或者無線手柄對機械車進行控制，實現機械車自動行駛、平移，以解放人力；灌溉裝置采用Arduino開發板作為底層的灌溉控制板，進行沙化河岸林帶的灌溉與生態修復[10]。裝置底層與云圖設計如圖6所示。

圖6 裝置底層與云圖設計

5 裝置的創新點

5.1 機械設計技術與物聯網技術的結合

灌溉裝置以Arduino UNO作為主控芯片，采用編程語言對灌溉環境溫濕度、光照值、土壤濕度等沙化河岸環境參數進行綜合設置，實現對灌溉水泵的控制；并將所感知的環境量上傳至中國電信物聯網開放平臺，根據云平臺特點進行數據的存儲、分析、可視化，以此實現科學灌溉、科學生態修復、科學沙化治理等。

5.2 傳感器技術的使用

裝置采用多重傳感器，激光PM2.5傳感器、溫濕度傳感器、光敏傳感器、土壤濕度傳感器等智能傳感器，檢測沙化河岸、荒漠地區的環境狀況。采集裝置所在環境的溫濕度、PM2.5、光照值、土壤濕度等信息，將采集到的信息通過底層控制板Arduino主控傳送給Air724 4G通信模塊，通信模塊收到感知的數據后發送至物聯網云端，進行數據存儲、分析及可視化。用戶可遠程觀察云平臺界面或手機APP獲取沙化河岸灌溉狀況及沙漠化修復程度等數據。

5.3 智能灌溉及修復

裝置主控低功耗單片機作為灌溉裝置的主控芯片控制灌溉水泵，當土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器、激光PM2.5傳感器等監測的綜合數值出現異常時，水泵進行灌溉作業。工作人員只須對裝置進行定期檢查、保養即可，能夠進一步解放人力，降低人力和時間等成本。

6 結 語

本裝置具有防風固沙、修復生態等實用價值和經濟價值。實用價值主要體現在裝置是基于物聯網技術、機械設計技術等，更加機械化、智能化、便捷化，針對人群廣泛、簡單、易操作，并可應用于沙化河岸防風固沙、土地荒漠生態修復等方面。經濟價值主要體現在裝置在自然修護、生態保護、林帶灌溉、防風固沙等方面具有良好的效果，并且可以節省人力和時間成本。