智能噴灌系統(tǒng)設計及射程計算

楊 寧

（內(nèi)蒙古電子信息職業(yè)技術學院 電子與自動化學院，呼和浩特 010010）

隨著城市綠化面積不斷增大，綠化噴灌用水已不容忽視，我國水資源較為匱乏，且分布不均，所以不斷推行節(jié)水節(jié)能噴灌。目前園林噴灌系統(tǒng)大多采用管道輸水，通過園林內(nèi)噴頭，將有壓水流噴灌地表，均勻噴灌[1]。文獻[2]針對目前智能噴灌系統(tǒng)指出，通過物聯(lián)網(wǎng)噴灌系統(tǒng)可以實現(xiàn)多單元共同采集，一單元可容納多個傳感器，從而采集區(qū)域內(nèi)土壤、環(huán)境參數(shù)。文獻[3]針對不同地形，提出噴頭的布置有適合地形規(guī)則、平整矩形布置、適合地形不規(guī)則和起伏較大的菱形，并提出根據(jù)風速設計的噴頭組合間隔布置。單噴頭水量分布是進行組合噴頭水量分布的基礎數(shù)據(jù)，通常噴灌系統(tǒng)的組合噴灌水量分布由單噴頭的水量分布數(shù)據(jù)通過疊加計算得到，需要重復性試驗得到數(shù)據(jù)[4]，費時費力。文獻[5]針對單噴頭射程最優(yōu)化提出，噴頭仰角、壓強、噴嘴直徑、射程的關系。

本設計經(jīng)過分析設計，對單噴頭所涉及的噴灌面積進行動態(tài)控制，避免了以上布置遺留的缺陷，也避免了大量重復進行組合噴灌。在單噴頭上進行智能改造，使其可達到按需噴灌，包括定時噴灌、按既定面積噴灌、按土壤干濕程度噴灌的智能噴灌。

1 系統(tǒng)整體設計

目前噴灌系統(tǒng)主要管道鋪設，整個園區(qū)統(tǒng)一噴灌，園林噴灌主要噴頭為360°的搖臂式噴頭，機械調(diào)整角度設計噴灌區(qū)域。前期調(diào)研高度可調(diào)噴頭并不是綠化噴灌主流使用設備，作為主流噴頭的搖臂式噴頭，改變其噴頭高低，需對噴頭下端支管進行改造且需靈活伸縮；若通過控制器控制，電子系統(tǒng)需精密防水設計；若機械設計，需支管不斷借助某外力摩擦實現(xiàn)，2 種方法均成本較高，不適用。綜上分析，考慮其實現(xiàn)難度及成本等因素，本設計選用通過改搖臂式噴頭俯仰角，從而改變噴灌范圍的方案[6]。

本系統(tǒng)一方面借鑒智能農(nóng)業(yè)，常規(guī)環(huán)境監(jiān)控。在噴頭上安裝所需傳感器，設計成智能噴頭，不同的綠植需不同的水量，針對不同季節(jié)、不同溫度制定每日的噴灌時間，根據(jù)土地的溫度，更改在該區(qū)域的噴灌時長。另一方面根據(jù)綠植區(qū)域，改變噴頭俯仰。根據(jù)綠植改變噴頭俯仰角，使其滿足按需噴灌的噴灑域，既能滿足可噴灌范圍內(nèi)的最大半徑面積，又避免可噴灌范圍內(nèi)的小路等不需噴灑的區(qū)域[7]。智能噴灌如圖1 所示。

圖1 智能噴灌示意圖

2 噴頭硬件系統(tǒng)

噴頭硬件系統(tǒng)是在360°搖臂噴頭上安裝數(shù)據(jù)采集模塊、控制器（數(shù)據(jù)處理模塊）、無線模塊[8]。噴頭根據(jù)環(huán)境所需，分單元布置，設每20 個噴頭為一單元。單元管控噴頭布置根據(jù)位置不同，設置為3 類：測距式噴頭、環(huán)境采集式噴頭、自備式噴頭。測距式噴頭通過超聲波測距，實現(xiàn)射程的計算，根據(jù)射程和俯仰角關系進行噴灌；環(huán)境采集式噴頭，對噴頭噴灌區(qū)內(nèi)溫度、濕度、土壤濕度進行采集，并據(jù)此進行轉(zhuǎn)速和噴灌時長的設置。對處于園林邊緣或者小路附近的噴頭選擇測距式噴頭；對于園區(qū)內(nèi)部的噴頭選擇環(huán)境采集式噴頭；對于周圍環(huán)境相似，間隔環(huán)境采集式噴頭較近的噴頭可選擇自備式噴頭，即暫不安裝傳感器，只安裝傳輸模塊。以上3 類噴頭均通過無線通信模塊傳輸，并進行控制。噴頭基本組成為如圖2 所示。

圖2 噴頭智能組件組成

欲實現(xiàn)的基本功能有：①通過監(jiān)控實時的溫濕度信息、氣象信息等設置噴灌時間，并進行水量微調(diào)。②通過土壤濕度傳感器，可以根據(jù)土壤的濕度來進行噴頭旋轉(zhuǎn)速度設置，如濕度過低將減慢步進電機的速度，增加噴灌水量，濕度較大，加快轉(zhuǎn)速，減小噴灌水量來進行灌溉。若土壤濕度已飽和，自動停止噴灌。③根據(jù)噴頭設置位置，在道路邊緣的噴頭根據(jù)超聲波測距改變噴頭俯仰角，從而縮小噴灌范圍，使水全部噴灑在綠化地中。

3 射程功能實現(xiàn)方案

一般對于中射程噴頭旋轉(zhuǎn)一周為1～3 min，遠射程噴頭旋轉(zhuǎn)一周為3～5 min。目前，估算旋轉(zhuǎn)式噴頭射程的經(jīng)驗公式如卡瓦扎公式、常文海公式、馮傳達公式和加維林公式[9]。本設計提出自己的已驗公式，并與傳統(tǒng)射程的經(jīng)驗公式對比，論證方案可行性。

3.1 噴頭射程建模

由于水流運動具有復雜性，水柱分散成水滴。水滴沿射出方向會變大，在噴射半徑末端一般出現(xiàn)水滴直徑的最大值。

理論推導較為困難，基于經(jīng)驗，噴頭射程遠近由地形坡度、噴射仰角、噴嘴直徑、工作壓強和旋轉(zhuǎn)速度等因素決定。

根據(jù)影響因素可得如下函數(shù)式[5]

式中：R 為噴頭射程，m；p 為工作壓強，MPa；d 為噴嘴直徑，mm；θ 為噴射仰角，°。

通過文獻[9]中提出前人常用的經(jīng)驗公式相同的形式

式中：ζ、α、β、γ 為系數(shù)，對于同一單元內(nèi)已定的噴頭，即θ，d，p 已確定，這4 個未知數(shù)根據(jù)試驗數(shù)據(jù)給出的4 個以上方程式可求得。

3.2 噴頭射程公式

根據(jù)式（2），結合實際情況分析。同一園區(qū)水壓相等，相同設備直徑參數(shù)一定，選取不同壓力下的射程公式。

3.2.1 環(huán)境采集式噴頭射程

用最小二乘法，可通過反復測試結果，可能得到回歸系數(shù)，于是得旋轉(zhuǎn)式噴頭射程公式對于環(huán)境采集式噴頭，射程需盡可能大，為既定仰角最大值

通過多次反復實驗，求得不同壓力下的射程，得到壓強和射程的關系。

3.2.2 測距式噴頭射程

對于一工作噴頭，工作壓強、噴嘴直徑均固定，所以主要影響射程的因素為仰角。

即可簡化為

根據(jù)此函數(shù)進行實驗測試。同理，試驗次數(shù)越多，給出的方程式也越多，誤差也越小。對此，本設計根據(jù)公式，根據(jù)實際情況可以進行公式轉(zhuǎn)換。

3.3 實驗測試

1）在現(xiàn)有實驗室條件下，以最噴射壓片與噴射無影響射出平行為0°，通過調(diào)節(jié)俯仰角從而改變其射程，記錄不同俯仰角下射程變化，根據(jù)多次反復性試驗，探究俯仰角和射程的關系。其中實驗設置參數(shù)見表1。

表1 實驗參數(shù)

2）射程輸出特性。根據(jù)測試方案得到不同俯仰角下的射程變化如圖3 所示，以射程為橫坐標，俯仰角為縱坐標。

圖3 噴頭俯仰角和射程的關系圖

將其射程與俯仰角建立二維模型，通過matlab 擬合（圖4），二階函數(shù)基本可以滿足擬合需求。

圖4 噴頭俯仰角和射程擬合圖

設其模型為

滿足95%擬合度下系數(shù)

3.4 結果分析

與其他在28～30°最優(yōu)噴射俯仰角之間，風速小于0.9 m/s 的情況下得到的經(jīng)驗公式比較[10]。

以壓力20MPa，噴嘴直徑4.0mm 為例，俯仰角為23°。

卡瓦扎公式

常文海公式

加維林公式

馮傳達公式

式中：R 為射程，m；d 為噴嘴直徑，mm；p 為噴嘴前壓力水頭，m；μ 為流量系數(shù)，取0.8；α 為噴射俯仰角，°。

根據(jù)文獻[10-11]實驗數(shù)據(jù)，定30°噴射俯仰角的噴頭，卡瓦扎公式和常文海公式相對誤差較大。從公式看出其只與工作壓力和噴嘴直徑有關，與俯仰角無關。文獻[11]論證得，從加維林公式在計算噴頭射程時相對誤差較大，并計算得最大相對誤差48%、99%。而馮傳達公式誤差較小，但比論文公式誤差較大。

4 其他智能功能系統(tǒng)設計

硬件主要采用node MCU 作為主控制器，根據(jù)布置，不同位置的噴頭根據(jù)需求搭載外接溫濕度傳感器、防水超聲波測距傳感器、土壤濕度傳感器和步進電機、舵機等執(zhí)行元件構成。噴頭完整智能硬件組成如圖5所示。以Arduino 為核心主板的處理器搭載各種傳感器，無線聯(lián)網(wǎng)模塊，有很好的擴展性。

圖5 噴頭完整智能硬件組成圖

4.1 環(huán)境采集式噴頭設計

環(huán)境采集式噴頭設計如圖6 所示，采集溫濕度、光照、土壤濕度等參數(shù)，按需將數(shù)據(jù)上傳云平臺。并根據(jù)其進行功能轉(zhuǎn)速和噴灌時間參數(shù)設置，步進電機控制水平方向的旋轉(zhuǎn)，可控制旋轉(zhuǎn)的速度和旋轉(zhuǎn)的角度。若間距布局較近，光照、溫濕度傳感器、土壤傳感器均可交錯配置，在滿足環(huán)境采集的要求中，又降低了成本，減輕了噴頭上負載承重。

4.2 測距式噴頭設計

本系統(tǒng)以ESP8266 開發(fā)板為控制器，用超聲波測距傳感器測出非噴灑區(qū)域邊界，并將其數(shù)據(jù)傳至微處理器1，按需上傳云平臺。根據(jù)噴灑范圍與俯仰角的關系，通過控制俯仰角而控制噴灌范圍。測距噴灌系統(tǒng)如圖7 所示。

5 結束語

在本文的設計中，智能噴灌系統(tǒng)設計包括采集傳感系統(tǒng)、無線傳輸模塊、云平臺3 個部分。采集傳感系統(tǒng)中根據(jù)噴頭位置布置，選取必要傳感器，實現(xiàn)射程按需變化，采集光照、溫度、土壤濕度等參數(shù)，并按需安裝，實現(xiàn)智能噴灌，也可將數(shù)據(jù)無線傳輸匯總，最終選取所需數(shù)據(jù)上傳云平臺，進行監(jiān)控。根據(jù)理論分析，及核心功能的實現(xiàn)，論證了本設計的科學性，對于節(jié)水灌溉有一定的工程意義。