基于Arduino的智能噴頭研究和設(shè)計(jì)

摘 要：針對當(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足不同地形噴灌需求的問題，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)合傳感器對周圍環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并上傳云平臺，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)的無線傳感網(wǎng)中的單個智能噴頭可隨著綠化邊界不同而覆蓋不同的噴灌面積。通過反復(fù)性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可行、可控，對節(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；遠(yuǎn)程監(jiān)控；噴灑域

中圖分類號：TP274；S24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）06-00-05

0 引 言

噴灌是對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，通過無線傳感網(wǎng)將采集的數(shù)據(jù)有選擇地上傳至云平臺，并進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。噴灌系統(tǒng)的整體、個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)針對物聯(lián)網(wǎng)智慧噴灌系統(tǒng)中的智能噴頭進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，選取搖臂式噴頭進(jìn)行智能改造。智能噴頭分全功能智能噴頭和精簡功能智能噴頭。根據(jù)噴頭所處位置，對遠(yuǎn)離邊界，相對距離較近，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圍環(huán)境。邊界附近噴頭為全功能智能噴頭，除采集信息外，可很好地減小云端負(fù)荷，縮短延遲。為滿足不同范圍的噴灌需求，噴頭的噴射量程可變[3]。基于以上分析，全功能噴頭主要通過噴頭智能化設(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噴頭，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，通過云平臺Web可視化界面、微信小程序、移動可視化界面監(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、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個步進(jìn)電機(jī)中的2個接入從控制器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)闇貪穸葌鞲衅鳌⑼寥罎穸葌鞲衅鞯人鶞y環(huán)境不同，單控制器易繞線，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WiFi傳輸。

1.2 系統(tǒng)功能

本設(shè)計(jì)通過壓片可調(diào)的變域噴頭，在不同壓力、不同環(huán)境下自動控制俯仰角，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)過重復(fù)性試驗(yàn)，系統(tǒng)通過自學(xué)習(xí)可合理動態(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；可通過微信小程序隨時遠(yuǎn)程控制。試驗(yàn)表明，本系統(tǒng)可提高園林噴灌效率，可通過云平臺及Web和移動端進(jìn)行可視化監(jiān)控，或通過微信控制，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用意義。

本系統(tǒng)以ESP8266開發(fā)板為控制器，采用超聲波測距傳感器測出非噴灑區(qū)域邊界，根據(jù)噴灑范圍與俯仰角的關(guān)系，通過控制俯仰角來控制噴灌范圍。通過該控制器也可以根據(jù)溫濕度、土壤濕度來設(shè)定澆水的頻率與時間。

（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，植物生長規(guī)律差異，制定定時變速噴灌策略，在保證綠植良好生長的同時，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環(huán)境參數(shù)，設(shè)置個性化噴灌時間和水平轉(zhuǎn)速。在干旱的環(huán)境下，定時噴灌時間加長或旋轉(zhuǎn)速度降低，使土壤更好地吸收水份；反之，縮短噴灌時間或加快旋轉(zhuǎn)速度。具體而言，首先，采集實(shí)時溫濕度信息、氣象信息和土壤信息，設(shè)置常規(guī)噴灌時間。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)土壤的濕度來設(shè)置噴頭旋轉(zhuǎn)速度，如濕度過低將減慢步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使噴灑區(qū)域增大噴灑水量；濕度過高需加快步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使噴頭快速轉(zhuǎn)過該區(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)測的邊界，縮小噴灌范圍，避免可噴灌范圍內(nèi)無需噴灑的區(qū)域[9]。

（3）設(shè)計(jì)多控制器遠(yuǎn)程傳輸控制，解決超負(fù)載問題及遠(yuǎn)程傳輸問題。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)時在線測控[4]。通過云平臺監(jiān)測所需的設(shè)備及其工作狀態(tài)。通過微信小程序控制開關(guān)，實(shí)時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)動組件、超聲波傳感器、舵機(jī)安裝筒、轉(zhuǎn)動水管等。工作時，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。全功能智能噴頭示意圖如圖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、紅外探測定界計(jì)算邊界域，但由于成本較高，且對網(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、云下制動控制方式，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，根據(jù)俯仰角與半徑的關(guān)系，改變其俯仰角，使其半徑動態(tài)減小，直至旋轉(zhuǎn)至∠BOE時，恢復(fù)俯仰角為0°，以最大半徑旋轉(zhuǎn)。通過超聲波檢測傳輸距離，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)時噴頭轉(zhuǎn)速可根據(jù)水壓力、流量等自動調(diào)整，故可忽略實(shí)時的水壓和流量。為簡化試驗(yàn)，選擇在場地平整、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°，開始測試不同俯仰角對應(yīng)的噴灑距離。利用重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，測得多組數(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)系曲線如圖6所示。

經(jīng)分析，曲線符合多項(xiàng)式趨勢線，當(dāng)階數(shù)為2時，決定系數(shù)為0.922；階數(shù)為3時，決定系數(shù)為0.973 2；階數(shù)為4時，決定系數(shù)為0.985 6；階數(shù)為5時，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，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)

用防水超聲波檢測路面距離，當(dāng)設(shè)備檢測到路面邊界時，需要控制器驅(qū)動舵機(jī)帶動壓片旋轉(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]。通過調(diào)整傳感器精度，根據(jù)植物對空氣溫濕度需求、土壤干濕程度、作物對土壤濕度的要求，通過反復(fù)性實(shí)驗(yàn)設(shè)置干、潮、濕閾值，并對不同情況進(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)土壤潮濕且可滿足植物需求時，全速轉(zhuǎn)動，灑水量較少；下雨時自動關(guān)閉噴頭；當(dāng)土壤達(dá)到所需濕度時，噴頭噴灌自動停止。水平旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)如圖8所示。

4 試驗(yàn)測試效果

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，理論上可滿足所需要求，再結(jié)合傳感器決定噴頭轉(zhuǎn)動速度，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)時監(jiān)控，將采集的數(shù)據(jù)上傳至云平臺，實(shí)現(xiàn)對環(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

為方便無線數(shù)據(jù)與云平臺的數(shù)據(jù)傳輸，解決不在已存網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)控制器無法上網(wǎng)的問題，對控制器進(jìn)行Web配網(wǎng)，由此可在任何一個有WiFi熱點(diǎn)的環(huán)境下隨時連接網(wǎng)絡(luò)。為了實(shí)現(xiàn)Web配網(wǎng)，讓ESP8266開啟WebServer服務(wù)器。Web配置如圖9所示。

若有存儲的WiFi熱點(diǎn)，主控制器作為客戶端接入網(wǎng)絡(luò)；若網(wǎng)絡(luò)不存在，則通過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 云平臺可視化

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

在云平臺上不僅可以進(jìn)行變域噴灌的監(jiān)測，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。

5.2.1 Web可視化設(shè)計(jì)與部署

通過Web可視化界面可以實(shí)時監(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的數(shù)據(jù)。云平臺Web可視化界面如圖11所示。

5.2.2 移動可視化設(shè)計(jì)

移動可視化設(shè)計(jì)有利于實(shí)地巡查，實(shí)時更改工作狀態(tài)。通過云平臺監(jiān)測傳感器采集的數(shù)據(jù)，人工控制系統(tǒng)設(shè)備。移動可視化界面如圖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)，無需中間服務(wù)器。阿里云物聯(lián)網(wǎng)IoT平臺將設(shè)備數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)至微信小程序，使用戶可以直觀看到數(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

為滿足園林噴灌需求，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，用戶可通過Web、移動端、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、設(shè)備聯(lián)動于一體，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)為避免云平臺數(shù)據(jù)流超負(fù)荷，未將所有數(shù)據(jù)上傳云平臺。對有必要監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過主控制器上傳至云平臺，并進(jìn)行流轉(zhuǎn)獲取，作為Web可視界面、移動端數(shù)據(jù)來源和微信小程序數(shù)據(jù)來源。當(dāng)多噴頭系統(tǒng)進(jìn)行如此改進(jìn)后，可遠(yuǎn)程對綠地或園林噴灌進(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)了智能噴頭不規(guī)則噴灑域噴灌，在節(jié)省大量人力成本的同時也降低了用水量[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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作者簡介：楊 寧（1986—），女，碩士，講師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、無線通信技術(shù)。