基于微水發(fā)電系統(tǒng)的智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備研發(fā)及應(yīng)用

李可欣，鄭源*，陳躍鋼，高偉

(1. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100； 2. 寧波市中燦電子科技有限公司，浙江 寧波 315016； 3. 山東省水量計(jì)量中心，山東 濰坊 261031)

當(dāng)今世界許多國(guó)家正面臨水資源危機(jī)，12億人用水短缺，30億人缺乏用水衛(wèi)生設(shè)施，每年有約350萬(wàn)人死于與水有關(guān)的疾病[1].在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展與水資源短缺矛盾日趨嚴(yán)重的情況下，確保經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，制定科學(xué)的節(jié)水發(fā)展模式，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義.中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，同時(shí)也是一個(gè)水資源緊缺的國(guó)家，農(nóng)業(yè)灌溉用水量占到總用水量的一半以上[2].水資源危機(jī)帶來的生態(tài)系統(tǒng)惡化和生物多樣性被破壞，也將嚴(yán)重威脅人類生存.因此，節(jié)水是人類面臨的重要課題.

對(duì)于節(jié)水技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都已進(jìn)行了大量研究.王建國(guó)[3]指出，采用低壓輸水管道技術(shù)及高效的新型灌溉節(jié)水技術(shù)(如生物技術(shù)、信息技術(shù)以及智能技術(shù)等)均可提高現(xiàn)有的節(jié)水灌溉效率.農(nóng)蘭英[4]研究表明，應(yīng)用真空節(jié)水技術(shù)并設(shè)置水表計(jì)量器等可以實(shí)現(xiàn)建筑給排水中的節(jié)能節(jié)水.王金輝[5]介紹了水利工程建設(shè)中常用的節(jié)水灌溉技術(shù)，并分析了節(jié)水灌溉水利工程施工技術(shù)要點(diǎn).閆偉等[6]提出加大新型材料和設(shè)備的研發(fā)及推廣應(yīng)用可以降低供水耗能.鄭巍[7]指出，研發(fā)可降解材料、建立殘膜回收的長(zhǎng)效機(jī)制，才能夠提高水資源的利用率，降低農(nóng)業(yè)用水對(duì)于水資源的消耗.ZHAI等[8]在2012—2015年進(jìn)行用于冬小麥生產(chǎn)的微噴灌溉大田試驗(yàn)，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的漫灌相比，90 mm水微噴3次和120 mm水微噴4次的用水效率分別提高了22.5%和16.2%，同時(shí)蒸散分別減少了17.6%和10.8%.SURENDRAN等[9]論述了采用AWD-交替干濕法的創(chuàng)新節(jié)水技術(shù).

在節(jié)水節(jié)能的設(shè)備方面，范小娟等[10]通過對(duì)冷卻塔循環(huán)冷卻水節(jié)能分析以及進(jìn)塔水流的富裕能量研究，開發(fā)了一種低比轉(zhuǎn)數(shù)混流式水輪機(jī).謝堅(jiān)等[11]為充分利用高層建筑采暖系統(tǒng)回水余壓,開發(fā)了一種微型混流式水輪機(jī),以代替采暖系統(tǒng)中的回水阻力調(diào)節(jié)閥.張?zhí)m金等[12]研制了一種由冷卻塔中冷卻循環(huán)水驅(qū)動(dòng)的微型水輪機(jī)，但該水輪機(jī)的水力效率較低，水力損失較大.PORKUMARAN等[13]利用生活水箱及管道水流的殘余壓力，集成可再生資源與供水設(shè)備，提出一種新的微管內(nèi)水力發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以部署在市政和農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)，產(chǎn)生可持續(xù)的清潔能源.

上述學(xué)者的研究大都在宏觀層面分析論證應(yīng)用于冷卻塔和采暖系統(tǒng)的微型水輪機(jī)，并未涉及應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉的微型管道水輪機(jī)智慧發(fā)電系統(tǒng)，且對(duì)于微型水輪機(jī)壓力脈動(dòng)的研究較少.文中將詳細(xì)介紹應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)灌溉的微型管道水輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，以及配套使用的前端和終端設(shè)備，并研究其壓力脈動(dòng)特性，以期設(shè)備能高效穩(wěn)定運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)水節(jié)能的目的，為智慧農(nóng)業(yè)及物聯(lián)網(wǎng)前端數(shù)據(jù)采集提供一種可行的方案.

1 微型管道水輪機(jī)的工作原理及設(shè)計(jì)

為解決水資源短缺及環(huán)保節(jié)能問題，文中設(shè)計(jì)一種安裝在水管中的微型水輪機(jī)(見圖1)，利用管道中的水流余壓推動(dòng)其旋轉(zhuǎn)做功，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，進(jìn)而對(duì)前端檢測(cè)設(shè)備供電.

圖1 微型管道水輪機(jī)結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structural model of micro-piped turbine

水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪處于封閉管道中，水流在通過轉(zhuǎn)輪葉片流道時(shí)，始終是連續(xù)充滿整個(gè)轉(zhuǎn)輪的有壓流動(dòng)，并在轉(zhuǎn)輪葉片的約束下，不斷地改變流速的大小和方向，從而在轉(zhuǎn)輪葉片正背面形成一定的壓力差，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn).水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械能通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，是管道水流發(fā)電系統(tǒng)的重要設(shè)備.

整個(gè)水流發(fā)電系統(tǒng)封閉安置于一個(gè)長(zhǎng)方形盒子中，盒子采用鐵材料制成，尺寸為70 mm×50 mm×30 mm，如圖2所示.安裝時(shí)，將盒子底部固定，盒子的進(jìn)水口和出水口分別與供水管相接，水流從水龍頭流出前先流經(jīng)水輪機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電.

圖2 水流發(fā)電系統(tǒng)封閉盒Fig.2 Closed box of water flow power generation system

根據(jù)國(guó)家管網(wǎng)供水壓力服務(wù)規(guī)范的要求，城市供水管網(wǎng)末梢的供水壓力為0.14 MPa，即水頭為14 m，管道中水頭大部分用于驅(qū)動(dòng)水流流動(dòng)，用于驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)做功的水頭僅占小部分.鑒于管道中存在水力損失，取水頭為3 m.根據(jù)實(shí)際自來水管規(guī)格尺寸，四分管的直徑為15 mm，設(shè)定水流流速為1.5 m/s，由流量計(jì)算公式可以求得設(shè)計(jì)流量為0.265 kg/s.

水輪機(jī)初步設(shè)計(jì)為混流式，上冠和下環(huán)的形狀為曲線型.轉(zhuǎn)輪直徑D1=30 mm，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)Zr=13，葉片厚度ξ=1 mm.固定導(dǎo)葉分布圓直徑D0=33 mm，導(dǎo)葉數(shù)Zg=12，選用負(fù)曲度葉型.蝸殼選用圓形和橢圓形斷面相結(jié)合的形式，包角Φ=345°.選用直錐形尾水管，尾水管長(zhǎng)度L=15 mm，錐角θ=12°，出口直徑受自來水管管徑的限制，取D=15 mm.

2 數(shù)值計(jì)算方法及驗(yàn)證

2.1 網(wǎng)格劃分

應(yīng)用ICEM軟件對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于水輪機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用自適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，對(duì)轉(zhuǎn)輪及固定導(dǎo)葉等關(guān)鍵部位進(jìn)行局部加密以捕獲復(fù)雜流場(chǎng)細(xì)節(jié)，并將近壁區(qū)的y+控制為30～100.圖3為微型管道水輪機(jī)網(wǎng)格劃分示意圖.經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最終確定計(jì)算網(wǎng)格數(shù)約為305萬(wàn)，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.26以上.

圖3 水輪機(jī)整體網(wǎng)格劃分Fig.3 Overall grid division of turbine

2.2 邊界條件設(shè)置

數(shù)值計(jì)算采用三維不可壓縮N-S方程，選用SSTk-ω湍流模型[14]，計(jì)算精度設(shè)為10-5.選用無滑移壁面，壁面粗糙度設(shè)為1.6 μm.進(jìn)口邊界條件設(shè)為質(zhì)量流量進(jìn)口，進(jìn)口流量Q=0.265 kg/s.出口邊界條件設(shè)置為靜壓出口，p=0.轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速設(shè)為3 500 r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)閺纳贤驴礊轫槙r(shí)針.動(dòng)靜交界面設(shè)置為凍結(jié)轉(zhuǎn)子(frozen rotor)類型.

2.3 初始模型及其優(yōu)化后計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，初始模型水輪機(jī)出力為4.76 W，效率為82.99%，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)為出力P=6.00 W，以供配套檢測(cè)設(shè)備啟動(dòng)，效率為85.00%.

文中采用正交試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，選取效率和出力為評(píng)判指標(biāo).選擇轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)、固定導(dǎo)葉葉型、固定導(dǎo)葉數(shù)和固定導(dǎo)葉開度共4個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)因素取3個(gè)水平.轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)的3個(gè)水平分別為11，13和15.固定導(dǎo)葉葉型的3個(gè)水平分別為負(fù)曲度導(dǎo)葉、對(duì)稱曲度導(dǎo)葉和正曲度導(dǎo)葉.固定導(dǎo)葉數(shù)的3個(gè)水平分別為12，14和16.固定導(dǎo)葉開度的3個(gè)水平分別為23°，25°和27°.設(shè)計(jì)一組四因素三水平L9(34)的正交試驗(yàn)方案，并對(duì)9種不同方案在設(shè)計(jì)流量點(diǎn)處的混流式水輪機(jī)性能進(jìn)行計(jì)算.

將9組計(jì)算結(jié)果分別進(jìn)行直觀分析、極差分析、和綜合頻率分析，綜合3種分析結(jié)果，確定最佳試驗(yàn)方案為轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)15，固定導(dǎo)葉葉型選用負(fù)曲度導(dǎo)葉，固定導(dǎo)葉數(shù)16，固定導(dǎo)葉開度25°.最佳試驗(yàn)方案的出力為6.30 W，效率為85.13%，與初步設(shè)計(jì)方案相比，分別提高了32.35%和2.58%.

2.4 數(shù)值計(jì)算方法的試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)優(yōu)化后的微型管道水輪機(jī)進(jìn)行模型試驗(yàn)測(cè)試，為降低加工制造的難度，蝸殼和尾水管均采用工程塑料聚酰胺材料，利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)成型.按照1∶1的模型比尺制作實(shí)物模型，如圖4所示.

圖4 水輪機(jī)實(shí)物模型Fig.4 Physical model of turbine

試驗(yàn)在浙江省某公司自主研發(fā)的流量測(cè)試機(jī)試驗(yàn)臺(tái)(見圖5)上進(jìn)行.流速測(cè)量采用江蘇南水水務(wù)科技有限公司生產(chǎn)的LS1206B型旋槳式流速儀，該儀器測(cè)速范圍為0.5～7.0 m/s，相對(duì)誤差≤±5%，測(cè)量水管內(nèi)10個(gè)點(diǎn)處速度的平均值作為流速.將模型水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口安裝在試驗(yàn)臺(tái)上的水管出口處，通過流量測(cè)試機(jī)輸入水輪機(jī)的進(jìn)口流量值，啟動(dòng)測(cè)試儀器，并用萬(wàn)用表測(cè)量電流，以計(jì)算出力.

圖5 水輪機(jī)模型測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)Fig.5 Test bench for turbine model test

通過試驗(yàn)測(cè)量了流速為0.8 m/s，即進(jìn)口流量為0.140 kg/s時(shí)水輪機(jī)的運(yùn)行情況，此時(shí)水輪機(jī)仍能啟動(dòng)，但是出力很小，只有0.44 W，試驗(yàn)可知該水輪機(jī)在進(jìn)口流量大于0.140 kg/s時(shí)均能啟動(dòng).

圖6為不同流量工況下數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試得到的出力曲線對(duì)比.

圖6 不同工況下數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)的出力對(duì)比Fig.6 Comparison of numerical simulation results and experimental results under different working conditions

由圖6可以看出，整體上，水輪機(jī)模型試驗(yàn)測(cè)得的出力比數(shù)值計(jì)算的出力低，主要原因是試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的指標(biāo)是水輪機(jī)經(jīng)過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換之后得到實(shí)際出力，而數(shù)值計(jì)算考察的是水輪機(jī)的出力，并沒有經(jīng)過發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)換，并且試驗(yàn)時(shí)制作的模型采用的是塑料材料，轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)與轉(zhuǎn)輪室之間產(chǎn)生摩擦，而數(shù)值模擬并沒有考慮兩者間的摩擦.同時(shí)，水輪機(jī)尺寸很小，葉片和固定導(dǎo)葉都很精細(xì)，模型制作出來的葉片和固定導(dǎo)葉相比數(shù)值計(jì)算時(shí)有所偏差.此外，用電表測(cè)量電流時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一定的測(cè)量誤差.流量較小時(shí)，誤差較大，主要是因?yàn)樵谛×髁抗r下，流道內(nèi)水流流態(tài)較差，水流紊亂，導(dǎo)致在試驗(yàn)測(cè)量時(shí)測(cè)量值波動(dòng)較大造成試驗(yàn)值和數(shù)值模擬計(jì)算值誤差偏大.

總體上，水輪機(jī)數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)量誤差值在10%以內(nèi)，當(dāng)流量較大時(shí)，誤差小于5%，符合工程實(shí)際要求，這表明文中所采用的數(shù)值計(jì)算方法是可靠的.

3 壓力脈動(dòng)特性分析

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為充分研究水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)內(nèi)部的壓力脈動(dòng)特性，在水輪機(jī)內(nèi)部共布置22個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中：蝸殼沿水流方向布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為A1，A2，…，A5；固定導(dǎo)葉中心高度處沿導(dǎo)葉翼型從葉尖開始，沿導(dǎo)葉外側(cè)到內(nèi)側(cè)方向繞一圈等距布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為B1，B2，…，B5；葉片正面和背面的中心高度處沿進(jìn)水邊到出水邊分別等距布置12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，正面為D1，D2，…，D6，背面為E1，E2，…，E6.各監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示.

圖7 水輪機(jī)過流部件監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.7 Location of monitoring points of hydraulic turbine

當(dāng)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力呈周期性變化時(shí)，開始輸出壓力脈動(dòng)時(shí)域信息.為保證非定常數(shù)值計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定與準(zhǔn)確，并適當(dāng)減輕對(duì)計(jì)算機(jī)性能和配置的要求，文中數(shù)值計(jì)算設(shè)置每個(gè)周期轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)一圈，采樣時(shí)間為8個(gè)周期，取最后2個(gè)周期的結(jié)果對(duì)水輪機(jī)的壓力脈動(dòng)進(jìn)行分析.

3.2 壓力脈動(dòng)特性分析

將數(shù)值計(jì)算得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)的時(shí)域值經(jīng)快速傅里葉變換得到頻域值.為更準(zhǔn)確表示水輪機(jī)內(nèi)部壓力脈動(dòng)特性，定義量綱為一的壓力脈動(dòng)系數(shù)Cp，即

(1)

式中：pi為i時(shí)刻測(cè)得的絕對(duì)壓力；pave為絕對(duì)壓力的時(shí)均值.

在設(shè)計(jì)流量工況下，對(duì)各過流部件內(nèi)的壓力脈動(dòng)進(jìn)行計(jì)算.

3.2.1 蝸殼內(nèi)壓力脈動(dòng)

圖8為蝸殼內(nèi)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖及頻域圖，可以看出，蝸殼內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)呈現(xiàn)周期性變化，主頻為15倍轉(zhuǎn)頻，即葉片通過頻率(即葉頻，fb=875 Hz)，次頻為2倍葉頻(1 750 Hz)，這說明蝸殼內(nèi)主要受固定導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪之間動(dòng)靜干涉的影響.壓力脈動(dòng)系數(shù)幅值沿水流方向的變化不大，均在0.040左右.在鼻端監(jiān)測(cè)點(diǎn)A5處壓力脈動(dòng)系數(shù)幅值最大，為0.049，這是由于鼻端處水流斷面突變，水流流態(tài)較為不均，更易受轉(zhuǎn)輪葉片旋轉(zhuǎn)的影響.

圖8 蝸殼內(nèi)壓力脈動(dòng)Fig.8 Pressure pulsation in volute

3.2.2 固定導(dǎo)葉壓力脈動(dòng)

圖9為固定導(dǎo)葉5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖及頻域圖，可以看出，固定導(dǎo)葉上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)呈周期性變化，主頻為葉頻，次頻為2倍葉頻和3倍葉頻.在導(dǎo)葉外側(cè)，沿導(dǎo)葉進(jìn)水邊到出水邊，壓力脈動(dòng)系數(shù)幅值逐漸增大，在導(dǎo)葉出水邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)B1處壓力脈動(dòng)系數(shù)幅值最大，為0.088.在導(dǎo)葉內(nèi)側(cè)，沿導(dǎo)葉進(jìn)水邊到出水邊方向，壓力脈動(dòng)系數(shù)幅值先增大后減小，但進(jìn)水邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)B4處幅值仍較出水邊幅值小.在導(dǎo)葉中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)B5處壓力脈動(dòng)系數(shù)幅值最大，為0.400，且在該處壓力脈動(dòng)頻率出現(xiàn)2倍葉頻和3倍葉頻，其幅值為葉頻的1/2n(n為葉頻倍數(shù)).整體上，導(dǎo)葉出水邊的壓力脈動(dòng)系數(shù)幅值較進(jìn)水邊的大，導(dǎo)葉內(nèi)側(cè)的壓力脈動(dòng)系數(shù)幅值較外側(cè)的大，內(nèi)側(cè)的壓力脈動(dòng)系數(shù)幅值是外側(cè)的4.5倍.由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)B5位于導(dǎo)葉內(nèi)側(cè)的低壓區(qū)，此處水流流速較快，轉(zhuǎn)輪葉片旋轉(zhuǎn)對(duì)其產(chǎn)生的影響更為顯著.

圖9 固定導(dǎo)葉壓力脈動(dòng)Fig.9 Pressure pulsation in fixed guide vane

3.2.3 葉片壓力脈動(dòng)

圖10為葉片上12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖及頻域圖，可以看出：葉片各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)呈周期性變化，葉片正面的壓力脈動(dòng)主頻為15倍轉(zhuǎn)頻和16倍轉(zhuǎn)頻，即葉頻(875 Hz)和固定導(dǎo)葉通過頻率(933 Hz)，次頻為2倍葉頻和3倍葉頻；葉片正面沿進(jìn)水邊到出水邊方向，壓力脈動(dòng)系數(shù)幅值先減小后增大，葉片進(jìn)水邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)D1處的壓力脈動(dòng)主頻為葉頻，其幅值為0.250；葉片出水邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)D6處的壓力脈動(dòng)主頻為導(dǎo)葉通過頻率，其幅值為0.460，是葉頻幅值的1.84倍；葉片背面的壓力脈動(dòng)主頻為固定導(dǎo)葉通過頻率，其幅值在葉片背面進(jìn)水邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)E1處最大，為2.710，這說明在轉(zhuǎn)輪內(nèi)部，壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的主要原因是固定導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)引起的動(dòng)靜干涉作用，且固定導(dǎo)葉通過頻率占主導(dǎo)地位.

圖10 葉片壓力脈動(dòng)Fig.10 Pressure pulsation on blade

4 智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端與前端系統(tǒng)

4.1 智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端灌溉及檢測(cè)設(shè)備

4.1.1 終端設(shè)備

為使設(shè)備一站式滿足用戶供能、控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽闹修饤壛藗鹘y(tǒng)單一模塊構(gòu)成形式，進(jìn)行了功能整合設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)諸多功能，如環(huán)境監(jiān)測(cè)、土壤檢測(cè)及設(shè)備報(bào)修等，終端設(shè)備實(shí)物如圖11所示.

圖11 終端設(shè)備實(shí)物圖Fig.11 Physical picture of terminal equipment

此終端設(shè)備采用上述微水輪機(jī)進(jìn)行自發(fā)電，無需外接電源，省略了傳統(tǒng)的電源供給，節(jié)能環(huán)保，減少終端客戶的安裝、維護(hù)等成本支出.

微水流發(fā)電用于終端設(shè)備供電，通過無線計(jì)量控制閥進(jìn)行智慧物聯(lián)網(wǎng)多功能控制與檢測(cè).外接無線網(wǎng)關(guān)，同時(shí)安裝機(jī)井泵控制柜、智能水肥一體機(jī)，進(jìn)行后臺(tái)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控與操作，從而實(shí)現(xiàn)只需一臺(tái)設(shè)備(如計(jì)算機(jī)或移動(dòng)手機(jī)等)即可實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)操作，響應(yīng)節(jié)能、低碳理念，促進(jìn)智能化生活發(fā)展，為智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)前端數(shù)據(jù)采集提供了一種切實(shí)可行的方案.具體的水流發(fā)電無線控制閥農(nóng)業(yè)灌溉如圖12所示.

圖12 水流發(fā)電無線控制閥農(nóng)業(yè)灌溉示意圖Fig.12 Schematic diagram of agricultural irrigation with wireless control valve for water flow power generation

4.1.2 智能網(wǎng)關(guān)

智能網(wǎng)關(guān)是本地設(shè)備通信控制器，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器和設(shè)備間的通信數(shù)據(jù).采用集成433 M無線網(wǎng)關(guān)模塊，外設(shè)一路USB串口，用于與顯示控制器通信，一路100 M以太網(wǎng)接口，兩路RS485/232擴(kuò)展串口，支持3G/4G/5G聯(lián)網(wǎng).

4.1.3 數(shù)據(jù)采集器及儲(chǔ)電模塊

數(shù)據(jù)采集器集成于儲(chǔ)電模塊，微水發(fā)電機(jī)用于供電.其功能包括：監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)的發(fā)電量；監(jiān)測(cè)本設(shè)備用水量；監(jiān)測(cè)儲(chǔ)電模塊電量狀態(tài)；接受感應(yīng)器信號(hào)，判斷農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)；根據(jù)感應(yīng)器信號(hào)或服務(wù)器指令控制電磁閥打開或關(guān)閉；根據(jù)感應(yīng)器、電磁閥、發(fā)電機(jī)、流量計(jì)等多個(gè)維度的狀態(tài)參數(shù)判斷本設(shè)備是否出現(xiàn)故障等.該設(shè)備采用433 M無線通訊，傳輸距離為2～3 km.

智能感應(yīng)器也使用該儲(chǔ)電模塊供電，檢測(cè)距離可以人工調(diào)節(jié)，可實(shí)時(shí)檢測(cè)作物生長(zhǎng)條件，并將信息反饋給前端分析系統(tǒng)進(jìn)行綜合測(cè)評(píng).

4.2 智慧農(nóng)業(yè)前端數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)

智慧農(nóng)業(yè)管理云平臺(tái)采用Java技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，用于Windows Server 2008以上服務(wù)器，可進(jìn)行多用戶權(quán)限管理、多區(qū)域分級(jí)管理，并可集成電話、短信、郵件等通知管理.平臺(tái)利用網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算，依托大量傳感器和網(wǎng)絡(luò)對(duì)種植地進(jìn)行覆蓋，利用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)相關(guān)作物的生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行有效追蹤和管理，具有圖表分析統(tǒng)計(jì)功能，簡(jiǎn)潔直觀，界面友好，操作方便，穩(wěn)定可靠.

前端數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)智能種植、智能養(yǎng)殖等行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)監(jiān)控、查詢、智能維護(hù)，預(yù)警等功能，同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)制作表格并繪制圖表，如農(nóng)作物生長(zhǎng)曲線等，并對(duì)這些圖表進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，指導(dǎo)用戶進(jìn)行優(yōu)化.

5 結(jié) 論

文中基于正交試驗(yàn)的方法，設(shè)計(jì)一種新型微型管道水輪機(jī)，用于智慧農(nóng)業(yè)灌溉前端檢測(cè)設(shè)備供電，優(yōu)化后模型的出力和效率均達(dá)到設(shè)計(jì)需求.同時(shí)研發(fā)了智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)前端與終端系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化種植灌溉監(jiān)測(cè)一體化，主要結(jié)論如下：

1) 微型管道水輪機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)4個(gè)因素中，固定導(dǎo)葉數(shù)和固定導(dǎo)葉葉型對(duì)水輪機(jī)出力和效率影響最大，而轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)影響最小.優(yōu)化設(shè)計(jì)后的微型管道水輪機(jī)在設(shè)計(jì)流量下出力為6.30 W，與初步設(shè)計(jì)方案相比提高了32.35%，效率為85.13%，提高了2.58%.

2) 根據(jù)模型試驗(yàn)測(cè)量分析，該微型管道水輪機(jī)出力在設(shè)計(jì)流量點(diǎn)達(dá)到6.00 W，滿足設(shè)計(jì)需求，且數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差在10%以內(nèi)，當(dāng)測(cè)量流量較大時(shí)，誤差小于5%，說明文中所采用的數(shù)值計(jì)算方法是可靠的，且由試驗(yàn)測(cè)量可知，該水輪機(jī)在進(jìn)口流量大于0.14 kg/s時(shí)均能啟動(dòng)前端檢測(cè)設(shè)備.

3) 在設(shè)計(jì)流量工況下，水輪機(jī)內(nèi)壓力脈動(dòng)主要受到葉片通過頻率、導(dǎo)葉通過頻率的影響.葉片通過頻率在整個(gè)水輪機(jī)內(nèi)作用都很明顯，其壓力脈動(dòng)幅值從轉(zhuǎn)輪內(nèi)向上下游方向遞減傳播.轉(zhuǎn)輪內(nèi)受葉片通過頻率和導(dǎo)葉通過頻率的共同影響，葉片進(jìn)水邊正面、背面分別受葉片通過頻率和導(dǎo)葉通過頻率的影響，葉片出水邊受導(dǎo)葉通過頻率的影響.整體上，水輪機(jī)內(nèi)壓力脈動(dòng)主要由固定導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪之間的動(dòng)靜干涉以及轉(zhuǎn)輪和尾水管之間的動(dòng)靜干涉引起.

4) 結(jié)合微水發(fā)電技術(shù)，將現(xiàn)在新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)當(dāng)中，建立一個(gè)集自發(fā)電、環(huán)境監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、情況預(yù)警、生長(zhǎng)狀況分析于一體的綜合性農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能管理系統(tǒng)，極大地方便了用戶，將創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益.