基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的沙化河岸防風(fēng)固沙裝置設(shè)計(jì)

胡浩博，方兆琪，賀怡，段士博，馬惠鋮，王海軍

（1.延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院，陜西 西安 710100；2.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710100）

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人與自然和諧相處顯得尤為重要。為了實(shí)現(xiàn)人與自然的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，人們應(yīng)增強(qiáng)接近自然、熱愛(ài)自然、保護(hù)自然、修復(fù)自然的意識(shí)。在沙化河岸防風(fēng)固沙中，通過(guò)人工灌溉修復(fù)生態(tài)環(huán)境具有修復(fù)效率低下、成本高且修復(fù)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。為此，本文設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的沙化河岸防風(fēng)固沙灌溉裝置，用于自然生態(tài)的修復(fù)，踐行“綠水青山就是金山銀山”的理念[1]。沙化河岸防風(fēng)固沙灌溉裝置由機(jī)械車和存儲(chǔ)水箱組成，集機(jī)械設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)等于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械化的生態(tài)修復(fù)，具有高效率、低成本、智能化、便攜等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，能夠高效完成林帶灌溉等生態(tài)修復(fù)任務(wù)。此外，儲(chǔ)水箱也可裝生態(tài)修復(fù)液，進(jìn)行沙土環(huán)境的植被修復(fù)[2]。裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明、應(yīng)用簡(jiǎn)便、清潔環(huán)保，在一定程度上能夠進(jìn)一步有效地解決我國(guó)沙化河岸以及土地荒漠化地區(qū)的防風(fēng)固沙治理問(wèn)題。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

沙化河岸防風(fēng)固沙林帶的灌溉裝置總體設(shè)計(jì)方案集機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)、傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等于一體，針對(duì)底層沙化河岸的環(huán)境感知、灌溉修復(fù)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)中間件（Air724UG 4G LET通信模塊）感知環(huán)境數(shù)據(jù)的傳輸，再到物聯(lián)網(wǎng)云端（中國(guó)電信物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)，簡(jiǎn)稱Ctwing平臺(tái)）進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析及可視化。本套裝置采用“端-管-云”一體，進(jìn)一步打破傳統(tǒng)的生態(tài)灌溉修復(fù)模式[3-5]。裝置總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 裝置總體設(shè)計(jì)框圖

2 裝置底層實(shí)現(xiàn)

裝置設(shè)計(jì)以“綠水青山就是金山銀山”為理念、“防風(fēng)治沙、熱愛(ài)自然”為設(shè)計(jì)要求，采用CAD建模、測(cè)試，選購(gòu)環(huán)保式設(shè)計(jì)器材、高精度傳感器等，搭建“端-管-云”一體的防風(fēng)固沙、生態(tài)修復(fù)的完整體系。

裝置底層由機(jī)械車、多重傳感器、灌溉修復(fù)水箱等實(shí)體組成，機(jī)械車中部采用機(jī)械轉(zhuǎn)軸，以增強(qiáng)車體在沙化河岸路面移動(dòng)的靈動(dòng)性。機(jī)械車體外圍裝有監(jiān)測(cè)沙化河岸環(huán)境的多重傳感器，進(jìn)行環(huán)境感知、監(jiān)測(cè)。機(jī)械車體后方固定有儲(chǔ)水箱用于灌溉水的存儲(chǔ)[6]。裝置底層機(jī)械車主觀設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 裝置底層機(jī)械車主觀設(shè)計(jì)

2.1 裝置底層轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)

機(jī)械車底層轉(zhuǎn)軸是連接車體前后兩部分的重要連接體，該轉(zhuǎn)軸中間利用圓筒連接轉(zhuǎn)軸前后兩部分，以降低轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦力。轉(zhuǎn)軸上設(shè)有螺絲孔，用于與機(jī)械車體的銜接固定。裝置底層轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 裝置底層轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)

2.2 裝置底層存儲(chǔ)水箱設(shè)計(jì)

本套裝置是一種環(huán)保式沙化河岸的防風(fēng)固沙的灌溉裝置，灌溉裝置主體為儲(chǔ)水箱。儲(chǔ)水箱采用環(huán)保式亞克力板，箱體為方形，長(zhǎng)100 mm、寬100 mm、高100 mm。箱體底角采用固定螺絲與機(jī)械車身進(jìn)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(chǔ)水箱亦可裝生物修復(fù)液，對(duì)林帶植被用生物修復(fù)液進(jìn)行修復(fù)，實(shí)現(xiàn)箱體的雙重復(fù)用功能以及資源充分化[7]。裝置儲(chǔ)水箱體設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 裝置儲(chǔ)水箱體設(shè)計(jì)

2.3 裝置底層中間件作用及功能

沙化河岸防風(fēng)固沙林帶灌溉裝置中的物聯(lián)網(wǎng)中間件使用上海合宙通信科技的Air724UG 4G LET模塊，主要負(fù)責(zé)底層數(shù)據(jù)與中國(guó)電信物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)的通信，該模塊具有4G基站定位功能，既可以實(shí)時(shí)將系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)進(jìn)行上云操作，又可通過(guò)基站對(duì)此灌溉修復(fù)裝置進(jìn)行定位，構(gòu)建沙化河岸環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)。裝置將機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)、傳感器技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，主要應(yīng)用于沙化河岸等植被破壞的生態(tài)待修復(fù)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(huán)境修復(fù)，可進(jìn)一步降低人力成本、經(jīng)濟(jì)成本，達(dá)到科學(xué)灌溉、智能監(jiān)測(cè)、自主移動(dòng)，能夠進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與我國(guó)環(huán)境沙化治理的緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)我國(guó)沙化河岸等沙化環(huán)境的機(jī)械智能化治理。

裝置中間件與Ctwing平臺(tái)連接，充分利用云平臺(tái)的資源，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)與沙化河岸防風(fēng)固沙林帶灌溉裝置的緊密結(jié)合。裝置底層端進(jìn)行數(shù)據(jù)感知、控制灌溉，物聯(lián)網(wǎng)中間件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，Ctwing云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析以及可視化[8]。云端再通過(guò)分析的數(shù)據(jù)反饋給系統(tǒng)底層，系統(tǒng)進(jìn)行全雙工通信、雙向約束，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的控制，以實(shí)現(xiàn)該機(jī)械灌溉裝置的云管理模式。

3 裝置整體外形設(shè)計(jì)

通過(guò)機(jī)械車移動(dòng)在河岸水源處進(jìn)行存儲(chǔ)水箱儲(chǔ)水；儲(chǔ)水完成后，機(jī)械車移至需要灌溉修復(fù)的林帶植被區(qū)域進(jìn)行灌溉；機(jī)械車體表面裝有傳感器，感知裝置所在的待修復(fù)區(qū)域狀況。通過(guò)傳感器感知數(shù)據(jù)，反饋至云平臺(tái)處理，平臺(tái)對(duì)底層數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，下發(fā)指令給底層，通過(guò)儲(chǔ)水箱對(duì)沙化河岸林帶進(jìn)行灌溉與生態(tài)修復(fù)，防止水土流失，治理沙化土地[9]。裝置整體外形設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 裝置整體外形設(shè)計(jì)

沙化河岸的防風(fēng)固沙林帶裝置采用機(jī)械車與儲(chǔ)水箱結(jié)合設(shè)計(jì)。車體底板采用軟不銹鋼材質(zhì)，該材質(zhì)具有薄、輕、透等特點(diǎn)；底板上設(shè)有多空螺絲插桿，用于儲(chǔ)水箱與車體的緊密固定。儲(chǔ)水箱底角四周采用環(huán)保實(shí)用的亞克力板設(shè)計(jì)，保證了灌溉水箱能更好地固定于車體上，在機(jī)械車底板上打穿4個(gè)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(shè)計(jì)

沙化河岸的防風(fēng)固沙林帶裝置通過(guò)底層機(jī)械車實(shí)現(xiàn)灌溉裝置的靈活移動(dòng)。在車體底層裝有多重傳感器，進(jìn)行必要的沙化河岸林帶環(huán)境的感知；機(jī)械車以STM32F103系列控制器作為控制主板，通過(guò)手機(jī)APP或者無(wú)線手柄對(duì)機(jī)械車進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械車自動(dòng)行駛、平移，以解放人力；灌溉裝置采用Arduino開(kāi)發(fā)板作為底層的灌溉控制板，進(jìn)行沙化河岸林帶的灌溉與生態(tài)修復(fù)[10]。裝置底層與云圖設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 裝置底層與云圖設(shè)計(jì)

5 裝置的創(chuàng)新點(diǎn)

5.1 機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合

灌溉裝置以Arduino UNO作為主控芯片，采用編程語(yǔ)言對(duì)灌溉環(huán)境溫濕度、光照值、土壤濕度等沙化河岸環(huán)境參數(shù)進(jìn)行綜合設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉水泵的控制；并將所感知的環(huán)境量上傳至中國(guó)電信物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)，根據(jù)云平臺(tái)特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、可視化，以此實(shí)現(xiàn)科學(xué)灌溉、科學(xué)生態(tài)修復(fù)、科學(xué)沙化治理等。

5.2 傳感器技術(shù)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(cè)沙化河岸、荒漠地區(qū)的環(huán)境狀況。采集裝置所在環(huán)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(guò)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(shù)據(jù)后發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)云端，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析及可視化。用戶可遠(yuǎn)程觀察云平臺(tái)界面或手機(jī)APP獲取沙化河岸灌溉狀況及沙漠化修復(fù)程度等數(shù)據(jù)。

5.3 智能灌溉及修復(fù)

裝置主控低功耗單片機(jī)作為灌溉裝置的主控芯片控制灌溉水泵，當(dāng)土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器、激光PM2.5傳感器等監(jiān)測(cè)的綜合數(shù)值出現(xiàn)異常時(shí)，水泵進(jìn)行灌溉作業(yè)。工作人員只須對(duì)裝置進(jìn)行定期檢查、保養(yǎng)即可，能夠進(jìn)一步解放人力，降低人力和時(shí)間等成本。

6 結(jié) 語(yǔ)

本裝置具有防風(fēng)固沙、修復(fù)生態(tài)等實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。實(shí)用價(jià)值主要體現(xiàn)在裝置是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)等，更加機(jī)械化、智能化、便捷化，針對(duì)人群廣泛、簡(jiǎn)單、易操作，并可應(yīng)用于沙化河岸防風(fēng)固沙、土地荒漠生態(tài)修復(fù)等方面。經(jīng)濟(jì)價(jià)值主要體現(xiàn)在裝置在自然修護(hù)、生態(tài)保護(hù)、林帶灌溉、防風(fēng)固沙等方面具有良好的效果，并且可以節(jié)省人力和時(shí)間成本。