智能噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)及射程計(jì)算

楊 寧

（內(nèi)蒙古電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與自動(dòng)化學(xué)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(guó)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(guò)園林內(nèi)噴頭，將有壓水流噴灌地表，均勻噴灌[1]。文獻(xiàn)[2]針對(duì)目前智能噴灌系統(tǒng)指出，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)噴灌系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多單元共同采集，一單元可容納多個(gè)傳感器，從而采集區(qū)域內(nèi)土壤、環(huán)境參數(shù)。文獻(xiàn)[3]針對(duì)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(fēng)速設(shè)計(jì)的噴頭組合間隔布置。單噴頭水量分布是進(jìn)行組合噴頭水量分布的基礎(chǔ)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(guò)疊加計(jì)算得到，需要重復(fù)性試驗(yàn)得到數(shù)據(jù)[4]，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。文獻(xiàn)[5]針對(duì)單噴頭射程最優(yōu)化提出，噴頭仰角、壓強(qiáng)、噴嘴直徑、射程的關(guān)系。

本設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)分析設(shè)計(jì)，對(duì)單噴頭所涉及的噴灌面積進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，避免了以上布置遺留的缺陷，也避免了大量重復(fù)進(jìn)行組合噴灌。在單噴頭上進(jìn)行智能改造，使其可達(dá)到按需噴灌，包括定時(shí)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(shè)計(jì)

目前噴灌系統(tǒng)主要管道鋪設(shè)，整個(gè)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(jī)械調(diào)整角度設(shè)計(jì)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(shè)備，作為主流噴頭的搖臂式噴頭，改變其噴頭高低，需對(duì)噴頭下端支管進(jìn)行改造且需靈活伸縮；若通過(guò)控制器控制，電子系統(tǒng)需精密防水設(shè)計(jì)；若機(jī)械設(shè)計(jì)，需支管不斷借助某外力摩擦實(shí)現(xiàn)，2 種方法均成本較高，不適用。綜上分析，考慮其實(shí)現(xiàn)難度及成本等因素，本設(shè)計(jì)選用通過(guò)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(shè)計(jì)成智能噴頭，不同的綠植需不同的水量，針對(duì)不同季節(jié)、不同溫度制定每日的噴灌時(shí)間，根據(jù)土地的溫度，更改在該區(qū)域的噴灌時(shí)長(zhǎng)。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(wú)線模塊[8]。噴頭根據(jù)環(huán)境所需，分單元布置，設(shè)每20 個(gè)噴頭為一單元。單元管控噴頭布置根據(jù)位置不同，設(shè)置為3 類：測(cè)距式噴頭、環(huán)境采集式噴頭、自備式噴頭。測(cè)距式噴頭通過(guò)超聲波測(cè)距，實(shí)現(xiàn)射程的計(jì)算，根據(jù)射程和俯仰角關(guān)系進(jìn)行噴灌；環(huán)境采集式噴頭，對(duì)噴頭噴灌區(qū)內(nèi)溫度、濕度、土壤濕度進(jìn)行采集，并據(jù)此進(jìn)行轉(zhuǎn)速和噴灌時(shí)長(zhǎng)的設(shè)置。對(duì)處于園林邊緣或者小路附近的噴頭選擇測(cè)距式噴頭；對(duì)于園區(qū)內(nèi)部的噴頭選擇環(huán)境采集式噴頭；對(duì)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(guò)無(wú)線通信模塊傳輸，并進(jìn)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(shí)現(xiàn)的基本功能有：①通過(guò)監(jiān)控實(shí)時(shí)的溫濕度信息、氣象信息等設(shè)置噴灌時(shí)間，并進(jìn)行水量微調(diào)。②通過(guò)土壤濕度傳感器，可以根據(jù)土壤的濕度來(lái)進(jìn)行噴頭旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置，如濕度過(guò)低將減慢步進(jìn)電機(jī)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(lái)進(jìn)行灌溉。若土壤濕度已飽和，自動(dòng)停止噴灌。③根據(jù)噴頭設(shè)置位置，在道路邊緣的噴頭根據(jù)超聲波測(cè)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(shí)現(xiàn)方案

一般對(duì)于中射程噴頭旋轉(zhuǎn)一周為1～3 min，遠(yuǎn)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(yàn)公式如卡瓦扎公式、常文海公式、馮傳達(dá)公式和加維林公式[9]。本設(shè)計(jì)提出自己的已驗(yàn)公式，并與傳統(tǒng)射程的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比，論證方案可行性。

3.1 噴頭射程建模

由于水流運(yùn)動(dòng)具有復(fù)雜性，水柱分散成水滴。水滴沿射出方向會(huì)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(dǎo)較為困難，基于經(jīng)驗(yàn)，噴頭射程遠(yuǎn)近由地形坡度、噴射仰角、噴嘴直徑、工作壓強(qiáng)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(qiáng)，MPa；d 為噴嘴直徑，mm；θ 為噴射仰角，°。

通過(guò)文獻(xiàn)[9]中提出前人常用的經(jīng)驗(yàn)公式相同的形式

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

3.2 噴頭射程公式

根據(jù)式（2），結(jié)合實(shí)際情況分析。同一園區(qū)水壓相等，相同設(shè)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(guò)反復(fù)測(cè)試結(jié)果，可能得到回歸系數(shù)，于是得旋轉(zhuǎn)式噴頭射程公式對(duì)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(guò)多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，求得不同壓力下的射程，得到壓強(qiáng)和射程的關(guān)系。

3.2.2 測(cè)距式噴頭射程

對(duì)于一工作噴頭，工作壓強(qiáng)、噴嘴直徑均固定，所以主要影響射程的因素為仰角。

即可簡(jiǎn)化為

根據(jù)此函數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。同理，試驗(yàn)次數(shù)越多，給出的方程式也越多，誤差也越小。對(duì)此，本設(shè)計(jì)根據(jù)公式，根據(jù)實(shí)際情況可以進(jìn)行公式轉(zhuǎn)換。

3.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

1）在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室條件下，以最噴射壓片與噴射無(wú)影響射出平行為0°，通過(guò)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(fù)性試驗(yàn)，探究俯仰角和射程的關(guān)系。其中實(shí)驗(yàn)設(shè)置參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2）射程輸出特性。根據(jù)測(cè)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(biāo)，俯仰角為縱坐標(biāo)。

圖3 噴頭俯仰角和射程的關(guān)系圖

將其射程與俯仰角建立二維模型，通過(guò)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(shè)其模型為

滿足95%擬合度下系數(shù)

3.4 結(jié)果分析

與其他在28～30°最優(yōu)噴射俯仰角之間，風(fēng)速小于0.9 m/s 的情況下得到的經(jīng)驗(yàn)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(dá)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(xiàn)[10-11]實(shí)驗(yàn)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(duì)誤差較大。從公式看出其只與工作壓力和噴嘴直徑有關(guān)，與俯仰角無(wú)關(guān)。文獻(xiàn)[11]論證得，從加維林公式在計(jì)算噴頭射程時(shí)相對(duì)誤差較大，并計(jì)算得最大相對(duì)誤差48%、99%。而馮傳達(dá)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(shè)計(jì)

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(cè)距傳感器、土壤濕度傳感器和步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)等執(zhí)行元件構(gòu)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(wú)線聯(lián)網(wǎng)模塊，有很好的擴(kuò)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(shè)計(jì)

環(huán)境采集式噴頭設(shè)計(jì)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(tái)。并根據(jù)其進(jìn)行功能轉(zhuǎn)速和噴灌時(shí)間參數(shù)設(shè)置，步進(jìn)電機(jī)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(cuò)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(fù)載承重。

4.2 測(cè)距式噴頭設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以ESP8266 開(kāi)發(fā)板為控制器，用超聲波測(cè)距傳感器測(cè)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(tái)。根據(jù)噴灑范圍與俯仰角的關(guān)系，通過(guò)控制俯仰角而控制噴灌范圍。測(cè)距噴灌系統(tǒng)如圖7 所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

在本文的設(shè)計(jì)中，智能噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括采集傳感系統(tǒng)、無(wú)線傳輸模塊、云平臺(tái)3 個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)智能噴灌，也可將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸匯總，最終選取所需數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)，進(jìn)行監(jiān)控。根據(jù)理論分析，及核心功能的實(shí)現(xiàn)，論證了本設(shè)計(jì)的科學(xué)性，對(duì)于節(jié)水灌溉有一定的工程意義。