定向渐变智能喷灌系统的开发与应用.pdf

2023年11月计算机应用文摘第39 卷第2 2 期定向渐变智能喷灌系统的开发与应用李传波（石家庄电子信息学校，石家庄0 50 0 0 0）摘要：随着经济的快速发展，我国城市绿化规模逐年扩大，传统浇灌方式存在浇灌不均匀、浇灌出界、浇灌盲区等问题，绿地浇灌方式函待优化。文章对定向简便智能喷灌系统的开发及应用展开了研究，该系统可利用土壤湿度传感器采集土壤含水量信息，并根据土壤湿度进行科学浇灌，从而有效解决传统浇灌方式中存在的问题，进而实现智能型、节约型、高效型浇灌。关键词：智能浇灌；节约用水；土壤湿度；喷灌方式中图法分类号：TP212Development and application of directional gradual intelligent(Shijiazhuang Electronic Information School,Shijiazhuang 050000,China)Abstract:With the rapid development of the economy,the scale of urban greening in China has beenincreasing year by year.Traditional irrigation methods have problems such as uneven irrigation,irrigation out of bounds,and blind spots in irrigation.The irrigation methods for green spacesurgently need to be optimized.Key words:intelligent irrigation,water conservation,soil moisture,sprinkling irrigation1绿地浇灌的痛点1.1法浇灌程度控制目前,多数绿地浇灌维护采用水压驱动自动圆周旋转浇灌方式。这种方式无法覆盖圆周旋转半径以外的区域，导致绿地浇灌不完全，且旋转半径越大，浇灌死角就越多。此外,这种方式也存在浇灌不均匀的现象,虽然喷头处设置了回转挡水装置，可在一定程度上扩散水流，但无法实现均匀浇灌的目的 1 2 1.2浇灌范围控制水压驱动自动圆周旋转的浇灌方式存在浇灌超越边界和浇灌不到位的问题，实际绿地浇灌往往会布置多个喷头，工作人员将根据场地大小和喷水半径综合计算喷头位置和数量，有时受场地限制，绿地边缘到旋转喷头中心点的距离小于喷头的喷洒半径,导致浇灌超出绿地边界 3 5】。此外，即使喷头位置设置合理,由于浇灌是由水压驱动，一旦水压变大,喷洒半径则将增加,导致浇灌超越绿地边界。反之,水压变小将使喷洒半径变小，导致部分绿地浇灌不到位。文献标识码：Asprinkling irrigation systemLI Chuanbo1.3浇灌效果控制传统浇灌方式无法感知土壤的含水量，浇灌计划全凭工作人员的经验判断。同时，传统浇灌方式需要一段时间才能完成浇灌，在此期间工作人员可能去做其他事情,时常忘记关闭水阀,不仅造成了浪费,还造成了绿地过度浇灌，使绿地受到伤害 6 。此外,工作人员即使按时查看浇灌状况，他们也无法准确把握土壤的含水量是否达到最佳状态，只能凭感觉和经验完成浇灌，无法精准控制浇灌效果。1.4浇灌水压控制目前,业内广泛使用的浇灌系统是基于水压驱动,用水高峰时水压会偏低,用水低谷时水压会偏高，无法稳定的水压将导致喷洒距离产生变化，从而导致浇灌不均匀。此外，由于缺乏土壤含水量监控系统，即使绿地已经达到含水量要求，也无法自动停止浇灌，导致水资源浪费。1.5汽浇灌时机控制传统浇灌方式下，浇灌时机主要由工作人员通过目测观察把握，他们无法根据土壤含水量的实际情况基金项目：河北省科技厅2 0 2 2 年大中学生科技创新能力培育专项项目：定向渐变智能喷灌系统（2 2 E50509D)34进行科学判断。导致绿地缺乏浇灌或过度浇灌，从而影响绿地效果，进而造成经济损失。1.6特殊浇灌控制部分绿地形状较为特殊，若采用圆周旋转的方式进行浇灌，可能无法覆盖不规则部分的绿地。在绿地面积较小的情况下，工作人员可以对缺乏浇灌的绿地进行补浇，但该方法无法用于浇灌较大面积的不规则绿地。2智能浇灌的解决思路2.1自自动浇灌控制的解决方法根据行业痛点，本文将通过土壤湿度传感器实时采集绿地的土壤湿度数据，并将数据送至单片机进行处理。同时，不同品种的绿地在不同季节对土壤水分的需求存在差异，本文将设置不同的浇灌参数,在土壤湿度数据到达浇水启动值时，单片机将自动控制水泵进行浇灌，当土壤湿度数据达到浇灌目标值时，单片机将控制水泵停止浇灌。2.2均匀浇灌的解决方法传统的人工浇灌和水压喷头浇灌存在浇灌不均匀的问题,对此,本文采用定向渐变浇灌方式,由单片机控制水泵的功率输出，使水压产生“小一大一小”的循环变化,并根据需要划分10 2 0 个渐变功率级别。当水泵功率最大时，本浇灌系统可覆盖最远端；当水泵功率最小时，可覆盖最近端。通过渐变浇灌的方式，本浇灌系统可实现均匀的浇灌效果。2.3稳压浇灌的解决方法供水管道的水压会随着用水量的变化而变化，传统浇灌方式的覆盖距离的远近容易受到水压影响，导致浇灌效果不理想。本文将水泵作为浇灌的输出动力,从而避免由水压波动带来的影响。其中,水泵可以隔离水压的波动，从而避免浇灌出水量受到水压影响。2.4不规则绿地浇灌的解决方法针对矩形绿地，工作人员可根据地形长度和宽度进行合理的喷水管布置；针对面积较大的绿地，工作人员可以采用并列的布局方式实现浇灌的全面覆盖。针对圆形、半圆形、椭圆形、三角形、梯形等绿地，工作人员则需对喷水管进行特殊处理,如对单孔出水量和出水速度进行控制，使浇灌区域被完全覆盖且不超边界。3招控制电路的设计与制作3.1单机版浇灌控制系统单机版控制系统不需要连接网络，直接由单片机计算机应用文摘接收土壤湿度传感器的数据，随后通过土壤湿度分析确定绿地是否需要浇灌，3.1.1单片机和编程平台的选择为使中职学生灵活应用课堂所学知识,本文选择Arduino系列单片机进行系统的实现,该系列单片机性能稳定,且数字接口和模拟接口设置合理,可兼容多种硬件,中职学生可以使用图形化编程和C语言编程对其进行开发。在编程平台方面，本文采用纯国产的图形化编程软件Linkboy，该软件不仅具有图形化编程功能,还能支持图形化智能连线，其元件和模块均可进行智能配置,能够支持常见的单片机处理器。此外,Linkboy的标志性功能是支持电路模拟仿真,其程序运行过程和结果较为透明，可实现所见即所得的效果。3.1.2控制系统的功能设计为适用于不同植物、不同季节和情景，本文浇灌系统具有以下功能，（1)固定模式浇灌功能。本文根据常用的浇灌需求将浇灌数据植入浇灌模式中，浇灌模式可分为三种。其中，模式一的浇灌启动值设置为35%，浇灌结束值设置为55%；模式二的浇灌启动值设置为40%，浇灌结束值设置为6 0%；模式三的浇灌启动值设置为45%，浇灌结束值设置为6 5%。（2）自定义模式浇灌功能。为了满足不同场景和植物的浇灌需求，本系统设有自定义浇灌模式，工作人员可以对浇灌启动值和结束值进行设定，在设定完成后可以进行锁定，避免误操作导致参数改变。利用该功能,工作人员能够灵活地浇灌，从而精准控制土壤含水量，使其更有利于植物的生长。需要注意的是，自定义模式浇灌具有自动纠错功能,其结束值的设定不能小于启动值，否则浇灌系统将自动报警。(3)便捷性的操作功能。在参数设定和模式选择中,单一的按钮操作可能存在程序设计烦琐、按钮数量多、制作成本高、误操作率高、布局不合理等问题，因此本系统将编码器作为输人器件。编码器集具有数据输入和确定等功能,操作简便且不易出错,具有手感舒适、时尚便捷等优点。3.1.3土壤湿度传感器的选择作为土壤湿度采集的重要部件，土壤湿度传感器对浇灌系统的稳定运行起到重要作用。土壤湿度传感器可分为简易型和专业型，简易型成本低廉但耐腐蚀性低,长期使用会因设备腐蚀对土壤湿度数据的准确性造成影响，影响浇灌系统的正确运行，同时简易型土壤湿度传感器还需要增加一个数据转换模块。需要注意的是,在使用湿度传感器时，工作人员必须测试转换数据是否正确，若土壤湿度值为负值，则需2023年第2 2 期2023 年第2 2 期要通过编程对数据进行调整，因此本文采用专业型土壤湿度传感器3.1.4水泵和电机驱动板的选择浇灌动力采用水泵驱动，在选用水泵时需根据出水量和浇灌距离选择合适的水泵电机功率。为实现最佳的浇灌效果，工作人员需要测试水泵电机功率为9 0%时的最远浇灌距离，然后根据浇灌面积计算水泵量。当浇灌面积较大时，不建议过度增加水泵电机功率,因为电机功率过大时对电机驱动板的要求就会越高。若浇灌面积较大，工作人员可以采用多台水泵和管道复用的方式进行解决。其中，工作人员必须根据浇灌面积选择水泵，若浇灌面积较大,须选择出水量大的水泵。水泵可分为潜水泵和自吸水泵，潜水泵在使用时必须被完全浸入水中方可正常运行，一旦空转可能会被烧坏。同时,潜水泵也可以外置使用,工作人员仅需使水泵的进水口位置与储水设施的底部相连，同时确保储水容器的水位始终高于底部连通口。当水位低于底部连通口时，须及时切断水泵电源以确保水泵安全。水位控制部分可以使用液位传感器进行水位感知，当水位达到储水容器的上限时，系统将关闭电磁阀停止上水；当水位达到储水容器的下限时，系统将打开电磁阀向储水容器注水。在水泵确定完毕后，工作人员需选择与之相配的电机驱动板。为保障电路安全，电机驱动板的承载功率至少为电机最大功率的1.5倍。3.1.5储水设施的选择由于本系统采用水泵驱动,若直接将水泵与自来水管相连，自来水的压力将影响渐变浇灌效果,因此需要增加储水设施，使水泵直接从储水设施取水。储水设施的储水量一般为510 L，可以根据实际情况进行调整。3.1.6其他功能和配件的选择为使操作更加直观,本文将采用声音提醒功能，当编码器被旋转或按下时,蜂鸣器将产生声音提示使操作者得到有效提醒,从而确保操作成功。此外,本文还将LED指示灯作为提醒装置,LED指示灯将在不同情况下闪烁以提醒操作者。本文将优质航空接头作为传感器接口，该接口具有使用便捷、防反接等优点，可以确保浇灌系统运行稳定。3.1.7水管出水方式的选择为提高浇灌效果，本文采用2 8 级渐变方式进行浇灌，该方式可最大限度模拟雨天效果使植物受到良好浇灌。其中,本文采用常见的直径为8 10 mm的PVC管,将出水管沿水平方向均匀打圆孔,水流将通过圆孔对植物进行浇灌。在单片机的控制下，水流将计算机应用文摘产生“小一大一小”的循环变化，从而实现类似雨天的浇灌效果。此外,由于浇灌地形不规则，工作人员可以将出水管根据需要弯曲成不同形状,同时对其进行灵活裁切以适应不同地形。其中，水管出水孔的直径需根据浇灌需要设定，一般情况下出水孔直径为1mm;若需加快浇灌速度,则可将出水孔直径设置为1.5mm;若需对职务进行慢速渗透，则可将出水孔直径设置为0.50.8mm。水管打孔须保证孔洞的水平相同、大小均匀、间距相等,因此需将PVC管固定于滑轨上，使用微型台钻或打孔机床进行加工。4区网络版浇灌控制系统为满足偏远地域或者大面积浇灌目标，本文将利用移动物联网技术将浇灌系统的数据通过4G移动通信网络接人服务器，工作人员可通过手机或计算机登录控制系统平台，从而远程观察浇灌状态和浇灌系统。除了无线控制部分，网络版浇灌控制系统的其他部分与单机版相同。同时，本文系统采用覆盖良好的4G移动通信网络进行通信，从而避免信号问题对浇灌状态和系统控制造成的影响。5结束语城市绿化是提升城市形象的重要手段，但其中需要消耗大量的水资源，传统的浇灌方式存在较多缺陷，本文提出了单片机控制系统和全新的浇灌模式，可有效解决绿地浇灌中存在的问题，且该系统和浇灌模式可被延伸应用于农业浇灌以实现最佳浇灌效果，具有较高的应用价值。参考文献：1 许燕萍,李娜,陈永琪.智能浇灌系统设计与仿真 J.数字技术与应用,2 0 2 1,39(6):1-3.2郭帅，宁礼佳,鲍玉冬，等.基于手机遥控的智能浇灌系统设计研究 J.安徽农业科学,2 0 14,42（18）：6 0 54-6 0 55.3韩剑,伍玉霞,李宸,等.基于 CSM 的智能浇灌监控系统的设计 J.电子设计工程,2 0 16,2 4(19):111-112+116.4吴腾龙,王振宇,郑俊浩,等.基于ARDUINO的智能花盆设计 J.农业网络信息，2 0 16,2 36（2）：34-37.5王安娜,王顺利,梁卓，等.可远程控制的智能浇灌装置设计和工作原理 J.企业技术开发,2 0 15,34（17）：1+15.6刘晓.基于物联网的家庭智能浇灌系统研究 D.荆州:长江大学,2 0 19.作者简介：李传波（19 7 1一），本科，讲师，研究方向：物联网技术应用。35