基于物聯(lián)網(wǎng)的“生態(tài)衛(wèi)士”

沈常偉 楊鑫 翁璐璐 杜雨霏 陳望杰

摘要：全球變暖，極端天氣日益增多。旱和澇，都威脅著日益脆弱的城市生態(tài)。本設(shè)計(jì)中的“生態(tài)衛(wèi)士”，基于物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)生態(tài)儲水、自動灌溉以及基本的環(huán)境檢測。為城市道路等生態(tài)脆弱區(qū)域提供一種解決方案，也為城市遭受極端天氣影響提供了基礎(chǔ)的檢測手段。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)、生態(tài)、極端天氣、環(huán)境檢測、自動灌溉

1.前言

炎炎夏日，多日無雨，路邊綠化帶的植物奄奄一息...市政人員只能開著水罐車，沿路灑水，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本巨大。我們的“生態(tài)衛(wèi)士”，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動通訊技術(shù)、智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)、太陽能技術(shù)實(shí)現(xiàn)路邊綠化帶、生態(tài)公園等區(qū)域的生態(tài)維護(hù)，節(jié)省市政資金，通過土壤傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控土壤濕度，在必要時(shí)刻挽救綠化帶等生態(tài)脆弱區(qū)域的生態(tài)。也可以在水資源相對富余時(shí)，在炙烤的路邊噴灑水霧，為飽受炎熱的行人帶去一絲清涼。

除此之外，“生態(tài)衛(wèi)士”也可以用于基礎(chǔ)的環(huán)境信息監(jiān)測。近幾年，極端天氣頻發(fā)，部分地區(qū)短時(shí)間的特大暴雨甚至危險(xiǎn)到了人身安全。“生態(tài)衛(wèi)士”可以監(jiān)測水位等信息。

2.主要內(nèi)容

習(xí)近平總書記指出“綠水青山就是金山銀山”，大力推進(jìn)生態(tài)建設(shè)，強(qiáng)調(diào)環(huán)境的重要性，是我國目前面臨的重要工作之一。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，造成了生態(tài)環(huán)境的破壞，近年來轉(zhuǎn)變思路，加大了對生態(tài)環(huán)境的監(jiān)管和投入。但生態(tài)環(huán)境中涉及的范圍大、維護(hù)難度高等問題尚無法有效解決，物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)在生態(tài)領(lǐng)域發(fā)揮良好作用的空間巨大。

2.1技術(shù)路線

硬件上基于樂鑫公司esp8266 WIFI物聯(lián)網(wǎng)芯片該芯片是目前廣泛使用的物聯(lián)網(wǎng)芯片，應(yīng)用范圍廣，能耗低，不但能在開發(fā)環(huán)境中使用，更能在工業(yè)、商業(yè)條件下使用，質(zhì)量穩(wěn)定;用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能配網(wǎng)、運(yùn)動機(jī)構(gòu)控制、MQTT通訊等功能。

使用標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議MQTT，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)芯片與阿里云物聯(lián)網(wǎng)云之間的通訊，實(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)構(gòu)可通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行控制：MQTT協(xié)議使用發(fā)布/訂閱消息模式，能提供一對多的消息發(fā)布，消除了應(yīng)用程序耦合，同時(shí)可以做到開銷小，協(xié)議交換最小化，以降低網(wǎng)絡(luò)流量;而應(yīng)用阿里云的物聯(lián)網(wǎng)平臺，增加了整個(gè)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)層面的穩(wěn)定性和安全性。

考慮環(huán)境要素，使用太陽能作為電源，干燥環(huán)境時(shí)正是太陽能發(fā)揮最大功效時(shí);使用地下水罐作為儲水裝置，水源來自于雨水，保持水罐儲水不易蒸發(fā);利用4G/5G路由器覆蓋一定范圍，保證設(shè)備聯(lián)網(wǎng)通訊;澆灌噴射云臺提供一定范圍的澆灌覆蓋，可以根據(jù)噴射角度、噴射水流強(qiáng)度為環(huán)境中綠植提供足夠水分。

項(xiàng)目使用土壤傳感器獲取土壤濕度信息，利用舵機(jī)實(shí)現(xiàn)“澆灌噴射（霧化）云臺”。“澆灌噴射云臺”可以較精確控制澆灌（或霧化）的角度、距離等，有效利用有限的水資源。

“澆灌噴射云臺”原型實(shí)現(xiàn)：已繪制3D形狀并進(jìn)行了3D打印、組裝、功能測試。

本產(chǎn)品（基于物聯(lián)網(wǎng)的“生態(tài)衛(wèi)士”）大量的使用了當(dāng)今市場上多種成熟的技術(shù)，MQTT物聯(lián)網(wǎng)平臺通訊協(xié)議，定時(shí)控制模塊、用戶管理模塊及其系統(tǒng)后臺綜合管理模塊的編程，使用 python 語言 django 框架，不但利用了 python 語言的高效，也結(jié)合了django 框架的簡便，本項(xiàng)目有較高的技術(shù)水平，涉及到了機(jī)械領(lǐng)域中的運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，需要較高的軟件和硬件理論知識和實(shí)踐能力，同時(shí)需要 3D 建模和打印技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計(jì)，更需要了解一定的營銷知識和對商業(yè)模式的了解，能從一個(gè)原型研究項(xiàng)目轉(zhuǎn)變?yōu)檎嬲纳虡I(yè)產(chǎn)品。我們已通過 3D 建模和 3D 打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)部分零配件、外殼的的設(shè)計(jì)和小規(guī)模生產(chǎn)，靈活度高，為項(xiàng)目原型的開發(fā)快速進(jìn)行提供了保障。

2.2項(xiàng)目的市場前景

（1）針對政府的“定制”市場：由于產(chǎn)品基于一定環(huán)境要求，不可能普遍適用，需要客戶提供安裝環(huán)境等條件圖片和參數(shù)，修改產(chǎn)品外觀和安裝要素;雖然無法參加到大眾市場，但也通過“定制”獲得固定市場;

（2）針對智慧農(nóng)業(yè)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等市場：產(chǎn)品除了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需要重新設(shè)計(jì)，其他模塊具有很好的通用性，可以根據(jù)需求進(jìn)行的快速的修改，符合客戶需求;

（3）開發(fā)的微信公眾號平臺可以作為通用物聯(lián)網(wǎng)器件控制平臺，提供遠(yuǎn)程控制服務(wù)。

3.總結(jié)

本項(xiàng)目解決了生態(tài)環(huán)境保護(hù)中的綠植養(yǎng)護(hù)問題，能大大降低生態(tài)環(huán)境的維護(hù)成本。在極端天氣發(fā)生時(shí)，可以為政府相關(guān)部門提供水位等基礎(chǔ)環(huán)境信息。在人口紅利即將消失，人力成本大幅提高的門檻上，為政府部門提供一種解決生態(tài)環(huán)境養(yǎng)護(hù)問題的解決方案。能收獲良好的社會效益;同時(shí)通過該項(xiàng)目，團(tuán)隊(duì)中的學(xué)生將更好接受“生態(tài)環(huán)境保護(hù)”理念，并在大學(xué)生中產(chǎn)生一定影響。

通過本次項(xiàng)目研發(fā)，培養(yǎng)了一批懂技術(shù)、懂市場的技術(shù)和營銷人才，為“中國制造2025”和祖國的“綠水青山”添磚加瓦。

參考文獻(xiàn)：

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注：作者皆為寧波城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)學(xué)生。

項(xiàng)目：寧波城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院2020年度大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目