智能噴灌系統設計及射程計算

楊 寧

（內蒙古電子信息職業技術學院 電子與自動化學院，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，我國水資源較為匱乏，且分布不均，所以不斷推行節水節能噴灌。目前園林噴灌系統大多采用管道輸水，通過園林內噴頭，將有壓水流噴灌地表，均勻噴灌[1]。文獻[2]針對目前智能噴灌系統指出，通過物聯網噴灌系統可以實現多單元共同采集，一單元可容納多個傳感器，從而采集區域內土壤、環境參數。文獻[3]針對不同地形，提出噴頭的布置有適合地形規則、平整矩形布置、適合地形不規則和起伏較大的菱形，并提出根據風速設計的噴頭組合間隔布置。單噴頭水量分布是進行組合噴頭水量分布的基礎數據，通常噴灌系統的組合噴灌水量分布由單噴頭的水量分布數據通過疊加計算得到，需要重復性試驗得到數據[4]，費時費力。文獻[5]針對單噴頭射程最優化提出，噴頭仰角、壓強、噴嘴直徑、射程的關系。

本設計經過分析設計，對單噴頭所涉及的噴灌面積進行動態控制，避免了以上布置遺留的缺陷，也避免了大量重復進行組合噴灌。在單噴頭上進行智能改造，使其可達到按需噴灌，包括定時噴灌、按既定面積噴灌、按土壤干濕程度噴灌的智能噴灌。

1 系統整體設計

目前噴灌系統主要管道鋪設，整個園區統一噴灌，園林噴灌主要噴頭為360°的搖臂式噴頭，機械調整角度設計噴灌區域。前期調研高度可調噴頭并不是綠化噴灌主流使用設備，作為主流噴頭的搖臂式噴頭，改變其噴頭高低，需對噴頭下端支管進行改造且需靈活伸縮；若通過控制器控制，電子系統需精密防水設計；若機械設計，需支管不斷借助某外力摩擦實現，2 種方法均成本較高，不適用。綜上分析，考慮其實現難度及成本等因素，本設計選用通過改搖臂式噴頭俯仰角，從而改變噴灌范圍的方案[6]。

本系統一方面借鑒智能農業，常規環境監控。在噴頭上安裝所需傳感器，設計成智能噴頭，不同的綠植需不同的水量，針對不同季節、不同溫度制定每日的噴灌時間，根據土地的溫度，更改在該區域的噴灌時長。另一方面根據綠植區域，改變噴頭俯仰。根據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的最大半徑面積，又避免可噴灌范圍內的小路等不需噴灑的區域[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

噴頭硬件系統是在360°搖臂噴頭上安裝數據采集模塊、控制器（數據處理模塊）、無線模塊[8]。噴頭根據環境所需，分單元布置，設每20 個噴頭為一單元。單元管控噴頭布置根據位置不同，設置為3 類：測距式噴頭、環境采集式噴頭、自備式噴頭。測距式噴頭通過超聲波測距，實現射程的計算，根據射程和俯仰角關系進行噴灌；環境采集式噴頭，對噴頭噴灌區內溫度、濕度、土壤濕度進行采集，并據此進行轉速和噴灌時長的設置。對處于園林邊緣或者小路附近的噴頭選擇測距式噴頭；對于園區內部的噴頭選擇環境采集式噴頭；對于周圍環境相似，間隔環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 類噴頭均通過無線通信模塊傳輸，并進行控制。噴頭基本組成為如圖2 所示。

圖2 噴頭智能組件組成

欲實現的基本功能有：①通過監控實時的溫濕度信息、氣象信息等設置噴灌時間，并進行水量微調。②通過土壤濕度傳感器，可以根據土壤的濕度來進行噴頭旋轉速度設置，如濕度過低將減慢步進電機的速度，增加噴灌水量，濕度較大，加快轉速，減小噴灌水量來進行灌溉。若土壤濕度已飽和，自動停止噴灌。③根據噴頭設置位置，在道路邊緣的噴頭根據超聲波測距改變噴頭俯仰角，從而縮小噴灌范圍，使水全部噴灑在綠化地中。

3 射程功能實現方案

一般對于中射程噴頭旋轉一周為1～3 min，遠射程噴頭旋轉一周為3～5 min。目前，估算旋轉式噴頭射程的經驗公式如卡瓦扎公式、常文海公式、馮傳達公式和加維林公式[9]。本設計提出自己的已驗公式，并與傳統射程的經驗公式對比，論證方案可行性。

3.1 噴頭射程建模

由于水流運動具有復雜性，水柱分散成水滴。水滴沿射出方向會變大，在噴射半徑末端一般出現水滴直徑的最大值。

理論推導較為困難，基于經驗，噴頭射程遠近由地形坡度、噴射仰角、噴嘴直徑、工作壓強和旋轉速度等因素決定。

根據影響因素可得如下函數式[5]

式中：R 為噴頭射程，m；p 為工作壓強，MPa；d 為噴嘴直徑，mm；θ 為噴射仰角，°。

通過文獻[9]中提出前人常用的經驗公式相同的形式

式中：ζ、α、β、γ 為系數，對于同一單元內已定的噴頭，即θ，d，p 已確定，這4 個未知數根據試驗數據給出的4 個以上方程式可求得。

3.2 噴頭射程公式

根據式（2），結合實際情況分析。同一園區水壓相等，相同設備直徑參數一定，選取不同壓力下的射程公式。

3.2.1 環境采集式噴頭射程

用最小二乘法，可通過反復測試結果，可能得到回歸系數，于是得旋轉式噴頭射程公式對于環境采集式噴頭，射程需盡可能大，為既定仰角最大值

通過多次反復實驗，求得不同壓力下的射程，得到壓強和射程的關系。

3.2.2 測距式噴頭射程

對于一工作噴頭，工作壓強、噴嘴直徑均固定，所以主要影響射程的因素為仰角。

即可簡化為

根據此函數進行實驗測試。同理，試驗次數越多，給出的方程式也越多，誤差也越小。對此，本設計根據公式，根據實際情況可以進行公式轉換。

3.3 實驗測試

1）在現有實驗室條件下，以最噴射壓片與噴射無影響射出平行為0°，通過調節俯仰角從而改變其射程，記錄不同俯仰角下射程變化，根據多次反復性試驗，探究俯仰角和射程的關系。其中實驗設置參數見表1。

表1 實驗參數

2）射程輸出特性。根據測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，俯仰角為縱坐標。

圖3 噴頭俯仰角和射程的關系圖

將其射程與俯仰角建立二維模型，通過matlab 擬合（圖4），二階函數基本可以滿足擬合需求。

圖4 噴頭俯仰角和射程擬合圖

設其模型為

滿足95%擬合度下系數

3.4 結果分析

與其他在28～30°最優噴射俯仰角之間，風速小于0.9 m/s 的情況下得到的經驗公式比較[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，取0.8；α 為噴射俯仰角，°。

根據文獻[10-11]實驗數據，定30°噴射俯仰角的噴頭，卡瓦扎公式和常文海公式相對誤差較大。從公式看出其只與工作壓力和噴嘴直徑有關，與俯仰角無關。文獻[11]論證得，從加維林公式在計算噴頭射程時相對誤差較大，并計算得最大相對誤差48%、99%。而馮傳達公式誤差較小，但比論文公式誤差較大。

4 其他智能功能系統設計

硬件主要采用node MCU 作為主控制器，根據布置，不同位置的噴頭根據需求搭載外接溫濕度傳感器、防水超聲波測距傳感器、土壤濕度傳感器和步進電機、舵機等執行元件構成。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，無線聯網模塊，有很好的擴展性。

圖5 噴頭完整智能硬件組成圖

4.1 環境采集式噴頭設計

環境采集式噴頭設計如圖6 所示，采集溫濕度、光照、土壤濕度等參數，按需將數據上傳云平臺。并根據其進行功能轉速和噴灌時間參數設置，步進電機控制水平方向的旋轉，可控制旋轉的速度和旋轉的角度。若間距布局較近，光照、溫濕度傳感器、土壤傳感器均可交錯配置，在滿足環境采集的要求中，又降低了成本，減輕了噴頭上負載承重。

4.2 測距式噴頭設計

本系統以ESP8266 開發板為控制器，用超聲波測距傳感器測出非噴灑區域邊界，并將其數據傳至微處理器1，按需上傳云平臺。根據噴灑范圍與俯仰角的關系，通過控制俯仰角而控制噴灌范圍。測距噴灌系統如圖7 所示。

5 結束語

在本文的設計中，智能噴灌系統設計包括采集傳感系統、無線傳輸模塊、云平臺3 個部分。采集傳感系統中根據噴頭位置布置，選取必要傳感器，實現射程按需變化，采集光照、溫度、土壤濕度等參數，并按需安裝，實現智能噴灌，也可將數據無線傳輸匯總，最終選取所需數據上傳云平臺，進行監控。根據理論分析，及核心功能的實現，論證了本設計的科學性，對于節水灌溉有一定的工程意義。