基于全方位旋转喷灌喷头的智能喷灌管理系统研究_刘丁铭.pdf

2023 年 4 月下南方论坛13South Forum基于全方位旋转喷灌喷头的智能喷灌管理系统研究*刘丁铭1，余建国1，2，陈安安1，王雯1，王瑞红3（1.郑州航空工业管理学院智能工程学院，河南 郑州 450000；2.裕华生态环境股份有限公司，河南 郑州 450000；3.黄河交通学院汽车工程学院，河南 焦作 454150）摘要：【目的】传统农业喷灌方式需要人工巡检，存在水资源利用率低、人力资源浪费、经济效益低、人为管理不精确等问题。【方法】课题组设计了一套基于全方位360旋转喷灌喷头的智能喷灌管理系统，运用Douglas-Peucker算法对传统喷灌喷头进行了智能化改造，结合MQTT通信和树莓派、Arduino、传感器进行了云平台设计。【结果】该系统可以提供智能喷灌服务，以“X形”沿边界喷洒，可以有效避免水资源的浪费，实现全覆盖喷洒作业，并可以对特定地点进行实时监控与操作。【结论】通过系统化智慧农业服务，降低了农民劳动强度，有效解决了城市绿化的相关问题，最大程度减少了土壤污染，促进了物联网与农业的深度结合，推动了农业灌溉系统的机械化、自动化、智能化发展。关键词：全方位喷头；MQTT；智能喷灌；Douglas-Peucker算法；云平台中图分类号：TP273；S274 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.08.0040 前言近年来，农林喷灌系统多为单喷头单喷管，导致喷洒作业耗时长、单位喷洒面积小。在喷灌期间，由于喷灌不能提供精确定向的水射流，且喷射的远近也无法控制，导致喷灌范围不集中1，喷头喷水可能喷到街道路面，对路过的行人造成一定的干扰。同时，也时常出现在土壤水量充沛的时间段仍喷水，造成大量水资源浪费的情况。此外，大部分喷头喷灌时的打击力度较大，会对土壤和作物造成较大的冲击，从而对其有所损害。目前，仍有部分地区的树木喷灌还没有普及智能喷灌设备，只是通过人工的方式来喷洒，在夏季等较干旱的季节，每天都需要进行重复喷灌的操作，造成了大量人力资源的浪费。在炎热天气下作业，不仅不利于植物吸收充足水分2，而且会对工作人员的身体安全造成一定风险，同时，城乡绿化喷灌喷洒还容易造成药液的浪费，导致当地环境的污染。随着现代农林业以及科技的发展，课题组针对以上问题，自主设计了全方位旋转喷灌喷头，通过结合MQTT进行喷灌系统与远程设备的实时信息传输和大数据比对与分析，从而进行智能化喷灌。自主研发的多功能喷头不仅可以极大地增加喷灌面积，还可以提高水资源利用率。该系统通过小气象站采集土壤湿度、光照、温度等信息，经MQTT进行实时信息传输，经云平台智能化分析，自动控制开关、喷水量、喷水模式，使作物保持最佳状态。此外，还可以分析出作物存在问题的地区，结合自主研制的喷头以及Douglas-Peucker算法3，进行全覆盖的喷药治理，提高农作物产量，降低水资源消耗，最大程度减少土壤污染。1 系统设计课题组自主研发多功能喷头设备，搭配树莓派、湿度传感器等设施，研发出智能化陆地喷灌系统。同时，还制作了基于Python的云平台管理系统，通过将其运用到农业喷灌作业中，可以实现对一些不规则及大面积区域和高风险地区进行喷洒作业。1.1 喷头设计喷头是喷灌系统的关键设备。目前，新型喷头以锌基合金和铜为主要制造原料，性能好，技术含量高，总体上提高了喷头产品质量，基本上满足使用要求，但仍普遍存在品种少、规格单一、弹簧不耐久、摇臂易断裂、换向机构不可靠等问题，所以目前亟需一种更加耐久、转向灵活且功能多样的喷头。1.1.1喷头设计背景现代喷灌设备的喷头大部分通过设置总阀门来控制开关，普遍存在局部过湿润或过干旱现象，导致水分分布不均衡、植物生长不适宜等问题。有些地区会利用旋转旋钮进行喷头的旋转，但仍不能实现自动基金项目：2022年国家级大学生创新创业训练计划项目（202210485018）；河南省“十四五”规划课题（2021YB0457）；2022年度郑州航院研究性教学改革研究与实践项目（校教字 2022 68号）；2022年度郑州航院研究生教育改革与发展研究项目（2022YJSJG38）；2022年度郑州航院创新创业示范课程项目（2022-15）；2022年郑州航院教育教学改革研究与实践项目（zhjy22-93）作者简介：刘丁铭（2002），女，河北石家庄人，本科，研究方向为物联网技术与软件开发技术。通信作者：余建国（1975），男，河南林州人，硕士研究生，副教授，研究方向为深度学习与软件开发技术。南方论坛142023 年 4 月下South Forum调整喷灌速度等目标4。大部分喷灌设备只能进行单向喷射，不能进行更大面积的喷洒，很难进一步提高节水效率。1.1.2喷头设计思路结合理论知识，课题组进行了实地实验，用SolidWorks设计了一种全方位360旋转节水喷灌喷头。喷水处采用阶梯型，使水柱到达喷嘴时能够具有更大的压强，增加喷水射程；通过变频器来调节水泵的转速，通过调节水泵的出口压力来控制加压和减压，使压强不断变化，从而更改喷头的射程，有效节约用水。喷头内部设置蓄水量，当蓄水量达到一定值时，可以利用压强差使水根据农田、果园、茶园等的相关公顷数按需进行灌溉。该喷头应用范围广泛，不仅可以在平原田地和山区田地使用，还可以在陡峭山区的茶园、果园等进行喷洒。喷口连接处设置有凹槽，可以缓冲水流，减少长期用力喷击导致喷头内部变形的情况，该构造设计可以减少用电量，节省能源，提高效率，扩大喷洒覆盖面。喷口底部设置夹角，使得喷出的雾滴有夹角，实现多幅度喷射。通过连接传感器，内部设置一键四开关的阀门，通过传感器感应土壤湿度、温度，从而控制阀门开关，避免了水资源的浪费5。此外，可以通过控制转速，调节离心率控制射程的长短；调整喷灌地区同心圆的大小，从而进一步达到适宜灌溉的目的；根据传感器感应，使得湿润地区喷水量减少，干旱地区喷水量增多；连接处可以模拟机械臂自由转动，调节更加灵活，在保证水密性的条件下，可以实现360旋转、圆周喷洒。1.1.3喷头结构详解喷头结构示意图，如图1所示。1）螺纹：用于连接PE管或者其他管子。2）阶梯：使喷出的压力更大，射程更远。3）喷口：类似于马蜂窝的形状，使得喷射的水滴或药液呈现雾状。4）凹槽：控制V型角度剖面和上视面，使得喷出的雾状液滴实现360全面覆盖。5）阀门：各喷管各有一个，该设计实现一阀门控制4个喷管，分别开关，4个喷管可以自动伸缩，调节角度。6）连接处：中间粗管和喷管连接处能模拟机械臂自由转动，调节更加灵活，但要保证水密性6。因此，使用高速旋转密封圈衔接上下两个管子，使其围绕中心轴旋转，固定体和运动体之间设置一个很小的环形间隙，由于受到的流动阻力极大，所以不会泄漏。1254631.螺纹；2.阶梯；3.喷口；4.凹槽；5.阀门；6.连接处。图1喷头结构示意图喷头的结构参数主要由切槽角度和相对切深决定。如果相对切深特别小，喷雾角会随着相对切深的增大而发生不规律的增大变化；当相对切深增大到一定值时，继续增大相对切深，喷雾角将随着相对切深的增大而减小。喷雾角与切槽角度呈反比关系7。喷头剖面及上视图如图2所示。.切槽角度；.喷雾角。图2剖面及上视图1.1.4结合Douglas-Peucker算法在实际喷灌中，地形往往并不是长方形或圆形的规则图形，对于不规则地势，很容易产生无效喷灌，在边缘地区形成喷射溢出，造成浪费。对于复杂地形，如信阳毛尖茶山等地区，使用改进的Douglas-2023 年 4 月下南方论坛15South ForumPeucker算法对目标地块进行简化，如图3所示。首先，需要对连续边界进行矢量化规定，按照逆时针对边界进行排序，之后运用Douglas-Peucker算法对曲线二分近似，得到后期可以进行凸划分的外部轮廓8，Douglas-Peucker算法的步骤如下。1）对原本的复杂边界进行链码操作，得到边界各个像素点的顺序。2）边界线被分割为基于端点的线段，并寻找最远点。3）找到相距初始线段垂直距离最远顶点，不断连接，并重复步骤2。4）当循环后的线段垂直距离平均误差低于给定误差，认为多边形近似建立成功，连接各个顶点。（1）（2）（3）（4）图3改进的Douglas-Peucker算法简化目标地块的过程最终通过选择合适的误差区间，得到压缩后的复杂地块轮廓图，将Douglas-Peucker算法和喷头有效结合。在不计空气阻力的情况下，认为单喷头在不旋转时的喷洒范围是一个扇形，假定喷灌区域边界是线段非曲线，当靠近喷灌区域边界时，若想全覆盖喷灌必定会造成喷灌过界，导致水资源的浪费。为解决此问题，把喷头处设计为4个喷头结构、4个方向喷射，可单独进行开关调节的方式。当喷头接近喷灌区域边界时，进行旋转，以“X形”沿边界喷洒，将靠近边界的喷头关闭，可以有效避免水资源的浪费，并且做到了全覆盖喷洒。无论经过Douglas-Peucker算法后得到的复杂多边形有几条边、如何构成，对边界区域进行灌溉时都可采用上述解决方法。当从一条边换到另一条边喷洒时，喷头进行同步旋转，保证喷头以“X形”沿着边界走，并且保证边界外的喷头关闭，边界内的喷头开启。1.1.5结合MQTT工作流程该系统中，MQTT使用底层传输协议基础设施，连接喷头、地面气象站等硬件设备与智慧喷灌系统，同时客户端也使用其连接服务端，实现数据传输比对。通过MQTT协议发布的数据在云端被订阅接收后，对接收到的JSON数据包进行解析，并获取中控节点的编号，将土壤湿度、空气温湿度、降雨、光照度、上传时间等数据存入对应中控节点编号下的传感器信息采集表中。喷头工作过程中可以首先选取所要爬取的气象网站，查看该气象网站的robots协议，执行该网站的robots协议，爬取合法的数据。设定每次爬取的时间间隔、爬取的天数并更新以前采集到的气象数据，将爬取到的温度、湿度、天气状况、风力风向等气象数据清洗出来，将气象数据保存至中控节点编号下的天气气象表中，并更新以前采集到的当日数据，确保数据的真实可靠性。通过把传感器感应的数据传入电脑系统，与标准数据比对，自动控制喷出雾滴、液滴的颗粒大小。通过连接小气象站，采集土壤湿度、光照强度、温度等信息，通过MQTT进行实时信息传输，经云平台智能化分析，自动控制喷头的开关、喷水量、喷水模式，使作物保持最佳状态9。当树莓派中的喷灌时间监测系统发现超出喷灌时间后，会由Arduino执行树莓派下达的关闭电磁阀的命令，并进行一次传感器的数据采集，将本次喷灌的中控编号信息、采集到的各类数据再次打包成JSON格式的数据包，通过MQTT协议发布到云端，云端接收、解析数据并将其保存到喷灌地区中控节点编号下的喷灌反馈信息表中，可以使操作平台对特定地点实现实时的监控与操作，系统工作流程示意图如图4所示。红外传感器光照传感器湿度传感器控控 制制 器器土壤 pH 传感器土壤 pH 传感器继电器电动阀门手柄开关第一可调电磁阀第二可调电磁阀喷头备用图4系统工作流程示意图南方论坛162023 年 4 月下South Forum针对大部分设备喷灌时的水滴打击强度较大，容易对植物和土壤造成较大损害的问题，引入喷灌强度的概念。喷灌强度是指单位时间内喷洒在单位面积上的水量或单位时间内喷洒在绿地上的水深，即：=VtA=ht （1）式中，为喷灌强度，单位为 mm/min 或 mm/h；V为喷洒水量，单位为 mm3；A为喷洒面积，单位为mm2；h为水深，单位为mm；t为喷洒历时，单位为min或h。云平台可以通过公式（1）智能化分析出所需的喷灌强度，并将数据实时传输给喷头，使喷头运作，提高作物对水资源的利用率。此外，引入水滴打击强度的概念，水滴打击强度是指单位受水面积内水滴对植物和土壤的打击动能，也就是单位时间内单位受水面积所获得的水滴撞击能量。它与水滴大小、降落速度和密集程度有关，水滴打击强度太大，会损坏植物，破坏土壤团粒结构，造成土壤板结10。水滴打击强度有两种表示法，其中最直观的是雾化指标法。雾化指标是指喷头的设计工作压力（mH2O）和主喷嘴直径（m）之比。雾化指标在某种程度上反映了水