基于物联网技术的沙化河岸防风固沙装置设计

胡浩博，方兆琪，贺怡，段士博，马惠铖，王海军

（1.延安大学西安创新学院，陕西 西安 710100；2.西安理工大学，陕西 西安 710100）

0 引 言

随着社会经济的高速发展，人与自然和谐相处显得尤为重要。为了实现人与自然的协调可持续发展，人们应增强接近自然、热爱自然、保护自然、修复自然的意识。在沙化河岸防风固沙中，通过人工灌溉修复生态环境具有修复效率低下、成本高且修复周期长等缺点。为此，本文设计一种基于物联网技术的沙化河岸防风固沙灌溉装置，用于自然生态的修复，践行“绿水青山就是金山银山”的理念[1]。沙化河岸防风固沙灌溉装置由机械车和存储水箱组成，集机械设计、物联网技术和传感器技术等于一体，能够实现机械化的生态修复，具有高效率、低成本、智能化、便携等优点。在实际应用中，能够高效完成林带灌溉等生态修复任务。此外，储水箱也可装生态修复液，进行沙土环境的植被修复[2]。装置结构简明、应用简便、清洁环保，在一定程度上能够进一步有效地解决我国沙化河岸以及土地荒漠化地区的防风固沙治理问题。

1 系统整体设计

沙化河岸防风固沙林带的灌溉装置总体设计方案集机械设计技术、传感器技术、物联网技术等于一体，针对底层沙化河岸的环境感知、灌溉修复，通过物联网中间件（Air724UG 4G LET通信模块）感知环境数据的传输，再到物联网云端（中国电信物联网开放平台，简称Ctwing平台）进行数据存储、分析及可视化。本套装置采用“端-管-云”一体，进一步打破传统的生态灌溉修复模式[3-5]。装置总体设计框图如图1所示。

图1 装置总体设计框图

2 装置底层实现

装置设计以“绿水青山就是金山银山”为理念、“防风治沙、热爱自然”为设计要求，采用CAD建模、测试，选购环保式设计器材、高精度传感器等，搭建“端-管-云”一体的防风固沙、生态修复的完整体系。

装置底层由机械车、多重传感器、灌溉修复水箱等实体组成，机械车中部采用机械转轴，以增强车体在沙化河岸路面移动的灵动性。机械车体外围装有监测沙化河岸环境的多重传感器，进行环境感知、监测。机械车体后方固定有储水箱用于灌溉水的存储[6]。装置底层机械车主观设计如图2所示。

图2 装置底层机械车主观设计

2.1 装置底层转轴的设计

机械车底层转轴是连接车体前后两部分的重要连接体，该转轴中间利用圆筒连接转轴前后两部分，以降低转轴转动过程中的摩擦力。转轴上设有螺丝孔，用于与机械车体的衔接固定。装置底层转轴设计如图3所示。

图3 装置底层转轴设计

2.2 装置底层存储水箱设计

本套装置是一种环保式沙化河岸的防风固沙的灌溉装置，灌溉装置主体为储水箱。储水箱采用环保式亚克力板，箱体为方形，长100 mm、宽100 mm、高100 mm。箱体底角采用固定螺丝与机械车身进行连接与固定。灌溉水泵处于箱体的正中间，在箱体一层有出水小孔，用于灌溉出水；储水箱亦可装生物修复液，对林带植被用生物修复液进行修复，实现箱体的双重复用功能以及资源充分化[7]。装置储水箱体设计如图4所示。

图4 装置储水箱体设计

2.3 装置底层中间件作用及功能

沙化河岸防风固沙林带灌溉装置中的物联网中间件使用上海合宙通信科技的Air724UG 4G LET模块，主要负责底层数据与中国电信物联网开放平台的通信，该模块具有4G基站定位功能，既可以实时将系统底层数据进行上云操作，又可通过基站对此灌溉修复装置进行定位，构建沙化河岸环境监测网。装置将机械设计技术、传感器技术与物联网技术相结合，主要应用于沙化河岸等植被破坏的生态待修复地域。该套灌溉装置利用光敏传感器、土壤湿度传感器、温湿度传感器等多重智能传感器辅助环境修复，可进一步降低人力成本、经济成本，达到科学灌溉、智能监测、自主移动，能够进一步推动我国机械设计技术、物联网技术与我国环境沙化治理的紧密结合，实现我国沙化河岸等沙化环境的机械智能化治理。

装置中间件与Ctwing平台连接，充分利用云平台的资源，实现云平台与沙化河岸防风固沙林带灌溉装置的紧密结合。装置底层端进行数据感知、控制灌溉，物联网中间件进行数据传输，Ctwing云平台进行数据存储、分析以及可视化[8]。云端再通过分析的数据反馈给系统底层，系统进行全双工通信、双向约束，共同实现对装置的控制，以实现该机械灌溉装置的云管理模式。

3 装置整体外形设计

通过机械车移动在河岸水源处进行存储水箱储水；储水完成后，机械车移至需要灌溉修复的林带植被区域进行灌溉；机械车体表面装有传感器，感知装置所在的待修复区域状况。通过传感器感知数据，反馈至云平台处理，平台对底层数据进行分析，下发指令给底层，通过储水箱对沙化河岸林带进行灌溉与生态修复，防止水土流失，治理沙化土地[9]。装置整体外形设计如图5所示。

图5 装置整体外形设计

沙化河岸的防风固沙林带装置采用机械车与储水箱结合设计。车体底板采用软不锈钢材质，该材质具有薄、轻、透等特点；底板上设有多空螺丝插杆，用于储水箱与车体的紧密固定。储水箱底角四周采用环保实用的亚克力板设计，保证了灌溉水箱能更好地固定于车体上，在机械车底板上打穿4个可插入的螺丝孔，用于灌溉水箱的固定。

4 装置底层与云图设计

沙化河岸的防风固沙林带装置通过底层机械车实现灌溉装置的灵活移动。在车体底层装有多重传感器，进行必要的沙化河岸林带环境的感知；机械车以STM32F103系列控制器作为控制主板，通过手机APP或者无线手柄对机械车进行控制，实现机械车自动行驶、平移，以解放人力；灌溉装置采用Arduino开发板作为底层的灌溉控制板，进行沙化河岸林带的灌溉与生态修复[10]。装置底层与云图设计如图6所示。

图6 装置底层与云图设计

5 装置的创新点

5.1 机械设计技术与物联网技术的结合

灌溉装置以Arduino UNO作为主控芯片，采用编程语言对灌溉环境温湿度、光照值、土壤湿度等沙化河岸环境参数进行综合设置，实现对灌溉水泵的控制；并将所感知的环境量上传至中国电信物联网开放平台，根据云平台特点进行数据的存储、分析、可视化，以此实现科学灌溉、科学生态修复、科学沙化治理等。

5.2 传感器技术的使用

装置采用多重传感器，激光PM2.5传感器、温湿度传感器、光敏传感器、土壤湿度传感器等智能传感器，检测沙化河岸、荒漠地区的环境状况。采集装置所在环境的温湿度、PM2.5、光照值、土壤湿度等信息，将采集到的信息通过底层控制板Arduino主控传送给Air724 4G通信模块，通信模块收到感知的数据后发送至物联网云端，进行数据存储、分析及可视化。用户可远程观察云平台界面或手机APP获取沙化河岸灌溉状况及沙漠化修复程度等数据。

5.3 智能灌溉及修复

装置主控低功耗单片机作为灌溉装置的主控芯片控制灌溉水泵，当土壤湿度传感器、温湿度传感器、激光PM2.5传感器等监测的综合数值出现异常时，水泵进行灌溉作业。工作人员只须对装置进行定期检查、保养即可，能够进一步解放人力，降低人力和时间等成本。

6 结 语

本装置具有防风固沙、修复生态等实用价值和经济价值。实用价值主要体现在装置是基于物联网技术、机械设计技术等，更加机械化、智能化、便捷化，针对人群广泛、简单、易操作，并可应用于沙化河岸防风固沙、土地荒漠生态修复等方面。经济价值主要体现在装置在自然修护、生态保护、林带灌溉、防风固沙等方面具有良好的效果，并且可以节省人力和时间成本。