智能喷灌系统设计及射程计算

杨 宁

（内蒙古电子信息职业技术学院 电子与自动化学院，呼和浩特 010010）

随着城市绿化面积不断增大，绿化喷灌用水已不容忽视，我国水资源较为匮乏，且分布不均，所以不断推行节水节能喷灌。目前园林喷灌系统大多采用管道输水，通过园林内喷头，将有压水流喷灌地表，均匀喷灌[1]。文献[2]针对目前智能喷灌系统指出，通过物联网喷灌系统可以实现多单元共同采集，一单元可容纳多个传感器，从而采集区域内土壤、环境参数。文献[3]针对不同地形，提出喷头的布置有适合地形规则、平整矩形布置、适合地形不规则和起伏较大的菱形，并提出根据风速设计的喷头组合间隔布置。单喷头水量分布是进行组合喷头水量分布的基础数据，通常喷灌系统的组合喷灌水量分布由单喷头的水量分布数据通过叠加计算得到，需要重复性试验得到数据[4]，费时费力。文献[5]针对单喷头射程最优化提出，喷头仰角、压强、喷嘴直径、射程的关系。

本设计经过分析设计，对单喷头所涉及的喷灌面积进行动态控制，避免了以上布置遗留的缺陷，也避免了大量重复进行组合喷灌。在单喷头上进行智能改造，使其可达到按需喷灌，包括定时喷灌、按既定面积喷灌、按土壤干湿程度喷灌的智能喷灌。

1 系统整体设计

目前喷灌系统主要管道铺设，整个园区统一喷灌，园林喷灌主要喷头为360°的摇臂式喷头，机械调整角度设计喷灌区域。前期调研高度可调喷头并不是绿化喷灌主流使用设备，作为主流喷头的摇臂式喷头，改变其喷头高低，需对喷头下端支管进行改造且需灵活伸缩；若通过控制器控制，电子系统需精密防水设计；若机械设计，需支管不断借助某外力摩擦实现，2 种方法均成本较高，不适用。综上分析，考虑其实现难度及成本等因素，本设计选用通过改摇臂式喷头俯仰角，从而改变喷灌范围的方案[6]。

本系统一方面借鉴智能农业，常规环境监控。在喷头上安装所需传感器，设计成智能喷头，不同的绿植需不同的水量，针对不同季节、不同温度制定每日的喷灌时间，根据土地的温度，更改在该区域的喷灌时长。另一方面根据绿植区域，改变喷头俯仰。根据绿植改变喷头俯仰角，使其满足按需喷灌的喷洒域，既能满足可喷灌范围内的最大半径面积，又避免可喷灌范围内的小路等不需喷洒的区域[7]。智能喷灌如图1 所示。

图1 智能喷灌示意图

2 喷头硬件系统

喷头硬件系统是在360°摇臂喷头上安装数据采集模块、控制器（数据处理模块）、无线模块[8]。喷头根据环境所需，分单元布置，设每20 个喷头为一单元。单元管控喷头布置根据位置不同，设置为3 类：测距式喷头、环境采集式喷头、自备式喷头。测距式喷头通过超声波测距，实现射程的计算，根据射程和俯仰角关系进行喷灌；环境采集式喷头，对喷头喷灌区内温度、湿度、土壤湿度进行采集，并据此进行转速和喷灌时长的设置。对处于园林边缘或者小路附近的喷头选择测距式喷头；对于园区内部的喷头选择环境采集式喷头；对于周围环境相似，间隔环境采集式喷头较近的喷头可选择自备式喷头，即暂不安装传感器，只安装传输模块。以上3 类喷头均通过无线通信模块传输，并进行控制。喷头基本组成为如图2 所示。

图2 喷头智能组件组成

欲实现的基本功能有：①通过监控实时的温湿度信息、气象信息等设置喷灌时间，并进行水量微调。②通过土壤湿度传感器，可以根据土壤的湿度来进行喷头旋转速度设置，如湿度过低将减慢步进电机的速度，增加喷灌水量，湿度较大，加快转速，减小喷灌水量来进行灌溉。若土壤湿度已饱和，自动停止喷灌。③根据喷头设置位置，在道路边缘的喷头根据超声波测距改变喷头俯仰角，从而缩小喷灌范围，使水全部喷洒在绿化地中。

3 射程功能实现方案

一般对于中射程喷头旋转一周为1～3 min，远射程喷头旋转一周为3～5 min。目前，估算旋转式喷头射程的经验公式如卡瓦扎公式、常文海公式、冯传达公式和加维林公式[9]。本设计提出自己的已验公式，并与传统射程的经验公式对比，论证方案可行性。

3.1 喷头射程建模

由于水流运动具有复杂性，水柱分散成水滴。水滴沿射出方向会变大，在喷射半径末端一般出现水滴直径的最大值。

理论推导较为困难，基于经验，喷头射程远近由地形坡度、喷射仰角、喷嘴直径、工作压强和旋转速度等因素决定。

根据影响因素可得如下函数式[5]

式中：R 为喷头射程，m；p 为工作压强，MPa；d 为喷嘴直径，mm；θ 为喷射仰角，°。

通过文献[9]中提出前人常用的经验公式相同的形式

式中：ζ、α、β、γ 为系数，对于同一单元内已定的喷头，即θ，d，p 已确定，这4 个未知数根据试验数据给出的4 个以上方程式可求得。

3.2 喷头射程公式

根据式（2），结合实际情况分析。同一园区水压相等，相同设备直径参数一定，选取不同压力下的射程公式。

3.2.1 环境采集式喷头射程

用最小二乘法，可通过反复测试结果，可能得到回归系数，于是得旋转式喷头射程公式对于环境采集式喷头，射程需尽可能大，为既定仰角最大值

通过多次反复实验，求得不同压力下的射程，得到压强和射程的关系。

3.2.2 测距式喷头射程

对于一工作喷头，工作压强、喷嘴直径均固定，所以主要影响射程的因素为仰角。

即可简化为

根据此函数进行实验测试。同理，试验次数越多，给出的方程式也越多，误差也越小。对此，本设计根据公式，根据实际情况可以进行公式转换。

3.3 实验测试

1）在现有实验室条件下，以最喷射压片与喷射无影响射出平行为0°，通过调节俯仰角从而改变其射程，记录不同俯仰角下射程变化，根据多次反复性试验，探究俯仰角和射程的关系。其中实验设置参数见表1。

表1 实验参数

2）射程输出特性。根据测试方案得到不同俯仰角下的射程变化如图3 所示，以射程为横坐标，俯仰角为纵坐标。

图3 喷头俯仰角和射程的关系图

将其射程与俯仰角建立二维模型，通过matlab 拟合（图4），二阶函数基本可以满足拟合需求。

图4 喷头俯仰角和射程拟合图

设其模型为

满足95%拟合度下系数

3.4 结果分析

与其他在28～30°最优喷射俯仰角之间，风速小于0.9 m/s 的情况下得到的经验公式比较[10]。

以压力20MPa，喷嘴直径4.0mm 为例，俯仰角为23°。

卡瓦扎公式

常文海公式

加维林公式

冯传达公式

式中：R 为射程，m；d 为喷嘴直径，mm；p 为喷嘴前压力水头，m；μ 为流量系数，取0.8；α 为喷射俯仰角，°。

根据文献[10-11]实验数据，定30°喷射俯仰角的喷头，卡瓦扎公式和常文海公式相对误差较大。从公式看出其只与工作压力和喷嘴直径有关，与俯仰角无关。文献[11]论证得，从加维林公式在计算喷头射程时相对误差较大，并计算得最大相对误差48%、99%。而冯传达公式误差较小，但比论文公式误差较大。

4 其他智能功能系统设计

硬件主要采用node MCU 作为主控制器，根据布置，不同位置的喷头根据需求搭载外接温湿度传感器、防水超声波测距传感器、土壤湿度传感器和步进电机、舵机等执行元件构成。喷头完整智能硬件组成如图5所示。以Arduino 为核心主板的处理器搭载各种传感器，无线联网模块，有很好的扩展性。

图5 喷头完整智能硬件组成图

4.1 环境采集式喷头设计

环境采集式喷头设计如图6 所示，采集温湿度、光照、土壤湿度等参数，按需将数据上传云平台。并根据其进行功能转速和喷灌时间参数设置，步进电机控制水平方向的旋转，可控制旋转的速度和旋转的角度。若间距布局较近，光照、温湿度传感器、土壤传感器均可交错配置，在满足环境采集的要求中，又降低了成本，减轻了喷头上负载承重。

4.2 测距式喷头设计

本系统以ESP8266 开发板为控制器，用超声波测距传感器测出非喷洒区域边界，并将其数据传至微处理器1，按需上传云平台。根据喷洒范围与俯仰角的关系，通过控制俯仰角而控制喷灌范围。测距喷灌系统如图7 所示。

5 结束语

在本文的设计中，智能喷灌系统设计包括采集传感系统、无线传输模块、云平台3 个部分。采集传感系统中根据喷头位置布置，选取必要传感器，实现射程按需变化，采集光照、温度、土壤湿度等参数，并按需安装，实现智能喷灌，也可将数据无线传输汇总，最终选取所需数据上传云平台，进行监控。根据理论分析，及核心功能的实现，论证了本设计的科学性，对于节水灌溉有一定的工程意义。