基于Arduino的灌溉項目的問題解析

灌溉是人工向一個地區(qū)輸送水，通常種植植物。自從我們播種了第一粒種子以來，如何創(chuàng)造有效的灌溉系統(tǒng)一直是人類的挑戰(zhàn)。農(nóng)業(yè)灌溉項目必須最大限度地從他們使用的水中提取的利益，因為他們與工業(yè)和城市用戶競爭稀缺的淡水資源，特別是在干旱期間。幸運的是，隨著技術(shù)的進步，提高灌溉系統(tǒng)效率的機會不斷擴大。

使用電子儀器和控制來提高澆水項目效率的選擇很多。推動適合灌溉項目的選項的最重要的限制因素是水的來源以及目標澆水區(qū)域相對于該來源的大小和位置。目標澆水區(qū)域廣泛覆蓋小型花園，中型花園和較大的農(nóng)作物地塊。水源在自補儲水庫和靜水庫之間分配，項目需要安排以某種方式明確重新填充。

項目可以從較小的基本傳感和控制單元開始，可以在每個目標環(huán)境中使用。然而，該項目在水上和水周圍運行，因此還需要保護水密外殼中的電子設(shè)備，因為即使在其使用壽命期間霧化或覆蓋在水中，該設(shè)備也需要能夠繼續(xù)工作。

處理器平臺

處理器平臺是大多數(shù)項目的核心。因此，設(shè)計人員可以使用各種各樣的處理器平臺，例如Arduino和Beagleboard，它們提供從小型，節(jié)能的8位處理器到更高性能的32位選項的一系列選項，以最好地適應任何項目的要求。這些平臺的處理器具有各種存儲器選項，時鐘速度以及各種處理器和電路板制造商提供的電路板形狀因子，如Atmel，Texas Instruments和Sparkfun Electronics。

圖1：3.3 V Arduino Pro Mini以小巧的外形提供靈活性

Sparkfun Electronics DEV就是一個很好的例子。 -11114 Arduino Pro Mini 328 - 3.3V/8MHz開發(fā)板。這是Arduino開源硬件的一種變體，適合安裝在微小的防水外殼中（圖1）。使用電路板確實需要一些焊接，但接頭很容易通孔。 18 x 33 mm的電路板大約是Arduino Uno的六分之一（1/6），所以它與Arduino屏蔽不兼容，但它可以連接到任何Arduino屏蔽（圖2）。

圖2：Arduino Pro Mini（前景）大約是Arduino Uno的六分之一（背景，褪色）適用于需要安裝在微小外殼中的項目。

Pro Mini使用ATmega328，運行頻率為8 MHz，帶外部諧振器（0.5％容差）。該板具有3.3 V穩(wěn)壓器，可處理3.3 V至12 V的直流輸入。它包括八（8）個模擬引腳和十四（14）個數(shù)字I/O.為了使這塊電路板如此小，沒有包含USB電路，這意味著需要一個外部元件FTDI Breakout來將代碼上傳到電路板。

不僅僅是濕度傳感器

<該項目需要用于檢測土壤濕度或濕度的傳感器。當瞄準盒子花園時，這可能只是幾個濕度傳感器，傳感器的數(shù)量隨著花園的大小而增加。濕度傳感器可能需要放置在土壤表面下的淺層和深層位置，以確保為目標植物最佳地輸送水。溫度和光傳感器可以幫助系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境條件更好地輸送水。

由于故障檢測原因，隨著花園大小的增加，不太明顯的傳感器變得越來越重要，它們向控制器提供有關(guān)系統(tǒng)操作的反饋。例如，壓力傳感器可以用作反饋，以使控制器能夠在預期的時間和地點檢測水是否流動。流量計可以檢測和驗證在水庫供應量可能低于水庫存的用例中輸送的水量，以及檢測供水系統(tǒng)中的阻塞和泄漏。足夠的故障檢測可以防止灌溉系統(tǒng)浪費水或讓植物死亡，從而破壞使用該系統(tǒng)的價值。

失效關(guān)閉執(zhí)行器

水源和電源的類型在確定灌溉系統(tǒng)的適當執(zhí)行器時，需要考慮約束因素。有兩種主要類別的水源：需要泵的水源，以及可依賴于打開和關(guān)閉閥門的水源。需要操作馬達以泵送的蓄水池（例如地面蓄水池）將水輸送到工廠將比僅依靠打開和關(guān)閉閥門的系統(tǒng)消耗更多的能量。為了在運行期間節(jié)省更多功率，系統(tǒng)可能能夠使用僅在打開和關(guān)閉位置之間切換時消耗功率的自鎖閥。

如果灌溉系統(tǒng)在斷電期間可能會過度澆水，則可能會過度澆水。澆水操作?；诒玫妮斔到y(tǒng)是一種自然的故障關(guān)閉系統(tǒng)，因為如果它失去動力，則泵停止運行并且水停止流動。另一方面，當閥門處于打開位置時，基于閥門的自鎖水輸送系統(tǒng)可能會失去動力，因此將繼續(xù)輸送水直到電力恢復。這是使用有源螺線管的一個很好的理由。它們在運行期間消耗功率，但在關(guān)閉閥門位置失效。如果節(jié)約能源受到高度重視，比如在使用能量收集方法進行電源管理時，系統(tǒng)可以使用額外的電路，可以在本地存儲足夠的能量，不僅在正常操作期間將閥門鎖定到關(guān)閉位置，而且如果是失去動力。

溝通

理想情況下，灌溉系統(tǒng)大部分時間都可以自主運行。也就是說，系統(tǒng)服務的環(huán)境和目標工廠可能會隨著時間的推移而發(fā)生重大變化。因此，系統(tǒng)需要配置，命令和查詢的能力。供水是一個“分布式”問題，因此與構(gòu)成灌溉系統(tǒng)的所有模塊進行通信的能力至關(guān)重要。

隨著系統(tǒng)的擴展，支持無線通信成為必需，尤其是在灌溉時控制器外殼需要是防水的，或者花園的大小增加到簡單的室內(nèi)盒子之外。系統(tǒng)的功率要求會影響無線通信選項的選擇，特別是如果它依賴于能量收集的功率。使用Arduino Wi-Fi屏蔽會導致大量功耗，可能無法支持頻繁通信。為了消耗更少的電力，灌溉項目可能明智地選擇低于1GHz的無線電。

對系統(tǒng)的中央控制和本地控制以及反饋的需求是分布式通信功能的另一個原因。從中心位置的每個節(jié)點收集數(shù)據(jù)的能力使得故障檢測和糾正比必須物理訪問每個節(jié)點更快更容易。

電源管理

雖然灌溉系統(tǒng)的中央控制器可能連接到系留電源，但幾乎可以肯定，分布式遠程模塊將依賴可充電電池和能量收集技術(shù)。太陽能電池板不僅提供最成熟的能量收集選項，而且在系統(tǒng)需要澆水時最能與收集能量相關(guān)。在大多數(shù)情況下，在干燥和晴天條件下需要更多的水輸送，這顯然更適合收集太陽能。

能量收集節(jié)點電源管理最重要的設(shè)計考慮因素是如何延長電池壽命。該系統(tǒng)可以通過較少頻繁的睡眠模式喚醒，更簡單和更少的通信，甚至通過NFC（近場通信）設(shè)備或手機卸載處理或與其他設(shè)備的通信來實現(xiàn)這一目的。

結(jié)論

深入研究這些類別問題的權(quán)衡取舍超出了本文的范圍。相反，未來的文章將分別使用確定的特定組件處理每個類別，同時繼續(xù)使用灌溉示例。這將提供連續(xù)性，有效地捕獲和分享使用灌溉系統(tǒng)的其他制造商和設(shè)計師所汲取的經(jīng)驗教訓。

從考慮灌溉項目的練習中應該清楚的是，設(shè)計必須考慮不到只有必須執(zhí)行的主要功能，但也必須避免哪些操作和條件。必須避免的每個特定環(huán)境都會導致需求波及設(shè)計的其他部分。沒有什么可以是孤島。實際上，通過確保系統(tǒng)不執(zhí)行不應該執(zhí)行的操作來消耗設(shè)計工作的很大一部分。