基于Arduino的灌溉项目的问题解析

灌溉是人工向一个地区输送水，通常种植植物。自从我们播种了第一粒种子以来，如何创造有效的灌溉系统一直是人类的挑战。农业灌溉项目必须最大限度地从他们使用的水中提取的利益，因为他们与工业和城市用户竞争稀缺的淡水资源，特别是在干旱期间。幸运的是，随着技术的进步，提高灌溉系统效率的机会不断扩大。

使用电子仪器和控制来提高浇水项目效率的选择很多。推动适合灌溉项目的选项的最重要的限制因素是水的来源以及目标浇水区域相对于该来源的大小和位置。目标浇水区域广泛覆盖小型花园，中型花园和较大的农作物地块。水源在自补储水库和静水库之间分配，项目需要安排以某种方式明确重新填充。

项目可以从较小的基本传感和控制单元开始，可以在每个目标环境中使用。然而，该项目在水上和水周围运行，因此还需要保护水密外壳中的电子设备，因为即使在其使用寿命期间雾化或覆盖在水中，该设备也需要能够继续工作。

处理器平台

处理器平台是大多数项目的核心。因此，设计人员可以使用各种各样的处理器平台，例如Arduino和Beagleboard，它们提供从小型，节能的8位处理器到更高性能的32位选项的一系列选项，以最好地适应任何项目的要求。这些平台的处理器具有各种存储器选项，时钟速度以及各种处理器和电路板制造商提供的电路板形状因子，如Atmel，Texas Instruments和Sparkfun Electronics。

图1：3.3 V Arduino Pro Mini以小巧的外形提供灵活性

Sparkfun Electronics DEV就是一个很好的例子。 -11114 Arduino Pro Mini 328 - 3.3V/8MHz开发板。这是Arduino开源硬件的一种变体，适合安装在微小的防水外壳中（图1）。使用电路板确实需要一些焊接，但接头很容易通孔。 18 x 33 mm的电路板大约是Arduino Uno的六分之一（1/6），所以它与Arduino屏蔽不兼容，但它可以连接到任何Arduino屏蔽（图2）。

图2：Arduino Pro Mini（前景）大约是Arduino Uno的六分之一（背景，褪色）适用于需要安装在微小外壳中的项目。

Pro Mini使用ATmega328，运行频率为8 MHz，带外部谐振器（0.5％容差）。该板具有3.3 V稳压器，可处理3.3 V至12 V的直流输入。它包括八（8）个模拟引脚和十四（14）个数字I/O.为了使这块电路板如此小，没有包含USB电路，这意味着需要一个外部元件FTDI Breakout来将代码上传到电路板。

不仅仅是湿度传感器

<该项目需要用于检测土壤湿度或湿度的传感器。当瞄准盒子花园时，这可能只是几个湿度传感器，传感器的数量随着花园的大小而增加。湿度传感器可能需要放置在土壤表面下的浅层和深层位置，以确保为目标植物最佳地输送水。温度和光传感器可以帮助系统根据环境条件更好地输送水。

由于故障检测原因，随着花园大小的增加，不太明显的传感器变得越来越重要，它们向控制器提供有关系统操作的反馈。例如，压力传感器可以用作反馈，以使控制器能够在预期的时间和地点检测水是否流动。流量计可以检测和验证在水库供应量可能低于水库存的用例中输送的水量，以及检测供水系统中的阻塞和泄漏。足够的故障检测可以防止灌溉系统浪费水或让植物死亡，从而破坏使用该系统的价值。

失效关闭执行器

水源和电源的类型在确定灌溉系统的适当执行器时，需要考虑约束因素。有两种主要类别的水源：需要泵的水源，以及可依赖于打开和关闭阀门的水源。需要操作马达以泵送的蓄水池（例如地面蓄水池）将水输送到工厂将比仅依靠打开和关闭阀门的系统消耗更多的能量。为了在运行期间节省更多功率，系统可能能够使用仅在打开和关闭位置之间切换时消耗功率的自锁阀。

如果灌溉系统在断电期间可能会过度浇水，则可能会过度浇水。浇水操作。基于泵的输水系统是一种自然的故障关闭系统，因为如果它失去动力，则泵停止运行并且水停止流动。另一方面，当阀门处于打开位置时，基于阀门的自锁水输送系统可能会失去动力，因此将继续输送水直到电力恢复。这是使用有源螺线管的一个很好的理由。它们在运行期间消耗功率，但在关闭阀门位置失效。如果节约能源受到高度重视，比如在使用能量收集方法进行电源管理时，系统可以使用额外的电路，可以在本地存储足够的能量，不仅在正常操作期间将阀门锁定到关闭位置，而且如果是失去动力。

沟通

理想情况下，灌溉系统大部分时间都可以自主运行。也就是说，系统服务的环境和目标工厂可能会随着时间的推移而发生重大变化。因此，系统需要配置，命令和查询的能力。供水是一个“分布式”问题，因此与构成灌溉系统的所有模块进行通信的能力至关重要。

随着系统的扩展，支持无线通信成为必需，尤其是在灌溉时控制器外壳需要是防水的，或者花园的大小增加到简单的室内盒子之外。系统的功率要求会影响无线通信选项的选择，特别是如果它依赖于能量收集的功率。使用Arduino Wi-Fi屏蔽会导致大量功耗，可能无法支持频繁通信。为了消耗更少的电力，灌溉项目可能明智地选择低于1GHz的无线电。

对系统的中央控制和本地控制以及反馈的需求是分布式通信功能的另一个原因。从中心位置的每个节点收集数据的能力使得故障检测和纠正比必须物理访问每个节点更快更容易。

电源管理

虽然灌溉系统的中央控制器可能连接到系留电源，但几乎可以肯定，分布式远程模块将依赖可充电电池和能量收集技术。太阳能电池板不仅提供最成熟的能量收集选项，而且在系统需要浇水时最能与收集能量相关。在大多数情况下，在干燥和晴天条件下需要更多的水输送，这显然更适合收集太阳能。

能量收集节点电源管理最重要的设计考虑因素是如何延长电池寿命。该系统可以通过较少频繁的睡眠模式唤醒，更简单和更少的通信，甚至通过NFC（近场通信）设备或手机卸载处理或与其他设备的通信来实现这一目的。

结论

深入研究这些类别问题的权衡取舍超出了本文的范围。相反，未来的文章将分别使用确定的特定组件处理每个类别，同时继续使用灌溉示例。这将提供连续性，有效地捕获和分享使用灌溉系统的其他制造商和设计师所汲取的经验教训。

从考虑灌溉项目的练习中应该清楚的是，设计必须考虑不到只有必须执行的主要功能，但也必须避免哪些操作和条件。必须避免的每个特定环境都会导致需求波及设计的其他部分。没有什么可以是孤岛。实际上，通过确保系统不执行不应该执行的操作来消耗设计工作的很大一部分。