灌溉是人工向一個(gè)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(xiàng)目必須最大限度地從他們使用的水中提取的利益，因?yàn)樗麄兣c工業(yè)和城市用戶競(jìng)爭(zhēng)稀缺的淡水資源，特別是在干旱期間。幸運(yùn)的是，隨著技術(shù)的進(jìn)步，提高灌溉系統(tǒng)效率的機(jī)會(huì)不斷擴(kuò)大。

使用電子儀器和控制來提高澆水項(xiàng)目效率的選擇很多。推動(dòng)適合灌溉項(xiàng)目的選項(xiàng)的最重要的限制因素是水的來源以及目標(biāo)澆水區(qū)域相對(duì)于該來源的大小和位置。目標(biāo)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(bǔ)儲(chǔ)水庫(kù)和靜水庫(kù)之間分配，項(xiàng)目需要安排以某種方式明確重新填充。

項(xiàng)目可以從較小的基本傳感和控制單元開始，可以在每個(gè)目標(biāo)環(huán)境中使用。然而，該項(xiàng)目在水上和水周圍運(yùn)行，因此還需要保護(hù)水密外殼中的電子設(shè)備，因?yàn)榧词乖谄涫褂脡勖陂g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(tái)

處理器平臺(tái)是大多數(shù)項(xiàng)目的核心。因此，設(shè)計(jì)人員可以使用各種各樣的處理器平臺(tái)，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(xiàng)的一系列選項(xiàng)，以最好地適應(yīng)任何項(xiàng)目的要求。這些平臺(tái)的處理器具有各種存儲(chǔ)器選項(xiàng)，時(shí)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(gè)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(shí)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(xiàng)目。

Pro Mini使用ATmega328，運(yùn)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(gè)模擬引腳和十四（14）個(gè)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(gè)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(xiàng)目需要用于檢測(cè)土壤濕度或濕度的傳感器。當(dāng)瞄準(zhǔn)盒子花園時(shí)，這可能只是幾個(gè)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(biāo)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(cè)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(yù)期的時(shí)間和地點(diǎn)檢測(cè)水是否流動(dòng)。流量計(jì)可以檢測(cè)和驗(yàn)證在水庫(kù)供應(yīng)量可能低于水庫(kù)存的用例中輸送的水量，以及檢測(cè)供水系統(tǒng)中的阻塞和泄漏。足夠的故障檢測(cè)可以防止灌溉系統(tǒng)浪費(fèi)水或讓植物死亡，從而破壞使用該系統(tǒng)的價(jià)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(dāng)執(zhí)行器時(shí)，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(dá)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(yùn)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(shí)消耗功率的自鎖閥。

如果灌溉系統(tǒng)在斷電期間可能會(huì)過度澆水，則可能會(huì)過度澆水。澆水操作。基于泵的輸水系統(tǒng)是一種自然的故障關(guān)閉系統(tǒng)，因?yàn)槿绻?dòng)力，則泵停止運(yùn)行并且水停止流動(dòng)。另一方面，當(dāng)閥門處于打開位置時(shí)，基于閥門的自鎖水輸送系統(tǒng)可能會(huì)失去動(dòng)力，因此將繼續(xù)輸送水直到電力恢復(fù)。這是使用有源螺線管的一個(gè)很好的理由。它們?cè)谶\(yùn)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(jìn)行電源管理時(shí)，系統(tǒng)可以使用額外的電路，可以在本地存儲(chǔ)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(dòng)力。

溝通

理想情況下，灌溉系統(tǒng)大部分時(shí)間都可以自主運(yùn)行。也就是說，系統(tǒng)服務(wù)的環(huán)境和目標(biāo)工廠可能會(huì)隨著時(shí)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(gè)“分布式”問題，因此與構(gòu)成灌溉系統(tǒng)的所有模塊進(jìn)行通信的能力至關(guān)重要。

隨著系統(tǒng)的擴(kuò)展，支持無線通信成為必需，尤其是在灌溉時(shí)控制器外殼需要是防水的，或者花園的大小增加到簡(jiǎn)單的室內(nèi)盒子之外。系統(tǒng)的功率要求會(huì)影響無線通信選項(xiàng)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(huì)導(dǎo)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(xiàng)目可能明智地選擇低于1GHz的無線電。

對(duì)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(gè)原因。從中心位置的每個(gè)節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)的能力使得故障檢測(cè)和糾正比必須物理訪問每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(yuǎn)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(xiàng)，而且在系統(tǒng)需要澆水時(shí)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(diǎn)電源管理最重要的設(shè)計(jì)考慮因素是如何延長(zhǎng)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(jiǎn)單和更少的通信，甚至通過NFC（近場(chǎng)通信）設(shè)備或手機(jī)卸載處理或與其他設(shè)備的通信來實(shí)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(gè)類別，同時(shí)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(jì)師所汲取的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

從考慮灌溉項(xiàng)目的練習(xí)中應(yīng)該清楚的是，設(shè)計(jì)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(gè)特定環(huán)境都會(huì)導(dǎo)致需求波及設(shè)計(jì)的其他部分。沒有什么可以是孤島。實(shí)際上，通過確保系統(tǒng)不執(zhí)行不應(yīng)該執(zhí)行的操作來消耗設(shè)計(jì)工作的很大一部分。