基于Arduino的智能盆栽設(shè)計

徐征武

現(xiàn)代室內(nèi)智能綠化設(shè)備在對植物根部澆灌技術(shù)上已日趨成熟，卻忽略了對植物葉面的養(yǎng)護(hù)，針對這一現(xiàn)狀，設(shè)計了一種基于Arduino的智能盆栽。該盆栽以Arduino UNO、溫濕度傳感器和電機(jī)為核心，LCD液晶屏實時顯示為輔。設(shè)計并編寫了Arduino UNO程序，實現(xiàn)實時、便捷地檢測周圍環(huán)境的溫度、濕度變化情況，并根據(jù)實時溫濕度檢測數(shù)據(jù)，通過Arduino UNO控制電機(jī)，對盆栽進(jìn)行及時的葉面保溫。實踐表明，該設(shè)計能夠經(jīng)濟(jì)、高效地實現(xiàn)植物葉面自動噴濕，可用于室內(nèi)盆栽的日常護(hù)理。

引言

當(dāng)下，現(xiàn)代工業(yè)進(jìn)步帶來的環(huán)境惡化漸漸影響到人們的日常生活。既能安撫心情又能凈化空氣的室內(nèi)盆栽被熱愛健康生活的人們所推崇，而快節(jié)奏的都市生活有時會讓人們忽略了對這些綠色精靈的呵護(hù)，使得原本珍愛的盆栽枯萎凋零，這讓人們倍感無奈與惋惜。隨之而興起的智能澆灌盆栽在市面上也備受歡迎，其基本功能是實現(xiàn)對盆景土壤濕度和光照度的智能調(diào)節(jié)，市場上的多數(shù)智能綠植產(chǎn)品已基本實現(xiàn)上述功能，正當(dāng)在人們關(guān)注澆水、補光的時候卻忽略了植物的葉面保濕，而市場上能夠滿足這需要的相關(guān)的產(chǎn)品卻很少。

對此，設(shè)計出一種盆栽葉面濕度智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能根據(jù)盆栽周圍濕度大小實現(xiàn)對葉面噴灑保濕功能，為盆栽提供更好的保護(hù)。植物葉面自動噴灑的需求分析

相關(guān)研究表明適量對植物葉面噴水可增加植物周圍小環(huán)境濕度，降低溫度，使葉面保持潔凈，提高光合作用效率并防止落葉，減少病蟲害等現(xiàn)象。從觀賞角度來看，葉面濕潤、飽滿的植物會使觀賞者的愉悅感增加。但葉面噴灑也應(yīng)該講究適量原則，不同地區(qū)的不同植物都存在差異。

1.次數(shù)和量都要有度。葉面噴水必須恰如其分，以噴濕葉面而又能很快干燥為度。

2.地區(qū)差異

南方夏季雨水充沛，空氣比較濕潤，但此時也是南方一年之中最為酷熱的季節(jié)，此時室內(nèi)綠植葉面保濕工作同樣重要。冬季氣溫屬于濕冷類型，空氣中的濕度一般情況下不會低于警戒值，由于濕冷氣候，有些植物，耐寒能力相對較弱，此時要減少對葉面的額外噴灑。

北方常年都比較干噪，適合對葉面進(jìn)行噴水保濕。南北方冬季葉面噴水的時間最好選擇有太陽的中午時分。

3.種類差異

綠蘿、杜鵑、茶花、文竹、珠蘭、蘭花、萬年吉、馬蹄蓮、白蘭花、棕桐、棕竹等宜經(jīng)常噴水，而像石榴、紫薇、榆、楓、桃、梅等落葉花木和仙人掌類及多肉花卉等，均不宜多噴；而蒲包花、大巖桐、秋海棠等，因葉面有較厚的絨毛層，水分不易蒸發(fā)，不宜噴水。

植物葉面自動噴灑的需求與功能分析

基于以上對葉面噴水養(yǎng)護(hù)的研究，我們可以得出三點：1、什么時候噴水；2、噴多少水；3、以什么形式噴水。什么時候噴水取決于兩個要素：溫度和濕度。當(dāng)溫度高于定值，濕度低于一定值的時候，開始噴水。噴水量則取決于電機(jī)的運行時間或者閥門的打開時間等?？紤]到少量均勻噴灑，使每片葉子都能吸收適量的水分，噴霧形式可以滿足此要求。

智能噴灑控制系統(tǒng)概述

前兩點的實現(xiàn)則需要引入智能控制模塊，基于對室內(nèi)盆栽養(yǎng)護(hù)問題的思考，考慮到針對單個問題提出解決方案，需要實現(xiàn)的功能也并不復(fù)雜，相比較其他微控制器，Arduino在功能實現(xiàn)上更加簡單方便；成本也能很好地控制；基于Arduino控制功能原型在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域逐漸流行起來，與Arduino相關(guān)的電子DIY書籍也比較豐富，方便參考學(xué)習(xí)。

Arduino是種開源電子原型平臺，使用便捷靈活、方便上手，由硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）組成。硬件部分是可以用來做電路連接的Arduino電路板，軟件部分則是ArduinolDE，它是一個簡單但實用的集成開發(fā)環(huán)境。整塊控制板類似于單片機(jī)開發(fā)板，是近年來快速流行起來的一種微控制器可以外接若干傳感元件，能夠?qū)崿F(xiàn)許多功能。

綜上考慮，本文選擇以Arduino為原型平臺，研究利用現(xiàn)有的成熟傳感器及其智能控制技術(shù)，實現(xiàn)實時獲取室內(nèi)環(huán)境（溫、濕度）狀況信息，通過微控制器，在無人看管的情況下實現(xiàn)對盆栽自動噴灑功能，從而保持植物葉面的濕潤。這種智能噴灑控制實現(xiàn)方法簡單快速，成本低廉，具有很高的實用性，其控制系統(tǒng)框圖如下圖所示。

智能噴灑控制系統(tǒng)分為五個部分：Arduino控制模塊、溫濕度檢測模塊、液晶顯示模塊、電機(jī)模塊和電源模塊。溫濕度檢測模塊將環(huán)境中的溫濕度數(shù)據(jù)以電信號的形式傳輸?shù)紸rduino中，Arduino會將數(shù)據(jù)值的大小與目標(biāo)設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷是否要啟動電機(jī)，并根據(jù)PWM的值來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時將環(huán)境數(shù)據(jù)顯示出來。

Arduino主控板及其電子元件相關(guān)參數(shù)

1.Arduino主控板

Arduino UNO是目前使用最廣泛的Arduino控制器，具有Arduino的所有基本功能。UNO包括ATmega328核心處理器，1 4路數(shù)字輸入輸出接口（其中6路可作為PWM輸出，6路模擬輸入），一個16MHz晶體振蕩器，一個USB接口，一個電源插座，一個ICSP接口和

個復(fù)位按鈕，其結(jié)構(gòu)和引腳電路如圖2所示。

2.DHT11溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)。

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器引腳說明。

3.水泵

水泵選擇額定電壓為5V的小型直流電動機(jī)，額定轉(zhuǎn)速般在8540RPM。如下所示，表2為水泵的尺寸參數(shù)。

5V工作電壓測試下，空管吸程約1.2M（管充滿水后吸程可達(dá)4-5米）；揚程約10M；向上揚程約3.5M；最高壓力可達(dá)2公斤以上，每分鐘可抽水0.54Kg。

將水泵連接到電路中，考慮到當(dāng)有負(fù)載時，可能會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)電流，即電機(jī)試圖旋轉(zhuǎn)但是轉(zhuǎn)不動時所消耗的電流，為防止其對控制電路造成的損壞，需要用到TIP120達(dá)林頓晶體管。當(dāng)電動機(jī)斷電時，電動機(jī)的線圈會產(chǎn)生感應(yīng)電流，必須得有地方流走，需要一個二極管并聯(lián)在電動機(jī)上，在電動機(jī)斷電時形成回路，在內(nèi)部消耗電流，保護(hù)外部電路。

4.1620LCD液晶顯示屏

1620液晶顯示屏能實現(xiàn)基本的文字和數(shù)字顯示，既便宜又簡單實用。本設(shè)計選用的是16字符兩行帶背光的LCD模塊，使用HD44780兼容的接口可以和Arduino配合工作，外接10kL3微調(diào)電阻，用來調(diào)節(jié)顯示器的對比度。

硬件電路設(shè)計

根據(jù)對控制系統(tǒng)框圖和顯示模塊、檢測模塊、電動機(jī)模塊、控制模塊的分析，設(shè)計得到下圖硬件電路設(shè)計。

軟件程序設(shè)計

1.Arduino IDE介紹

Arduino IDE是Arduino的開放源代碼的集成開發(fā)環(huán)境，其界面友好，語法簡單以及能方便下載程序，使得Arduino的程序開發(fā)變得非常便捷。作為一款開放源代碼的軟件，Arduino IDE也是由Java、Processing、avr-gcc等開放源碼的軟件寫成，其另一個最大特點是跨平臺的兼容性，適用于Windows、Max OS X以及Linux。

在整個控制系統(tǒng)開始運行之前，DHT11溫濕度傳感器和1620液晶顯示屏將數(shù)據(jù)初始化，隨后DHT11對環(huán)境的溫濕度進(jìn)行檢測，并將檢測后的值以數(shù)字信號的形式傳輸給Arduino UNO主控板。主控板將接收到的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，若滿足條件，電機(jī)將會啟動，并保持運行一段時間，然后自動停止，溫濕度數(shù)據(jù)將會顯示在液晶上，若不能滿足條件，溫濕度數(shù)據(jù)將直接顯示出來。之后，整個系統(tǒng)會靜默一段時間，時間一到新的循環(huán)再次開始。

2.Pro/E建模與渲染

根據(jù)以上功能模塊的分析，建模分為四個部分：盆體（底部有Arduino控制模塊）、儲水瓶、噴霧管（內(nèi)有霧化噴頭、溫濕度檢測元件、水管、水泵）和顯示屏。

基于Arduino的智能盆栽設(shè)計最終效果圖展示

總結(jié)

本設(shè)計利用DHT11溫濕度傳感器實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，ArduinoUNO進(jìn)行智能控制，用1620LCD將環(huán)境狀況實時顯示，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動霧化噴頭內(nèi)部杠桿機(jī)構(gòu)發(fā)生運動，將水以霧化狀態(tài)噴灑在葉面上，從而實現(xiàn)葉面保濕功能，簡單實用，成本低廉。在不久的將來，隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展以及無線傳感器技術(shù)ZigBee模塊的日趨成熟，這些都將會被良好地應(yīng)用于智能綠化設(shè)計中，實現(xiàn)綠化網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點之間信息更加便捷地傳輸與通信，對環(huán)境、植物狀態(tài)的實時監(jiān)測和智能控制將更加方便、及時和有效。