自動(dòng)澆花控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用

畢維峰

（吉林省經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130031）

1 概述

隨著人們生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快，以及生活的無(wú)規(guī)律性增多，工作壓力的增加，養(yǎng)花是一種可以調(diào)節(jié)身心健康、豐富課余生活的興趣愛好，如今被許多的人所喜愛。然而，要想讓它盛開出絢麗的花朵，就必須定時(shí)給它澆水，否則花兒就會(huì)枯死。而掌握不好澆水的量，又會(huì)使得花兒的根長(zhǎng)期泡在水里窒息而死，因?yàn)槌霾盥糜?、工作忙等原因，如果有一?0多天忘記給花澆水，花可能就會(huì)枯死，研究表明花卉死亡主要原因就是沒(méi)有及時(shí)澆水而枯死，尤其是一些心愛的、名貴的花的死亡，這是所有家庭都面臨的實(shí)際問(wèn)題。

中國(guó)人口老齡化的步伐越來(lái)越快，老年人的記憶力行動(dòng)能力都有很大的困難，需要人去照料，照顧花草就更困難了，同時(shí)還需要花草的陪伴，因此一種安全穩(wěn)定可靠的無(wú)人值守的自動(dòng)澆花控制系統(tǒng)有著千家萬(wàn)戶的應(yīng)用需求。

2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本文研究的內(nèi)容及目標(biāo)：研究出一種能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)澆花裝置，為花卉自動(dòng)澆水，要包括如下功能：能定時(shí)、定量為花卉澆水；實(shí)現(xiàn)根據(jù)花卉品種、大小、數(shù)量不同，管理10盆花，定時(shí)、定量的澆水功能；最好能夠長(zhǎng)期管理，不僅是10d或15d。從臨時(shí)代替人工管理進(jìn)入長(zhǎng)期管理的目的；能夠根據(jù)外界的氣候條件、花卉生長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，微調(diào)澆水量，實(shí)施更智能地精細(xì)化管理；實(shí)現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)接口，為將來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)，隨時(shí)了解花卉狀況提供支持；該裝置設(shè)計(jì)要合理，安裝簡(jiǎn)單，盡量做到免維護(hù)，保證用水、用電安全；成本低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)適合批量生產(chǎn)的需要。

目前國(guó)外狀況：國(guó)外自動(dòng)澆花裝置主要為管理單盆花卉，一個(gè)家庭有10盆花，需要買10套，成本高，每套自成體系，造成資源的浪費(fèi)，連接件材料、電源管理等方面的浪費(fèi)。另外，有的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了對(duì)單盆花的土壤含水量進(jìn)行測(cè)量，然后根據(jù)濕度值進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制，設(shè)計(jì)思路較先進(jìn)、智能化，但我們研究，具體每盆的土壤情況千差萬(wàn)別，如花盆體積大小因素、土壤的軟硬、傳感器插入深淺、傳感器是否充分接觸土壤、傳感器可靠穩(wěn)定性、土壤中環(huán)境惡劣對(duì)濕度傳感器電路元器件易損壞、傳感器標(biāo)定一致性等問(wèn)題。很難建立起可靠的數(shù)學(xué)模型，因此國(guó)外往往將其作為了解濕度的一個(gè)參考值，是否澆水及水量多少還要人工進(jìn)行綜合分析后，做出最終決定，需與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合后，人工判斷，因此不是真正意義上的自動(dòng)澆花系統(tǒng)，是半自動(dòng)模式，此方案在實(shí)際應(yīng)用中并不實(shí)用，并不適合我國(guó)國(guó)情。

目前國(guó)內(nèi)方案：

方案1：用兩根石墨碳棒做電極，插入花盆中，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行比例放大，進(jìn)入AD采集器，最后進(jìn)入微處理器的方法，根據(jù)電壓信號(hào)大小，決定是否到了澆花的時(shí)間，采取閉環(huán)控制算法進(jìn)行控制，理論上分析，此方法為最智能的方法，做到定量對(duì)花是否缺水，缺多少做出科學(xué)的判斷，能根據(jù)不同季節(jié)自動(dòng)調(diào)節(jié)水量，但此方法存在測(cè)量濕度過(guò)程中，不可預(yù)知隨機(jī)因素多，非調(diào)試、維護(hù)專業(yè)人員很難保證對(duì)每盆花濕度長(zhǎng)期進(jìn)行穩(wěn)定準(zhǔn)確測(cè)量，一旦出現(xiàn)誤報(bào)，后果會(huì)很嚴(yán)重，如花干旱而死，水澆多而澇死。此方案優(yōu)點(diǎn)：智能化程度高，對(duì)花卉管理比較精細(xì)。缺點(diǎn)：人員維護(hù)精力大，影響穩(wěn)定性的因素太多，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性能差等。

方案2：為了解決方案一不穩(wěn)定問(wèn)題，目前比較實(shí)用的設(shè)計(jì)方法為定時(shí)澆水的方案，時(shí)間T1小時(shí)為等待時(shí)間，T2秒時(shí)間為澆水時(shí)間，即為每盆花設(shè)定T1小時(shí)后澆水T2秒，采用電動(dòng)給水閥進(jìn)行控制，或采用水泵對(duì)水槽中水進(jìn)行抽水澆花。這種設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠，根據(jù)盆大小及不同品種花，可模擬人工澆水量多少而設(shè)定等待澆水時(shí)間與實(shí)際澆水時(shí)間T1、T2，從而達(dá)到人工設(shè)置，自動(dòng)定時(shí)澆花的目的。與方案一對(duì)比，優(yōu)點(diǎn)：此方案穩(wěn)定可靠，比較適合我國(guó)國(guó)情，根據(jù)季節(jié)設(shè)置兩次時(shí)間就可基本滿足要求。缺點(diǎn)：目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)方案都是為一盆花澆水，或?yàn)橥瑯拥亩嗯杌餐人?，即一根管路分出多個(gè)頭來(lái)。要想對(duì)多盆大小不同、品種不同的花澆水，就得為每一盆花安裝一臺(tái)控制器，成本高；無(wú)法根據(jù)不同季節(jié)、天氣變化、陰天晴天變化而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的精細(xì)控制。

其他方案：利用重力傳感器安裝于每一盆花的底部，采用微處理器對(duì)每一盆花的重量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，重量輕于某一設(shè)定值即達(dá)到一定的差值后，即進(jìn)行澆水，此方案電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，對(duì)傳感器及調(diào)理電路性能要求較高，簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)電路無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，成本增加較多。實(shí)際中較難普及應(yīng)用；根據(jù)虹吸原理，采用非電控制的方法，對(duì)花卉進(jìn)行緩慢補(bǔ)水，但不能長(zhǎng)時(shí)間，穩(wěn)定工作，而且對(duì)機(jī)械裝置要求較高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝調(diào)試難度高，很難大范圍的普及應(yīng)用。

本文主要研究創(chuàng)新點(diǎn)是設(shè)計(jì)能夠管理10盆以上花卉的定時(shí)、定量澆水功能，同時(shí)具有根據(jù)季節(jié)、氣候、溫度、濕度的變化，閉環(huán)控制澆水時(shí)間T2的微量調(diào)節(jié)或等待澆水時(shí)間T1微量調(diào)節(jié)功能。將溫度絕對(duì)值做為閉環(huán)控制的參量，因此實(shí)現(xiàn)模擬人工對(duì)澆水時(shí)間、澆水量的自動(dòng)控制。如霧霾天氣，則少澆一定比例的水。陰天多則按數(shù)學(xué)模型少澆水，晴天則按模型比例多澆一定比例的水。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

圖2 進(jìn)水與控制單元結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件采用C8051F380混合微處理器作為控制芯片，根據(jù)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖主要分成：電源模塊；電磁閥驅(qū)動(dòng)管理模塊；18B20溫度數(shù)據(jù)采集模塊；鍵盤交互接口模塊；LCD液晶顯示模塊；WIFI通訊模塊。

3.1 電磁閥驅(qū)動(dòng)管理模塊

為保證系統(tǒng)長(zhǎng)年穩(wěn)定工作，電源方面采用雙路開關(guān)電源，運(yùn)用SOC片上系統(tǒng)I/O經(jīng)光耦隔離后驅(qū)動(dòng)高速開關(guān)管放大電路對(duì)電磁閥進(jìn)行操作，采用總閥與分閥相結(jié)合開關(guān)邏輯操作，提高防漏水保險(xiǎn)系數(shù)，保證用水安全。如圖3所示。

圖3 電磁閥驅(qū)動(dòng)管理模塊電路圖

3.2 DS18B20溫度數(shù)據(jù)采集模塊

采用美國(guó)達(dá)拉斯公司生產(chǎn)的18B20數(shù)字溫度傳感器，性價(jià)比很高，精度能達(dá)0.1度，控制口線只需一條線，完成溫度的測(cè)量工作，在大型糧庫(kù)以及室內(nèi)室外溫度測(cè)量方面得到廣泛使用。

3.3 C8051F380混合微處理器模塊

該模塊是美國(guó)SILICON LABORATORIES公司生產(chǎn)的混合片上系統(tǒng)MCU，與普通8051單片機(jī)相比執(zhí)行速度快25倍，內(nèi)部有1個(gè)12位200KSPS單端/差分ADC，片內(nèi)自帶振蕩器，16K FLASH存儲(chǔ)器，1280片內(nèi)RAM。

3.4 鍵盤接口模塊

采用菜單顯示方式，數(shù)據(jù)輸入采用“↓” 鍵循環(huán)輸入，因此按鍵較少。

3.5 LCD液晶接口模塊

顯示模塊選用JRM1601單行液晶顯示，此液晶工作電流較少，帶背光，較適合使用，該系統(tǒng)采用4根數(shù)據(jù)線，占用CPU口線資源較少。該液晶主要為了方便操作者進(jìn)行工作參數(shù)設(shè)定，工作狀態(tài)顯示等功能。

3.6 WIFI通訊模塊

采用深圳市新力維科技有限公司的XLW-201A WIFI模塊使用串口配置或使用WEB管理界面配置或網(wǎng)絡(luò)配置，我們使用一鍵配置功能實(shí)現(xiàn)模塊的配置工作。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，有主控運(yùn)行模塊；T1、T2時(shí)間輸入及顯示模塊；隨環(huán)境智能調(diào)節(jié)水量的溫度參數(shù)采集處理模塊；WIFI通信模塊等組成。

4.1 主控運(yùn)行模塊程序流程

該模塊是整個(gè)系統(tǒng)的主控部分，調(diào)動(dòng)各程序模塊工作及主要完成10盆以下各自定時(shí)等待時(shí)間T1小時(shí)，澆花時(shí)間T2秒功能，并根據(jù)智能水量模塊參數(shù)進(jìn)行水量微調(diào)。如圖4所示：

圖4 主控運(yùn)行模塊程序流程圖

4.2 隨環(huán)境智能調(diào)節(jié)水量的溫度參數(shù)采集處理模塊工作流程

先模擬人工管理花卉，告知系統(tǒng)一個(gè)氣候參數(shù)，比如：春夏秋冬，用1、2、3、4表示，按鍵輸入，系統(tǒng)按此學(xué)習(xí)24h的氣候溫度值，今后每次澆水前都將臨近24h氣溫值，都與此氣候溫度值對(duì)比后，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，最大調(diào)節(jié)為20%水量。如上圖5所示

圖5 隨環(huán)境智能調(diào)節(jié)水量的溫度參數(shù)采集處理模塊工作流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)潔實(shí)用，穩(wěn)定可靠，成本較低，經(jīng)5a時(shí)間的家庭、辦公室環(huán)境試用，得到用戶廣泛的認(rèn)可，尤其在家庭條件下，用戶已由短期出差使用，變?yōu)殚L(zhǎng)期使用的依賴關(guān)系，智能環(huán)境調(diào)節(jié)水量的溫度參數(shù)模塊的使用，使該設(shè)備向養(yǎng)花機(jī)器人方向邁進(jìn)了一步。

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