智能盆栽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉嘉+蘇童+李思琦

【摘 要】本文提出的基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能盆栽系統(tǒng)，由儲(chǔ)水箱、滴灌管道、電磁閥、顯示屏、單片機(jī)、濕度鹽分傳感器、溫度傳感器、WiFi模塊等構(gòu)成，最后與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，可以通過手機(jī)上相應(yīng)的APP軟件，時(shí)刻查看盆栽生長情況，并且能夠時(shí)時(shí)檢測(cè)盆栽周圍的溫度、濕度和鹽分等數(shù)據(jù)，進(jìn)行有效調(diào)節(jié)來適應(yīng)盆栽的生長情況。

【關(guān)鍵詞】系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

據(jù)調(diào)研結(jié)果及資料顯示，目前市面上常見的盆栽種類主要有普通盆栽、懶人盆栽、太陽燈培育盆栽。普通盆栽價(jià)格便宜，但不具備有其他功能，底部帶排水孔，直接排走多余水分，水資源利用程度低，且需要人工定時(shí)澆水；懶人盆栽是一種帶儲(chǔ)水功能的盆栽，但是用棉線供水，容易造成土層濕度過大，花草溺死爛根，同時(shí)此種盆栽不具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物生長狀況的功能；太陽燈培育盆栽是市面上價(jià)格較高的一種盆栽，多用于植物種子發(fā)芽培育，補(bǔ)光以增加存活率，其具有澆水提醒功能，但不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)給水。市面上的智能盆栽市場仍存在空缺，沒有一款價(jià)格適宜的集成智能監(jiān)控、智能補(bǔ)水功能同時(shí)能利用多余水分重復(fù)澆灌的智能盆栽系統(tǒng)，基于此，我們提出了一種智能盆栽系統(tǒng)，與傳統(tǒng)盆栽種植技術(shù)相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：1）節(jié)水滴灌，防止浪費(fèi)；2）儲(chǔ)存多余水分，重復(fù)利用；3）精確監(jiān)控濕度溫度肥力，通過app反饋植物健康程度

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

該作品主要研究內(nèi)容是設(shè)計(jì)一種新型智能盆栽系統(tǒng)，可以解決現(xiàn)有過度澆水浪費(fèi)，植物吸水爛根，用戶忘記澆水導(dǎo)致植物枯死等問題，還可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在APP中選擇種植方案，實(shí)時(shí)反饋植物生長狀況等，適應(yīng)不同的作物，能夠很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)盆栽種植方式的不足，達(dá)到節(jié)水節(jié)省人力的目的。

為解決現(xiàn)有盆栽存在的過度澆水浪費(fèi)，植物根部長時(shí)間浸泡易腐爛等問題以及用戶需要定時(shí)澆水的麻煩，本作品“智能盆栽系統(tǒng)”能給植物提供最佳的生存環(huán)境。并在以上功能基礎(chǔ)上，通過溫濕度和鹽堿度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤環(huán)境的有效監(jiān)控，收集雨水并通過手機(jī)APP與單片機(jī)控制器相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤的自動(dòng)排水、澆水，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)盆栽系統(tǒng)的智能化調(diào)節(jié)。同時(shí)通過Wi-Fi模塊將植物生長狀況實(shí)時(shí)傳輸?shù)浇K端，供用戶查看。

根據(jù)功能需要其設(shè)計(jì)要求為：1）外盆栽能有效收集過多的雨水，同時(shí)水量大時(shí)能及時(shí)將多余的水排出；2）單片機(jī)系統(tǒng)能通過采集盆栽環(huán)境數(shù)據(jù)對(duì)澆水量進(jìn)行控制；3）為方便遠(yuǎn)程控制，需要將盆栽系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳出至終端供用戶查看。

為此，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將本作品分為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和智能控制兩大模塊。其中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要充分考慮到對(duì)雨水的收集、雨水的重復(fù)利用、和灌溉方式，我們采取了內(nèi)外花盆、新型滴灌設(shè)計(jì)。智能控制要考慮土壤的環(huán)境參數(shù)以及其相應(yīng)的檢測(cè)方式，獲取目標(biāo)參數(shù)后要利用電磁閥等裝置對(duì)盆栽進(jìn)行智能調(diào)控。我們采用了以STC89C52單片機(jī)為核心的控制模塊進(jìn)行智能調(diào)控。

實(shí)際使用時(shí)，還可根據(jù)需求對(duì)本盆栽進(jìn)行重新組合，實(shí)現(xiàn)不同的功能。其主要使用方式如下：

1）家庭種植使用，家庭使用數(shù)量有限，且種植植物種類各異，可全部使用帶完整功能的本盆栽，同時(shí)利用手機(jī)APP向用戶實(shí)時(shí)傳輸每一株植物的生長狀況；

2）植物培育基地或科研基地使用，在植物培育基地一般種植相同種類植株幾株，其可種植在幾個(gè)盆栽內(nèi)共用一個(gè)檢測(cè)模塊以降低成本。同時(shí)科研所需各項(xiàng)參數(shù)可通過本盆栽自帶的檢測(cè)系統(tǒng)來讀取，更加方便。也可通過人機(jī)交互界面或遠(yuǎn)程終端調(diào)控盆栽環(huán)境，來滿足科研要求；

3）公路綠化帶上的使用，考慮到同一條綠化帶上植物種類基本一致，對(duì)土壤要求相似，同時(shí)公路上綠化帶串聯(lián)，土壤所處環(huán)境也相似，故可采取設(shè)置一個(gè)帶檢測(cè)模塊的本盆栽利用同一根澆水管道串聯(lián)多個(gè)不帶控制的本盆栽，在保證實(shí)現(xiàn)相同功能的前提下節(jié)省能源，降低成本。同時(shí)可通過APP向有關(guān)綠化部門報(bào)告該條公路上綠化帶情況。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能盆栽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部分由內(nèi)盆栽、外盆栽和滴灌管道三部分組成。內(nèi)盆栽設(shè)置泥土層與保水層，外盆栽設(shè)有儲(chǔ)水腔，用以儲(chǔ)存從內(nèi)盆栽流下來的水；滴灌管道可通過電磁閥調(diào)節(jié)進(jìn)水大小，滴灌管深插入土壤中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤不同高度的滴灌，是土壤濕度更加均勻。電磁閥連接進(jìn)水管道，實(shí)現(xiàn)自給補(bǔ)水；同時(shí)，通過溫濕度傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由信號(hào)控制系統(tǒng)工作，實(shí)現(xiàn)智能按需噴灌。

系統(tǒng)中盆栽設(shè)計(jì)分為兩種，即帶智能控制的盆栽與不帶智能控制的盆栽，其大體設(shè)計(jì)相同，區(qū)別在于水量控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，智能控制盆栽安裝電磁閥，與其后級(jí)相連接的不帶智能控制的盆栽僅具有進(jìn)水口，而不具有電磁閥，從而可實(shí)現(xiàn)一機(jī)控制，整體控制的效果。

2.1 雙層盆栽設(shè)計(jì)

2.1.1 外盆栽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

外盆栽設(shè)置儲(chǔ)水槽與排水口，當(dāng)有雨水或者有多余的澆灌水從盆栽上部流入時(shí)暫時(shí)儲(chǔ)存在下層的集水槽中，當(dāng)水持續(xù)積攢時(shí)，則當(dāng)水位到達(dá)排水口高度時(shí)，水從排水口處流出，避免過多積攢的水分把植物根部泡爛。

2.1.2 內(nèi)盆栽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

內(nèi)盆栽分為兩層，上層為泥土層，下層為保水花泥層，花泥伸入內(nèi)盆栽底部，從而能夠較好的實(shí)現(xiàn)吸水，滴灌管道插入泥土層中，其目的是為了保證出水的平緩和使水能更好地被泥土所吸收。

2.2 水量控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水量控制結(jié)構(gòu)由兩部分組成：輸水管道與電磁閥，當(dāng)盆栽環(huán)境監(jiān)測(cè)傳來信號(hào)表示需要進(jìn)行澆灌時(shí)，電磁閥打開，水流進(jìn)入盆栽內(nèi)部的滴灌管道當(dāng)中。外部輸水管道采用串聯(lián)設(shè)計(jì)，當(dāng)有多組盆栽時(shí)，可由一套系統(tǒng)共同控制，從而減少閥門的使用數(shù)量和管道布置的復(fù)雜程度，節(jié)約成本。

2.3 改進(jìn)滴灌模塊

滴灌模塊外置于盆栽外，鋪設(shè)管道麻煩，且實(shí)際應(yīng)用中比較麻煩，需要手動(dòng)調(diào)節(jié)水滴流速，且水滴滴在泥土表面，水分容易蒸發(fā)，不便被土壤所吸收，基于此我們?cè)O(shè)計(jì)了滴管模塊，其于水量控制結(jié)構(gòu)中的外輸水管通過電磁閥相連接，由電磁閥即可以調(diào)節(jié)水流速度，水流進(jìn)鋪設(shè)在土壤內(nèi)部的管道后，流入多孔滴灌管，再通過各個(gè)孔洞中滴入泥土層中，此舉可保證水分被泥土所均勻吸收，使土壤濕度保持均勻，同時(shí)避免滴灌管外露，減少了安裝成本，既省水省力，又美觀大方。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 整體方案設(shè)計(jì)

采用STC89C52單片機(jī)為控制核心，該部分主要包括顯示屏、單片機(jī)、濕度鹽分傳感器、溫度傳感器、WiFi模塊、電磁閥等。為滿足盆栽種植需求，結(jié)合智能app實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)盆栽的自動(dòng)灌溉，采用溫濕度傳感器模塊對(duì)盆栽的土壤濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，把監(jiān)測(cè)到的濕度值與設(shè)定濕度（土壤所適合的水分下限值）進(jìn)行比較，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定的濕度值時(shí)，則啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行灌溉。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)按需灌溉，無需人工操作，節(jié)省人力，同時(shí)相對(duì)于現(xiàn)有的棉線吸水方式，更避免了植物爛根現(xiàn)象。

其外部電路結(jié)構(gòu)簡單緊湊，放置于外置原件盒中，采用防水密封設(shè)計(jì)，避免外部電路受雨水侵蝕，同時(shí)按作品實(shí)際需求估算，本作品所需的能耗較低，功率約為20～25W，且其實(shí)際工作時(shí)間（開閉電磁閥）較短，其供電方式可采用鋰電池供電，亦可再后續(xù)的設(shè)計(jì)中增加小型太陽能板供電模塊，其供電能力符合本作品需求。

在實(shí)際使用中，組合盆栽系統(tǒng)中，僅需要一臺(tái)主控盆栽，其他聯(lián)動(dòng)控制的盆栽均收主控盆栽的集中控制，其具有省電、減少系統(tǒng)錯(cuò)誤、便于檢修等特點(diǎn)。

開機(jī)上電后進(jìn)行初始化設(shè)置，依據(jù)作物實(shí)際種植情況，通過手機(jī)app選擇植物種類，種植土類等情況，系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定參數(shù)值，包括溫度t及設(shè)定濕度值m，肥力s等。

3.2 監(jiān)測(cè)模塊

監(jiān)測(cè)模塊由MEC-10濕度鹽分二合一傳感器、光度傳感器、溫度傳感器和信號(hào)處理電路構(gòu)成，溫濕度傳感器能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤中的溫濕度值，通過信號(hào)處理電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)由單片機(jī)與預(yù)設(shè)的濕度值進(jìn)行比較，當(dāng)測(cè)定的濕度低于設(shè)定濕度，系統(tǒng)開始工作，從而實(shí)現(xiàn)按需噴灌。土壤肥力可由鹽分傳感器檢測(cè)，再儲(chǔ)存于單片機(jī)當(dāng)中，使用戶實(shí)時(shí)關(guān)注土壤肥力。

3.3 顯示及WiFi交互模塊

通過APP設(shè)定植物的種植品種，由APP查找數(shù)據(jù)庫，自動(dòng)設(shè)置該品種所適宜的種植環(huán)境并通過無線網(wǎng)絡(luò)反饋到檢測(cè)模塊中，檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤中的濕度環(huán)境，用以確定是否需補(bǔ)水而打開自動(dòng)滴灌模塊，避免吸水過多導(dǎo)致的爛根現(xiàn)象等，同時(shí)檢測(cè)模塊也能實(shí)時(shí)反饋光照度及肥力等信息，反饋到APP上，由屏幕實(shí)時(shí)反饋花卉培養(yǎng)情況。

4 結(jié)論

該作品主要運(yùn)用機(jī)電一體化、水肥一體化等技術(shù)，可用于家庭或城市綠化中，保證植物良好存活的前提下，極大地提高了灌溉用水的利用率，有廣闊的應(yīng)用前景。達(dá)到了良好節(jié)能減排的效果，能為盆栽栽培節(jié)約大量水資源。除此之外，該作品應(yīng)用了模塊化設(shè)計(jì)，能適應(yīng)不同作業(yè)環(huán)境，操作、拆卸方便，擴(kuò)大了推廣范圍。

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