基于單片機(jī)的太陽能自動盆栽灌溉器設(shè)計(jì)與制造

劉曉金+閆華杰+張子民等

摘 要：為了滿足國內(nèi)外室內(nèi)盆栽作物灌溉的需求， 設(shè)計(jì)了一種適宜家用的自動盆栽灌溉器。此灌溉器以STM32F103V8T6單片機(jī)作為主控核心，用濕度傳感器為其傳遞土壤濕度信息，單片機(jī)處理完電子信號后做出分析，同時將信息傳給LED顯示屏和水泵，且利用太陽能電池板為系統(tǒng)供電，綠色環(huán)保，在供水時采用自行設(shè)計(jì)的輸液器插入植物根系部分，減少水資源浪費(fèi)。此裝置提高了灌溉的精度和溫室栽培作物的人工智能程度。

關(guān)鍵詞：盆栽作物；單片機(jī)；濕度傳感器；自動灌溉；節(jié)能環(huán)保

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.001

0 引言

近年來，隨著社會流動人口的增加，大量的人淪為候鳥族，而其中喜歡種植盆栽的人，出差期間盆栽灌溉就成了比較頭疼的問題，另外很多種植盆栽的人因工作節(jié)奏加快而常常忘記照顧盆栽?；诖?，市場急需一款盆栽室內(nèi)灌溉系統(tǒng)來彌補(bǔ)這一需求漏洞。目前國內(nèi)外盆栽灌溉主要形式有：底部自吸式供水，使用方便，但是灌溉精度不高，隨著植物的生長加吸水材料不便捷，不夠人性化；對花盆稱重利用單片機(jī)控制自動灌溉，這種裝置灌溉方式嚴(yán)重依賴于花盆總重量變化，而如果植物重量較小，不易稱重或植物生長狀況不能按照預(yù)期生長，總重和標(biāo)準(zhǔn)值差別較大，就不易實(shí)現(xiàn)智能灌溉；基于可編程邏輯控制器的灌溉裝置，這種裝置精度高，能實(shí)現(xiàn)自動控制，但是價(jià)格昂貴。故急需一款自動化程度高，使用方便，造價(jià)不高的自動灌溉系統(tǒng)來滿足這一市場需求。

1 智能灌溉系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的太陽能自動盆栽灌溉器采用嵌入式智能灌溉控制系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)采集功能，定時控制、循環(huán)控制功能，變速功能，自動停轉(zhuǎn)功能，故障自動檢測功能等。數(shù)據(jù)采集功能將傳感器檢測到的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳到控制中心。定時控制、循環(huán)控制功能能夠通過設(shè)置自動進(jìn)行灌溉，濕度達(dá)到要求之后自動停止灌溉。變速功能根據(jù)檢測的土壤濕度自動控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制灌溉速度。故障自動檢測功能能夠提醒操作人員本系統(tǒng)出現(xiàn)問題，盡快解決問題。且系統(tǒng)以太陽能電池板作為供能元件，能源清潔，真正實(shí)現(xiàn)全自動節(jié)能灌溉。

基于單片機(jī)的太陽能自動盆栽灌溉器主要由四大模塊組成。土壤檢測模塊：檢測模塊主要由土壤濕度檢測器等組成，實(shí)時監(jiān)測土壤含水量信息。核心控制模塊：控制模塊由單片機(jī)、按鈕組成，是系統(tǒng)的核心，接受信號，分析做出反應(yīng)。太陽能供能模塊：供能模塊主要由可充電鋰電池、太陽能板、轉(zhuǎn)壓模塊組成，吸收太陽能，將太陽能轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可直接使用的電能。執(zhí)行模塊：包含水泵及OLED顯示屏，自行設(shè)計(jì)的入土試輸液器組成，實(shí)時將系統(tǒng)電信號傳達(dá)至顯示屏上，并且同時傳遞給水泵，進(jìn)行灌溉?？傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 智能灌溉系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

2.1 濕度模塊

土壤濕度檢測傳感器是檢測模塊的核心部件。本設(shè)計(jì)中使用的是YL69土壤濕度傳感器，它表面采用鍍鎳處理，有加寬的感應(yīng)面積，可以提高導(dǎo)電性能，防止接觸土壤容易生銹的問題，延長使用壽命。YL69通過單片機(jī)IO口實(shí)現(xiàn)對YL69的正弦交流供電，以解決直流供電引起的兩極間極化現(xiàn)象。YL69測量的土壤濕度范圍為0～100%，且誤差在±3%之間，能夠滿足喜陰濕花卉（如秋海棠、蘭 花、杜鵑花）、耐干旱花卉（如仙人球、 龍舌蘭）、中性花丼（如白蘭花、茉莉花）的土壤濕度要求。而YL69輸出的電壓值通過AD轉(zhuǎn)換，將獲得的土壤濕度精確的數(shù)值傳送給單片機(jī)，再經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部的運(yùn)算與相應(yīng)程序的執(zhí)行，將最終得到的指令信號輸出給水泵，最終實(shí)現(xiàn)對花盆內(nèi)植物生長土壤的實(shí)時濕度的智能控制，使其保持在植物生長所需的適宜值。TL69的信號采集與處理電路如圖2所示。

2.2 核心控制模塊

本系統(tǒng)以STM32F103V8T6作為主控核心。該處理器處理速度為72M，處理速度快，能夠快速進(jìn)行軟件上的多種算法運(yùn)算，且使顯示屏顯示字符，圖片流暢。系統(tǒng)中單片機(jī)的主要引腳功能如表1所示。

單片機(jī)接受到傳感器傳回的數(shù)據(jù)后進(jìn)行算法運(yùn)算得到準(zhǔn)確的當(dāng)前土壤濕度，之后控制水泵實(shí)現(xiàn)相應(yīng)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)動。其中，當(dāng)單片機(jī)檢測到用戶按下按鍵后，修改相應(yīng)的設(shè)定濕度，并顯示在顯示屏中。系統(tǒng)為用戶提供了四種濕度選擇，分別為適宜耐干旱花卉的濕度1，適宜中性花丼的濕度2和濕度3（根據(jù)季節(jié)選擇濕度2和3），適宜喜陰濕花卉的濕度4。并且本設(shè)計(jì)中為了滿足植物適宜的澆水原則：干干濕濕，不干不澆，見干即澆，澆要澆透。（干干濕濕，是使土壤時干，時濕。既保證花木供水，又使盆土透氣，保護(hù)根系發(fā)育。干的標(biāo)準(zhǔn)是盆土上層干燥，底土尚有潮氣，植株生長正?；蛉~片中午出現(xiàn)短暫萎蔫）。采用了以下方法：（1）采用小流量斷續(xù)澆水的方法，加上土壤濕度檢測器的反饋構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，使得系統(tǒng)可以為植物營造適宜的濕度環(huán)境。（2）軟件設(shè)計(jì)上使用了多種濾波算法來得到精準(zhǔn)的當(dāng)前土壤濕度狀況，并通過PID算法精準(zhǔn)控制灌溉裝置。（3）軟件對土壤水分的滲透速度進(jìn)行計(jì)算，使灌溉后土壤濕度全方位達(dá)到一個精準(zhǔn)的設(shè)定值。關(guān)鍵算法如下所示。

typedefstructPID_TypeDef

{

float Kp；//比例系數(shù)

float Ki；//積分系數(shù)

float Kd；//微分系數(shù)

float setdata；//設(shè)定值

float setimax；//設(shè)定積分最大值

float setomax；//輸出最大值

floatsetmin；

float Pout；//比例輸出

float Iout；//積分輸出

float Dout；//微分輸出

float error[2]；//偏差值

float realdata；//實(shí)際速度值endprint

float output；//PID輸出

void（*calc）（structPID_TypeDef *pid）；

void（*reset）（structPID_TypeDef *pid）；

}PID_TypeDef；

voidabs_limit（float *a，float ABS_MAX）

{

if（*a >ABS_MAX）

*a=ABS_MAX；

if（*a <-ABS_MAX）

*a=-ABS_MAX；

}

voidPID_Calc（PID_TypeDef *pid）

{

pid->error[NOW] = pid->setdata - pid->realdata；

pid->Pout = pid->Kp*pid->error[NOW]；

pid->Iout += pid->Ki*pid->error[NOW]；

pid->Dout = pid->Kd*（pid->error[NOW] - pid->error[LAST]）；

abs_limit（&（pid->Iout），pid->setimax）；

pid->output = pid->Pout + pid->Iout + pid->Dout；

abs_limit（&（pid->output），pid->setomax）；

pid->error[LAST] = pid->error[NOW]；

}

程序具體流程圖如圖3所示。

2.3 供能模塊

供能模塊由太陽能電池板、穩(wěn)壓器、可充電鋰電池和轉(zhuǎn)壓模塊組成。太陽能電池板綠色環(huán)保，它將光能轉(zhuǎn)化為電能后為鋰電池充電。選用的太陽能電池板尺寸為235*173*20mm，重量為0.36kg，表面材質(zhì)為超白布紋鋼化玻璃，壽命長達(dá)25年，且成本較低。穩(wěn)壓器能夠穩(wěn)定輸出5V電壓，不會對鋰電池的壽命造成損害。選用的鋰電池為具有過壓保護(hù)、短路保護(hù)、過流保護(hù)、過充保護(hù)、過放保護(hù)、過功率保護(hù)、溫度保護(hù)八種保護(hù)的可充電鋰電池，安全穩(wěn)定。轉(zhuǎn)壓模塊采用降壓、穩(wěn)壓結(jié)合組成的電路，輸出平穩(wěn)。水泵控制采用可控硅，體積小、耐用、輸出電壓穩(wěn)定且使得水泵功率可調(diào)。供能模塊通過它們的組合利用光能為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源。太陽能板的參數(shù)如表2所示。

2.4 執(zhí)行模塊

2.4.1 顯示部分

系統(tǒng)中采用0.96寸OLED顯示屏，同時采用IIC通信與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。IIC通信只需占用單片機(jī)兩個IO口，且高效穩(wěn)定，方便線路布置。顯示屏用來顯示當(dāng)前花盆內(nèi)濕度狀況、用戶設(shè)置的濕度等級、陽光照射程度，以此來供用戶選擇最適宜植物生長的環(huán)境。使用的OLED顯示屏響應(yīng)快、能耗低，顯示顏色純正，在陽光下有很好的可視效果。這使得用戶在陽光照射下也能清晰讀到花盆植物當(dāng)前環(huán)境的狀態(tài)信息。

2.4.2 水泵部分

系統(tǒng)中采用5V的水泵作為花盆的灌溉設(shè)備。功率小且可調(diào)速使灌溉更符合花盆作物的生長規(guī)律。灌溉裝置采用自主設(shè)計(jì)的澆灌頭，有助于均勻澆灌且不會造成堵塞。水泵噪音極小，且可調(diào)功率，結(jié)合控制算法使灌溉達(dá)到“干干濕濕，不干不澆，見干即澆，澆要澆透”的效果，更符合植物的生長規(guī)律。

2.4.3 輸液器部分

考慮到在土層表面輸液，會造成水分蒸發(fā)浪費(fèi)，且水資源沒有輸送到關(guān)鍵部位，造成二次浪費(fèi)，故在設(shè)計(jì)輸液器時綜合了以上因素，設(shè)計(jì)了一款入土式輸液器。采用類回轉(zhuǎn)體的外型設(shè)計(jì)，減小體積，減小了對土壤結(jié)構(gòu)的破壞，在四周矩形長條孔，進(jìn)行放液，四周外置略小于開口的擋泥板，具體尺寸如圖4所示。

且根據(jù)多次使用輸液器情況可得，在將輸液器插入土壤過程中，輸液器的受力情況可簡化為如圖5所示，F(xiàn)1，F(xiàn)2分別為擋泥板受力和柱體受力，且主要的力集中在F3，F(xiàn)4，F(xiàn)5。另外所受力與土壤種類和濕度、密度等各種條件有關(guān)，取常見的含水量18.5%～20%的飽墑黑土，用壓力計(jì)側(cè)得壓力所受范圍為21.10N～32.70N，考慮到其他復(fù)雜條件下的受力情況，F(xiàn)3取40N，σ3=F3/S=14mpa。由于側(cè)面所受應(yīng)力主要來源于土壤擠壓，相對F3而言較小，故柱體采用側(cè)面0.015mpa受力，擋泥板用0.02mpa計(jì)算，進(jìn)行受力分析，采用材鋁合金質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，且防水性好。運(yùn)用ansys進(jìn)行有限元分析應(yīng)力應(yīng)變分析。結(jié)果如圖6、圖7和圖8所示。鋁合金制輸液器總體應(yīng)力應(yīng)變情況良好，F(xiàn)3的大小對總體最大應(yīng)變影響不大，故輸液器可承受的壓力可以在40N的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加知且在擋泥板末端會產(chǎn)生1mm左右的形變，減小了主體的側(cè)應(yīng)力，將其集中于擋泥板，產(chǎn)生的小變形使原來的矩形接觸面積變?yōu)槟┒祟惾切?，減小了末端與土的接觸面積，增加根部的灌溉量，減少了表層水的灌溉，減少了水分的損失，并且應(yīng)擋泥板產(chǎn)生的微應(yīng)變，可使其牢牢的固定在土壤中。如土太細(xì)可根據(jù)選擇內(nèi)置濾網(wǎng)，花盆較大也可在尾端攻出螺紋，外接金屬管根據(jù)需求增加長度。盆栽灌溉器模塊化設(shè)計(jì)實(shí)物如圖9所示。

3 結(jié)論

本盆栽自動灌溉器，具有以下優(yōu)點(diǎn)：灌溉智能，可以依據(jù)植物的需求灌溉，解放了人的勞動力，實(shí)現(xiàn)了自動化；灌溉在時間和空間上灌溉精度高；利用太陽能給裝置供電，能完全滿足系統(tǒng)的需要，綠色環(huán)保；為本裝置設(shè)計(jì)的輸液器，可將水直接供給植物的根部，節(jié)省了水資源。綜合現(xiàn)在國內(nèi)市場上的盆栽自動灌溉裝置，本盆栽自動灌溉器在智能控制等功能上比稱重和底部自吸式的裝置更加智能，且更加綠色環(huán)保。將本裝置嵌入花盆內(nèi)，使裝置結(jié)構(gòu)緊湊美觀。另外也可以和物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，用手機(jī)的便攜工具遠(yuǎn)程控制灌溉，未來發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]張志強(qiáng)，張文愛，王秀等.盆栽作物自動灌溉裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究—基于PLC[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014，36（10）：112-114.

[2]王瓊，陳青云.底部自吸式灌溉對蔬菜生長和水分利用的影響[J].北方園藝，2010，15（08）：190-193.

[3]王立忠，蔣寧，程禮邦等.盆栽植物土壤水分監(jiān)測及自動灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，36（01）：95-98.

[4]吳洪濤.可編程控制器在自動灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].森林工程，2006，22（03）：19-21.

[5]陳方丹.實(shí)用新型專利“自動灌溉花盆”簡介[J].現(xiàn)代物業(yè)，2013

（10）：5-6.

基金項(xiàng)目：河北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（X2017003）。

作者簡介：劉曉金（1998-），男，本科，過程裝備與控制工程專業(yè)，河北省大創(chuàng)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。endprint