智能花草養(yǎng)護裝置＊

蒲飛楊，倪振輝，王喆，凌征冬，黃國波，鄒積祥

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智能花草養(yǎng)護裝置＊

蒲飛楊，倪振輝，王喆，凌征冬，黃國波，鄒積祥

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070）

針對家庭花草智能養(yǎng)護，利用傳感器的各項功能研發(fā)出一種可行性強、安全可靠、使用方便的裝置，主要功能為家庭盆栽智能護理，當用戶長時間外出、工作繁忙無時間打理時，對花草進行智能養(yǎng)護。通過傳感器檢測植物土壤溫濕度、光照強度等，反饋回系統(tǒng)控制中心，做出判斷后給予合理的操作，如自動澆水、提高溫度和給予光照等。裝置功能多樣化，可自動控制植物對光照和水分的攝取，利用傳感器進行反饋、自動調(diào)節(jié)、智能化控制，還有缺水自動檢測保護和提醒的功能。

家庭花草；傳感器檢測；自動控制；智能養(yǎng)護

1 引言

隨著社會的不斷進步，人們的生活質(zhì)量越來越高。在家里養(yǎng)盆栽可以陶冶情操，豐富生活，同時空氣也會變得清新，因此養(yǎng)盆栽逐漸成為一種潮流。

盆栽水量是否適時適量、接收的光照是否能適時適量是養(yǎng)花成敗的關(guān)鍵。因此，我們想通過設(shè)計一種集土壤濕度、空氣溫度、光照度監(jiān)測、自動澆水、自動補光等功能于一體的智能花草養(yǎng)護裝置，讓家庭盆栽在人們無暇照顧時也能得到精心照料，同時此裝置還可以通過用戶手機APP遠程查看盆栽生長情況并且實施遠程控制。

2 裝置功能簡介

2.1 自動澆水功能

通過濕度傳感器監(jiān)測土壤濕度，利用傳感器顯示的數(shù)值與盆栽所需土壤濕度對比，小于所需數(shù)值則啟動自動澆水設(shè)備，打開水管閥門，及時供應水分；當達到預先設(shè)置的濕度值時，自動關(guān)閉閥門，停止供水。此功能能夠時刻讓盆栽處于適宜的濕度，既不會因為澆水過多導致盆栽死亡，也不會因為缺水而干死。

2.2 自動補光、溫度調(diào)節(jié)功能

通過光電式傳感器及時感知外界光照強度，對盆栽做出一定的補光措施。系統(tǒng)內(nèi)置一套補光系統(tǒng)，針對不同的植株，設(shè)定一定的光照強度值，通過調(diào)節(jié)燈光亮度以及補光時長來調(diào)控補充光照的多少。當外界光照不足時，進行補光，最終達到額定值時，關(guān)閉光源停止補光；當外界光照充足時，自動關(guān)閉光源，光照強度由系統(tǒng)控制。并且通過額定的光照強度，使之產(chǎn)熱，可以使植株維持在一定的溫度，讓植株正常生長。

2.3 APP遠程監(jiān)控

裝置外部裝有一個攝像頭，可以對盆栽進行攝像監(jiān)控，并且及時將數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)上傳到用戶APP客戶端。用戶可以下載相匹配的APP軟件，通過互聯(lián)網(wǎng)，接收裝置傳過來的數(shù)據(jù)，即使身處異地，也可以實時看到盆栽的生長狀況，如果用戶需要，也可以通過手機APP遠程控制裝置，對盆栽進行澆水或者補光操作。

3 裝置機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

運用SolidWorks三維建模軟件，對本裝置進行整體結(jié)構(gòu)的大致設(shè)計，如圖1所示。

1—水槽；2—控制部分；3—伸縮桿結(jié)構(gòu)；4—電機；5—補光燈具。

3.1 箱體整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

箱體整體結(jié)構(gòu)尺寸為500 mm×300 mm×800 mm，數(shù)字1為水槽，由于水槽較重，為了降低裝置重心，增加裝置的穩(wěn)定性，因此將水槽置于裝置的最下部分，水槽可以取出，需要加水時，可以人工添加。水槽接出一根水管，插入盆栽土壤之中，通過系統(tǒng)自動控制閥門，來實現(xiàn)盆栽的自動供水；數(shù)字2為裝置的控制部分，主要是來放置內(nèi)部的電路板、電線等相關(guān)電子儀器，顯示屏可以放置在2的正前面（未畫出），方便用戶進行操作，設(shè)置相應參數(shù)。為了防止水槽中的水濺到2中，引發(fā)裝置發(fā)生短路，因此在1和2之間安裝隔板，起到隔斷的作用。

3.2 伸縮桿結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1中數(shù)字3部分所示，伸縮桿為平行四邊形式結(jié)構(gòu)（也可用圓柱形），總長大約為1 m，由粗桿和細桿兩部分組成，每部分長0.5 m左右。箱體2和伸縮桿3之間的連接部分可以使用棘輪機構(gòu)，當需要將燈調(diào)高的時候，可以將伸縮桿往后拉，并且將伸縮桿拉長，由于棘輪的自動卡死功能，伸縮桿無法后退，需要后退的時候，可以按住棘輪的特定按鈕，使棘輪倒回，并且配合伸縮桿的伸長縮短功能，可以完美地實現(xiàn)燈的高度調(diào)節(jié)功能。

3.3 電機和燈具結(jié)構(gòu)

如圖1中數(shù)字4和數(shù)字5所示，數(shù)字4部分為一小型電機，可以實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)功能，電機和燈具5通過連接軸連接。燈泡偏心安裝在燈具的邊緣部分，當電機轉(zhuǎn)動的時候，帶動燈泡進行360°旋轉(zhuǎn)，對盆栽進行光照。之所以設(shè)計為偏心結(jié)構(gòu)，是因為當燈泡旋轉(zhuǎn)的時候，可以對盆栽各個角度進行充分光照，保證盆栽受光均勻，使其良好生長并且提高光合作用效率。

4 系統(tǒng)控制方案設(shè)計

系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)如圖2所示。本系統(tǒng)由控制模塊、傳感器模塊、通訊模塊、燈光模塊、澆水模塊和顯示器組成。傳感器模塊有土壤濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器、光照強度傳感器。土壤濕度傳感器使用YL69模塊，直接插入土壤中，檢測得到電壓（電流）信號并反饋到D/A轉(zhuǎn)換模塊，再將所得土壤濕度數(shù)值傳輸?shù)娇刂颇K；空氣溫濕度傳感器使用DHT11模塊，置于空氣中，檢測得到溫濕度數(shù)值直接傳回控制模塊；光照強度傳感器采用GY-30光照傳感器，采用先進光電轉(zhuǎn)換模塊，將光照強度值轉(zhuǎn)化為電壓值，再將數(shù)據(jù)傳送回控制模塊。

燈光為植物生長燈，可根據(jù)植物需求變換不同波長的光照，燈泡位置固定，燈具可旋轉(zhuǎn)，可以對植株進行360°照射；通訊模塊由系統(tǒng)WiFi模塊、手機端APP組成，WiFi模塊無線連接手機后可傳輸盆栽各項信息數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)工作狀態(tài)，手機端設(shè)計控制界面，可遠程控制澆花系統(tǒng)；澆水模塊由繼電器、水泵組成，可對土壤進行澆水；顯示器可顯示傳感器反饋的數(shù)據(jù)。

控制模塊是由單片機控制的系統(tǒng)，通過編程控制，對各個傳感器反饋的信號進行分析比較，各項數(shù)據(jù)都設(shè)定一定數(shù)值范圍，而且可以通過外部調(diào)整來進行相應操作。

圖2 系統(tǒng)總示意圖

5 硬件模塊設(shè)計

5.1 智能控制模塊

智能控制利用傳感器將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏眯盘?，傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件以及相對應的電子電路共同構(gòu)成，在使用過程中直接響應于被測物理量并且產(chǎn)生可用的信號。本系統(tǒng)溫濕度傳感器采用YL-69土壤濕度傳感器，濕度測量范圍為0.01～0.99 RH，分辨率為0.5 %RH，正常使用電壓為3.3～5 V，獲取濕度信息的方式有2種且可同時使用，分別是：①從傳感器的D0引腳。土壤濕度大于某個閾值，則D0輸出0，否則輸出1（多用于濕度閥值控制開關(guān)）。②從傳感器的A0引腳。土壤濕度越大，獲取的模擬量值越大（多用于顯示實時濕度值）。YL-69傳感器檢測到外界環(huán)境土壤濕度，先經(jīng)過放大電路后，由A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入單片機處理，與設(shè)定的濕度進行比較，然后命令執(zhí)行機構(gòu)采取相對應的措施，同時連接WiFi模塊，向APP軟件輸送數(shù)據(jù)并接收其指令。

光照強度傳感器選用GY-30數(shù)字光強度檢測模塊，光照強度檢測范圍0～65 535 Lux，正常工作電壓3～5 V，傳感器內(nèi)置16 bitAD轉(zhuǎn)換器，直接數(shù)字輸出，接近于視覺靈敏度的分光特性，可對廣泛的亮度進行1 Lux的高精度測定。針對不同的植株，設(shè)定一定的光照強度值，由引腳輸出的電流信號經(jīng)過驅(qū)動電路的放大，與設(shè)定值進行比較，通過控制繼電器的啟閉來控制LED植物生長燈的開關(guān)。當外界光照不足時，使之補光，最終達到額定值；當外界光照充足時，自動關(guān)閉光源，光照強度由系統(tǒng)控制。通過額定的光照強度，使之產(chǎn)熱，可以使植物維持在一定的溫度，讓植物正常生長。

5.2 LED顯示模塊

輸出顯示部分采用常用的LCD1602液晶顯示屏進行人機交互界面的顯示控制，它具有體積小、超薄輕便、功耗低和顯示內(nèi)容豐富等優(yōu)點。顯示容量為16×2個字符，芯片工作電壓為4.5～5.5 V，工作電流為2.0 mA/5.0V，模塊最佳工作電壓為5.0 V，字符尺寸為2.95 mm×4.35 mm（×）。管腳電源直接接在5 V電源上，方便1602的輸入端直接與Arduino的I/O進行并行數(shù)據(jù)傳送。

5.3 無線傳送模塊

WiFi模塊與單片機系統(tǒng)連接在一起且WiFi模塊工作在STA模式下，借助服務(wù)器和無線路由器的支持，將WiFi模塊的MAC地址綁定在服務(wù)器中，這樣整個互聯(lián)網(wǎng)中服務(wù)器相當于一個路由器，智能終端只要在網(wǎng)絡(luò)（2G/3G/4G/WiFi）的支持下，即可實現(xiàn)無線遠程控制單片機引腳輸出高電平或低電平，通過控制繼電器的通斷實現(xiàn)澆水和補光動作。

6 軟件系統(tǒng)設(shè)計

為了使?jié)不ㄏ到y(tǒng)中的各種硬件設(shè)備正常運行，對澆花過程進行實時測控和管理，還需要一套相應的軟件系統(tǒng)來支持。軟件系統(tǒng)包括定時程序、報警程序、監(jiān)控程序及主程序。主程序的流程如圖3所示。

利用安卓開發(fā)平臺設(shè)計用以控制的APP，用安卓socket編程實現(xiàn)TCP/IP數(shù)據(jù)通信，將APP安裝到移動端后，通過地址找到并連接到設(shè)備，從而實現(xiàn)通信。APP具有顯示土壤溫濕度的作用，這時，單片機將從傳感器收集的溫濕度信息通過串口通信方式傳輸給WiFi模塊，WiFi模塊通過無線通信將信息傳到APP端，從而在APP上顯示出來。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

連接后，可打開APP端溫濕度、光照強度等信息頁面，當在APP端有相應操作時，APP端會將控制量發(fā)送到WiFi模塊，WiFi模塊通過串口通信方式與單片機進行數(shù)據(jù)傳送，從而使單片機I/O口輸出不同的電平狀態(tài)，并控制水泵的啟停及植物生長燈的亮滅。

7 結(jié)語

本裝置利用溫濕度傳感器對花草生長土壤的溫濕度檢測，實現(xiàn)24 h檢測，且考慮到光照對花草的重要作用，本裝置利用光學原理，采用先進的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，由微電腦控制光學感應系統(tǒng)，能夠感應及判斷環(huán)境光線的亮度變化，自動控制補光燈的開啟光閉。裝置簡單，成本低廉，相比于現(xiàn)有的澆花裝置，此裝置的功能更全面、強大，可適用于家庭、辦公室等場所，適用性強，安全性高，所以應用前景廣闊。

［1］王李冬，安康，徐瑋，等.單片機與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2018.

［2］吳險峰.51單片機項目教程［M］.北京：人民郵電出版社，2016.

［3］劉國柱，杜軍威.Android程序設(shè)計與開發(fā)［M］.北京：清華大學出版社，2017.

2095－6835（2019）05－0108－03

S68

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.108

蒲飛楊（1997—），男，四川綿陽人，研究方向為機械工程。

倪振輝（1995—），男，河南周口人，研究方向為機械工程。

武漢理工大學自主創(chuàng)新研究基金項目（編號：2018-JD-B1-11）

〔編輯：嚴麗琴〕