基于Arduino的智能花卉灌溉系統(tǒng)設(shè)計

張玉桃　王韌　鄭仰國　張滿堂　趙大旭

摘 要：針對陽臺、露臺等花卉種植環(huán)境，本文設(shè)計了一個智能化的灌溉與施肥系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)通過傳感器，可以在分別設(shè)定的控制周期內(nèi)檢測并返回環(huán)境參數(shù)至MCU，在和給定閾值進行比對后，MCU根據(jù)已有控制策略輸出控制指令，自動實施灌溉和施肥。該系統(tǒng)能在無人值守情況下正常運行，能滿足家庭種植和花卉管理的需要。

關(guān)鍵詞：花卉種植;智能化;灌溉系統(tǒng);Arduino

Abstract： In view of the balcony， balcony and other flower planting environment， this paper designed an intelligent irrigation and fertilization system. The control system can detect and return the environmental parameters to the MCU through the sensors within the respectively set control period. After comparing with the given threshold， the MCU automatically outputs irrigation and fertilization according to the existing control strategy output control commands. The system can operate normally under unattended conditions， to meet the needs of home planting and managing flowers.

Keywords： flower planting;intelligent;irrigation system;Arduino

1 研究背景

2010年，上海世界博覽會以“城市，讓生活更美好”作為主題，展示了城市的發(fā)展給人們生活帶來的便利。今天，科技的進步使這個主題得以深層次延續(xù)下去，人們愿意在改善居住環(huán)境方面投入更多關(guān)注，以提高生活質(zhì)量。目前，包括花卉種植在內(nèi)的，能夠充分利用窗臺、陽臺等狹小空間的陽臺農(nóng)業(yè)越來越受到重視?；诨貧w自然、緩解精神壓力和美化環(huán)境的需求，新生代白領(lǐng)對陽臺農(nóng)業(yè)種植具有較高意愿[1]。

陽臺農(nóng)業(yè)不僅指單純在陽臺空間進行農(nóng)業(yè)活動，也包括在屋頂、露臺等空間的農(nóng)業(yè)，栽培模式更趨無土性，生產(chǎn)產(chǎn)品趨觀賞性與自給性，是現(xiàn)代都市農(nóng)業(yè)中的一種形式[2，3]。無論是種植環(huán)境、種植方式，還是種植目的，陽臺農(nóng)業(yè)都與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和城市綠化有較大差別。

陽臺農(nóng)業(yè)在我國尚處于發(fā)展的初級階段，無論是技術(shù)還是規(guī)模，都與發(fā)達國家存在較大差距，但發(fā)展迅速?，F(xiàn)代智能控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使陽臺花園的自動化管理成為現(xiàn)實。由此，本文主要探討智能花卉灌溉系統(tǒng)設(shè)計，以實現(xiàn)陽臺農(nóng)業(yè)自動化。

2 技術(shù)路線

將計算機用于灌溉排水，最早出現(xiàn)在20世紀50年代西方發(fā)達國家[4]。隨著微電子技術(shù)與計算機控制技術(shù)的成熟，物美價廉的處理器被越來越廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中。農(nóng)業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)實現(xiàn)了設(shè)施農(nóng)業(yè)的自動化，并逐步向智能化邁進。隨著“城市農(nóng)業(yè)（Urban Agriculture）”的興起[5，6]，設(shè)施農(nóng)業(yè)自動化、智能化技術(shù)也逐漸滲入陽臺花園領(lǐng)域[7，8]。

鑒于花卉具有品種多樣性的特點，針對盆栽植物的智能灌溉控制系統(tǒng)，不會基于固定的控制模型。作物生長最基礎(chǔ)的環(huán)境參數(shù)是土壤的濕度，其次是光照及空氣溫度、濕度，然后是根據(jù)具體生長階段，如發(fā)芽、開花、結(jié)果等確定營養(yǎng)元素?；谏鲜龇治觯n題組設(shè)計了基于Arduino的智能化控制系統(tǒng)，主要檢測參數(shù)為土壤和空氣的溫濕度和光照強度，可以針對不同花卉品種建立控制模型，根據(jù)環(huán)境參數(shù)反饋值智能化地實施灌溉與施肥作業(yè)，技術(shù)路線如圖1所示。

3 硬件設(shè)計

3.1 檢測系統(tǒng)設(shè)計

3.1.1 控制器與輸入模塊。目前，設(shè)施農(nóng)業(yè)的自動化、智能化控制系統(tǒng)配套較為完善。陽臺農(nóng)業(yè)的規(guī)模、模式均不同于設(shè)施農(nóng)業(yè)，一方面成本會受到限制，另一方面，家庭花卉種植所需的功能較為單一，也不需要復(fù)雜昂貴的控制器，單片機則是一種理想的器件[9-11]。

經(jīng)對比，課題組選擇了性價比較高的一款控制器——Arduino UNO Rev3。Arduino自帶A/D轉(zhuǎn)換和PWM模塊，編程簡單，軟硬件資源豐富，非常適用于原型機的開發(fā)。

由于樣機功能并不多，選擇了獨立按鍵作為控制輸入端，選擇LCD1602作為顯示器，組成一個簡單的人機交互模塊。

3.1.2 傳感器選擇。土壤濕度傳感器選擇了數(shù)字型YL69，當插入土壤中的探針檢測到濕度低于閾值時，通過比較器LM393輸出1（高電平），相反則輸出0（低電平）。若不用比較器，YL69輸出模擬量數(shù)值，通過A/D轉(zhuǎn)換輸出更精確的濕度值。光照使用光敏電阻（LDR）構(gòu)建的檢測電路進行檢測，與濕度傳感器類似，電路有數(shù)字量和模擬量引腳，既可以通過比較器LM393輸出數(shù)字量，也可以利用模擬量引腳檢測精確值。

3.2 執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計

3.2.1 輸出與執(zhí)行模塊?，F(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)主要是針對灌溉與施肥，首先通過電磁閥A控制蓄水容器不缺水，電磁閥B控制灌溉通道的開關(guān)，電磁閥C則用于控制營養(yǎng)液通道的開關(guān)。三個電磁閥通過繼電器進行控制。

3.2.2 硬件系統(tǒng)集成。圖2所示為硬件系統(tǒng)的框圖。將所有模塊連接之后，本系統(tǒng)選擇DS1302涓流充電計時芯片進行定時控制。DS1302擁有實時時鐘/日歷，能夠提供年、月、日、時、分、秒等信息，可作為1602實時顯示內(nèi)容，有12小時制（需要AM/PM指示器）和24小時制供選擇。

用戶通過按鍵、電位器等控制系統(tǒng)或某功能的開關(guān)、調(diào)節(jié)，系統(tǒng)將用戶關(guān)心的參數(shù)通過顯示器顯示出來。本系統(tǒng)中，開關(guān)操作選擇了獨立按鍵，顯示選擇了LCD顯示器，調(diào)節(jié)選擇了10k電位器。另外，為了直觀展示光照強弱，選擇了1個LED以呼吸燈形式輸出。

最終，根據(jù)方案規(guī)劃，設(shè)計了如圖3所示的硬件控制系統(tǒng)接線圖。

4 程序設(shè)計

4.1 程序流程

根據(jù)控制策略，用戶可針對不同花卉的管理模型設(shè)定初始參數(shù)。這部分操作放在初始化階段，用戶可通過通信或按鈕進行設(shè)定，系統(tǒng)會保存已經(jīng)設(shè)定的參數(shù)，直至下次更改。樣機設(shè)計階段，課題組設(shè)定了高、中、低三檔調(diào)節(jié)，分別對應(yīng)不同喜水性的花卉種植管理。

設(shè)置完成后，通過按鈕啟動系統(tǒng)，按照圖4所示的主程序流程工作。

4.2 檢測子程序設(shè)計

4.2.1 空氣參數(shù)檢測程序。與空氣相關(guān)的環(huán)境參數(shù)包括溫度、濕度和光照強度，DHT11傳感器可同時檢測溫濕度。選擇光敏電阻模塊的模擬量引腳作為輸入端，模擬量信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，通過PWM方式輸出至LED燈，以指示光照強弱。

限于篇幅，源代碼未完全附出。

上述檢測值通過串口監(jiān)視窗口可以進行實時觀察。

4.2.2 土壤檢測程序。土壤的濕度是最基礎(chǔ)的環(huán)境參數(shù)，選擇模擬量引腳，通過Arduino引腳輸入并實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。

限于篇幅，源代碼未完全附出。

土壤溫度與空氣溫度的檢測方法類似，但土壤溫度變化較緩慢，檢測周期可能更長。由于土壤溫度并不是一個重要參數(shù)，通常可以忽略，僅檢測空氣溫度即可。

4.3 繼電器輸出子程序

繼電器通過小電流控制大電流，是連接信號電路和工作電路的橋梁，在系統(tǒng)中作為開關(guān)量輸出端控制電磁閥的開關(guān)。

限于篇幅，源代碼未完全附出。

4.4 顯示子程序

1602是性價比較高的LCD顯示器，環(huán)境參數(shù)可通過1602實時顯示。首先需要進行初始化操作，對工作模式進行設(shè)定，然后顯示檢測值，

限于篇幅，源代碼未完全附出。

5 調(diào)試與試驗

5.1 功能驗證試驗

光敏傳感器可用遮光和不同強度的光源照射方式測試，如圖5所示。當光照強度達到一定值時，繼電器導(dǎo)通，LED燈點亮。

土壤含水量變化緩慢，因此在驗證試驗中用濕紙巾替代土壤，通過串口讀取檢測探針電極檢測值，結(jié)果顯示：檢測效果符合預(yù)期。

5.2 模擬測試試驗

各模塊功能得以實現(xiàn)后，將所有子系統(tǒng)加入電路，構(gòu)成完整控制系統(tǒng)。設(shè)定LCD1602顯示布局為雙行顯示，第1行顯示參數(shù)的實時檢測值。為更緊湊顯示，分別用字母W代表土壤含水量，T代表溫度，H代表空氣濕度，L代表光照強度。試驗結(jié)果表明：LCD能夠?qū)崟r地顯示傳感器檢測到的參數(shù)。測試電路如圖6所示。

LCD的第2行用來顯示設(shè)定閾值，一旦系統(tǒng)啟動，用戶可方便觀察當前保存的閾值，如果不符合預(yù)期，通過3個獨立按鍵設(shè)定高、中、低三個檔位，分別針對不同喜水類型花卉。

灌溉功能由3個繼電器控制3個電磁閥實現(xiàn)。土壤濕度檢測周期較長，測試中用電位器進行模擬。當傳感器檢測到的條件滿足時，繼電器導(dǎo)通，LED指示燈點亮，對應(yīng)電磁閥導(dǎo)通，完成灌溉和施肥，條件不滿足時自動進入下一個循環(huán)。試驗結(jié)果表明：課題組所設(shè)計的控制策略科學(xué)可行，控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)和效果滿足預(yù)期。

6 結(jié)語

基于Arduino UNO Rev3開發(fā)的智能花卉灌溉系統(tǒng)，初步驗證了智能化控制設(shè)計的正確性，可滿足陽臺或露臺種植及管理花卉蔬菜的基本需要。Arduino的硬件資源可以支撐更多模式的灌溉與施肥管理，且系統(tǒng)的擴展成本較低，非常適合原理樣機的開發(fā)，在功能一一實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，可以用功能更強大的器件替代原型機各個子系統(tǒng)，以便使智能化控制與花卉特定的生長模型有機結(jié)合。

參考文獻：

[1]蔡淑芳，陳敏.新生代白領(lǐng)的城市陽臺農(nóng)業(yè)種植意愿及影響因素研究[J].生態(tài)經(jīng)濟，2014（3）：52-55，58.

[2]陳柏延.陽臺農(nóng)業(yè)栽培系統(tǒng)的設(shè)計及其營銷模式的研究[D].沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

[3]楊寶祝.都市人的田園情結(jié)[J].北京農(nóng)業(yè)，2013（25）：64-66.

[4]諸一驊.農(nóng)田排灌自動控制技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展[J].河海大學(xué)科技情報，1988（1）：75-82.

[5]郭迪，王晨靜，陸國權(quán).我國陽臺農(nóng)業(yè)概況及發(fā)展前景[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013（3）：239-241.

[6]陳瑞仙，翟云霞，解莉莉，等.陽臺農(nóng)業(yè)的推廣應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程，2015（S2）：81-83.

[7]陳浩.基于ZigBee和電力線載波技術(shù)的智能溫室應(yīng)用研究[D].杭州：浙江農(nóng)林大學(xué)，2015.

[8]馮澍，盛慶華，陳潔，等[J].微型機與應(yīng)用，2016（18）：35-38.

[9]陳娜，陳立平，李斌，等.陽臺農(nóng)業(yè)立體栽培自動控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].農(nóng)機化研究，2014（1）：127-131.

[10]孫煜.基于單片機盆栽自動灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017.

[11]李鵬宇.設(shè)施農(nóng)業(yè)自動灌溉控制器研發(fā)[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2014.