智能遮光澆灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

葉鐘城　秦立蟠　沈宇軒　黃馨潁　呼格吉樂(lè)

摘 要：基于對(duì)普通植物光照濕度培育裝置，研制出了智能遮光澆灌系統(tǒng)。此款智能遮光澆灌系統(tǒng)能夠很好地解決對(duì)植物的高精度光照濕度雙線程的自動(dòng)培育，可以為人們?nèi)粘Ｉ钪信嘤参锾峁┍憷?。本文詳?xì)介紹了此款智能遮光澆灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作。

關(guān)鍵詞：智能遮光澆灌;雙線程;高精度;自動(dòng);使用說(shuō)明

一、概述

在現(xiàn)在快節(jié)奏生活中，人們常常會(huì)忘記照顧植物，而此款智能遮光澆灌系統(tǒng)就能解決這個(gè)問(wèn)題，它能在植物過(guò)曬時(shí)自動(dòng)伸展遮光網(wǎng)以及在水分不足時(shí)自動(dòng)澆灌，從而避免了人們因上述原因而造成的一些損失。而當(dāng)外界陽(yáng)光不足時(shí)它又能夠自動(dòng)收回遮光網(wǎng)。同時(shí)，它也解決了人們對(duì)于植物培育精度的需求。因?yàn)榫同F(xiàn)在市場(chǎng)而言，很難對(duì)不同種類植物實(shí)現(xiàn)高精度地培育，大部分都是以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)照顧所有植物。尤其是當(dāng)家庭對(duì)于植物培養(yǎng)精度需求較高時(shí)，這款產(chǎn)品就可以滿足人們對(duì)不同種類植物高精度培育的需求。

二、功能簡(jiǎn)介

智能遮光澆灌系統(tǒng)通過(guò)各類傳感器綜合傳感外界環(huán)境光照強(qiáng)度、濕度的變化，然后通過(guò)與傳感器中調(diào)用的閾值對(duì)比將電壓信號(hào)傳輸?shù)紸rduino主板中，再傳遞信號(hào)給驅(qū)動(dòng)，使減速電動(dòng)機(jī)進(jìn)行工作（正反轉(zhuǎn)），進(jìn)而帶動(dòng)其內(nèi)部特有的機(jī)械結(jié)構(gòu)（聯(lián)軸器，同步輪、帶的傳動(dòng)），從而達(dá)到“過(guò)曬自動(dòng)展開(kāi)遮光網(wǎng)”、“土壤濕度不足自動(dòng)澆灌”的效果。同時(shí)在數(shù)據(jù)調(diào)用方面不斷更新程序內(nèi)數(shù)據(jù)庫(kù)提高對(duì)植物的培育精度。

三、智能遮光澆灌系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)

四、智能遮光澆灌系統(tǒng)的物理原理

（一）自動(dòng)開(kāi)關(guān)遮光網(wǎng)系統(tǒng)

利用了“自動(dòng)感應(yīng)門”的機(jī)械原理。即用大扭力減速電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)同步帶輪組，在同步帶上固定一個(gè)限位桿，利用與限位開(kāi)關(guān)的配合觸發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)遮光網(wǎng)的自動(dòng)伸展和收回。電路部分利用土壤濕度傳感器及光敏傳感器來(lái)感應(yīng)周圍光照強(qiáng)度和濕度的變化，當(dāng)感應(yīng)到有過(guò)高光照強(qiáng)度時(shí)便啟動(dòng)減速電機(jī)，完成自動(dòng)伸展遮光網(wǎng)的任務(wù)。

（二）土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器是最簡(jiǎn)單的濕度傳感器。土壤濕度傳感器主要有電阻式、電容式兩大類。這里我們選用的是電容式的傳感器。土壤濕度傳感器電容一般是用高分子薄膜電容制成的。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對(duì)濕度成正比。

（三）光敏傳感器

光敏傳感器是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。光傳感器不只局限于對(duì)光的探測(cè)，它還可以對(duì)許多非電量進(jìn)行檢測(cè)，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化即可。通過(guò)對(duì)光信號(hào)的感受，我們就可以控制遮光布，在光這一方面對(duì)植株進(jìn)行呵護(hù)

五、智能遮光澆灌系統(tǒng)的制作方法

（1）定做4塊15*60*1cm的亞克力支撐板，1塊100*100cm的預(yù)備亞克力板材。

（2）在距離亞克力支撐板頂部10cm處利用激光雕刻機(jī)刻出半徑為3cm的圓孔，放入對(duì)應(yīng)的滾動(dòng)軸承，在軸承外部利用牛皮紙或者熱熔膠與亞克力板貼合。再將準(zhǔn)備好的傳動(dòng)軸裝入滾動(dòng)軸承內(nèi)并加以固定，同時(shí)與聯(lián)動(dòng)軸連接傳動(dòng)到減速電機(jī)。將減速電機(jī)的正負(fù)極接到驅(qū)動(dòng)板的OUT1、OUT2，驅(qū)動(dòng)板IN1、IN2連接到Arduino板的提前設(shè)置好的數(shù)字接口。

（3）外部傳感方面，土壤濕度傳感器接到變送器，并與繼電器相連最后來(lái)驅(qū)動(dòng)水泵的工作與否;光敏傳感器也與變送器相連，然后直接連入Arduino上提前設(shè)置的數(shù)字引腳，Arduino處理完信息將驅(qū)動(dòng)信息通過(guò)數(shù)字引腳輸出到驅(qū)動(dòng)模塊。

（4）限位桿采用502粘結(jié)在遮光網(wǎng)上，限位開(kāi)關(guān)則粘在對(duì)面的亞克力支撐板上適當(dāng)?shù)母叨取?/p>

（5）將電池盒和Arduino的外接電源都連接到電路內(nèi)。

六、“智能窗”的使用說(shuō)明（功能介紹）

本產(chǎn)品中的光敏傳感器接收到光強(qiáng)強(qiáng)度后將光強(qiáng)模擬信號(hào)傳輸給信號(hào)處理控制中心（Arduino），控制中心再將傳輸進(jìn)來(lái)的模擬信號(hào)通過(guò)程序編譯轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)傳導(dǎo)到驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)，在信號(hào)處理控制中心可以通過(guò)對(duì)程序不斷地測(cè)試，不斷調(diào)節(jié)光敏傳感器的變化邊界，并記錄標(biāo)準(zhǔn)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境光強(qiáng)與標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)的比。同時(shí)，利用濕度傳感器雙程同時(shí)接受濕度模擬信號(hào)傳遞到信號(hào)處理控制中心，實(shí)現(xiàn)雙程的適度控制（噴灑澆灌，或者滴漏澆灌——根據(jù)用戶的不同需求可以開(kāi)發(fā)不同的類型），最終實(shí)現(xiàn)智能的自動(dòng)遮光澆灌體系。

七、相關(guān)拓展及后期優(yōu)化

目前，我們已經(jīng)建立了雙線程的系統(tǒng)模型，在不斷地運(yùn)行和調(diào)試中尋找不足并對(duì)模型進(jìn)行精度調(diào)整改善以實(shí)現(xiàn)更精密地培養(yǎng)植物，未來(lái)爭(zhēng)取達(dá)到通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與用戶手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作的目標(biāo)（提高其互動(dòng)性）。同時(shí)盡可能地?cái)U(kuò)大該項(xiàng)目地適用范圍，并不斷減少項(xiàng)目地制作成本，實(shí)現(xiàn)雙向的研究（高精度——利用修改內(nèi)部程序參數(shù)調(diào)整精度與低精度——通過(guò)外置按鈕對(duì)應(yīng)一些基礎(chǔ)精度進(jìn)行大致的精度調(diào)節(jié)）進(jìn)而擴(kuò)展該項(xiàng)目的受眾群體，同時(shí)考慮應(yīng)用到工業(yè)培養(yǎng)的方面以提高該項(xiàng)目的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃華梁，彭文生編.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ).高等教育出版社，2001.

[2]楊芳春主編.電機(jī)傳動(dòng).高等教育出版社，1995.

作者簡(jiǎn)介：葉鐘城（1999-），男，浙江紹興柯橋人，湖州師范學(xué)院理學(xué)院物理學(xué)專業(yè)17級(jí)學(xué)生。

指導(dǎo)老師：呼格吉樂(lè)（1980-），男，蒙古族，內(nèi)蒙古通遼人，工程碩士學(xué)位，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，湖州師范學(xué)院省級(jí)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與物理教學(xué)儀器開(kāi)發(fā)。