Arduino創(chuàng)意設(shè)計(jì)
——智能植物培育體

原曉楠， 李瑞程， 柴凱昕， 邱 卓， 孫曉華

（西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安 710049）

0 引 言

隨著生活條件的不斷提升，植物培養(yǎng)已經(jīng)成為越來越多人的愛好，也是在快節(jié)奏生活之下很好的減壓方式，除了家庭花園培養(yǎng)模式外，目前較為流行的還有桌上盆栽。但是，在生活節(jié)奏越來越快的時(shí)代，經(jīng)常會(huì)因時(shí)間、空間、方法等多種因素造成桌上盆栽無法獲得健康生長，這促進(jìn)了自動(dòng)澆花裝置的產(chǎn)生［1-2］。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前市場(chǎng)上存在的自動(dòng)澆花裝置存在功耗大、續(xù)航時(shí)間短、價(jià)格昂貴、受眾人群小，沒有平衡好產(chǎn)品自動(dòng)化程度與種植樂趣的關(guān)系，用戶參與感不強(qiáng)，智能應(yīng)用性較低等缺點(diǎn)［3-5］。

本文基于Arduino開發(fā)板設(shè)計(jì)了智能植物培育體，通過設(shè)計(jì)“電-水-土”分離式滲透給水結(jié)構(gòu)并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)植物的遠(yuǎn)程智能培養(yǎng)，設(shè)計(jì)多種模式平衡培養(yǎng)智能化與用戶參與感［6］，在降低系統(tǒng)功耗的前提下豐富系統(tǒng)的功能，具有很好的智能應(yīng)用性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選擇Arduino作為主要控制芯片［7］，由數(shù)據(jù)采集與處理、算法設(shè)計(jì)、系統(tǒng)控制和遠(yuǎn)程智能設(shè)計(jì)4個(gè)模塊組成，設(shè)計(jì)思路如圖1所示。通過對(duì)植物生長環(huán)境參數(shù)的采集與處理建立數(shù)據(jù)庫，并通過算法及軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長環(huán)境的監(jiān)測(cè)、預(yù)判，設(shè)計(jì)給水結(jié)構(gòu)及控制電路并以Arduino作為主控平臺(tái)結(jié)合預(yù)判算法實(shí)現(xiàn)植物生長環(huán)境自主調(diào)控，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)用戶端APP實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程智能調(diào)控［8］。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路導(dǎo)圖

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 傳感器選型

植物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集主要包括對(duì)植物生長環(huán)境的空氣溫度、濕度和土壤濕度的采集，通過綜合對(duì)比選擇DHT11進(jìn)行空氣溫、濕度檢測(cè)，具有溫、濕度同時(shí)測(cè)量、結(jié)構(gòu)簡單、抗靜電、抗干擾等諸多優(yōu)點(diǎn)。選擇Arduino Moisture Sensor進(jìn)行土壤濕度檢測(cè)，傳感器檢測(cè)探頭埋在作物根部，將濕度變化轉(zhuǎn)化為電阻變化監(jiān)測(cè)土壤的濕度。

2.2 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

基于所選擇的傳感器設(shè)計(jì)了檢測(cè)電路，其原理如圖2所示。DHT11模塊內(nèi)部有一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，可將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)直接傳輸給Arduino進(jìn)行處理。土壤濕度傳感器的阻值會(huì)隨著土壤水分含量的變化而變化，將土壤濕度傳感器的探頭插入土壤中，設(shè)計(jì)分壓電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化傳輸給Arduino進(jìn)行處理。

圖2 檢測(cè)電路原理

2.3 數(shù)據(jù)庫建立

檢測(cè)電路輸出的模擬信號(hào)經(jīng)由Arduino的模擬輸入引腳可完成模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出相應(yīng)數(shù)值，選擇模擬輸入引腳并通過編程語句定義輸入引腳，用模擬信號(hào)輸入函數(shù)analogRead（）獲取溫、濕度和土壤濕度信號(hào)，通過多次實(shí)驗(yàn)建立植物生長環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)庫。

3 算法設(shè)計(jì)

3.1 土壤濕度函數(shù)的擬合

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定土壤干、濕程度［9］，利用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到濕度與植物生長環(huán)境的函數(shù)關(guān)系曲線，將濕度值與生長環(huán)境變化一一對(duì)應(yīng)［10］。通過建模獲取的土壤濕度函數(shù)關(guān)系式為

式中：s為土壤濕度，RH；g為采集信號(hào)。

3.2 閾值設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)據(jù)擬合得出的函數(shù)關(guān)系設(shè)計(jì)閾值實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長環(huán)境的預(yù)判［11］。不同類型植物具有不同的生長習(xí)性，在室內(nèi)養(yǎng)殖時(shí)對(duì)土壤濕度的要求也不盡相同［12］。一般來說，將濕度保持在60%～80%左右即可滿足生長要求。但有一些植物對(duì)濕度要求較低，若濕度一直保持較高水平，會(huì)導(dǎo)致植物根部缺氧壞死，不利于根部發(fā)育；有一些植物對(duì)濕度要求較高，土壤過干，滿足不了植株的蒸騰作用，從而影響地上部分給予根部的營養(yǎng)。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，按照植物對(duì)含水量的需求將其分為3種不同類型，如表1所示，為不同類型的植物提供“定制化”的澆水養(yǎng)護(hù)服務(wù)。

表1 土壤濕度閾值調(diào)整類型設(shè)計(jì)表 %

3.3 程序設(shè)計(jì)

基于算法設(shè)計(jì)與閾值設(shè)計(jì)進(jìn)行程序編寫，程序流程圖如圖3所示。首先從傳感器檢測(cè)電路獲取溫、濕度和土壤濕度信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)處理，獲取系統(tǒng)模式與狀態(tài)信息并進(jìn)行相應(yīng)的模式設(shè)置與閾值調(diào)整，將土壤濕度與閾值進(jìn)行比較，當(dāng)土壤濕度過低，啟動(dòng)給水電路，當(dāng)濕度過高，關(guān)閉給水電路。

圖3 程序設(shè)計(jì)流程

4 系統(tǒng)控制

4.1 給水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的給水結(jié)構(gòu)一般采用水泵給水，模擬用戶手動(dòng)澆花的效果，需要額外的走線、打孔和布管，增加裝置復(fù)雜度、影響觀感的同時(shí)電路與蓄水池常常無法做到很好的隔離，且水泵體積較大，對(duì)水箱空間要求較高，自身能耗也比較高。系統(tǒng)采用滲透式給水原理設(shè)計(jì)了“水-電-土”分離的給水結(jié)構(gòu)，其原理如圖4所示，將土壤、給水裝置與控制裝置分離開。

圖4 “水-電-土”分離滲透式給水結(jié)構(gòu)原理

蓄水槽開設(shè)在花盆中下部四周，在與土壤相接的內(nèi)壁處開設(shè)細(xì)小柵格，以供均勻滲透補(bǔ)水。蓄水槽上方與壓片對(duì)應(yīng)位置開給水口，在壓片的控制下給水口的開合。給水裝置分為上下兩個(gè)部分，分別置于主體與電控盒中。電控盒中的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制磁鐵的上下移動(dòng)，將給水口的開合轉(zhuǎn)化為彈簧彈力與磁鐵磁力的較量，當(dāng)磁力大于彈力時(shí)，磁鐵吸合并帶動(dòng)上閥體關(guān)閉給水口，停止給水；當(dāng)磁力小于彈力時(shí)，彈簧帶動(dòng)上閥體上移后打開給水口，開始給水。

基于以上設(shè)計(jì)原理系統(tǒng)采用Inventor Autodesk軟件進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖5所示。主體部分與電控盒部分通過梯形凸臺(tái)旋轉(zhuǎn)嵌合與分離，實(shí)現(xiàn)了水與電的分離，并利用3D打印技術(shù)制作了整體結(jié)構(gòu)。

圖5 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2 控制電路設(shè)計(jì)

如圖6所示，系統(tǒng)的控制電路部分由舵機(jī)與磁鐵、下彈簧構(gòu)成，在托盤底座上，與閥體對(duì)應(yīng)的豎直位置，開有1個(gè)滑道，內(nèi)置下彈簧和高磁性銣磁鐵，下彈簧在停止給水時(shí)處于收縮狀態(tài)，依靠磁鐵-彈簧-舵機(jī)配合來為上閥體提供動(dòng)力，從而控制給水狀態(tài)。

圖6 系統(tǒng)控制原理

當(dāng)主控芯片發(fā)出給水信號(hào)時(shí)，Arduino調(diào)制PWM信號(hào)使舵機(jī)旋轉(zhuǎn)45°，松開尼龍細(xì)線帶動(dòng)彈簧控制磁鐵，開始給水；當(dāng)給水量達(dá)到植物生長所需量時(shí)，再次調(diào)制PWM信號(hào)使舵機(jī)回轉(zhuǎn)45°，停止給水。為了使水能夠順利進(jìn)入滲透管道，還需要注意平衡管道內(nèi)的壓強(qiáng)，因此在水槽內(nèi)部設(shè)計(jì)了一根細(xì)長的管子，連通大氣平衡氣壓。此外，由于系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿碓从诖盆F與彈簧以及舵機(jī)翼的簡單擺動(dòng)動(dòng)作，裝置無論在靜息狀態(tài)還是工作狀態(tài)耗能都極低，符合環(huán)保節(jié)能的要求，增加花盆的待機(jī)時(shí)間，使用方便簡潔。

5 遠(yuǎn)程智能設(shè)計(jì)

5.1 模式設(shè)計(jì)

為了平衡好產(chǎn)品自動(dòng)化程度與種植樂趣的關(guān)系，加強(qiáng)用戶培養(yǎng)植物的參與感，系統(tǒng)根據(jù)使用場(chǎng)景及使用人群的行為與作息習(xí)慣設(shè)計(jì)了兩種可選模式［13-14］：托管模式與輔助模式，其設(shè)計(jì)原理框圖如圖7所示。

圖7 工作模式設(shè)計(jì)原理

托管模式適用于用戶受時(shí)間、空間限制無法及時(shí)照料植物的情況，可實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的全方位監(jiān)測(cè)與管理，無需人為干預(yù)即可保證植物的正常生長，采取手機(jī)選擇觸發(fā)的方式，可實(shí)現(xiàn)模式的遠(yuǎn)程即時(shí)切換。在托管模式下，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物根部土壤濕度，并對(duì)植物生長狀態(tài)做出評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果控制自動(dòng)給水裝置，同時(shí)在托管模式下，系統(tǒng)其他輔助功能暫停使用以減少裝置耗能，更加節(jié)能環(huán)保。

輔助模式適用于用戶有條件進(jìn)行手動(dòng)植物培養(yǎng)的情況，通過手機(jī)選擇將工作模式切換為輔助模式。在輔助模式下同樣能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)植物狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物根部土壤濕度，并對(duì)植物生長狀態(tài)做出評(píng)估，并在評(píng)估結(jié)果為植物缺水狀態(tài)時(shí)通過顯示屏將相關(guān)信息發(fā)送給用戶，提醒用戶為植物手動(dòng)補(bǔ)水；若用戶忘記補(bǔ)水時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)補(bǔ)水裝置進(jìn)行補(bǔ)救性補(bǔ)水。輔助模式下系統(tǒng)其他輔助功能以低功耗方式呈現(xiàn)。

5.2 遠(yuǎn)程控制功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合Blinker與ESP8266 WiFi模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能設(shè)計(jì)。Blinker是由“點(diǎn)燈科技”提供的一種物聯(lián)網(wǎng)接入方案，提供APP端、設(shè)備端與服務(wù)器端支持，并通過云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)。基于Blinker平臺(tái)可以在其APP端設(shè)計(jì)定時(shí)控制、設(shè)備接入控制、設(shè)備分享等多種功能，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。利用用戶端手機(jī)APP定時(shí)向系統(tǒng)發(fā)送心跳包，系統(tǒng)收到心跳包后會(huì)返回當(dāng)前狀態(tài)，每30～60 s發(fā)送一次，數(shù)據(jù)更新的時(shí)間間隔基本滿足需求。

ESP8266采用STA站點(diǎn)模式，采用透傳單鏈方式接入互聯(lián)網(wǎng)，作為數(shù)據(jù)采集上傳工具，完成數(shù)據(jù)的收集和可視化［15-16］，將數(shù)據(jù)通過WiFi網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。用戶通過手機(jī)APP即可遠(yuǎn)程查看植物生長環(huán)境狀況并進(jìn)行相應(yīng)控制。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的用戶端手機(jī)APP界面如圖8所示，最上方為調(diào)試信息，用戶可以通過點(diǎn)擊刷新鍵手動(dòng)刷新數(shù)據(jù)；中部為空氣濕度、空氣溫度、土壤濕度、當(dāng)前時(shí)間與天氣等環(huán)境信息的顯示；最下側(cè)為控制按鈕，供用戶控制澆水狀況、使用模式切換等。

圖8 用戶端手機(jī)APP界面

5.3 輔助功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)爬取技術(shù)進(jìn)行了聯(lián)網(wǎng)對(duì)時(shí)、天氣預(yù)報(bào)功能的設(shè)計(jì)。聯(lián)網(wǎng)對(duì)時(shí)功能基于Blinker庫內(nèi)置的時(shí)間獲取功能實(shí)現(xiàn)，通過設(shè)定時(shí)區(qū)獲得當(dāng)前北京時(shí)間和年月日周信息。天氣預(yù)報(bào)功能采用心知天氣的免費(fèi)版API產(chǎn)品，通過對(duì)心知天氣API發(fā)起請(qǐng)求，服務(wù)器響應(yīng)并返回天氣信息的Json數(shù)據(jù)，使用ArduinoJson庫對(duì)接收到的Json數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并處理得到當(dāng)前實(shí)時(shí)天氣和之后兩天的天氣預(yù)測(cè)信息。

對(duì)于輔助功能獲取的相關(guān)信息及植物生長狀態(tài)信息，系統(tǒng)進(jìn)行了終端OLED屏幕和用戶端手機(jī)APP界面雙顯示的設(shè)計(jì)。其中終端OLED顯示屏設(shè)定了5種顯示模式，依次為網(wǎng)絡(luò)時(shí)間、當(dāng)前天氣、天氣預(yù)測(cè)、植物生長情況、室內(nèi)溫濕度，顯示效果如圖9所示。同時(shí)，為了降低能耗，系統(tǒng)使用SW-420高靈敏度震動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)顯示屏自動(dòng)休眠功能，當(dāng)用戶希望從OLED屏幕上讀取信息時(shí)，輕拍喚醒系統(tǒng)顯示即可。

圖9 輔助功能顯示效果

6 系統(tǒng)測(cè)試

6.1 植物培養(yǎng)性能測(cè)試

使用約500 g普通土壤對(duì)系統(tǒng)的植物生長環(huán)境調(diào)節(jié)性能進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試，以5 s為采樣間隔，監(jiān)測(cè)普通水泵式給水系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的植物培養(yǎng)效果，測(cè)試曲線圖如圖10所示。測(cè)試結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)質(zhì)的智能植物培養(yǎng)，且滲透式給水方式與盆內(nèi)土壤廣泛接觸，對(duì)植物供水較為充足且均勻，避免了水泵灌溉式澆水的積水、板結(jié)等問題，有利于植物茁壯生長。

圖10 植物培養(yǎng)性能測(cè)試曲線

6.2 功耗分析

系統(tǒng)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制邏輯等方面進(jìn)行了改進(jìn)，給水過程只有舵機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)需要電能，避免了使用水泵供水持續(xù)消耗電能的問題，降低功耗；利用SW-420高靈敏度震動(dòng)傳感器為系統(tǒng)OLED顯示屏增添自動(dòng)休眠功能，需要查看OLED屏幕信息時(shí)，輕拍花盆即可喚醒，降低顯示功耗。

7 結(jié) 語

系統(tǒng)從多角度解決了植物的智能培養(yǎng)問題，提出了基于磁力控制的滲透式給水方式，實(shí)現(xiàn)了電-水-土分離設(shè)計(jì)，杜絕水土摻混與電子元件遇水問題的同時(shí)降低了系統(tǒng)能耗，改善了植物培養(yǎng)效果。利用機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的無螺釘嵌合式連接，可以實(shí)現(xiàn)徒手拆卸，便于檢修與維護(hù)。充分結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，多種模式實(shí)現(xiàn)植物智能培養(yǎng)的同時(shí)借助網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)，使系統(tǒng)具備聯(lián)網(wǎng)對(duì)時(shí)、天氣預(yù)報(bào)等輔助功能，很好地平衡了用戶參與感與系統(tǒng)自動(dòng)化程度，解決了現(xiàn)有植物智能培養(yǎng)的問題，具有很好的推廣意義。