基于Arduino的自動(dòng)調(diào)節(jié)花卉土壤濕度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐金增，孫好

（山東特殊教育職業(yè)學(xué)院，山東濟(jì)南，250022）

0 引言

不同花卉對(duì)生長環(huán)境的土壤濕度喜好不同，有些花卉（如常春藤、綠蘿等）喜水，必須時(shí)常保持土壤濕度；有些花卉（如長壽花、虎皮蘭等）不喜水，土壤濕度過大容易導(dǎo)致根系腐爛?，F(xiàn)實(shí)生活中，養(yǎng)花人并不能準(zhǔn)確判斷花卉土壤的濕度，只能根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)判斷給花卉澆水，花卉土壤水分過多或過少都不利于花卉健康正常生長。

本文利用Arduino Uno開發(fā)板設(shè)計(jì)開發(fā)了一款自動(dòng)調(diào)節(jié)花卉土壤濕度系統(tǒng)，通過土壤濕度傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測花卉土壤濕度，并可根據(jù)不同花卉的喜水特性設(shè)置不同的土壤濕度值，由Arduino Uno控制器自動(dòng)作出花卉土壤是否需要澆水的判斷，控制電磁水閥開關(guān)進(jìn)行澆水，從而實(shí)現(xiàn)不同花卉土壤保持在合適濕度，保證花卉健康正常生長。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)以Arduino Uno開發(fā)板為核心，采用Moisture Sensor土壤濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測花卉土壤的濕度值，土壤濕度監(jiān)測值通過模擬A0端口輸入ArduinoUno開發(fā)板，經(jīng)系統(tǒng)對(duì)比提前設(shè)定的花卉土壤濕度值，若花卉土壤濕度值小于提前設(shè)定的濕度值，則ArduinoUno開發(fā)板的數(shù)字2和數(shù)字3端口輸出高電平，點(diǎn)亮LED指示燈并同時(shí)打開直流電磁水閥給花卉澆水；當(dāng)花卉土壤濕度值達(dá)到或超過提前設(shè)定的土度值時(shí)，則ArduinoUno開發(fā)板的數(shù)字2和數(shù)字3端口輸出低電平，關(guān)閉LED指示燈和直流電磁水閥，停止?jié)菜?/p>

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

1.1 土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器可分為電容型土壤濕度傳感器、電阻型土壤濕度傳感器和離子型土壤濕度傳感器。

電容型土壤濕度傳感器的敏感元件為濕敏電容，主要材料一般為金屬氧化物、高分子聚合物。其工作原理為：由于水分子有較大的電偶極矩，吸水后材料的電容率發(fā)生變化，電容器的電容值也就發(fā)生變化，把電容值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤濕度進(jìn)行監(jiān)測。

電阻型土壤濕度傳感器的敏感元件為濕敏電阻，其主要的材料一般為電介質(zhì)、半導(dǎo)體、多孔陶瓷等。其工作原理為：濕敏電阻對(duì)水的吸附較強(qiáng)，吸附水分后電阻率/電導(dǎo)率會(huì)隨濕度的變化而變化，濕度的變化可導(dǎo)致濕敏電阻阻值發(fā)生變化，電阻值的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤濕度進(jìn)行監(jiān)測。

離子敏場效應(yīng)晶體管（ISFET）屬于半導(dǎo)體生物傳感器，離子敏型土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。離子敏感器件由離子選擇膜（敏感膜）和轉(zhuǎn)換器兩部分組成，敏感膜用以識(shí)別離子的種類和濃度，轉(zhuǎn)換器則將敏感膜感知的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤濕度進(jìn)行監(jiān)測。

圖2 離子敏型土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)花卉土壤濕度傳感器采用Moisture Sensor集成模塊,電路圖如3所示，其結(jié)構(gòu)為叉型設(shè)計(jì)，方便插入花卉土壤。模塊工作電壓為2.0～5.0V。Moisture Sensor集成模塊主要是利用三極管的電流放大原理，當(dāng)土壤中的水分使三極管的基極與電源正極導(dǎo)通的時(shí)候，在三極管的基極和發(fā)射極之間就會(huì)產(chǎn)生一定大小的電流，此時(shí)在三極管的集電極和發(fā)射極之間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)一定放大倍數(shù)的電流，該電流經(jīng)過發(fā)射極的電阻產(chǎn)生電壓供AD轉(zhuǎn)換器采集。

圖3 Moisture Sensor電路圖

Moisture Sensor模塊有3個(gè)接口，分別為VCC（電源）、GND（接地）和AOUT（模擬量輸出）,在系統(tǒng)中分別連接ArduinoUno開發(fā)板的VCC、GND和模擬A0端口。通過系統(tǒng)串口監(jiān)視器可實(shí)時(shí)觀察濕度傳感器輸入到模擬A0端口的數(shù)值（如圖4所示）。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，串口數(shù)值最小為0，最大為750左右。其中輸出數(shù)值越大，代表土壤水分含量越多。系統(tǒng)可根據(jù)不同植物喜水特性設(shè)置不同的數(shù)值，低于設(shè)定數(shù)值，代表土壤比較干燥，花卉缺水，需打開電磁水閥澆水；高于設(shè)定數(shù)值，代表土壤濕度大于花卉需要的濕度，花卉不需要澆水。

圖4 串口監(jiān)視器

1.2 直流電磁水閥

直流電磁水閥分為常閉型直流電磁水閥和常開型直流電磁水閥。常閉型直流電磁水閥是當(dāng)線圈通電時(shí)，電磁閥打開；當(dāng)線圈斷電時(shí)，電磁閥關(guān)閉。而常開型直流電此水閥正好相反，為當(dāng)線圈通電時(shí)，電磁閥關(guān)閉；當(dāng)線圈斷電時(shí)，電磁閥打開。

電磁水閥為二次開閥的先導(dǎo)式電磁閥，其結(jié)構(gòu)主要由導(dǎo)閥和主閥組成，主閥采用橡膠密封結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。常位時(shí)，活動(dòng)鐵芯封住導(dǎo)閥口，閥腔內(nèi)壓力平衡，主閥口封閉。當(dāng)線圈通電時(shí)，產(chǎn)生電磁力將活動(dòng)鐵芯吸上，主閥腔內(nèi)的介質(zhì)自導(dǎo)閥口外泄，以至產(chǎn)生壓力差，膜片或閥杯被迅速托起，主閥口開啟，閥便呈通路。當(dāng)線圈斷電，磁場消失，活動(dòng)鐵芯復(fù)位，封閉導(dǎo)閥口，導(dǎo)閥和主閥腔內(nèi)壓力平衡后，閥又呈關(guān)閉狀態(tài)。

圖5 電磁水閥結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)澆水設(shè)備控制端采用常閉型DC5V直流電磁水閥，電磁水閥有電氣和水流控制兩個(gè)端口，其中電氣端為電源接口和接地接口，電源接口直接與ArduinoUno開發(fā)板數(shù)字3端口連接，接地接口與ArduinoUno開發(fā)板GND端口連接。水流端進(jìn)水口接水源，出水口接噴灑頭。當(dāng)ArduinoUno開發(fā)板數(shù)字3端口輸出高電平（+5V）時(shí)，電磁水閥通電打開通水，可實(shí)現(xiàn)給花卉澆水，當(dāng)ArduinoUno開發(fā)板數(shù)字3端口輸出低電平(0V)時(shí)，電磁水閥斷電關(guān)閉斷水。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件主要采用Arduino Uno開發(fā)板、Moisture Sensor土壤濕度傳感器、常閉型DC5V直流電磁水閥和LED指示燈組成（如圖6所示）。以Arduino Uno開發(fā)板為核心，模擬A0端口連接Moisture Sensor土壤濕度傳感器的AOUT模擬量輸出端口，數(shù)字2端口通過220歐姆的限流電阻連接LED電源指示燈，數(shù)字3端口連接DC5V電磁水閥的電源輸入引腳。Arduino Uno開發(fā)板可以通過USB供電，也可單獨(dú)使用直流電源供電。

圖6 系統(tǒng)電路圖

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序既可使用Arduino IDE編寫也可以使用圖形化編程軟件Mixly編寫。Arduino IDE是一款開放源代碼的集成開發(fā)環(huán)境，可在Windows、Macintosh OSX、Linux三大主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行，其基于Processing IDE開發(fā)，對(duì)于初學(xué)者來說，極易掌握，同時(shí)有著足夠的靈活性。Mixly是由北京師范大學(xué)傅賽博士團(tuán)隊(duì)組織開發(fā)的一款免費(fèi)開源的圖形化編程工具，開發(fā)者可以通過拼接積木塊的方式來編寫程序，具有易用性、簡單性、普適性和延續(xù)性。

圖7 程序流程圖

（1）Arduino IDE程序設(shè)計(jì)如下：

（2）Mixly程序設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8

通過標(biāo)準(zhǔn)USB下載線連接電腦與Arduino Uno開發(fā)板，選擇設(shè)備串口端口（可通過電腦設(shè)備管理器查看連接Arduino Uno設(shè)備的com端口），通過“上傳”功能即可將程序下載到Arduino Uno開發(fā)板中。

4 實(shí)物連接圖

本系統(tǒng)實(shí)物連接圖如圖9所示，電路連接簡單，只需要連接Arduino Uno開發(fā)板的1個(gè)模擬端口、2個(gè)數(shù)字端口和電源端、接地端。程序下載到Arduino Uno開發(fā)板后，通過實(shí)驗(yàn)，可完全實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)功能。

圖9 實(shí)物連接圖

5 結(jié)束語

通過本設(shè)計(jì)系統(tǒng)可便捷地實(shí)現(xiàn)花卉土壤濕度監(jiān)測，并可根據(jù)不同花卉喜水特性設(shè)置不同的土壤濕度值，當(dāng)花卉土壤濕度低于設(shè)定值時(shí)自動(dòng)打開水閥澆水，土壤達(dá)到設(shè)定濕度后自動(dòng)停止?jié)菜?，從而?shí)現(xiàn)不同花卉土壤保持在合適濕度，保證花卉健康生長。

經(jīng)過試驗(yàn)，本系統(tǒng)可長時(shí)間穩(wěn)定工作，實(shí)現(xiàn)花卉土壤干燥時(shí)自動(dòng)澆水，土壤濕度達(dá)到設(shè)定條件時(shí)停止?jié)菜?，從而保持花卉土壤的濕度，完全滿足設(shè)計(jì)的目的和要求，設(shè)計(jì)原理簡單，可直接開發(fā)應(yīng)用。