一種可自動澆水花架的設(shè)計與實現(xiàn)

0 引言

盆栽植物由于能起到凈化空氣、美化環(huán)境、調(diào)節(jié)小氣候、緩解城市生活壓力、引導(dǎo)健康休閑等積極作用，在現(xiàn)今辦公室和家庭裝飾布置時受到了越來越多的青睞。在很多城市甚至將居家環(huán)境綠化及營造美麗花園城市作為政府工作重點，出臺了一系列城市建筑綠化文件。對于室內(nèi)盆栽而言，是否能夠適時適量澆水，是其存活及成長的重要因素。但人們常常由于工作忙碌、生活旅行等原因，不能按時按需對盆栽植物進行澆灌，由此導(dǎo)致的盆栽缺水、生長問題、甚至死亡的情況時有發(fā)生。針對此類問題，市面上也出現(xiàn)了一些自動澆花裝置。一類是玻璃、塑料制成的澆花滲水裝置，此類澆花器利用容器中水的重力，不間斷地向盆栽滴水實現(xiàn)“自動”澆灌，此類澆花器雖然設(shè)備簡單，成本低廉，但會使植物根系長期處于較濕潤的泥土中，不利于長期生長；另一類所謂的自動澆水花盆其實是在常規(guī)花盆外再套置一個用于儲水的盆，此類花盆容易產(chǎn)生植物根系因長期浸泡而出現(xiàn)爛根等問題；還有一類是利用單片機技術(shù)設(shè)計的澆花系統(tǒng)，此類設(shè)計相比前兩種，能夠?qū)崿F(xiàn)家庭盆栽的自動澆花，但多數(shù)此類設(shè)計都是針對單盆或少量盆栽的澆水問題，如若針對多盆盆栽的情況下，需使用多套系統(tǒng)，智能化程度不高且增加了成本。

本文利用CAD三維設(shè)計軟件，設(shè)計繪制了一種可以自動澆水的室內(nèi)盆栽植物花架。在布置上，花架分為盆栽放置區(qū)、工具置物區(qū)、澆花水源區(qū)等，實現(xiàn)了對植物的集中展示和統(tǒng)一管理，美觀大方且能有效節(jié)約室內(nèi)空間。在系統(tǒng)功能方面，設(shè)置了定時定量控制澆水、濕度控制澆水兩種工作模式，方便對不同需水量的多盆植物同時進行個性化養(yǎng)護，智能化程度更高且降低了使用成本?；苄Ч疽鈭D如圖1所示。

圖1 自動澆水的室內(nèi)盆栽植物花架示意圖

1 總體方案及設(shè)計原理

通過調(diào)查及相關(guān)的植物養(yǎng)護經(jīng)驗，設(shè)置了定時定量控制澆水、濕度控制澆水兩種工作模式。用戶可依據(jù)植物的需水情況及養(yǎng)護要求，對盆栽的供水管進行連接和流量調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)不同盆栽的個性化養(yǎng)護。

在定時定量澆水模式下，用戶可根據(jù)該區(qū)域盆栽的喜水程度，使用花架上的外接鍵盤對澆水周期及澆水時長進行個性化設(shè)置，系統(tǒng)依據(jù)用戶設(shè)定對該區(qū)域盆栽進行自動定時定量澆灌。工作原理為：當系統(tǒng)檢測到已符合設(shè)定的工作時間時，單片機控制水泵通電工作，將水通過管道分流入各花盆，各花盆流量大小可利用滴箭閥門調(diào)節(jié)。開啟時間長度達到預(yù)先設(shè)定的工作時間值時水泵斷電，完成澆水，同時開始計時，直到達到工作時間，開始進行下一次澆水工作。

濕度控制智能澆水的原理為：通過對土壤干濕程度進行智能感應(yīng)和判斷，完成自動按需澆水。放置在盆栽土壤中的土壤濕度傳感器能檢測采集土壤濕度，并將其轉(zhuǎn)換成電信號，該電信號再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，單片機該數(shù)據(jù)信號與預(yù)先設(shè)置的濕度閾值進行對比，以判斷是否需要對植物進行澆灌——土壤濕度檢測器傳回的數(shù)據(jù)低于系統(tǒng)中設(shè)置的濕度下限值時，單片機控制水泵通電工作，開啟時間長度達到預(yù)先設(shè)定的工作時間值時水泵斷電，停止?jié)补?，繼續(xù)進入到濕度檢測工作中。

本設(shè)計系統(tǒng)主要包括單片機、電源電路、濕度傳感器、鍵盤及數(shù)據(jù)顯示、繼電器、水泵控制等部分。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 自動澆水的室內(nèi)盆栽植物花架系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 主控制模塊

目前，花卉業(yè)、農(nóng)業(yè)的自動化和智能化控制系統(tǒng)已配置較為完善，多采用PLC進行系統(tǒng)控制。PLC是應(yīng)用單片機構(gòu)成的比較成熟的控制系統(tǒng)，快捷方便，成功率高，可靠性好，但成本較高。家用智能澆灌系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)自動化灌溉相比，規(guī)模、功能等都有所不同。此外，考慮到設(shè)施成本，本設(shè)計的控制器并不需要選擇例如PLC等功能復(fù)雜、成本較高的控制器。單片機是一種可編程的集成芯片，它體積小、使用簡單，通過編程設(shè)計后，可以與外圍電路配合來實現(xiàn)多種需要的功能，是本設(shè)計的較好選擇。經(jīng)過對比，選擇Arduino Nano作為本設(shè)計的控制器，工作電壓5V，模擬輸入引腳8個，數(shù)字輸入輸出引腳22個，PWM引腳6個，時鐘頻率16MHz。本款控制器是一款基于ATmega328P的開發(fā)板，可直插面包板，自帶A/D轉(zhuǎn)換和PWM模塊，開發(fā)簡單，軟硬件資源豐富，使用方便，能夠滿足本次設(shè)計的相關(guān)要求。

2.2 按鍵及顯示模塊

在定時定量澆水模式下，用戶可使用外接設(shè)備輸入澆水相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的實時顯示能為用戶對植物養(yǎng)護提供依據(jù)。為方便操作和提高人機交互感受，設(shè)計中，按鍵及顯示模塊采用集數(shù)據(jù)輸入和顯示一體的淘晶馳TJC3224T128_011R觸摸顯示屏作為本系統(tǒng)的人機交互界面。該款顯示屏大小2.8英寸，工作電流VCC=5.0V，F(xiàn)LASH存儲器4MB，集成4線精密電阻式觸摸控制器，觸控次數(shù)100萬次，分辨率320×240像素，色彩深度為65K色，5V下亮度300nit且可進行100級亮度調(diào)節(jié)，正常工作溫度為20℃至70℃，正常工作濕度為10%至90%，多數(shù)開發(fā)工作可在PC端完成，能夠滿足本次設(shè)計要求。

2.3 數(shù)據(jù)檢測模塊

在濕度控制智能澆花區(qū)域，需要使用濕度傳感器對花盆土壤濕度進行檢測。考慮到傳統(tǒng)模擬量傳感器雖然成本低，但監(jiān)測精度不高、響應(yīng)時間慢，本次設(shè)計采用數(shù)字模擬器。HM1500濕度傳感器由法國Humirel公司推出，它性能穩(wěn)定、精準可靠、響應(yīng)速度快、抗干擾強、能有效抵抗各種腐蝕性物質(zhì)，且不需要外接元件，可直接與控制器連接。在5V直流供電下，當相對濕度0-100%RH變化時，HM1500濕度傳感器輸出電壓呈1-4V的線性變化。電壓信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號，由單片機對相對濕度進行計算，并判斷是否需要進行澆水。通常希望保持盆花土壤的相對濕度在60%左右，澆水達到見干見濕較好。本次設(shè)計中，設(shè)置盆栽相對濕度低于30%時，開始澆水。

2.4 繼電器模塊

電磁式繼電器常規(guī)結(jié)構(gòu)包含控制線圈、鐵芯、觸點簧片、銜鐵等。繼電器在本設(shè)計中相當于水泵的開關(guān)。作用原理是：其輸入直接與單片機IO口或數(shù)字電路連接，當5V電源作用于線圈（輸入高電平）時，繼電器吸合，繼電器常開觸點閉合，水泵開啟工作；當輸入低電平時，繼電器釋放，水泵停止工作。相當于單片機通過利用小電流控制繼電器實現(xiàn)對較大電流（水泵）的控制。本次設(shè)計繼電器是8路帶光耦隔離繼電器，支持所有單片機控制，觸點部分獨立布線，性能可靠；標準接口可以在各種開發(fā)板上進行擴展，具有繼電器動作指示，設(shè)有固定螺絲孔位，工作電壓5V。

2.5 時鐘模塊

目前市面上各類電子設(shè)備都涉及時間控制或時間記錄等功能的應(yīng)用。單片機中，根據(jù)所需測量對象的不同，常規(guī)有單片機時鐘、實時時鐘RTC芯片兩種時鐘模式?？紤]到單片機時鐘精度受晶振頻率等影響，偶然誤差會造成數(shù)據(jù)錯亂，且本程序用編程設(shè)計時鐘編程復(fù)雜，占用資源，影響效率，故設(shè)計采用RTC實時時鐘模塊，可以減輕CPU負擔(dān)，使用內(nèi)置電源供電工作，方便快捷。本次設(shè)計實時時鐘模塊選擇的是DS1307-I2C實時時鐘芯片（RTC），它可獨立于CPU工作，不受CPU主晶振及其電容的影響，且計時準確，月累積誤差一般小于10秒。模塊設(shè)計小巧，芯片內(nèi)置存儲器，帶充電電路，充滿電后，能提供DS1307計時1年。且引出DS1307的時鐘引腳，為單片機提供時鐘信號。

2.6 澆水模塊

花架底部設(shè)置儲水桶，接入若干個微型自吸蠕動泵，其工作時分別向指定區(qū)域的盆栽供水。該水泵相關(guān)參數(shù)為：工作電壓4.5V，最大流量100L/H，揚程0.55米，壽命最大可達2500H，水溫范圍：0至80℃，防水等級IP68。每個水泵接于一個繼電器，水泵的開關(guān)由單片機控制繼電器閉合實現(xiàn)。當單片機通過時間計算或土壤濕度值計算，判斷某區(qū)域需要進行澆水時，控制對應(yīng)繼電器的常開閉合，使其控制的水泵通電，開始澆水，達到工作時間后，單片機控制繼電器使得水泵斷電，結(jié)束澆水。

關(guān)于澆灌方式，經(jīng)過對比，在傳統(tǒng)的噴灌和滴灌兩種方式中，選擇水的利用更高、適用于各類土壤條件、能夠進行較深層滲漏的滴灌模式。每盆盆栽的滴箭可以通過旋鈕控制水量大小，以方便對不同大小、不同水量需求的花盆進行澆水量調(diào)節(jié)。

3 程序設(shè)計

程序軟件設(shè)計部分包括主程序、土壤濕度檢測子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、鍵盤及數(shù)據(jù)顯示子程序等。為實現(xiàn)對不同需水量盆栽的分別管理，分別設(shè)置了定時定量澆花子程序和濕度檢測澆花子程序。定時定量澆花模式下，用戶可以自行設(shè)置澆水周期和澆水時長，由系統(tǒng)自行計時并按要求開展?jié)菜ぷ鳌穸葯z測澆花模式下，系統(tǒng)利用土壤濕度檢測子程序，對土壤濕度值進行實時檢測及數(shù)據(jù)傳送，單片機將數(shù)值與設(shè)置的濕度下限值進行比較，如需澆水，則進入水泵電機驅(qū)動程序進行工作，直到達到系統(tǒng)設(shè)定的工作時長則自動停止?jié)菜??；茏詣訚菜闹鞒绦蛄鞒虉D和子程序流程圖如圖3、圖4所示。

圖3 主程序流程圖

圖4 區(qū)域一、區(qū)域二子程序流程圖

4 結(jié)語

本設(shè)計利用CAD三維設(shè)計、單片機控制技術(shù)和傳感器控制技術(shù)，設(shè)計了一種可以自動澆水的室內(nèi)盆栽植物花架。系統(tǒng)提供了兩種澆水模式：在定時定量澆水模式下，用戶可根據(jù)該區(qū)域盆栽的喜水程度，使用花架上的外接鍵盤對澆水周期及澆水時長進行個性化設(shè)置，系統(tǒng)依據(jù)用戶設(shè)定對該區(qū)域盆栽進行自動定時定量澆灌；在濕度澆水模式下，系統(tǒng)對盆栽土壤進行濕度檢測，自行控制水泵的開啟與停止，完成盆栽的自動澆灌工作。

系統(tǒng)中多種養(yǎng)護模式的配合使用，能夠滿足大多數(shù)室內(nèi)盆栽的水量需求，實現(xiàn)了不同類型的盆栽植物的個性化澆水，讓家庭或辦公室的盆栽在無人管理的情況下也能及時得到澆灌，解決了辦公室和家庭盆栽因假期或外出等無人看管的澆水問題。此外，花架的一體設(shè)置，方便了人們對室內(nèi)盆栽進行集中展示和統(tǒng)一管理，較好地滿足多盆盆栽的日常澆水需求。本自動澆花系統(tǒng)具有外觀美觀、經(jīng)濟環(huán)保、運行穩(wěn)定的特點，可廣泛運用于需要對室內(nèi)多盆栽植物的自動澆水的場所。