一種自動(dòng)施肥型智能花圃盆的設(shè)計(jì)與研究

王麗鳳,魏紅梅,王宇航,蔡佳琪

(山東華宇工學(xué)院,山東 德州 253034)

0 引言

近年來,智能花盆研究在國內(nèi)外取得了顯著進(jìn)展。英國設(shè)計(jì)了一種智能花盆,具有自動(dòng)監(jiān)測土壤溫度和濕度的功能,可利用燈光報(bào)警系統(tǒng)向使用者發(fā)送提醒信息。美國推出了WaterLink智能花盆產(chǎn)品,使用濕度傳感器收集土壤中的水分?jǐn)?shù)據(jù),借助WCDM網(wǎng)絡(luò)將這些信息持續(xù)傳遞給終端用戶,用戶可利用智能手機(jī)應(yīng)用程序獲取花盆資料。我國發(fā)明了一種智能花盆,具備測定土壤溫度、濕度及光照強(qiáng)度等功能,還可自動(dòng)灌溉。有人開發(fā)了一種基于GSM技術(shù)的智能花圃盆,為人們提供了極大的便利[1-2]。本研究設(shè)計(jì)了一款智能花圃盆,通過智能化調(diào)控土壤溫濕度、光照強(qiáng)度及遠(yuǎn)程操控,滿足植物需求,為植物養(yǎng)護(hù)提供便利。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能花圃盆主要由中央控制系統(tǒng)、感應(yīng)部分、顯示部分、電動(dòng)部分、WIFI傳輸模塊組成。花圃盆結(jié)構(gòu)由盆體、養(yǎng)料箱、水箱及其他內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成,其中內(nèi)部結(jié)構(gòu)由根部溫度傳感器、中央控制器、根部加熱器、電機(jī)、液體泵、霧狀加濕器、濕度和離子濃度檢測傳感器組成。從功能上看,內(nèi)置濕度檢測器和離子濃度檢測模塊能夠準(zhǔn)確把握灌溉時(shí)間。盆栽空腔處設(shè)有溫度傳感器和增溫保溫裝置,能夠在低溫條件下保證綠植的正常存活。盆栽邊緣設(shè)有霧狀加濕器,保證葉片和莖部濕度充足。配有供能裝置,與水箱、養(yǎng)料箱一體化,可有效實(shí)現(xiàn)電能供應(yīng),將所需養(yǎng)料向根莖部輸送。顯示屏顯示綠植健康狀況并及時(shí)反饋給養(yǎng)殖者,可隨時(shí)隨地了解綠植狀態(tài)信息,結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,兼顧養(yǎng)殖者對(duì)綠植照料不便、缺乏科學(xué)照料方法等問題,提升綠植存活率。該裝置通過多個(gè)部分協(xié)調(diào)工作實(shí)現(xiàn)智能灌溉、施肥、施藥一體化,通過合理、精準(zhǔn)護(hù)理提高植物存活率,從而滿足用戶養(yǎng)殖需要。

圖1 花圃盆結(jié)構(gòu)Fig.1 Flowerbed structure

1.2 運(yùn)作形式設(shè)計(jì)

當(dāng)綠植移入盆栽時(shí),盆栽根部的溫濕度檢測器和離子濃度檢測器開始檢測,將信號(hào)傳輸給中央控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)處理進(jìn)行土壤離子濃度信息反饋,用戶通過云平臺(tái)了解植栽實(shí)時(shí)環(huán)境信息,選取植株類型,控制系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)好的算法配比適當(dāng)?shù)碾x子濃度營養(yǎng)液,加入物料箱?？刂葡到y(tǒng)對(duì)土壤濕度傳感器檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,控制水泵和電磁閥,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆注功能。當(dāng)土壤濕度達(dá)到上閥值時(shí),控制器斷開水泵電源,停止對(duì)盆栽植物根部注水,滿足綠植對(duì)土壤營養(yǎng)及濕度的需求。當(dāng)綠植感染真菌時(shí),配置器可選擇性配比藥劑進(jìn)入物料箱,進(jìn)行殺菌除蟲。在控制環(huán)境室內(nèi)濕度方面,盆栽邊緣放置濕度檢測器,當(dāng)濕度低于綠植莖葉濕度要求時(shí),邊緣處的霧狀噴射器開始增加濕度。在控制環(huán)境溫度方面,盆栽空腔內(nèi)有控溫加熱棒,當(dāng)根部溫度檢測器監(jiān)測到溫度較低時(shí),進(jìn)行加熱處理,當(dāng)溫度達(dá)到根部要求時(shí)則斷開。通過啟動(dòng)保溫裝置保證根部溫度恒定。采用MQTT協(xié)議進(jìn)行服務(wù)器與WIFI設(shè)備數(shù)據(jù)開發(fā)[2]。

圖2 運(yùn)作形式設(shè)計(jì)Fig.2 Design of operation form

1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中央控制系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)為主控制器,其他部分均由主控制器進(jìn)行控制運(yùn)行。MSP430微控制器系列的顯著特性是低能量消耗和高效性能,MSP430單片機(jī)的低能量消耗特點(diǎn)是可以在低電壓和低電流條件下正常運(yùn)行,適用于電池供電,可延長設(shè)備電池壽命,保證花盆在控制模塊選取上的耐用性。MSP430單片機(jī)具有較高的處理能力及良好的性價(jià)比,可在滿足智能花盆性能的前提下降低成本。

中央控制系統(tǒng)控制整個(gè)花盆,當(dāng)溫度、濕度等發(fā)生變化時(shí),傳感器會(huì)立刻做出反應(yīng),信號(hào)被傳遞到中央控制系統(tǒng),并向各種反應(yīng)器發(fā)送不同的信號(hào),以保證盆栽的各項(xiàng)性能指標(biāo)正常。

1.4 云傳輸、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

開發(fā)了一個(gè)基于Android操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序(App),智能花盆可實(shí)現(xiàn)與手機(jī)的實(shí)時(shí)連接。此應(yīng)用程序利用Android平臺(tái)的WIFI功能實(shí)時(shí)將智能花盆傳感器收集的溫度、濕度、離子濃度等多項(xiàng)數(shù)據(jù)同步到手機(jī)App端,為用戶提供遠(yuǎn)程監(jiān)控。用戶可利用應(yīng)用軟件與花盆形成連接,在App界面上查看植株的各項(xiàng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),監(jiān)控并調(diào)整植株的生長環(huán)境數(shù)據(jù),從而更好地照料植物。可在手機(jī)App上選擇想要監(jiān)控的植物,進(jìn)行多選操作,為每棵植物設(shè)置姓名,避免數(shù)據(jù)混淆,如果不需要命名,也可跳過此步驟。完成注冊(cè)后,傳感器開始采集數(shù)據(jù)并發(fā)送至App端。App會(huì)及時(shí)向用戶反饋植物情況,允許用戶遠(yuǎn)程控制花盆的移動(dòng)、澆水等操作。當(dāng)花盆的存水裝置缺水時(shí),花盆會(huì)通過App提醒用戶,App還會(huì)根據(jù)不同植物的特性推薦適合的肥料品牌,用戶可根據(jù)需要選擇所需肥料。App會(huì)提供相關(guān)的植物專業(yè)知識(shí),提供用戶交流平臺(tái),以便更好地照料植物。

智能花盆與手機(jī)App的結(jié)合可便于遠(yuǎn)程監(jiān)控及管理植物,提供智能化、便捷的植物養(yǎng)護(hù)方式。用戶初次選擇App時(shí),不通過初始注冊(cè)階段是無法進(jìn)行數(shù)據(jù)操作的。參照具體的分析控制,需要通過兩次注冊(cè)才能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。點(diǎn)擊手機(jī)App系統(tǒng)菜單,等待出現(xiàn)登錄界面,如沒有注冊(cè),需要確認(rèn)注冊(cè)。登錄后需要添加木本植物。如果再次打開系統(tǒng)菜單,相關(guān)綠色植物信息將出現(xiàn)在主頁上,即連接成功。新用戶注冊(cè)成功后可自動(dòng)關(guān)閉澆水并定時(shí)控制兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)向和小于一定限度的移動(dòng)。如果是冬天,室內(nèi)溫度在18 ℃左右,環(huán)境濕度約為51%,如果App顯示為圖3,則為正常。如果土壤酸堿度足夠,則為5滴水,隨著時(shí)間的推移會(huì)持續(xù)下去,表層土壤會(huì)越來越干燥。當(dāng)只剩下一小滴水時(shí),App會(huì)開啟提醒功能,將光照時(shí)間、澆水量歷史數(shù)據(jù)記錄下來,生成折線圖,幫助養(yǎng)護(hù)人員更好地分析數(shù)據(jù),科學(xué)學(xué)習(xí)養(yǎng)花知識(shí)[3-4]。該應(yīng)用程序?qū)⒖挤咸囟ㄇ闆r的木本植物,由App推送具體內(nèi)容。

圖3 狀態(tài)顯示Fig.3 Status display

圖4 水泵控制Fig.4 Water pump control

后臺(tái)服務(wù)器與ESP8266WIFI模塊連接成功后,每隔10 s接收一次WIFI模塊傳遞過來的花卉環(huán)境信息,并把信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中[5]。

1.5 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為中心控制單元,利用土壤濕度和空氣溫度傳感器收集土壤濕度及環(huán)境溫度數(shù)據(jù),將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行進(jìn)一步控制和處理。土壤溫濕度傳感器采用Sensirion SHT3x系列,其薄膜是 ePTFE 類型金屬箔片,專用于保護(hù)傳感器開口,防水防塵,符合 IP67 標(biāo)準(zhǔn),即使在充滿水霧和灰塵等惡劣條件下,傳感器仍能提供精準(zhǔn)的測量,實(shí)現(xiàn)溫度、濕度檢測,保證數(shù)字化、高精度輸出,便于與智能花盆控制系統(tǒng)進(jìn)行通信及數(shù)據(jù)處理。控制系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理,通過算法分析濕度要求,控制水泵和電磁閥的工作狀態(tài),保證植株生長環(huán)境的科學(xué)性。

遠(yuǎn)程控制、后臺(tái)服務(wù)器與ESP8266WIFI模塊連接,中央控制系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)為主控制器,控制繼電器打開,水泵開。為了精準(zhǔn)滿足不同植株對(duì)氮磷鉀鈣鎂含量的需要,在土壤中設(shè)計(jì)添加離子濃度傳感器,根據(jù)土壤中離子的實(shí)時(shí)濃度來調(diào)整物料箱中的營養(yǎng)液配比,提供精確的養(yǎng)分供應(yīng)。離子濃度傳感器基于離子選擇電極及離子傳感材料來測量土壤中的特定離子濃度,通過離子選擇膜與該離子發(fā)生反應(yīng)并生成電信號(hào),從而測量粒子濃度。土壤中溫控加熱棒選擇GROWNEERWaterproofSeedlingHeatMat加熱墊,具有防水設(shè)計(jì),適用于花盆和種植托盤,還配備了溫度控制器,可根據(jù)需要設(shè)置溫度范圍。

2 性能指標(biāo)

智能花圃盆設(shè)有顯示屏,可實(shí)時(shí)顯示土壤溫濕度、植物信息等,整體采用MSP430單片機(jī)控制,利用溫度傳感器、濕度傳感器、離子濃度檢測模塊實(shí)時(shí)掌握土壤水分、溫度情況,控制實(shí)施機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水、自動(dòng)加熱、自動(dòng)施肥等功能,中央控制系統(tǒng)還可通過App將這些信息反饋到用戶手機(jī)上。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

智能花盆運(yùn)用土壤濕度傳感器和溫度傳感器對(duì)盆栽土壤進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,當(dāng)土壤濕度傳感器檢測到土壤濕度低于閾值時(shí),控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,啟動(dòng)水泵和電磁閥電源,噴頭出水。淺層根部濕度傳感器實(shí)時(shí)向控制器反饋,當(dāng)檢測土壤濕度達(dá)到上閾值時(shí),控制器控制電磁閥關(guān)閉,斷開水泵電源,停止對(duì)盆栽植物澆水。溫度傳感器與控溫棒在控制器處理下實(shí)時(shí)接收溫度數(shù)據(jù),控制控溫棒工作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)智能控溫。其中,土壤溫度及濕度和室內(nèi)環(huán)境溫度及濕度實(shí)時(shí)檢測結(jié)果即時(shí)顯示,如圖5所示。

圖5 顯示結(jié)果測試Fig.5 Display result test

通過對(duì)土壤濕度與溫度、室內(nèi)溫度與濕度的顯示,初步掌握花圃盆自動(dòng)澆水、施肥及溫度控制動(dòng)態(tài),檢驗(yàn)花圃盆功能的可實(shí)現(xiàn)性。實(shí)驗(yàn)顯示屏顯示初始溫度,數(shù)據(jù)穩(wěn)定,沒有浮動(dòng),啟動(dòng)開關(guān),設(shè)置選擇綠植類型,控制系統(tǒng)分析數(shù)據(jù),根據(jù)程序設(shè)計(jì)預(yù)定溫度、濕度數(shù)值,根部溫度加熱器和盆栽噴頭對(duì)植栽分別進(jìn)行控溫和澆水,顯示屏與手機(jī)接收端信息實(shí)時(shí)變更,控制器對(duì)溫度、濕度信息進(jìn)行處理,控制結(jié)束。此時(shí)溫度信息與濕度信息符合綠植需要,顯示屏與手機(jī)信息一致,符合綠植培育數(shù)據(jù)的設(shè)定。實(shí)驗(yàn)表明,此設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)植栽溫度、濕度的智能調(diào)控。進(jìn)行實(shí)驗(yàn),評(píng)估測量控制數(shù)據(jù)精準(zhǔn)范圍,對(duì)數(shù)據(jù)精度進(jìn)行計(jì)算,確定產(chǎn)品參數(shù),數(shù)據(jù)如表2。

在施肥實(shí)驗(yàn)中選擇植株類型,分析肥料成分。檢測土壤中的離子濃度值,數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋,用戶根據(jù)信息反饋加裝肥料成分,配比營養(yǎng)液置于物料箱中,根部施肥器開啟,檢測濃度符合綠植培養(yǎng)數(shù)據(jù)時(shí)停止施肥。此時(shí),疏根部離子濃度檢測器檢測營養(yǎng)液數(shù)據(jù)符合植株生長培育需要。

4 結(jié)束語

目前市場上主要使用大型灌溉設(shè)備,設(shè)備價(jià)格昂貴,安裝復(fù)雜,而一般的灌溉設(shè)備則缺乏智能化功能。智能花盆灌溉系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)來調(diào)整灌溉時(shí)間、出水及土壤環(huán)境溫度,實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無人值守灌溉,節(jié)約能源,滿足使用需求。通過科學(xué)護(hù)理,參照不同植物的生長需求,提供不同的生長方案,通過算法,對(duì)不同生長方案數(shù)值進(jìn)行預(yù)設(shè),實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)科學(xué)養(yǎng)殖。該設(shè)備外觀設(shè)計(jì)合理,不影響美觀,采用的算法控制技術(shù)穩(wěn)定可靠,結(jié)構(gòu)功能協(xié)調(diào)統(tǒng)一,適合規(guī)模化生產(chǎn),可滿足人們對(duì)智能家電的需求,符合市場發(fā)展需要。