基于Arduino的智能盆栽設計

現代室內智能綠化設備在對植物根部澆灌技術上已日趨成熟，卻忽略了對植物葉面的養護，針對這一現狀，設計了一種基于Arduino的智能盆栽。該盆栽以Arduino UNO、溫濕度傳感器和電機為核心，LCD液晶屏實時顯示為輔。設計并編寫了Arduino UNO程序，實現實時、便捷地檢測周圍環境的溫度、濕度變化情況，并根據實時溫濕度檢測數據，通過Arduino UNO控制電機，對盆栽進行及時的葉面保溫。實踐表明，該設計能夠經濟、高效地實現植物葉面自動噴濕，可用于室內盆栽的日常護理。

引言

當下，現代工業進步帶來的環境惡化漸漸影響到人們的日常生活。既能安撫心情又能凈化空氣的室內盆栽被熱愛健康生活的人們所推崇，而快節奏的都市生活有時會讓人們忽略了對這些綠色精靈的呵護，使得原本珍愛的盆栽枯萎凋零，這讓人們倍感無奈與惋惜。隨之而興起的智能澆灌盆栽在市面上也備受歡迎，其基本功能是實現對盆景土壤濕度和光照度的智能調節，市場上的多數智能綠植產品已基本實現上述功能，正當在人們關注澆水、補光的時候卻忽略了植物的葉面保濕，而市場上能夠滿足這需要的相關的產品卻很少。

對此，設計出一種盆栽葉面濕度智能調節系統，該系統能根據盆栽周圍濕度大小實現對葉面噴灑保濕功能，為盆栽提供更好的保護。植物葉面自動噴灑的需求分析

相關研究表明適量對植物葉面噴水可增加植物周圍小環境濕度，降低溫度，使葉面保持潔凈，提高光合作用效率并防止落葉，減少病蟲害等現象。從觀賞角度來看，葉面濕潤、飽滿的植物會使觀賞者的愉悅感增加。但葉面噴灑也應該講究適量原則，不同地區的不同植物都存在差異。

1.次數和量都要有度。葉面噴水必須恰如其分，以噴濕葉面而又能很快干燥為度。

2.地區差異

南方夏季雨水充沛，空氣比較濕潤，但此時也是南方一年之中最為酷熱的季節，此時室內綠植葉面保濕工作同樣重要。冬季氣溫屬于濕冷類型，空氣中的濕度一般情況下不會低于警戒值，由于濕冷氣候，有些植物，耐寒能力相對較弱，此時要減少對葉面的額外噴灑。

北方常年都比較干噪，適合對葉面進行噴水保濕。南北方冬季葉面噴水的時間最好選擇有太陽的中午時分。

3.種類差異

綠蘿、杜鵑、茶花、文竹、珠蘭、蘭花、萬年吉、馬蹄蓮、白蘭花、棕桐、棕竹等宜經常噴水，而像石榴、紫薇、榆、楓、桃、梅等落葉花木和仙人掌類及多肉花卉等，均不宜多噴；而蒲包花、大巖桐、秋海棠等，因葉面有較厚的絨毛層，水分不易蒸發，不宜噴水。

植物葉面自動噴灑的需求與功能分析

基于以上對葉面噴水養護的研究，我們可以得出三點：1、什么時候噴水；2、噴多少水；3、以什么形式噴水。什么時候噴水取決于兩個要素：溫度和濕度。當溫度高于定值，濕度低于一定值的時候，開始噴水。噴水量則取決于電機的運行時間或者閥門的打開時間等。考慮到少量均勻噴灑，使每片葉子都能吸收適量的水分，噴霧形式可以滿足此要求。

智能噴灑控制系統概述

前兩點的實現則需要引入智能控制模塊，基于對室內盆栽養護問題的思考，考慮到針對單個問題提出解決方案，需要實現的功能也并不復雜，相比較其他微控制器，Arduino在功能實現上更加簡單方便；成本也能很好地控制；基于Arduino控制功能原型在工業設計領域逐漸流行起來，與Arduino相關的電子DIY書籍也比較豐富，方便參考學習。

Arduino是種開源電子原型平臺，使用便捷靈活、方便上手，由硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）組成。硬件部分是可以用來做電路連接的Arduino電路板，軟件部分則是ArduinolDE，它是一個簡單但實用的集成開發環境。整塊控制板類似于單片機開發板，是近年來快速流行起來的一種微控制器可以外接若干傳感元件，能夠實現許多功能。

綜上考慮，本文選擇以Arduino為原型平臺，研究利用現有的成熟傳感器及其智能控制技術，實現實時獲取室內環境（溫、濕度）狀況信息，通過微控制器，在無人看管的情況下實現對盆栽自動噴灑功能，從而保持植物葉面的濕潤。這種智能噴灑控制實現方法簡單快速，成本低廉，具有很高的實用性，其控制系統框圖如下圖所示。

智能噴灑控制系統分為五個部分：Arduino控制模塊、溫濕度檢測模塊、液晶顯示模塊、電機模塊和電源模塊。溫濕度檢測模塊將環境中的溫濕度數據以電信號的形式傳輸到Arduino中，Arduino會將數據值的大小與目標設定值進行比較，判斷是否要啟動電機，并根據PWM的值來控制電機的轉速，同時將環境數據顯示出來。

Arduino主控板及其電子元件相關參數

1.Arduino主控板

Arduino UNO是目前使用最廣泛的Arduino控制器，具有Arduino的所有基本功能。UNO包括ATmega328核心處理器，1 4路數字輸入輸出接口（其中6路可作為PWM輸出，6路模擬輸入），一個16MHz晶體振蕩器，一個USB接口，一個電源插座，一個ICSP接口和

個復位按鈕，其結構和引腳電路如圖2所示。

2.DHT11溫濕度傳感器

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術。

DHT11數字溫濕度傳感器引腳說明。

3.水泵

水泵選擇額定電壓為5V的小型直流電動機，額定轉速般在8540RPM。如下所示，表2為水泵的尺寸參數。

5V工作電壓測試下，空管吸程約1.2M（管充滿水后吸程可達4-5米）；揚程約10M；向上揚程約3.5M；最高壓力可達2公斤以上，每分鐘可抽水0.54Kg。

將水泵連接到電路中，考慮到當有負載時，可能會產生堵轉電流，即電機試圖旋轉但是轉不動時所消耗的電流，為防止其對控制電路造成的損壞，需要用到TIP120達林頓晶體管。當電動機斷電時，電動機的線圈會產生感應電流，必須得有地方流走，需要一個二極管并聯在電動機上，在電動機斷電時形成回路，在內部消耗電流，保護外部電路。

4.1620LCD液晶顯示屏

1620液晶顯示屏能實現基本的文字和數字顯示，既便宜又簡單實用。本設計選用的是16字符兩行帶背光的LCD模塊，使用HD44780兼容的接口可以和Arduino配合工作，外接10kL3微調電阻，用來調節顯示器的對比度。

硬件電路設計

根據對控制系統框圖和顯示模塊、檢測模塊、電動機模塊、控制模塊的分析，設計得到下圖硬件電路設計。

軟件程序設計

1.Arduino IDE介紹

Arduino IDE是Arduino的開放源代碼的集成開發環境，其界面友好，語法簡單以及能方便下載程序，使得Arduino的程序開發變得非常便捷。作為一款開放源代碼的軟件，Arduino IDE也是由Java、Processing、avr-gcc等開放源碼的軟件寫成，其另一個最大特點是跨平臺的兼容性，適用于Windows、Max OS X以及Linux。

在整個控制系統開始運行之前，DHT11溫濕度傳感器和1620液晶顯示屏將數據初始化，隨后DHT11對環境的溫濕度進行檢測，并將檢測后的值以數字信號的形式傳輸給Arduino UNO主控板。主控板將接收到的數據與設定值進行比較，若滿足條件，電機將會啟動，并保持運行一段時間，然后自動停止，溫濕度數據將會顯示在液晶上，若不能滿足條件，溫濕度數據將直接顯示出來。之后，整個系統會靜默一段時間，時間一到新的循環再次開始。

2.Pro/E建模與渲染

根據以上功能模塊的分析，建模分為四個部分：盆體（底部有Arduino控制模塊）、儲水瓶、噴霧管（內有霧化噴頭、溫濕度檢測元件、水管、水泵）和顯示屏。

基于Arduino的智能盆栽設計最終效果圖展示

總結

本設計利用DHT11溫濕度傳感器實現環境數據的采集，ArduinoUNO進行智能控制，用1620LCD將環境狀況實時顯示，控制電機轉動，帶動霧化噴頭內部杠桿機構發生運動，將水以霧化狀態噴灑在葉面上，從而實現葉面保濕功能，簡單實用，成本低廉。在不久的將來，隨著物聯網的不斷發展以及無線傳感器技術ZigBee模塊的日趨成熟，這些都將會被良好地應用于智能綠化設計中，實現綠化網絡中各個節點之間信息更加便捷地傳輸與通信，對環境、植物狀態的實時監測和智能控制將更加方便、及時和有效。