適合不同成長期的智能澆花系統(tǒng)理論研究

何易航

（河北省唐山市第一中學 河北 唐山 063000）

適合不同成長期的智能澆花系統(tǒng)理論研究

何易航

（河北省唐山市第一中學 河北 唐山 063000）

土壤濕度是影響植物生長的最直接的因素之一。設計了一套智能花盆，通過測量植物所需土壤濕度和系統(tǒng)重量信息，提出了詳細的控制運算過程，實現(xiàn)為植物自動澆水功能。該系統(tǒng)所采用控制運算充分考慮了植物生長和土壤流失問題，能夠準確控制澆水量。該智能澆花系統(tǒng)能夠為植物提供適宜的水分，同時為人們解決無人照料花草的問題提供幫助。

智能花盆；自動澆水；土壤濕度

1 引言

1.1 課題背景

隨著社會的進步，人們的生活質(zhì)量也有了提高，越來越多的家庭注重健康的生活環(huán)境。在家中，工作和學習的環(huán)境中放置一些盆栽花卉或綠色植物，既可以通過光合作用吸收二氧化碳，凈化室內(nèi)空氣，還可以陶冶我們的情操，讓我們的生活、工作、學習會更加愉悅。植物的健康生長卻是人們面臨的重要問題，而這個問題最大的影響因素之一就是植物需要適當?shù)乃帧Ｋ诌^多或過少都會影響植物的正常生長。生活中存在的問題一為家中人員全部外出，或長時間忘記給植物澆水，植物很可能會枯萎死亡[1]。為防止植物干枯人們經(jīng)常給植物一次性大量澆水，容易導致植物根系腐爛死亡。

1.2 研究現(xiàn)狀

植物對其周圍環(huán)境的濕度、溫度有一定的范圍要求，一旦高于或低于這個范圍其生長就會受到影響。人們在生活中實際操作大部分是憑經(jīng)驗進行的，澆水時機與澆水量都很難把握，為解決該問題，市場中涌現(xiàn)出了一批自動澆水花盆，市場上的自動澆水花盆雖然能夠?qū)崿F(xiàn)自動澆水，但是自動澆水的效果不佳，一般都為機械的定時定量澆水[2-3]，不能根據(jù)植物的真實需要澆水。許多研究者把傳感器和智能控制手段引入自動澆水系統(tǒng)，通過測定空氣溫度和土壤濕度二者其一或者組合來控制澆水量[4-6]。劉洪濤等[1]基于STM32為控制核心，設計了一種操作簡單、成本低廉的智能自動澆水花盆，通過測試土壤濕度控制水泵的啟停，完成對花盆中的植物自動澆水。汪磊等[3]基于AT89S51單片機控制設計了盆花自動澆水系統(tǒng)，采用HM1500濕度傳感器檢測花盆的土壤濕度，然后單片機根據(jù)土壤濕度控制繼電器繼而控制電磁閥實現(xiàn)自動澆水。李克訥等[6]基于AVR單片機設計了盆栽自動澆水系統(tǒng)，利用單片機自帶EEPROM存儲器保存澆水濕度的基準閾值，可根據(jù)溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)自動調(diào)整濕度閾值，以保證盆栽在溫度變化時的澆水量。雖然上述研究可以確定什么時間澆水合適，但是應該澆多少水就無法判斷，因為土壤濕度即土壤含水量占烘干土重的百分比，是影響植物生長的最直接的因素之一。而濕度傳感器能夠檢測到土壤的真實濕度，濕度傳感器輸出的濕度值需要穩(wěn)定后才能判斷，而澆的水想要均勻滲透到全部土壤中需要一段比較長的時間，這段時間差容易導致土壤濕度過大，對植物生長產(chǎn)生影響。如何解決自動澆水和防止?jié)菜^量的問題，仍有待研究。

本研究擬基于土壤濕度與重量的控制方法來實現(xiàn)自動澆水，通過土壤真實濕度觸發(fā)澆水可以更為精準的保證澆水量。該系統(tǒng)可以利用準確的質(zhì)量控制來實現(xiàn)自動控制，有利于保持植物適宜的生長條件，同時可以減輕人們勞動量和解決人們外出時無人照料花草的問題。

2 系統(tǒng)組成及工作流程

研究采用的自動澆水系統(tǒng)如圖1所示，包括花盆、自動供水裝置、稱重傳感器、濕度傳感器、中央處理器、電源模塊。其中，稱重傳感器設置在花盆底部下方，濕度傳感器設置在花盆內(nèi)部，自動供水裝置為花盆供水，電源模塊為系統(tǒng)供電，中央處理器根據(jù)接收到的重量信號、濕度值信號輸出控制信號至自動供水裝置。

主要單元模塊的設置及作用：

（1）稱重傳感器設置在花盆底部，用于測量花盆、植物和土壤的重量，并將重量信號傳輸至中央處理器，中央處理器結(jié)合土壤濕度和各重量數(shù)據(jù)運算輸出指令信號。

（2）濕度傳感器設置在花盆內(nèi)壁上且在不同深度上設有多個傳感器，并有一定長度深入土壤內(nèi)部以保證數(shù)據(jù)真實，用于測量花盆內(nèi)土壤的濕度值，并將土壤濕度值信號傳輸至中央處理器，中央處理器通過計算輸出平均濕度值信號。

（3）自動供水裝置包括水源裝置以及電子水閥，通過電子水閥的出水口為花盆供水，電子水閥與水源裝置相連接，電子水閥的開閉由中央處理器輸送信號控制。

圖1 自動澆花系統(tǒng)構(gòu)成圖

3 系統(tǒng)控制原理及特點

3.1 系統(tǒng)控制流程

自動澆水系統(tǒng)的控制流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

3.2 系統(tǒng)自動控制原理

自動澆水系統(tǒng)依靠嚴格運算控制，圖2中流程中各參數(shù)的確定方法：

（1）R1、R2為某特定植物生長適宜的土壤濕度上下限值，R1＞R2，對于該植物，二者均為定值，且均可以在自動控制器上進行參數(shù)設定。

（2）花盆內(nèi)部絕干土壤重量W0是一個基礎參數(shù)，由于在植物生長過程中存在水土流失現(xiàn)象，W0不是定值，而是隨時間發(fā)生變化的。W0可根據(jù)濕度傳感器以及稱重傳感器測量的參數(shù)值隨時間更新。

任一時刻記錄濕度傳感器的濕度值為R3，重量傳感器的重量值為W2，當澆水完成后，待濕度傳感器數(shù)值穩(wěn)定記錄濕度值為R4，記錄重量傳感器的重量值為W3，則可得：

（3）花盆內(nèi)土壤達到濕度值R1時，所對應的花盆、土壤以及植物總重W1的計算，假設花盆與植物重量W4：

將式（1）-（3）代入式（4）得式（5），式（5）中除W1外，其余參數(shù)均可實測或求得。

（4）當濕度傳感器感應到土壤濕度≤R2時，自動澆水功能啟動，為防止水在土壤中分布不均勻?qū)е峦寥罎穸葴y量誤差，此時濕度傳感器應同時停止工作。

（5）當花盆底部下方稱重傳感器檢測到花盆、土壤以及植物總重≥W1時，即土壤濕度≥R1時，停止?jié)菜Ｓ捎谛伦⑷氲乃谕寥乐袛U散均勻需要時間，因此停止?jié)菜蟮耐寥罎穸炔杉枰雍笠员ＷC數(shù)據(jù)可靠。

隨著澆水時會有部分土壤流失，為了保證澆水量的精準，測定方法（2）和（3）中的各個參數(shù)需要重新校正，具體校準頻率可根據(jù)所種植植物的實際生長情況及周圍環(huán)境確定。

4 結(jié)論

通過上述分析過程，設計了一套智能花盆自動澆水系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用植物生長所需土壤濕度信息，觸發(fā)花盆的自動澆水信號，實現(xiàn)自動澆水功能。該系統(tǒng)能夠準確控制澆水量，達到解決澆水不足和過量問題的目的。同時本研究所采用控制運算充分考慮了植物生長和土壤流失問題，為智能化澆水控制提供理論基礎和方法支持。

[1]劉洪濤，鄧二偉.基于STM32的智能自動澆水花盆的設計[J].自動化與儀器儀表，2016(8)：232-233.

[2]李晨杰，趙佑初，章麗霞，袁清.基于單片機的智能花盆的研究與應用[J].科技創(chuàng)新導報，2013(22)：131-133.

[3]汪磊，韓宇光，郭鵬，張光忠，侯志鵬.盆花自動澆水系統(tǒng)的設計[J].科技創(chuàng)新與應用，2016(11):23.

S152.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）02-0065-03