家用自動(dòng)化盆栽澆水系統(tǒng)

王慧雯

摘 要：本文結(jié)合人工澆水的操作流程，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)了一款家用自動(dòng)化盆栽澆水系統(tǒng)，主要涉及由設(shè)計(jì)方案的選擇、系統(tǒng)的組成、管道放置、出水口的設(shè)計(jì)和程序的設(shè)計(jì)等具體內(nèi)容。該系統(tǒng)具有比較高的響應(yīng)速度，能準(zhǔn)確地完成澆水操作，同時(shí)具有較強(qiáng)的普適性。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化；自動(dòng)澆花；流量監(jiān)測(cè)；中斷

中圖分類號(hào)：S68 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）24-0048-02

在日常生活中，除了單調(diào)的工作、學(xué)習(xí)之外大多數(shù)人會(huì)選擇在家中養(yǎng)一些盆栽，這些植物擺放在家中，除了能起到裝飾的作用，還能夠讓人在照顧花草的過程中獲得放松，讓人能夠更加的能夠再投入到工作中。另外，種植盆栽還能幫助更新室內(nèi)的空氣，除去空氣中的有害物質(zhì)，可以說是一舉多得。但是當(dāng)住戶有事情需要長(zhǎng)時(shí)間外出時(shí)，照顧花草就成了一個(gè)大問題，這時(shí)，一個(gè)家用自動(dòng)盆栽澆水的系統(tǒng)就可以很大程度上解決這個(gè)問題。

1 系統(tǒng)方案選擇

首先考慮人澆水的操作，要完成“澆花”這個(gè)動(dòng)作，看上去很簡(jiǎn)單，不過是提壺澆水這樣兩步就可以。但是事實(shí)上，這兩步需要具體分解為多個(gè)操作步驟。人工澆水的操作流程如圖1所示，首先人眼通過觀察盆栽，配合大腦判斷花草是否需要澆灌，只有當(dāng)判斷出盆栽需要澆水時(shí)，大腦才會(huì)發(fā)出澆水指令；然后大腦會(huì)控制人手執(zhí)行提水澆花的動(dòng)作，在澆水的同時(shí)眼睛繼續(xù)觀察，大腦會(huì)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和眼睛接收到的信息判斷水量是否足夠，當(dāng)大腦判斷出水量足夠時(shí)，會(huì)發(fā)出停止?jié)菜闹噶钍節(jié)菜Ｖ埂?/p>

在上述的人工操作中，每一個(gè)部分都有其特有的功能，如表1所示，在用自動(dòng)化系統(tǒng)代替人工的過程中，需要使用不同的部件以起到與人工操作相同的作用。例如人的眼有監(jiān)測(cè)水量的功能，可以用流量檢測(cè)傳感器代替，大腦可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和算法執(zhí)行，可以用微控制器代替，大腦作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以用開關(guān)閥代替，神經(jīng)傳輸信號(hào)，可以用線路代替等。

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

以微控制器作為主控單元進(jìn)行系統(tǒng)搭建，如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)流量檢測(cè)傳感器、傳感器配套放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、微控制器、鍵盤、外部終端、顯示器模塊和多個(gè)開關(guān)閥構(gòu)成。

流量檢測(cè)傳感器用來采集水的流量信號(hào)，經(jīng)過配套放大器和A/D轉(zhuǎn)換器后，輸入微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與計(jì)算，然后據(jù)此判斷是否需要控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作。鍵盤連接計(jì)算機(jī)手動(dòng)輸入頻率和流量。外部終端用于完成外界設(shè)備與系統(tǒng)的信息交互。顯示器則用來顯示系統(tǒng)運(yùn)作是否正常，以及顯示即時(shí)數(shù)據(jù)等，以便于人工檢查。

1.2 關(guān)鍵部分組成

系統(tǒng)的管道布線如圖3所示，將管道放置在比較隱蔽的位置，并且盡可能的將各個(gè)盆栽連接在一起，可以既不影響美觀也不影響系統(tǒng)的功能，主線的另一邊連接在總閘上，主線上在每盆花的附近分出若干個(gè)支路延伸到每個(gè)盆栽的根部用于澆水。支路管道的長(zhǎng)短根據(jù)盆栽與主線的距離決定。另外，為了能夠更準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)流量和控制線路的通斷，線路的開關(guān)和各個(gè)流量監(jiān)測(cè)傳感器安裝在最接近花盆的位置。

流量監(jiān)測(cè)傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)水量，獲得實(shí)時(shí)水流的流量信號(hào)經(jīng)由運(yùn)算放大器和A/D轉(zhuǎn)換器處理后中，將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量最后輸入計(jì)算機(jī)中，并在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)水流的數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定條件時(shí)，由微控制器發(fā)出指令控制各個(gè)開關(guān)閥進(jìn)行關(guān)閉或打開動(dòng)作。

考慮到使用水管作為運(yùn)輸水的工具，那么支路管道內(nèi)就會(huì)不可避免的有剩余的水不能完全流出，所以也要考慮到水管內(nèi)剩余水量對(duì)總水量的影響。如圖4所示，可以將支路開關(guān)和傳感器設(shè)置在靠近花盆的位置，使經(jīng)過傳感器的水量能夠全部進(jìn)入花盆，幾乎沒有誤差，以防止實(shí)際澆花的水量小于盆栽需要的水量而導(dǎo)致的澆水不足的情況。此外，為了防止水流進(jìn)入盆栽中時(shí)流速過急對(duì)盆栽造成損傷，對(duì)出水口設(shè)計(jì)了儲(chǔ)水區(qū)和緩沖區(qū)。水流從支路先后流經(jīng)開關(guān)和傳感器，然后流入儲(chǔ)水區(qū)，最后再經(jīng)過緩沖區(qū)流入盆栽。支路流入的流速較快，而緩沖區(qū)流出的流速要慢，所以設(shè)計(jì)了空間大于水量的儲(chǔ)水區(qū)，使短時(shí)間內(nèi)流不完的水量?jī)?chǔ)存在儲(chǔ)水區(qū)中然后慢慢流入盆栽中。

2 程序設(shè)計(jì)

為了顧及到家中盆栽的種類，考慮采用輸入澆水的頻率和澆水的水量的方式來提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，例如家中經(jīng)常會(huì)養(yǎng)的文竹和仙人掌，在夏季，文竹有時(shí)會(huì)需要一天澆一次，而仙人掌一般兩周澆一次就可以，并且兩種植物的每次澆水的水量也是不同的。同時(shí)為了使系統(tǒng)能夠同時(shí)兼顧多個(gè)盆栽，考慮設(shè)置若干個(gè)開關(guān)閥控制分路，配合計(jì)算機(jī)連接上鍵盤以便于人工輸入澆水的頻率和每次澆水的水量，從而更好的使系統(tǒng)可以適用于更多的使用情況。

依據(jù)系統(tǒng)功能的要求，考慮了兩種系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案。

方案一：調(diào)用計(jì)時(shí)程序法，開始后由人工輸入澆水頻率和水量，主程序額外調(diào)用計(jì)時(shí)程序，當(dāng)時(shí)間達(dá)到設(shè)定值時(shí)，計(jì)算機(jī)控制支路的傳感器和開關(guān)打開，傳感器監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)水量，在程序內(nèi)部與設(shè)定水量值對(duì)比，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令控制關(guān)閉傳感器和開關(guān)，計(jì)時(shí)部件計(jì)時(shí)，等待下次澆水時(shí)間。

方案二：外部中斷法，整個(gè)系統(tǒng)分為主程序和子程序，程序開始后輸入水量值，進(jìn)入待機(jī)程序，當(dāng)外部終端發(fā)送中斷信號(hào)時(shí)，待機(jī)的狀態(tài)被打斷，中斷響應(yīng)進(jìn)入澆水的程序中，支路開關(guān)和傳感器打開，傳感器監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)水量，在子程序中與設(shè)定值對(duì)比，達(dá)到設(shè)定值時(shí)控制器控制開關(guān)和傳感器關(guān)閉，中斷返回，再次進(jìn)入待機(jī)程序中，等待下一次中斷信號(hào)。

對(duì)比方案一與方案二，發(fā)現(xiàn)此方案的優(yōu)點(diǎn)在于由網(wǎng)絡(luò)發(fā)送中斷信號(hào)而不需內(nèi)部調(diào)用計(jì)時(shí)程序，減小了程序占用的內(nèi)存，可以使程序簡(jiǎn)單方便。因此這里采用方案二進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。

方案二的程序流程圖如圖5所示，程序開始后首先由人工根據(jù)盆栽的種類和對(duì)水的需求程度通過鍵盤輸入水量值，然后系統(tǒng)執(zhí)行等待復(fù)位的指令，盆栽澆水的頻率由外部終端發(fā)送時(shí)間信號(hào)中斷當(dāng)前的等待的程序，外部時(shí)間信號(hào)到來的位置作為斷點(diǎn)，主程序跳到中斷處理子程序，系統(tǒng)控制支路傳感器和開關(guān)閥打開，同時(shí)傳感器開始監(jiān)測(cè)水量，微控制器對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，判斷水量是否達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)流量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，計(jì)算機(jī)控制關(guān)閉支路傳感器和開關(guān)，中斷返回到初始的等待程序中，等待下一次中斷信號(hào)。

3 結(jié)語

本文針對(duì)家中的盆栽如何在無人照顧的情況，結(jié)合人工澆水的操作流程，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)了家用自動(dòng)化盆栽澆水的系統(tǒng)，本文從整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)工作原理、系統(tǒng)硬件組成、如何精確的控制水量以及有效保護(hù)盆栽等方面進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)說明。該系統(tǒng)具有比較高的響應(yīng)速度，能準(zhǔn)確地完成澆水操作，同時(shí)具有較強(qiáng)的普適性。由于知識(shí)水平和時(shí)間所限，本文仍有問題未能很好解決，還需進(jìn)一步完善。

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