智能澆花機器設計

徐 銘，孫景鵬，王 洋，王博涵

(東北農業大學 水利與土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150030)

1 研究背景

1.1 研究的意義

隨著經濟發展和城市化進程加快，人們的生活水平的不斷提高，對于辦公等公共環境和家庭生活環境質量要求也越來越高。根據平日觀察，幾乎所有的機關大樓、商城、寫字樓等公共場所的局部區域都會擺放部分花卉，絕大部分人都會在工作學習之余，在住所和辦公室養花，改善生活環境，修身養性。花卉對水的需求十分敏感，尤其是在花蕾和開花期，缺水會影響開花數量和質量，嚴重缺水會直接導致花蕾枯萎，因此，適時適量澆水是花卉養殖的關鍵條件。然而現代社會一個高效率、快節奏的高科技時代，人們平時上班工作比較忙，難以有充分的時間悉心照顧花草，并且經常會出現出差、休假旅游等家庭無人的情況，花草盆摘會因缺水而枯死，這不僅造成了一定的個人經濟損失，對養花人本身也是一種精神上的損失。在公共場所，對花卉澆水更是一項繁雜的工程，耗費人力較多，勞動力成本很高，而且很多花卉需水量不同，人工控制也難以保證適量，經常造成用水浪費。

目前，雖然市場上各種各樣的自動澆花控制系統人們已經研究出來了，但是很多的自動澆花系統仍然存在很多弊端或適用范圍不同，而且可行性不高，缺乏嚴謹的制作使用概念和設計機理。現在市場上現有的自動澆花控制裝置要么太過簡單不夠完善，沒有人們想象中的那么便捷高效。基于對現有澆花裝置中存在的一些缺陷，改進設計了一種自動智能澆花控制系統裝置，更好地滿足養花人需求。

1.2 國內外研究現狀

20世紀70年代，微電子技術正處于發展階段，自動澆花系統的誕生也是隨著人們生活水平的提高和生活節奏的加快而誕生的一種懶人園藝用品。早在很多年前，國外就已經開始使用，但是其價格卻非常昂貴。例如，法國農業研究人員最近發明了一種能準確測定盆花需水量，并能自行適時為其澆水的機械裝置。在俄羅斯，有些人種植花卉時不愿與泥土打交道，很多花草不適于長期在水中培育。為了解決這個問題，俄羅斯研究人員研制出一種自動灌溉裝置，能使部分花卉在數星期內無需照看。幾年前，我們使用的電子類自動澆花系統是從國外進口的，價格昂貴，大多是用于花園、農場等地方。隨著我國經濟的發展，目前擁有很多從事生物研發的科研單位，以及眾多從事生物科學研究的人員，為我國的花卉研發提供了重要的人員及技術保障。新時代背景下，人們生活水平的提高，人們的生活質量越來越為人們關注，種養盆摘將成為人們越來越喜歡的休閑項目之一。互聯網是現今人們日常生活中不可缺少的工具，是信息傳遞的速度更快，突破傳統的經營模式，增加客戶的需求量，能為花卉產業打開市場。依據PC互聯網、電子商務應用、人工智能等可以與花卉行業相結合，能夠開拓花卉市場的發展，這一決策振興了花卉產業經濟。在“互聯網+花卉”的創新模式下，花卉的種植走向了一條全新的創新之路，一種綜合性的自動澆花控制系統的產品非常符合大眾的生活需求。

2 設計思路

智能澆花器設計堅持黨的十九大提出的綠色發展理念，在設計中充分考慮節約用水、節約能耗，充分考慮降低成本、使用便捷。智能澆花器結構設計主要包括智能控制、能源供給、無線傳輸3個模塊。

2.1 智能控制模塊

智能控制首先是智能感知，利用傳感器將采集到的信息資料轉變為有用信號。傳感器由敏感元件和轉換元件和相對應的電子電路共同構成，在使用的過程中直接響應于被測物理量并且產生可用信號輸出。并且當外界的濕度變化時，它里面的電阻值也會隨之變化，電阻值的變化范圍一般為0～10kΩ，當電阻變化時，電路的輸出電壓也會產生變化。因此當調變電阻的大小，能獲得一定值的電壓，滿足電路的需求。本文設計采用的是YL- 69土壤濕度傳感器。然后是自動灌溉系統軟件的設計，主要采用結構化以及模塊化的方法，這樣便于功能的擴展，自動灌溉系統用C語言編寫來進行軟件設計。YL- 69濕度傳感器測出濕度模擬數據，然后對測出的進行處理轉為二進制值，再經過三線制接口發送給單片機。為了使采樣值變得更加精確，對獲得的數據可以進行一些補償的算法，補償之后再送到液晶LCD顯示器顯示。先按萬用板上設置鍵設定濕度大小，濕度傳感器是土壤濕度YL- 69傳感器，數字濕度傳感器濕度測量范圍為0.01～0.99RH，分辨率大小為0.5%RH，測量精度誤差大小為正負3.0%RH；響應時間典型值為5s；正常使用電壓的大小為4.5～5.5V。YL- 69土壤濕度傳感器溫檢測到濕度大小發送到單片機并處理顯示在LCD屏幕上，當檢測濕度小于設定濕度大小時，單片機發出一個指令，sethp2.0，繼電器的線圈通電，常開觸點就閉合，于是電磁閥的線圈得電并且閥門由閉合狀態變為斷開狀態，水泵抽水進行灌溉；當檢測的濕度等于或高于設定濕度大小時，clrp2.0，繼電器的線圈失電，常開觸點就斷開，于是電磁閥線圈失電并且閥門閉合，水泵停止灌溉。

2.2 能源供給模塊

整個系統總能源包括太陽能電池和家用220V交變電壓。太陽能電池是通過光電效應或者光反應效應直接把光能轉化成電能的裝置。當光線照射太陽能板表面時，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發生了躍遷成為自由電子在P-N兩側聚集形成電位差，當外部接通電路時，在該電壓作用下，將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。這個過程的實質是：光子能量轉換成電能的過程。能源用于對單片機和攝像頭供電，節約了電能，保護環境。后者用于給智能設備(無線傳輸器)和水泵供電，提供遠程控制的能源，從而實現水與智能科技相結合。

2.3 無線傳輸模塊

手機APP遠程監控PLC系統是網絡通信技術和控制技術的結合的一門先進技術。信息技術發展使得遠程監控技術得以快速發展。遠程監控技術是遠程監測和遠程控制的結合，遠程監測是指遠程獲得被監控資源對象的數據信息，遠程控制是指遠程發送命令控制現場資源對象的運行狀態。一個遠程監控系統通常由遠程監控端系統、遠距離數據傳輸、現場監控端系統構成。三個子系統分工合作，共同實現對遠程資源的監控。而后，景物通過(LENS)生成的光學圖像投射到圖像傳感器表面上，然后轉為電信號，經過A/D(模數轉換)，轉化后變為數字圖像信號，在送到數字信號處理芯片(DSP)中加工處理，通過顯示器就可以看到錄像了。遠程控制是通過手機APP進行遠程觀察花兒的生長狀態以及生長環境，通過攝像頭觀察的信息，可以人為的對花兒進行噴水，滿足養花愛好者的心理需求。也可以通過手機APP設置對花兒進行定時噴灑，定時清理花兒。

3 創新特色

(1)采用無線土壤水分傳感器科學采集土壤濕度。產品采用盆栽種類，土壤濕度等多種信息作為澆花過程的控制參數，采用土壤濕度傳感器YL- 69模塊對土壤濕度進行采集利用單片機對有關參數進行了實時控制，實現了澆花過程的科學、自動控制。本系統成本低、體積小、應用簡單、便于維護使用的特點，該設計也可為其他農田等濕度控制的研究提供參考。

(2)科學合理的利用太陽光能，將其轉化成電能用于能源供給。在習近平總書記新時代中國特色社會主義思想指引下，要牢固樹立社會主義生態文明觀，堅決打好生態環境保護攻堅戰。該產品利用太陽能資源來滿足整個系統所需電量，節約資源，保護環境。發展利用太陽能資源，不僅對緩解傳統石油、煤炭等資源短缺、保護生態環境有著重要的意義，同時可以推動相關產業發展，形成新的經濟增長點，促進社會和經濟的發展。

(3)無線傳輸到手機APP上，觀察并控制水箱噴花，造成噴霧。在建設網絡強國、數字中國、智慧社會的時代背景下，網絡信息科技已成為我國全面建設社會主義現代化國家的重要內容。貫徹創新是引領發展的第一動力，該產品利用互聯網手機APP，可以遠程觀看并控制水泵澆水，提高了養花者的生活質量，滿足了養花愛好者的精神需求。

4 應用前景

智能澆花器一方面可以實現對種植花卉缺水時的自動灌溉，另一方面也可以對不同花卉對水量需求不同而澆灌實現水分的科學滿足。本次設計的智能澆花器還具有構造簡單、體積小、能耗小等諸多優點；實際使用中更是便于安放，不會占用大量空間，可以促進花卉的科學生長，不會造成花卉的缺水、多水等現象不利于花卉的茁壯成長。

在實際生活中，該產品對于一些好于養花卻沒有時間澆花的常出差、繁忙的上班族、行動不便的中老年人群、高校的教師和學生等有著極大的方便。，對于寫字樓、商場等公共場所，為了保證花卉的的正常生長需每日每時澆水，大量減少花卉澆水管護工作量，節約勞動力，降低人力成本。同時，為了吸引消費者的眼球，根據商家的喜好設置成不同logo以吸引消費者注意，滿足消費者心理需求。

在全國各地都有著龐大的養花人群，該產品如果推廣到市場，對于以上這些人群和花卉市場的老板將是一個很大的誘惑，產品具有良好的市場應用前景。