智能遮光澆灌系統的設計與研究

葉鐘城　秦立蟠　沈宇軒　黃馨潁　呼格吉樂

摘 要：基于對普通植物光照濕度培育裝置，研制出了智能遮光澆灌系統。此款智能遮光澆灌系統能夠很好地解決對植物的高精度光照濕度雙線程的自動培育，可以為人們日常生活中培育植物提供便利。本文詳細介紹了此款智能遮光澆灌系統的設計與制作。

關鍵詞：智能遮光澆灌;雙線程;高精度;自動;使用說明

一、概述

在現在快節奏生活中，人們常常會忘記照顧植物，而此款智能遮光澆灌系統就能解決這個問題，它能在植物過曬時自動伸展遮光網以及在水分不足時自動澆灌，從而避免了人們因上述原因而造成的一些損失。而當外界陽光不足時它又能夠自動收回遮光網。同時，它也解決了人們對于植物培育精度的需求。因為就現在市場而言，很難對不同種類植物實現高精度地培育，大部分都是以統一的標準來照顧所有植物。尤其是當家庭對于植物培養精度需求較高時，這款產品就可以滿足人們對不同種類植物高精度培育的需求。

二、功能簡介

智能遮光澆灌系統通過各類傳感器綜合傳感外界環境光照強度、濕度的變化，然后通過與傳感器中調用的閾值對比將電壓信號傳輸到Arduino主板中，再傳遞信號給驅動，使減速電動機進行工作（正反轉），進而帶動其內部特有的機械結構（聯軸器，同步輪、帶的傳動），從而達到“過曬自動展開遮光網”、“土壤濕度不足自動澆灌”的效果。同時在數據調用方面不斷更新程序內數據庫提高對植物的培育精度。

三、智能遮光澆灌系統的主要結構

四、智能遮光澆灌系統的物理原理

（一）自動開關遮光網系統

利用了“自動感應門”的機械原理。即用大扭力減速電動機帶動同步帶輪組，在同步帶上固定一個限位桿，利用與限位開關的配合觸發實現對遮光網的自動伸展和收回。電路部分利用土壤濕度傳感器及光敏傳感器來感應周圍光照強度和濕度的變化，當感應到有過高光照強度時便啟動減速電機，完成自動伸展遮光網的任務。

（二）土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器是最簡單的濕度傳感器。土壤濕度傳感器主要有電阻式、電容式兩大類。這里我們選用的是電容式的傳感器。土壤濕度傳感器電容一般是用高分子薄膜電容制成的。當環境濕度發生改變時，濕敏電容的介電常數發生變化，使其電容量也發生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。

（三）光敏傳感器

光敏傳感器是利用光敏元件將光信號轉換為電信號的傳感器。光傳感器不只局限于對光的探測，它還可以對許多非電量進行檢測，只要將這些非電量轉換為光信號的變化即可。通過對光信號的感受，我們就可以控制遮光布，在光這一方面對植株進行呵護

五、智能遮光澆灌系統的制作方法

（1）定做4塊15*60*1cm的亞克力支撐板，1塊100*100cm的預備亞克力板材。

（2）在距離亞克力支撐板頂部10cm處利用激光雕刻機刻出半徑為3cm的圓孔，放入對應的滾動軸承，在軸承外部利用牛皮紙或者熱熔膠與亞克力板貼合。再將準備好的傳動軸裝入滾動軸承內并加以固定，同時與聯動軸連接傳動到減速電機。將減速電機的正負極接到驅動板的OUT1、OUT2，驅動板IN1、IN2連接到Arduino板的提前設置好的數字接口。

（3）外部傳感方面，土壤濕度傳感器接到變送器，并與繼電器相連最后來驅動水泵的工作與否;光敏傳感器也與變送器相連，然后直接連入Arduino上提前設置的數字引腳，Arduino處理完信息將驅動信息通過數字引腳輸出到驅動模塊。

（4）限位桿采用502粘結在遮光網上，限位開關則粘在對面的亞克力支撐板上適當的高度。

（5）將電池盒和Arduino的外接電源都連接到電路內。

六、“智能窗”的使用說明（功能介紹）

本產品中的光敏傳感器接收到光強強度后將光強模擬信號傳輸給信號處理控制中心（Arduino），控制中心再將傳輸進來的模擬信號通過程序編譯轉化成數字信號傳導到驅動裝置來驅動減速電機，在信號處理控制中心可以通過對程序不斷地測試，不斷調節光敏傳感器的變化邊界，并記錄標準值，實現對環境光強與標準光強的比。同時，利用濕度傳感器雙程同時接受濕度模擬信號傳遞到信號處理控制中心，實現雙程的適度控制（噴灑澆灌，或者滴漏澆灌——根據用戶的不同需求可以開發不同的類型），最終實現智能的自動遮光澆灌體系。

七、相關拓展及后期優化

目前，我們已經建立了雙線程的系統模型，在不斷地運行和調試中尋找不足并對模型進行精度調整改善以實現更精密地培養植物，未來爭取達到通過網絡與用戶手機進行遠程操作的目標（提高其互動性）。同時盡可能地擴大該項目地適用范圍，并不斷減少項目地制作成本，實現雙向的研究（高精度——利用修改內部程序參數調整精度與低精度——通過外置按鈕對應一些基礎精度進行大致的精度調節）進而擴展該項目的受眾群體，同時考慮應用到工業培養的方面以提高該項目的實用性。

參考文獻：

[1]黃華梁，彭文生編.機械設計基礎.高等教育出版社，2001.

[2]楊芳春主編.電機傳動.高等教育出版社，1995.

作者簡介：葉鐘城（1999-），男，浙江紹興柯橋人，湖州師范學院理學院物理學專業17級學生。

指導老師：呼格吉樂（1980-），男，蒙古族，內蒙古通遼人，工程碩士學位，高級實驗師，湖州師范學院省級物理實驗教學示范中心，從事物理實驗教學與物理教學儀器開發。