自動澆花系統實驗裝置的研制與應用

唐明祥，張鑫生，楊旭光，王楚楚，董桂軍

(吉林大學植物科學學院，吉林 長春 130062)

0 引言

隨著社會的不斷發展，人們生活水平的日益提高，人們追求庭院、居室、辦公室等的美化綠化已成為時尚，越來越多的人已經從單純地觀賞花卉轉變成自己動手養護花卉。養護花卉需要具備一定的專業知識，人們受專業知識這一局限，在養護花卉的過程中經常遇到各種各樣的問題，一旦操作不當或考慮不周全易引起花卉生長異常，甚至出現花卉死亡等。其中在養護花卉中澆水是一個關鍵環節，不僅要會澆水，更重要的是人們因遺忘、出差、探親和旅游等因素無法及時為花卉澆水，易造成花卉缺水甚至出現干死[1-3]。基于這一現狀，研制自動澆花系統實驗裝置，同時還能滿足吉林大學植物科學學院農學、植保、園藝、資環和生技共5個專業機械課程的實驗教學[4-5]。

1 實驗裝置的研制

1.1 基本結構

自動澆花系統實驗裝置主要由花盆、濕度傳感器、噴頭、電磁閥、電機水泵總成、水箱、進水管、出水管、觸摸屏、主控板、驅動模塊、通信模塊和電源模塊等組成，如圖1～2所示[6]。

圖1 自動澆花系統實驗裝置

圖2 自動澆花系統結構

1.2 主要組成部分及功能

實驗裝置各組成部分都有著不同的功能，如表1所示。

表1 主要部件功能

1.3 工作原理

自動澆花系統實驗裝置原理如圖3所示。自動澆花系統實驗裝置接通220 V電源，電源模塊將220 V電轉變為12 V低壓電向微控制器供電。此時，通信模塊將接收到濕度傳感器感知的濕度值，并進行處理后傳輸至微控制器。微控制器再通過顯示輸出模塊將濕度值傳送至觸摸屏顯示，此值為當前濕度(或叫適時濕度)。在觸摸屏上可以設置濕度上限值和下限值，如果觸摸屏上顯示的當前濕度值等于設定的濕度下限值時，微控制器立即發出指令通過輸出控制模塊同時啟動電機水泵總成和電磁閥。此時，電機水泵總成將水箱中的水吸入澆花系統中，通過電磁閥向噴頭供水，噴頭向花盆澆水，觸摸屏上的當前濕度值逐漸增大，當增大到設定的濕度上限值時，微控制器立即發出指令通過輸出控制模塊同時停止電機水泵總成工作和關閉電磁閥，由于水源被切斷，噴頭立即停止向花盆澆水[7-9]。

圖3 自動澆花系統實驗裝置原理

1.4 創新點

(1)利用濕度值作為自動澆花系統的開關，實現電機水泵總成自動啟動與停止、電磁閥自動開啟與關閉。

(2)觸摸屏顯示3個“濕度值”，即當前濕度值、濕度上限值、濕度下限值，同時，在觸摸屏上可以設定濕度上限值和濕度下限值，直觀方便。

(3)利用電磁閥實現對不同花盆的澆水，互不干擾[10]。

2 實驗設計

2.1 實驗步驟

2.1.1 連接實驗裝置

將花盆和自動澆花系統實驗裝置放置在適當位置，水箱加入足量的水，連接好噴頭、傳感器和水管等，將噴頭插入花盆接近中央的位置，并將噴頭調節為適合對花卉噴灑的模式，3個濕度傳感器暫時不插入花盆中(圖1)。

2.1.2 開機

接通電源，實驗裝置進入啟動畫面(圖4)，大約3 s直接進入到主畫面，也可在開機畫面的任意位置點擊進入到主畫面(圖5)。此時顯示3個花盆的當前濕度、濕度上限值和濕度下限值都是零，電磁閥狀態和開關設定均處于關閉狀態。將3個濕度傳感器分別插入3個花盆中，每個濕度傳感器插在距離花盆中心1/4直徑(或邊長)處，其深度要根據花盆的高度而定，一般插入的深度為花盆深度的2/3左右即可，此時圖5所示狀態變為圖6所示狀態，顯示3個花盆的濕度分別是30%、25%和20%。

圖4 實驗裝置開機畫面

圖5 實驗裝置主畫面

圖6 花盆里濕度顯示界面

2.1.3 設定實驗裝置

為了使實驗裝置進入正常的工作狀態，首先要對圖6所示界面中參數、開關進行設置。點擊圖6所示界面中右下角“設定”按鈕進入到圖7所示界面。點擊圖7所示界面中的“+”號或“-”號，設定1號花盆、2號花盆、3號花盆的濕度上限值分別為55%、50%和45%，濕度下限值分別為20%、15%和10%，如圖8所示。然后，點擊右下角的“確定”按鈕進入圖9所示狀態。此時，再將圖9所示界面中3個花盆的自動澆水開關設為開的位置，如圖10所示。至此，已完成對實驗裝置的設定，實驗裝置處于工作狀態。

圖7 濕度上限值、濕度下限值設定界面

圖8 設定濕度上限值、濕度下限值

圖9 設定好的濕度上限值、濕度下限值

圖10 實驗裝置處于工作狀態

2.1.4 自動澆花

以1號花盆為例，當前濕度值達到20%時，說明1號花盆需要澆水，此時電機水泵總成啟動，同時對應1號花盆的電磁閥開啟，噴頭向花盆澆水，(圖11)。屏幕上的閥狀態(電磁閥狀態)指示燈變為綠色，1號花盆的當前濕度值逐漸增大，當達到濕度上限值55%時，電機水泵總成立即停止工作，同時1號花盆的電磁閥也立即關閉，1號花盆自動澆水完畢，電磁閥指示燈由綠色變為灰色(圖12)。2號花盆、3號花盆自動澆水過程與1號花盆相同。

圖11 1號花盆處于澆水狀態

圖12 1號花盆自動澆水停止

2.2 實驗內容

2.2.1 實驗裝置的拆裝

通過對實驗裝置的拆裝練習，達到熟悉其基本結構、工作原理和使用操作方法等[11-12]。

2.2.2 實驗步驟

(1)觀察。觀察1號花盆、2號花盆、3號花盆的當前濕度值。

(2)調整。調節3個花盆的濕度上限值、濕度下限值。

(3)觀察。觀察自動澆花過程，尤其是開始澆花和停止澆花兩個時刻所對應的當前濕度值是否與提前設定好的濕度下限值、濕度上限值相符合。

(4)比較。比較濕度傳感器插在花盆的不同位置、不同深度，對自動澆花開始和結束兩個時刻有何影響。比較噴頭插在花盆的不同位置、噴灑方式，對自動澆花開始和結束兩個時刻有何影響。

2.3 注意事項

(1)正式啟用自動澆花時，知曉被澆花卉應該澆水時的濕度和澆足水時的濕度，必要時，利用實驗裝置進行測試。

(2)一定要選準噴頭、傳感器插入花盆的位置與深度。

(3)根據需要自動澆花的時間選擇足夠大的容器進行儲水。

3 實驗裝置的應用及評價

3.1 教學應用及評價

3.1.1 在本科生實驗教學中的應用

學院農學、植保、園藝、資環和生技共5個專業涉及《農業機械與應用》《植保機械與應用》和《園藝機械與應用》3門機械課程，3門課程均包含澆灌方面的實驗內容。以往的教學主要是采用農業生產中常用的設備給學生進行實驗教學，由于受教學時數的限制，只能采取現場講解為主的方式進行，學生難以觀察到設備的工作狀態，更談不上親手操作。2020年秋季學期在農學、植保、園藝、資環和生技5個專業的機械課實驗教學中進行自動澆花系統的應用(表2)，共5個期班286人學時，收到了良好的教學效果。

表2 在本科生實驗教學中的應用

3.1.2 教學效果評價

為了更好地評價自動澆花系統實驗裝置在本科生實驗教學中的教學效果，采取對比方式進行分析。

針對2017級植保專業采用傳統的實驗教學模式，受教學時數及設備陳舊等現狀，教師在課堂上只能通過普通設備及圖片講解灌溉設備的基本結構、工作原理及使用與維護。

針對2018級植保采用線上線下相結合的翻轉課堂教學模式，教師提前將課件、小視頻等材料傳至QQ群并通知學生課前做好充分預習，課堂上教師簡單講解灌溉設備的基本結構、工作原理及使用與維護，以及自動澆花系統實驗裝置的基本結構、工作原理與使用操作，留出一定時間給學生實際操作實驗裝置，提高學生的實踐動手能力。教師重點講解實驗裝置在研制過程中出現的問題及改進思路，在課堂上師生之間還有足夠的互動時間，由此激發了學生上機械實驗課的興趣與創新思維。

設置對“教學模式的滿意度”“提高學習興趣的滿意度”等4個問題，對2017級植保33名學生、2018級植保32名學生進行問卷調查(表2)，結果表明，將自行研發的教具應用到實驗教學中能夠大幅度提高學生對線上線下教學模式的認可度、學習興趣、自學能力和創新思維能力[13-15]。

表3 兩個年級學生的滿意度分析

3.2 日常生活中的應用及評價

將實驗裝置放在辦公室、家里對花卉進行自動澆水，通過長時間反復實驗，完全能解決出差、旅游、探親訪友等情況下對辦公室、庭院、家庭等地所養花卉進行自動澆水，避免花卉被干死的問題[16]。為了進行實際應用的評價，設計了“實驗裝置的實用性”“實驗裝置的可靠性”和“實驗裝置的可操作性”3個問題，請來不同職業、不同年齡段、不同性別共18人，首先給他們詳細講解自動澆花系統實驗裝置的研制背景、基本結構、工作原理和使用操作方法，然后給他們反復演示實驗裝置自動澆水的全過程，最后對這18人進行問卷調查(圖13)，調查結果顯示對實驗裝置的實用性、可靠性、可操作性的認可度均達到92%以上，說明大家對實驗裝置的高度認可。

圖13 實驗裝置生活中應用滿意度調查分析

3.3 農業生產中的應用

該實驗裝置的成功研制，完全可以應用到農業生產中，只需對其中零部件的型號規格、管路、噴頭等進行適當調整，即可對溫室大棚、果園、旱地和草坪等根據土壤的濕度精準澆灌，達到省時、省力，從而提高經濟效益和社會效益。

4 結束語

通過自動澆花系統實驗裝置的研制與應用，解決了高校涉農非機械專業學生更好地理解掌握《農業機械與應用》《植保機械與應用》和《園藝機械與應用》3門機械課程中所包含的噴灌、滴灌、噴藥機等設備的基本結構、工作原理、使用與維護，同時還能培養他們創新思維能力、分析問題解決問題的能力、實踐動手能力，以及培養他們認識學科交叉在科學研究中的重要性。此外，研究的實驗裝置在現實生活中可以進行有效應用，解決因出差、旅游、探親訪友等情況下，辦公室、庭院、家庭等地所養的花卉不被干死的問題。