何易航

（河北省唐山市第一中學(xué) 河北 唐山 063000）

適合不同成長(zhǎng)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(xué) 河北 唐山 063000）

土壤濕度是影響植物生長(zhǎng)的最直接的因素之一。設(shè)計(jì)了一套智能花盆，通過測(cè)量植物所需土壤濕度和系統(tǒng)重量信息，提出了詳細(xì)的控制運(yùn)算過程，實(shí)現(xiàn)為植物自動(dòng)澆水功能。該系統(tǒng)所采用控制運(yùn)算充分考慮了植物生長(zhǎng)和土壤流失問題，能夠準(zhǔn)確控制澆水量。該智能澆花系統(tǒng)能夠?yàn)橹参锾峁┻m宜的水分，同時(shí)為人們解決無人照料花草的問題提供幫助。

智能花盆；自動(dòng)澆水；土壤濕度

1 引言

1.1 課題背景

隨著社會(huì)的進(jìn)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(xué)習(xí)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(xué)習(xí)會(huì)更加愉悅。植物的健康生長(zhǎng)卻是人們面臨的重要問題，而這個(gè)問題最大的影響因素之一就是植物需要適當(dāng)?shù)乃?。水分過多或過少都會(huì)影響植物的正常生長(zhǎng)。生活中存在的問題一為家中人員全部外出，或長(zhǎng)時(shí)間忘記給植物澆水，植物很可能會(huì)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(dǎo)致植物根系腐爛死亡。

1.2 研究現(xiàn)狀

植物對(duì)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(gè)范圍其生長(zhǎng)就會(huì)受到影響。人們?cè)谏钪袑?shí)際操作大部分是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的，澆水時(shí)機(jī)與澆水量都很難把握，為解決該問題，市場(chǎng)中涌現(xiàn)出了一批自動(dòng)澆水花盆，市場(chǎng)上的自動(dòng)澆水花盆雖然能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)澆水，但是自動(dòng)澆水的效果不佳，一般都為機(jī)械的定時(shí)定量澆水[2-3]，不能根據(jù)植物的真實(shí)需要澆水。許多研究者把傳感器和智能控制手段引入自動(dòng)澆水系統(tǒng)，通過測(cè)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(shè)計(jì)了一種操作簡(jiǎn)單、成本低廉的智能自動(dòng)澆水花盆，通過測(cè)試土壤濕度控制水泵的啟停，完成對(duì)花盆中的植物自動(dòng)澆水。汪磊等[3]基于AT89S51單片機(jī)控制設(shè)計(jì)了盆花自動(dòng)澆水系統(tǒng)，采用HM1500濕度傳感器檢測(cè)花盆的土壤濕度，然后單片機(jī)根據(jù)土壤濕度控制繼電器繼而控制電磁閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水。李克訥等[6]基于AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)了盆栽自動(dòng)澆水系統(tǒng)，利用單片機(jī)自帶EEPROM存儲(chǔ)器保存澆水濕度的基準(zhǔn)閾值，可根據(jù)溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整濕度閾值，以保證盆栽在溫度變化時(shí)的澆水量。雖然上述研究可以確定什么時(shí)間澆水合適，但是應(yīng)該澆多少水就無法判斷，因?yàn)橥寥罎穸燃赐寥篮空己娓赏林氐陌俜直?，是影響植物生長(zhǎng)的最直接的因素之一。而濕度傳感器能夠檢測(cè)到土壤的真實(shí)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(zhǎng)的時(shí)間，這段時(shí)間差容易導(dǎo)致土壤濕度過大，對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。如何解決自動(dòng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水，通過土壤真實(shí)濕度觸發(fā)澆水可以更為精準(zhǔn)的保證澆水量。該系統(tǒng)可以利用準(zhǔn)確的質(zhì)量控制來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，有利于保持植物適宜的生長(zhǎng)條件，同時(shí)可以減輕人們勞動(dòng)量和解決人們外出時(shí)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(dòng)澆水系統(tǒng)如圖1所示，包括花盆、自動(dòng)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(shè)置在花盆底部下方，濕度傳感器設(shè)置在花盆內(nèi)部，自動(dòng)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(hào)、濕度值信號(hào)輸出控制信號(hào)至自動(dòng)供水裝置。

主要單元模塊的設(shè)置及作用：

（1）稱重傳感器設(shè)置在花盆底部，用于測(cè)量花盆、植物和土壤的重量，并將重量信號(hào)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(yùn)算輸出指令信號(hào)。

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

（3）自動(dòng)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(hào)控制。

圖1 自動(dòng)澆花系統(tǒng)構(gòu)成圖

3 系統(tǒng)控制原理及特點(diǎn)

3.1 系統(tǒng)控制流程

自動(dòng)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(dòng)控制原理

自動(dòng)澆水系統(tǒng)依靠嚴(yán)格運(yùn)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(zhǎng)適宜的土壤濕度上下限值，R1＞R2，對(duì)于該植物，二者均為定值，且均可以在自動(dòng)控制器上進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。

（2）花盆內(nèi)部絕干土壤重量W0是一個(gè)基礎(chǔ)參數(shù)，由于在植物生長(zhǎng)過程中存在水土流失現(xiàn)象，W0不是定值，而是隨時(shí)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(cè)量的參數(shù)值隨時(shí)間更新。

任一時(shí)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(dāng)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(dá)到濕度值R1時(shí)，所對(duì)應(yīng)的花盆、土壤以及植物總重W1的計(jì)算，假設(shè)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(shí)測(cè)或求得。

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

（5）當(dāng)花盆底部下方稱重傳感器檢測(cè)到花盆、土壤以及植物總重≥W1時(shí)，即土壤濕度≥R1時(shí)，停止?jié)菜?。由于新注入的水在土壤中擴(kuò)散均勻需要時(shí)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(shí)會(huì)有部分土壤流失，為了保證澆水量的精準(zhǔn)，測(cè)定方法（2）和（3）中的各個(gè)參數(shù)需要重新校正，具體校準(zhǔn)頻率可根據(jù)所種植植物的實(shí)際生長(zhǎng)情況及周圍環(huán)境確定。

4 結(jié)論

通過上述分析過程，設(shè)計(jì)了一套智能花盆自動(dòng)澆水系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用植物生長(zhǎng)所需土壤濕度信息，觸發(fā)花盆的自動(dòng)澆水信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水功能。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確控制澆水量，達(dá)到解決澆水不足和過量問題的目的。同時(shí)本研究所采用控制運(yùn)算充分考慮了植物生長(zhǎng)和土壤流失問題，為智能化澆水控制提供理論基礎(chǔ)和方法支持。

[1]劉洪濤，鄧二偉.基于STM32的智能自動(dòng)澆水花盆的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)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(jī)的智能花盆的研究與應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013(22)：131-133.

[3]汪磊，韓宇光，郭鵬，張光忠，侯志鵬.盆花自動(dòng)澆水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016(11):23.

S152.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1009-5624（2018）02-0065-03