蒲飛楊，倪振輝，王喆，凌征冬，黃國(guó)波，鄒積祥

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智能花草養(yǎng)護(hù)裝置＊

蒲飛楊，倪振輝，王喆，凌征冬，黃國(guó)波，鄒積祥

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

針對(duì)家庭花草智能養(yǎng)護(hù)，利用傳感器的各項(xiàng)功能研發(fā)出一種可行性強(qiáng)、安全可靠、使用方便的裝置，主要功能為家庭盆栽智能護(hù)理，當(dāng)用戶長(zhǎng)時(shí)間外出、工作繁忙無(wú)時(shí)間打理時(shí)，對(duì)花草進(jìn)行智能養(yǎng)護(hù)。通過(guò)傳感器檢測(cè)植物土壤溫濕度、光照強(qiáng)度等，反饋回系統(tǒng)控制中心，做出判斷后給予合理的操作，如自動(dòng)澆水、提高溫度和給予光照等。裝置功能多樣化，可自動(dòng)控制植物對(duì)光照和水分的攝取，利用傳感器進(jìn)行反饋、自動(dòng)調(diào)節(jié)、智能化控制，還有缺水自動(dòng)檢測(cè)保護(hù)和提醒的功能。

家庭花草；傳感器檢測(cè)；自動(dòng)控制；智能養(yǎng)護(hù)

1 引言

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們的生活質(zhì)量越來(lái)越高。在家里養(yǎng)盆栽可以陶冶情操，豐富生活，同時(shí)空氣也會(huì)變得清新，因此養(yǎng)盆栽逐漸成為一種潮流。

盆栽水量是否適時(shí)適量、接收的光照是否能適時(shí)適量是養(yǎng)花成敗的關(guān)鍵。因此，我們想通過(guò)設(shè)計(jì)一種集土壤濕度、空氣溫度、光照度監(jiān)測(cè)、自動(dòng)澆水、自動(dòng)補(bǔ)光等功能于一體的智能花草養(yǎng)護(hù)裝置，讓家庭盆栽在人們無(wú)暇照顧時(shí)也能得到精心照料，同時(shí)此裝置還可以通過(guò)用戶手機(jī)APP遠(yuǎn)程查看盆栽生長(zhǎng)情況并且實(shí)施遠(yuǎn)程控制。

2 裝置功能簡(jiǎn)介

2.1 自動(dòng)澆水功能

通過(guò)濕度傳感器監(jiān)測(cè)土壤濕度，利用傳感器顯示的數(shù)值與盆栽所需土壤濕度對(duì)比，小于所需數(shù)值則啟動(dòng)自動(dòng)澆水設(shè)備，打開(kāi)水管閥門，及時(shí)供應(yīng)水分；當(dāng)達(dá)到預(yù)先設(shè)置的濕度值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉閥門，停止供水。此功能能夠時(shí)刻讓盆栽處于適宜的濕度，既不會(huì)因?yàn)闈菜^(guò)多導(dǎo)致盆栽死亡，也不會(huì)因?yàn)槿彼伤馈?/p>

2.2 自動(dòng)補(bǔ)光、溫度調(diào)節(jié)功能

通過(guò)光電式傳感器及時(shí)感知外界光照強(qiáng)度，對(duì)盆栽做出一定的補(bǔ)光措施。系統(tǒng)內(nèi)置一套補(bǔ)光系統(tǒng)，針對(duì)不同的植株，設(shè)定一定的光照強(qiáng)度值，通過(guò)調(diào)節(jié)燈光亮度以及補(bǔ)光時(shí)長(zhǎng)來(lái)調(diào)控補(bǔ)充光照的多少。當(dāng)外界光照不足時(shí)，進(jìn)行補(bǔ)光，最終達(dá)到額定值時(shí)，關(guān)閉光源停止補(bǔ)光；當(dāng)外界光照充足時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉光源，光照強(qiáng)度由系統(tǒng)控制。并且通過(guò)額定的光照強(qiáng)度，使之產(chǎn)熱，可以使植株維持在一定的溫度，讓植株正常生長(zhǎng)。

2.3 APP遠(yuǎn)程監(jiān)控

裝置外部裝有一個(gè)攝像頭，可以對(duì)盆栽進(jìn)行攝像監(jiān)控，并且及時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上傳到用戶APP客戶端。用戶可以下載相匹配的APP軟件，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，接收裝置傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，即使身處異地，也可以實(shí)時(shí)看到盆栽的生長(zhǎng)狀況，如果用戶需要，也可以通過(guò)手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制裝置，對(duì)盆栽進(jìn)行澆水或者補(bǔ)光操作。

3 裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)用SolidWorks三維建模軟件，對(duì)本裝置進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的大致設(shè)計(jì)，如圖1所示。

1—水槽；2—控制部分；3—伸縮桿結(jié)構(gòu)；4—電機(jī)；5—補(bǔ)光燈具。

3.1 箱體整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

箱體整體結(jié)構(gòu)尺寸為500 mm×300 mm×800 mm，數(shù)字1為水槽，由于水槽較重，為了降低裝置重心，增加裝置的穩(wěn)定性，因此將水槽置于裝置的最下部分，水槽可以取出，需要加水時(shí)，可以人工添加。水槽接出一根水管，插入盆栽土壤之中，通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)控制閥門，來(lái)實(shí)現(xiàn)盆栽的自動(dòng)供水；數(shù)字2為裝置的控制部分，主要是來(lái)放置內(nèi)部的電路板、電線等相關(guān)電子儀器，顯示屏可以放置在2的正前面（未畫出），方便用戶進(jìn)行操作，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。為了防止水槽中的水濺到2中，引發(fā)裝置發(fā)生短路，因此在1和2之間安裝隔板，起到隔斷的作用。

3.2 伸縮桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1中數(shù)字3部分所示，伸縮桿為平行四邊形式結(jié)構(gòu)（也可用圓柱形），總長(zhǎng)大約為1 m，由粗桿和細(xì)桿兩部分組成，每部分長(zhǎng)0.5 m左右。箱體2和伸縮桿3之間的連接部分可以使用棘輪機(jī)構(gòu)，當(dāng)需要將燈調(diào)高的時(shí)候，可以將伸縮桿往后拉，并且將伸縮桿拉長(zhǎng)，由于棘輪的自動(dòng)卡死功能，伸縮桿無(wú)法后退，需要后退的時(shí)候，可以按住棘輪的特定按鈕，使棘輪倒回，并且配合伸縮桿的伸長(zhǎng)縮短功能，可以完美地實(shí)現(xiàn)燈的高度調(diào)節(jié)功能。

3.3 電機(jī)和燈具結(jié)構(gòu)

如圖1中數(shù)字4和數(shù)字5所示，數(shù)字4部分為一小型電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)功能，電機(jī)和燈具5通過(guò)連接軸連接。燈泡偏心安裝在燈具的邊緣部分，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，帶動(dòng)燈泡進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，對(duì)盆栽進(jìn)行光照。之所以設(shè)計(jì)為偏心結(jié)構(gòu)，是因?yàn)楫?dāng)燈泡旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，可以對(duì)盆栽各個(gè)角度進(jìn)行充分光照，保證盆栽受光均勻，使其良好生長(zhǎng)并且提高光合作用效率。

4 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)如圖2所示。本系統(tǒng)由控制模塊、傳感器模塊、通訊模塊、燈光模塊、澆水模塊和顯示器組成。傳感器模塊有土壤濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器。土壤濕度傳感器使用YL69模塊，直接插入土壤中，檢測(cè)得到電壓（電流）信號(hào)并反饋到D/A轉(zhuǎn)換模塊，再將所得土壤濕度數(shù)值傳輸?shù)娇刂颇K；空氣溫濕度傳感器使用DHT11模塊，置于空氣中，檢測(cè)得到溫濕度數(shù)值直接傳回控制模塊；光照強(qiáng)度傳感器采用GY-30光照傳感器，采用先進(jìn)光電轉(zhuǎn)換模塊，將光照強(qiáng)度值轉(zhuǎn)化為電壓值，再將數(shù)據(jù)傳送回控制模塊。

燈光為植物生長(zhǎng)燈，可根據(jù)植物需求變換不同波長(zhǎng)的光照，燈泡位置固定，燈具可旋轉(zhuǎn)，可以對(duì)植株進(jìn)行360°照射；通訊模塊由系統(tǒng)WiFi模塊、手機(jī)端APP組成，WiFi模塊無(wú)線連接手機(jī)后可傳輸盆栽各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)工作狀態(tài)，手機(jī)端設(shè)計(jì)控制界面，可遠(yuǎn)程控制澆花系統(tǒng)；澆水模塊由繼電器、水泵組成，可對(duì)土壤進(jìn)行澆水；顯示器可顯示傳感器反饋的數(shù)據(jù)。

控制模塊是由單片機(jī)控制的系統(tǒng)，通過(guò)編程控制，對(duì)各個(gè)傳感器反饋的信號(hào)進(jìn)行分析比較，各項(xiàng)數(shù)據(jù)都設(shè)定一定數(shù)值范圍，而且可以通過(guò)外部調(diào)整來(lái)進(jìn)行相應(yīng)操作。

圖2 系統(tǒng)總示意圖

5 硬件模塊設(shè)計(jì)

5.1 智能控制模塊

智能控制利用傳感器將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏眯盘?hào)，傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件以及相對(duì)應(yīng)的電子電路共同構(gòu)成，在使用過(guò)程中直接響應(yīng)于被測(cè)物理量并且產(chǎn)生可用的信號(hào)。本系統(tǒng)溫濕度傳感器采用YL-69土壤濕度傳感器，濕度測(cè)量范圍為0.01～0.99 RH，分辨率為0.5 %RH，正常使用電壓為3.3～5 V，獲取濕度信息的方式有2種且可同時(shí)使用，分別是：①?gòu)膫鞲衅鞯腄0引腳。土壤濕度大于某個(gè)閾值，則D0輸出0，否則輸出1（多用于濕度閥值控制開(kāi)關(guān)）。②從傳感器的A0引腳。土壤濕度越大，獲取的模擬量值越大（多用于顯示實(shí)時(shí)濕度值）。YL-69傳感器檢測(cè)到外界環(huán)境土壤濕度，先經(jīng)過(guò)放大電路后，由A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)處理，與設(shè)定的濕度進(jìn)行比較，然后命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)采取相對(duì)應(yīng)的措施，同時(shí)連接WiFi模塊，向APP軟件輸送數(shù)據(jù)并接收其指令。

光照強(qiáng)度傳感器選用GY-30數(shù)字光強(qiáng)度檢測(cè)模塊，光照強(qiáng)度檢測(cè)范圍0～65 535 Lux，正常工作電壓3～5 V，傳感器內(nèi)置16 bitAD轉(zhuǎn)換器，直接數(shù)字輸出，接近于視覺(jué)靈敏度的分光特性，可對(duì)廣泛的亮度進(jìn)行1 Lux的高精度測(cè)定。針對(duì)不同的植株，設(shè)定一定的光照強(qiáng)度值，由引腳輸出的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的放大，與設(shè)定值進(jìn)行比較，通過(guò)控制繼電器的啟閉來(lái)控制LED植物生長(zhǎng)燈的開(kāi)關(guān)。當(dāng)外界光照不足時(shí)，使之補(bǔ)光，最終達(dá)到額定值；當(dāng)外界光照充足時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉光源，光照強(qiáng)度由系統(tǒng)控制。通過(guò)額定的光照強(qiáng)度，使之產(chǎn)熱，可以使植物維持在一定的溫度，讓植物正常生長(zhǎng)。

5.2 LED顯示模塊

輸出顯示部分采用常用的LCD1602液晶顯示屏進(jìn)行人機(jī)交互界面的顯示控制，它具有體積小、超薄輕便、功耗低和顯示內(nèi)容豐富等優(yōu)點(diǎn)。顯示容量為16×2個(gè)字符，芯片工作電壓為4.5～5.5 V，工作電流為2.0 mA/5.0V，模塊最佳工作電壓為5.0 V，字符尺寸為2.95 mm×4.35 mm（×）。管腳電源直接接在5 V電源上，方便1602的輸入端直接與Arduino的I/O進(jìn)行并行數(shù)據(jù)傳送。

5.3 無(wú)線傳送模塊

WiFi模塊與單片機(jī)系統(tǒng)連接在一起且WiFi模塊工作在STA模式下，借助服務(wù)器和無(wú)線路由器的支持，將WiFi模塊的MAC地址綁定在服務(wù)器中，這樣整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)中服務(wù)器相當(dāng)于一個(gè)路由器，智能終端只要在網(wǎng)絡(luò)（2G/3G/4G/WiFi）的支持下，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程控制單片機(jī)引腳輸出高電平或低電平，通過(guò)控制繼電器的通斷實(shí)現(xiàn)澆水和補(bǔ)光動(dòng)作。

6 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了使?jié)不ㄏ到y(tǒng)中的各種硬件設(shè)備正常運(yùn)行，對(duì)澆花過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)控和管理，還需要一套相應(yīng)的軟件系統(tǒng)來(lái)支持。軟件系統(tǒng)包括定時(shí)程序、報(bào)警程序、監(jiān)控程序及主程序。主程序的流程如圖3所示。

利用安卓開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)用以控制的APP，用安卓socket編程實(shí)現(xiàn)TCP/IP數(shù)據(jù)通信，將APP安裝到移動(dòng)端后，通過(guò)地址找到并連接到設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)通信。APP具有顯示土壤溫濕度的作用，這時(shí)，單片機(jī)將從傳感器收集的溫濕度信息通過(guò)串口通信方式傳輸給WiFi模塊，WiFi模塊通過(guò)無(wú)線通信將信息傳到APP端，從而在APP上顯示出來(lái)。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

連接后，可打開(kāi)APP端溫濕度、光照強(qiáng)度等信息頁(yè)面，當(dāng)在APP端有相應(yīng)操作時(shí)，APP端會(huì)將控制量發(fā)送到WiFi模塊，WiFi模塊通過(guò)串口通信方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，從而使單片機(jī)I/O口輸出不同的電平狀態(tài)，并控制水泵的啟停及植物生長(zhǎng)燈的亮滅。

7 結(jié)語(yǔ)

本裝置利用溫濕度傳感器對(duì)花草生長(zhǎng)土壤的溫濕度檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)24 h檢測(cè)，且考慮到光照對(duì)花草的重要作用，本裝置利用光學(xué)原理，采用先進(jìn)的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，由微電腦控制光學(xué)感應(yīng)系統(tǒng)，能夠感應(yīng)及判斷環(huán)境光線的亮度變化，自動(dòng)控制補(bǔ)光燈的開(kāi)啟光閉。裝置簡(jiǎn)單，成本低廉，相比于現(xiàn)有的澆花裝置，此裝置的功能更全面、強(qiáng)大，可適用于家庭、辦公室等場(chǎng)所，適用性強(qiáng)，安全性高，所以應(yīng)用前景廣闊。

［1］王李冬，安康，徐瑋，等.單片機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

［2］吳險(xiǎn)峰.51單片機(jī)項(xiàng)目教程［M］.北京：人民郵電出版社，2016.

［3］劉國(guó)柱，杜軍威.Android程序設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2017.

2095－6835（2019）05－0108－03

S68

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.108

蒲飛楊（1997—），男，四川綿陽(yáng)人，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。

倪振輝（1995—），男，河南周口人，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。

武漢理工大學(xué)自主創(chuàng)新研究基金項(xiàng)目（編號(hào)：2018-JD-B1-11）

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕