唐明祥，張鑫生，楊旭光，王楚楚，董桂軍

(吉林大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130062)

0 引言

隨著社會的不斷發(fā)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(jīng)從單純地觀賞花卉轉(zhuǎn)變成自己動手養(yǎng)護花卉。養(yǎng)護花卉需要具備一定的專業(yè)知識，人們受專業(yè)知識這一局限，在養(yǎng)護花卉的過程中經(jīng)常遇到各種各樣的問題，一旦操作不當(dāng)或考慮不周全易引起花卉生長異常，甚至出現(xiàn)花卉死亡等。其中在養(yǎng)護花卉中澆水是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，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?zé)o法及時為花卉澆水，易造成花卉缺水甚至出現(xiàn)干死[1-3]?；谶@一現(xiàn)狀，研制自動澆花系統(tǒng)實驗裝置，同時還能滿足吉林大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院農(nóng)學(xué)、植保、園藝、資環(huán)和生技共5個專業(yè)機械課程的實驗教學(xué)[4-5]。

1 實驗裝置的研制

1.1 基本結(jié)構(gòu)

自動澆花系統(tǒng)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(qū)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(tǒng)實驗裝置

圖2 自動澆花系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(tǒng)實驗裝置原理如圖3所示。自動澆花系統(tǒng)實驗裝置接通220 V電源，電源模塊將220 V電轉(zhuǎn)變?yōu)?2 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(dāng)前濕度(或叫適時濕度)。在觸摸屏上可以設(shè)置濕度上限值和下限值，如果觸摸屏上顯示的當(dāng)前濕度值等于設(shè)定的濕度下限值時，微控制器立即發(fā)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(tǒng)中，通過電磁閥向噴頭供水，噴頭向花盆澆水，觸摸屏上的當(dāng)前濕度值逐漸增大，當(dāng)增大到設(shè)定的濕度上限值時，微控制器立即發(fā)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(guān)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(tǒng)實驗裝置原理

1.4 創(chuàng)新點

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

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

(3)利用電磁閥實現(xiàn)對不同花盆的澆水，互不干擾[10]。

2 實驗設(shè)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(tǒng)實驗裝置放置在適當(dāng)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(diào)節(jié)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(dāng)前濕度、濕度上限值和濕度下限值都是零，電磁閥狀態(tài)和開關(guān)設(shè)定均處于關(guān)閉狀態(tài)。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(jù)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(tài)變?yōu)閳D6所示狀態(tài)，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(shè)定實驗裝置

為了使實驗裝置進入正常的工作狀態(tài)，首先要對圖6所示界面中參數(shù)、開關(guān)進行設(shè)置。點擊圖6所示界面中右下角“設(shè)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(shè)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(tài)。此時，再將圖9所示界面中3個花盆的自動澆水開關(guān)設(shè)為開的位置，如圖10所示。至此，已完成對實驗裝置的設(shè)定，實驗裝置處于工作狀態(tài)。

圖7 濕度上限值、濕度下限值設(shè)定界面

圖8 設(shè)定濕度上限值、濕度下限值

圖9 設(shè)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(tài)

2.1.4 自動澆花

以1號花盆為例，當(dāng)前濕度值達(dá)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(yīng)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(tài)(電磁閥狀態(tài))指示燈變?yōu)榫G色，1號花盆的當(dāng)前濕度值逐漸增大，當(dāng)達(dá)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(guān)閉，1號花盆自動澆水完畢，電磁閥指示燈由綠色變?yōu)榛疑?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(tài)

圖12 1號花盆自動澆水停止

2.2 實驗內(nèi)容

2.2.1 實驗裝置的拆裝

通過對實驗裝置的拆裝練習(xí)，達(dá)到熟悉其基本結(jié)構(gòu)、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(dāng)前濕度值。

(2)調(diào)整。調(diào)節(jié)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?jié)不▋蓚€時刻所對應(yīng)的當(dāng)前濕度值是否與提前設(shè)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(jié)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(jié)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(yīng)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(zhǔn)噴頭、傳感器插入花盆的位置與深度。

(3)根據(jù)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(yīng)用及評價

3.1 教學(xué)應(yīng)用及評價

3.1.1 在本科生實驗教學(xué)中的應(yīng)用

學(xué)院農(nóng)學(xué)、植保、園藝、資環(huán)和生技共5個專業(yè)涉及《農(nóng)業(yè)機械與應(yīng)用》《植保機械與應(yīng)用》和《園藝機械與應(yīng)用》3門機械課程，3門課程均包含澆灌方面的實驗內(nèi)容。以往的教學(xué)主要是采用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的設(shè)備給學(xué)生進行實驗教學(xué)，由于受教學(xué)時數(shù)的限制，只能采取現(xiàn)場講解為主的方式進行，學(xué)生難以觀察到設(shè)備的工作狀態(tài)，更談不上親手操作。2020年秋季學(xué)期在農(nóng)學(xué)、植保、園藝、資環(huán)和生技5個專業(yè)的機械課實驗教學(xué)中進行自動澆花系統(tǒng)的應(yīng)用(表2)，共5個期班286人學(xué)時，收到了良好的教學(xué)效果。

表2 在本科生實驗教學(xué)中的應(yīng)用

3.1.2 教學(xué)效果評價

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

針對2017級植保專業(yè)采用傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，受教學(xué)時數(shù)及設(shè)備陳舊等現(xiàn)狀，教師在課堂上只能通過普通設(shè)備及圖片講解灌溉設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及使用與維護。

針對2018級植保采用線上線下相結(jié)合的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，教師提前將課件、小視頻等材料傳至QQ群并通知學(xué)生課前做好充分預(yù)習(xí)，課堂上教師簡單講解灌溉設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及使用與維護，以及自動澆花系統(tǒng)實驗裝置的基本結(jié)構(gòu)、工作原理與使用操作，留出一定時間給學(xué)生實際操作實驗裝置，提高學(xué)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(xiàn)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(fā)了學(xué)生上機械實驗課的興趣與創(chuàng)新思維。

設(shè)置對“教學(xué)模式的滿意度”“提高學(xué)習(xí)興趣的滿意度”等4個問題，對2017級植保33名學(xué)生、2018級植保32名學(xué)生進行問卷調(diào)查(表2)，結(jié)果表明，將自行研發(fā)的教具應(yīng)用到實驗教學(xué)中能夠大幅度提高學(xué)生對線上線下教學(xué)模式的認(rèn)可度、學(xué)習(xí)興趣、自學(xué)能力和創(chuàng)新思維能力[13-15]。

表3 兩個年級學(xué)生的滿意度分析

3.2 日常生活中的應(yīng)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(fù)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(yǎng)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(yīng)用的評價，設(shè)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(yè)、不同年齡段、不同性別共18人，首先給他們詳細(xì)講解自動澆花系統(tǒng)實驗裝置的研制背景、基本結(jié)構(gòu)、工作原理和使用操作方法，然后給他們反復(fù)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(diào)查(圖13)，調(diào)查結(jié)果顯示對實驗裝置的實用性、可靠性、可操作性的認(rèn)可度均達(dá)到92%以上，說明大家對實驗裝置的高度認(rèn)可。

圖13 實驗裝置生活中應(yīng)用滿意度調(diào)查分析

3.3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

該實驗裝置的成功研制，完全可以應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，只需對其中零部件的型號規(guī)格、管路、噴頭等進行適當(dāng)調(diào)整，即可對溫室大棚、果園、旱地和草坪等根據(jù)土壤的濕度精準(zhǔn)澆灌，達(dá)到省時、省力，從而提高經(jīng)濟效益和社會效益。

4 結(jié)束語

通過自動澆花系統(tǒng)實驗裝置的研制與應(yīng)用，解決了高校涉農(nóng)非機械專業(yè)學(xué)生更好地理解掌握《農(nóng)業(yè)機械與應(yīng)用》《植保機械與應(yīng)用》和《園藝機械與應(yīng)用》3門機械課程中所包含的噴灌、滴灌、噴藥機等設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、使用與維護，同時還能培養(yǎng)他們創(chuàng)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(yǎng)他們認(rèn)識學(xué)科交叉在科學(xué)研究中的重要性。此外，研究的實驗裝置在現(xiàn)實生活中可以進行有效應(yīng)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(yǎng)的花卉不被干死的問題。