新型智能養(yǎng)花裝置的研究

德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 崔 錕 孫如軍 郝 萌

德州學(xué)院美術(shù)學(xué)院 張世民

德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 李 澤

為了實(shí)現(xiàn)當(dāng)下養(yǎng)花裝置的智能化、人性化、自動(dòng)化、可視化，文章結(jié)合51單片機(jī)的控制優(yōu)點(diǎn)以及新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)了一款新型智能養(yǎng)花裝置。該裝置由“Wi-Fi”傳感器、STC89C51RC單片機(jī)為核心元件的智能花盆、參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)等部分組成，這款智能養(yǎng)花裝置可以在51單片機(jī)和參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的配合下實(shí)現(xiàn)對(duì)盆中花卉的自動(dòng)補(bǔ)給澆水、定量施肥、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)花卉的生長(zhǎng)環(huán)境的功能并且可以通過(guò)手機(jī)控制裝置的開(kāi)啟。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該裝置可以十分準(zhǔn)確的采集各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)并且數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定51單片機(jī)的控制良好運(yùn)行，并可實(shí)現(xiàn)花卉養(yǎng)殖的自動(dòng)澆水與施肥的人性化操作，從而大大降低人們的養(yǎng)護(hù)工作。

1 概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的日新月異人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高。身在都市生活學(xué)習(xí)的我們喜歡在身邊種植上一些花草改善一下周邊的環(huán)境，但是在快節(jié)奏的今天總是避免不了忘記照顧身邊的植物?；谶@樣的實(shí)際需求背景下，通過(guò)對(duì)市場(chǎng)的先期調(diào)研發(fā)現(xiàn)我國(guó)在智能花卉養(yǎng)殖裝置領(lǐng)域還處于較低的發(fā)展水平，相較于一些國(guó)家我們與其有著一定的差距。這些差距主要體現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的智能養(yǎng)花設(shè)備價(jià)格普遍高昂并且智能化程度不高大多數(shù)只是完成了自動(dòng)澆水的簡(jiǎn)單操作人們無(wú)法直觀(guān)的看到花卉的生長(zhǎng)情況很難保證花卉的良性生長(zhǎng)。這種種原因都制約了該種設(shè)備在國(guó)內(nèi)的普及程度，所以說(shuō)研究一種價(jià)格低廉，性能優(yōu)越的養(yǎng)花裝置是目前我們亟待解決的問(wèn)題。裝置的研究成功有著極大的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，對(duì)我國(guó)在這一領(lǐng)域的國(guó)際市場(chǎng)占有率也有著及其深遠(yuǎn)的意義（張娜，吳文福,杜吉山,等.智能花盆的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù),2016,36(1):174-176）。

2 國(guó)內(nèi)外智能養(yǎng)花裝置的研究現(xiàn)狀

現(xiàn)在國(guó)外的很多科技公司已經(jīng)將智能養(yǎng)花裝置的開(kāi)發(fā)作為一項(xiàng)重要的研究工作，中國(guó)作為世界上重要的制造國(guó)家也成為了各家智能應(yīng)用商家的合作對(duì)象這也進(jìn)一步刺激了國(guó)內(nèi)智能花卉養(yǎng)殖的發(fā)展。雖然這種技術(shù)在國(guó)內(nèi)早有出現(xiàn)，但是大多都停留在傳統(tǒng)的澆花機(jī)械器械階段很少會(huì)有精準(zhǔn)控制的智能養(yǎng)花裝置。傳統(tǒng)裝置采用水幕式方法澆花，用水量大而且對(duì)植物的生長(zhǎng)容易造成負(fù)面影響無(wú)法達(dá)到合理養(yǎng)殖的人性化功能。

3 裝置的總體設(shè)計(jì)

文章中設(shè)計(jì)的裝置由“Wi-Fi”傳感器、STC89C51RC單片機(jī)為核心元件的智能花盆、參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)、水泵及液肥供給系統(tǒng)四部分組成。裝置工作流程圖如圖1所示。整個(gè)裝備中以STC89C51RC單片機(jī)為核心元件的智能花盆是最重要的組成部分，它負(fù)責(zé)當(dāng)參數(shù)采集系統(tǒng)收集完信息后傳輸給51控制元件通過(guò)51控制元件的信息反饋實(shí)現(xiàn)水泵的自動(dòng)給水以及對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)成分的補(bǔ)充。養(yǎng)花裝置內(nèi)部設(shè)有WI-FI傳感器可以利用網(wǎng)絡(luò)將其直接與手機(jī)相連接，通過(guò)手機(jī)可以實(shí)時(shí)的觀(guān)察到植物的各項(xiàng)生長(zhǎng)數(shù)據(jù)并且對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制（宋玉港,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能花卉培育系統(tǒng)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2018,39(2):78-82,88）。當(dāng)然我們?cè)谘b置的內(nèi)部也嵌入了設(shè)定報(bào)警裝置，當(dāng)儲(chǔ)水箱與液肥槽內(nèi)的含量低于設(shè)定值時(shí)傳感器會(huì)接收到信號(hào)傳遞到單片機(jī)上同時(shí)控制液晶顯示系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警顯示，手機(jī)終端也會(huì)接收到相關(guān)信息提醒蓄水。

圖1 裝置工作流程圖

4 組成部分介紹

4.1 STC89C51RC單片機(jī)控制系統(tǒng)

對(duì)于這一部分我們采用現(xiàn)行市面上的流行控制系統(tǒng)進(jìn)行嵌合設(shè)計(jì)，選用STC89C51RC單片機(jī)這款單片機(jī)的性能較為優(yōu)越完全可以滿(mǎn)足裝置的運(yùn)行要求。我們利用單片機(jī)輸出程序?qū)τ跐不ㄆ魉胁考M(jìn)行數(shù)據(jù)控制，單片機(jī)通過(guò)控制水泵在每一個(gè)一定的時(shí)間間隔的時(shí)候定時(shí)抽水，而土壤濕度檢測(cè)器檢測(cè)土壤濕度，當(dāng)土壤濕度達(dá)到植物所需要的濕度數(shù)據(jù)設(shè)定值時(shí)土壤濕度檢測(cè)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)繼電器對(duì)水泵進(jìn)行關(guān)閉。該裝置的外部裝有一塊液晶顯示屏，單片機(jī)檢測(cè)到的所有數(shù)據(jù)都會(huì)通過(guò)這里對(duì)外顯示。同時(shí)我們還設(shè)有一個(gè)控制單元鍵盤(pán)，可以在這里輸入你要定量澆水的參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的控制。裝置實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯庥^(guān)整體圖如圖2所示。

圖2 裝置實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯庥^(guān)整體圖

4.2 參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

裝置中的參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)由多種傳感器組成，其中THU21D型傳感器可以完成對(duì)空氣溫度和濕度的數(shù)據(jù)采集。該傳感器的供電電壓在1.5V～3.6V,溫度的測(cè)量范圍在-40°～125°,濕度的測(cè)量范圍在0～100%RH，通過(guò)I2C的方式進(jìn)行通信傳輸這款傳感器無(wú)論在測(cè)量范圍、測(cè)量精度還是市場(chǎng)價(jià)格上都是最優(yōu)選擇（王維.花卉溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2013）。在裝置上電后傳感器會(huì)經(jīng)過(guò)5s的響應(yīng)時(shí)間然后進(jìn)入穩(wěn)定的工作狀態(tài)，一般的測(cè)試時(shí)間在50ms內(nèi)完成。

對(duì)于土壤濕度的檢測(cè)我們采用FDR頻域型濕度傳感器。土壤濕度傳感器實(shí)物圖如圖3所示。其工作原理為將其的硬件控制電路埋在作物根部的土壤水分傳感器監(jiān)測(cè)根部土壤的水分，該傳感器經(jīng)檢測(cè)電路將“濕度過(guò)高”和“濕度過(guò)低”信號(hào)經(jīng)編碼器傳至主控制器，由主控制器決定控制狀態(tài)?！皾穸冗^(guò)高”則停止灌溉；“濕度過(guò)低”則通過(guò)光電隔離、繼電器控制接在水源的電磁閥。該系統(tǒng)還具有故障報(bào)警功能。主控制器通過(guò)通訊接口與上位機(jī)通訊，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況或?qū)v史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。最終的檢測(cè)數(shù)值會(huì)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中作為裝置運(yùn)行的數(shù)據(jù)參考。

圖3 土壤濕度傳感器實(shí)物圖

通過(guò)傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)利用以下公式分別計(jì)算：

傳感器接收到電壓信號(hào)后將得到的數(shù)值通過(guò)：

式中：RH—土壤的相對(duì)濕度值；X—傳感器檢測(cè)數(shù)值。

4.3 儲(chǔ)水與液肥部分

裝置的下部分采用框格分布，智能養(yǎng)花裝置設(shè)計(jì)模型圖如圖4所示，我們將澆花器與花盆進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，裝置自帶有儲(chǔ)水部位，可以?xún)?chǔ)存一定量的水和液肥。當(dāng)單片機(jī)接收到裝置報(bào)警時(shí)，會(huì)自行啟動(dòng)裝置底部的水泵進(jìn)行給水作業(yè)同時(shí)液肥槽也會(huì)在這時(shí)候隨水泵的動(dòng)作開(kāi)啟同時(shí)對(duì)植物施肥。

圖4 智能養(yǎng)花裝置設(shè)計(jì)模型圖

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的不斷進(jìn)步新興的智能智慧家居方向的研究將會(huì)越來(lái)越多，我們及時(shí)抓住機(jī)遇立足當(dāng)下實(shí)際對(duì)智能養(yǎng)花裝置進(jìn)行開(kāi)發(fā)。下一步我們將進(jìn)行產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)目前存在的問(wèn)題進(jìn)行修復(fù)，爭(zhēng)取早日打開(kāi)市場(chǎng)進(jìn)行推廣。