家用自動化盆栽澆水系統

王慧雯

摘 要：本文結合人工澆水的操作流程，根據嵌入式系統原理設計了一款家用自動化盆栽澆水系統，主要涉及由設計方案的選擇、系統的組成、管道放置、出水口的設計和程序的設計等具體內容。該系統具有比較高的響應速度，能準確地完成澆水操作，同時具有較強的普適性。

關鍵詞：自動化；自動澆花；流量監測；中斷

中圖分類號：S68 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）24-0048-02

在日常生活中，除了單調的工作、學習之外大多數人會選擇在家中養一些盆栽，這些植物擺放在家中，除了能起到裝飾的作用，還能夠讓人在照顧花草的過程中獲得放松，讓人能夠更加的能夠再投入到工作中。另外，種植盆栽還能幫助更新室內的空氣，除去空氣中的有害物質，可以說是一舉多得。但是當住戶有事情需要長時間外出時，照顧花草就成了一個大問題，這時，一個家用自動盆栽澆水的系統就可以很大程度上解決這個問題。

1 系統方案選擇

首先考慮人澆水的操作，要完成“澆花”這個動作，看上去很簡單，不過是提壺澆水這樣兩步就可以。但是事實上，這兩步需要具體分解為多個操作步驟。人工澆水的操作流程如圖1所示，首先人眼通過觀察盆栽，配合大腦判斷花草是否需要澆灌，只有當判斷出盆栽需要澆水時，大腦才會發出澆水指令；然后大腦會控制人手執行提水澆花的動作，在澆水的同時眼睛繼續觀察，大腦會依據經驗和眼睛接收到的信息判斷水量是否足夠，當大腦判斷出水量足夠時，會發出停止澆水的指令使澆水停止。

在上述的人工操作中，每一個部分都有其特有的功能，如表1所示，在用自動化系統代替人工的過程中，需要使用不同的部件以起到與人工操作相同的作用。例如人的眼有監測水量的功能，可以用流量檢測傳感器代替，大腦可以進行數據處理和算法執行，可以用微控制器代替，大腦作為執行機構可以用開關閥代替，神經傳輸信號，可以用線路代替等。

1.1 系統構成

以微控制器作為主控單元進行系統搭建，如圖2所示，整個系統由多個流量檢測傳感器、傳感器配套放大器、A/D轉換器、微控制器、鍵盤、外部終端、顯示器模塊和多個開關閥構成。

流量檢測傳感器用來采集水的流量信號，經過配套放大器和A/D轉換器后，輸入微控制器進行數據處理與計算，然后據此判斷是否需要控制執行機構進行動作。鍵盤連接計算機手動輸入頻率和流量。外部終端用于完成外界設備與系統的信息交互。顯示器則用來顯示系統運作是否正常，以及顯示即時數據等，以便于人工檢查。

1.2 關鍵部分組成

系統的管道布線如圖3所示，將管道放置在比較隱蔽的位置，并且盡可能的將各個盆栽連接在一起，可以既不影響美觀也不影響系統的功能，主線的另一邊連接在總閘上，主線上在每盆花的附近分出若干個支路延伸到每個盆栽的根部用于澆水。支路管道的長短根據盆栽與主線的距離決定。另外，為了能夠更準確的監測流量和控制線路的通斷，線路的開關和各個流量監測傳感器安裝在最接近花盆的位置。

流量監測傳感器能夠實時監測水量，獲得實時水流的流量信號經由運算放大器和A/D轉換器處理后中，將模擬量轉變為數字量最后輸入計算機中，并在計算機中進行數據處理，當水流的數據達到設定條件時，由微控制器發出指令控制各個開關閥進行關閉或打開動作。

考慮到使用水管作為運輸水的工具，那么支路管道內就會不可避免的有剩余的水不能完全流出，所以也要考慮到水管內剩余水量對總水量的影響。如圖4所示，可以將支路開關和傳感器設置在靠近花盆的位置，使經過傳感器的水量能夠全部進入花盆，幾乎沒有誤差，以防止實際澆花的水量小于盆栽需要的水量而導致的澆水不足的情況。此外，為了防止水流進入盆栽中時流速過急對盆栽造成損傷，對出水口設計了儲水區和緩沖區。水流從支路先后流經開關和傳感器，然后流入儲水區，最后再經過緩沖區流入盆栽。支路流入的流速較快，而緩沖區流出的流速要慢，所以設計了空間大于水量的儲水區，使短時間內流不完的水量儲存在儲水區中然后慢慢流入盆栽中。

2 程序設計

為了顧及到家中盆栽的種類，考慮采用輸入澆水的頻率和澆水的水量的方式來提高系統的適應性，例如家中經常會養的文竹和仙人掌，在夏季，文竹有時會需要一天澆一次，而仙人掌一般兩周澆一次就可以，并且兩種植物的每次澆水的水量也是不同的。同時為了使系統能夠同時兼顧多個盆栽，考慮設置若干個開關閥控制分路，配合計算機連接上鍵盤以便于人工輸入澆水的頻率和每次澆水的水量，從而更好的使系統可以適用于更多的使用情況。

依據系統功能的要求，考慮了兩種系統軟件設計方案。

方案一：調用計時程序法，開始后由人工輸入澆水頻率和水量，主程序額外調用計時程序，當時間達到設定值時，計算機控制支路的傳感器和開關打開，傳感器監測實時水量，在程序內部與設定水量值對比，當達到設定值時，計算機發出指令控制關閉傳感器和開關，計時部件計時，等待下次澆水時間。

方案二：外部中斷法，整個系統分為主程序和子程序，程序開始后輸入水量值，進入待機程序，當外部終端發送中斷信號時，待機的狀態被打斷，中斷響應進入澆水的程序中，支路開關和傳感器打開，傳感器監測實時水量，在子程序中與設定值對比，達到設定值時控制器控制開關和傳感器關閉，中斷返回，再次進入待機程序中，等待下一次中斷信號。

對比方案一與方案二，發現此方案的優點在于由網絡發送中斷信號而不需內部調用計時程序，減小了程序占用的內存，可以使程序簡單方便。因此這里采用方案二進行系統程序設計。

方案二的程序流程圖如圖5所示，程序開始后首先由人工根據盆栽的種類和對水的需求程度通過鍵盤輸入水量值，然后系統執行等待復位的指令，盆栽澆水的頻率由外部終端發送時間信號中斷當前的等待的程序，外部時間信號到來的位置作為斷點，主程序跳到中斷處理子程序，系統控制支路傳感器和開關閥打開，同時傳感器開始監測水量，微控制器對采集的數據進行計算處理，判斷水量是否達到設定值。當流量達到設定值時，計算機控制關閉支路傳感器和開關，中斷返回到初始的等待程序中，等待下一次中斷信號。

3 結語

本文針對家中的盆栽如何在無人照顧的情況，結合人工澆水的操作流程，根據嵌入式系統原理設計了家用自動化盆栽澆水的系統，本文從整個系統的結構設計、系統工作原理、系統硬件組成、如何精確的控制水量以及有效保護盆栽等方面進行了詳細的設計說明。該系統具有比較高的響應速度，能準確地完成澆水操作，同時具有較強的普適性。由于知識水平和時間所限，本文仍有問題未能很好解決，還需進一步完善。

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