自動澆花控制系統設計應用

畢維峰

（吉林省經濟管理干部學院，吉林 長春 130031）

1 概述

隨著人們生活水平的提高和生活節奏的加快，以及生活的無規律性增多，工作壓力的增加，養花是一種可以調節身心健康、豐富課余生活的興趣愛好，如今被許多的人所喜愛。然而，要想讓它盛開出絢麗的花朵，就必須定時給它澆水，否則花兒就會枯死。而掌握不好澆水的量，又會使得花兒的根長期泡在水里窒息而死，因為出差旅游、工作忙等原因，如果有一次10多天忘記給花澆水，花可能就會枯死，研究表明花卉死亡主要原因就是沒有及時澆水而枯死，尤其是一些心愛的、名貴的花的死亡，這是所有家庭都面臨的實際問題。

中國人口老齡化的步伐越來越快，老年人的記憶力行動能力都有很大的困難，需要人去照料，照顧花草就更困難了，同時還需要花草的陪伴，因此一種安全穩定可靠的無人值守的自動澆花控制系統有著千家萬戶的應用需求。

2 系統整體方案設計

本文研究的內容及目標：研究出一種能夠實現自動澆花裝置，為花卉自動澆水，要包括如下功能：能定時、定量為花卉澆水；實現根據花卉品種、大小、數量不同，管理10盆花，定時、定量的澆水功能；最好能夠長期管理，不僅是10d或15d。從臨時代替人工管理進入長期管理的目的；能夠根據外界的氣候條件、花卉生長的數據，微調澆水量，實施更智能地精細化管理；實現與物聯網接口，為將來實現遠傳數據，隨時了解花卉狀況提供支持；該裝置設計要合理，安裝簡單，盡量做到免維護，保證用水、用電安全；成本低結構設計適合批量生產的需要。

目前國外狀況：國外自動澆花裝置主要為管理單盆花卉，一個家庭有10盆花，需要買10套，成本高，每套自成體系，造成資源的浪費，連接件材料、電源管理等方面的浪費。另外，有的產品實現了對單盆花的土壤含水量進行測量，然后根據濕度值進行控制，從而實現了閉環控制，設計思路較先進、智能化，但我們研究，具體每盆的土壤情況千差萬別，如花盆體積大小因素、土壤的軟硬、傳感器插入深淺、傳感器是否充分接觸土壤、傳感器可靠穩定性、土壤中環境惡劣對濕度傳感器電路元器件易損壞、傳感器標定一致性等問題。很難建立起可靠的數學模型，因此國外往往將其作為了解濕度的一個參考值，是否澆水及水量多少還要人工進行綜合分析后，做出最終決定，需與物聯網結合后，人工判斷，因此不是真正意義上的自動澆花系統，是半自動模式，此方案在實際應用中并不實用，并不適合我國國情。

目前國內方案：

方案1：用兩根石墨碳棒做電極，插入花盆中，對輸出信號進行比例放大，進入AD采集器，最后進入微處理器的方法，根據電壓信號大小，決定是否到了澆花的時間，采取閉環控制算法進行控制，理論上分析，此方法為最智能的方法，做到定量對花是否缺水，缺多少做出科學的判斷，能根據不同季節自動調節水量，但此方法存在測量濕度過程中，不可預知隨機因素多，非調試、維護專業人員很難保證對每盆花濕度長期進行穩定準確測量，一旦出現誤報，后果會很嚴重，如花干旱而死，水澆多而澇死。此方案優點：智能化程度高，對花卉管理比較精細。缺點：人員維護精力大，影響穩定性的因素太多，系統工作穩定性能差等。

方案2：為了解決方案一不穩定問題，目前比較實用的設計方法為定時澆水的方案，時間T1小時為等待時間，T2秒時間為澆水時間，即為每盆花設定T1小時后澆水T2秒，采用電動給水閥進行控制，或采用水泵對水槽中水進行抽水澆花。這種設計穩定可靠，根據盆大小及不同品種花，可模擬人工澆水量多少而設定等待澆水時間與實際澆水時間T1、T2，從而達到人工設置，自動定時澆花的目的。與方案一對比，優點：此方案穩定可靠，比較適合我國國情，根據季節設置兩次時間就可基本滿足要求。缺點：目前國內設計方案都是為一盆花澆水，或為同樣的多盆花澆同等水量，即一根管路分出多個頭來。要想對多盆大小不同、品種不同的花澆水，就得為每一盆花安裝一臺控制器，成本高；無法根據不同季節、天氣變化、陰天晴天變化而實現閉環的精細控制。

其他方案：利用重力傳感器安裝于每一盆花的底部，采用微處理器對每一盆花的重量進行實時測量，重量輕于某一設定值即達到一定的差值后，即進行澆水，此方案電路設計復雜，對傳感器及調理電路性能要求較高，簡單的設計電路無法達到設計要求，成本增加較多。實際中較難普及應用；根據虹吸原理，采用非電控制的方法，對花卉進行緩慢補水，但不能長時間，穩定工作，而且對機械裝置要求較高且結構復雜，安裝調試難度高，很難大范圍的普及應用。

本文主要研究創新點是設計能夠管理10盆以上花卉的定時、定量澆水功能，同時具有根據季節、氣候、溫度、濕度的變化，閉環控制澆水時間T2的微量調節或等待澆水時間T1微量調節功能。將溫度絕對值做為閉環控制的參量，因此實現模擬人工對澆水時間、澆水量的自動控制。如霧霾天氣，則少澆一定比例的水。陰天多則按數學模型少澆水，晴天則按模型比例多澆一定比例的水。

圖1 系統整體結構框圖

圖2 進水與控制單元結構框圖

3 系統硬件設計

系統硬件采用C8051F380混合微處理器作為控制芯片，根據系統整體結構框圖主要分成：電源模塊；電磁閥驅動管理模塊；18B20溫度數據采集模塊；鍵盤交互接口模塊；LCD液晶顯示模塊；WIFI通訊模塊。

3.1 電磁閥驅動管理模塊

為保證系統長年穩定工作，電源方面采用雙路開關電源，運用SOC片上系統I/O經光耦隔離后驅動高速開關管放大電路對電磁閥進行操作，采用總閥與分閥相結合開關邏輯操作，提高防漏水保險系數，保證用水安全。如圖3所示。

圖3 電磁閥驅動管理模塊電路圖

3.2 DS18B20溫度數據采集模塊

采用美國達拉斯公司生產的18B20數字溫度傳感器，性價比很高，精度能達0.1度，控制口線只需一條線，完成溫度的測量工作，在大型糧庫以及室內室外溫度測量方面得到廣泛使用。

3.3 C8051F380混合微處理器模塊

該模塊是美國SILICON LABORATORIES公司生產的混合片上系統MCU，與普通8051單片機相比執行速度快25倍，內部有1個12位200KSPS單端/差分ADC，片內自帶振蕩器，16K FLASH存儲器，1280片內RAM。

3.4 鍵盤接口模塊

采用菜單顯示方式，數據輸入采用“↓” 鍵循環輸入，因此按鍵較少。

3.5 LCD液晶接口模塊

顯示模塊選用JRM1601單行液晶顯示，此液晶工作電流較少，帶背光，較適合使用，該系統采用4根數據線，占用CPU口線資源較少。該液晶主要為了方便操作者進行工作參數設定，工作狀態顯示等功能。

3.6 WIFI通訊模塊

采用深圳市新力維科技有限公司的XLW-201A WIFI模塊使用串口配置或使用WEB管理界面配置或網絡配置，我們使用一鍵配置功能實現模塊的配置工作。

4 系統軟件設計

該軟件設計采用模塊化設計，有主控運行模塊；T1、T2時間輸入及顯示模塊；隨環境智能調節水量的溫度參數采集處理模塊；WIFI通信模塊等組成。

4.1 主控運行模塊程序流程

該模塊是整個系統的主控部分，調動各程序模塊工作及主要完成10盆以下各自定時等待時間T1小時，澆花時間T2秒功能，并根據智能水量模塊參數進行水量微調。如圖4所示：

圖4 主控運行模塊程序流程圖

4.2 隨環境智能調節水量的溫度參數采集處理模塊工作流程

先模擬人工管理花卉，告知系統一個氣候參數，比如：春夏秋冬，用1、2、3、4表示，按鍵輸入，系統按此學習24h的氣候溫度值，今后每次澆水前都將臨近24h氣溫值，都與此氣候溫度值對比后，進行參數調整，最大調節為20%水量。如上圖5所示

圖5 隨環境智能調節水量的溫度參數采集處理模塊工作流程圖

5 結束語

該系統設計方案簡潔實用，穩定可靠，成本較低，經5a時間的家庭、辦公室環境試用，得到用戶廣泛的認可，尤其在家庭條件下，用戶已由短期出差使用，變為長期使用的依賴關系，智能環境調節水量的溫度參數模塊的使用，使該設備向養花機器人方向邁進了一步。

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