基于工程活動鏈的智能盆栽養護平臺的設計與制作

楊立娟， 陳雪峰， 張 楠， 郭艷婕， 田紹華

(西安交通大學 機械工程學院，西安 710054)

0 引 言

工程能力強的人才該如何培養一直是工程教育難題。在新工業革命正在來臨之際，中國正在向工業強國的行列闊步邁進之時，教育部推出了“新工科”計劃，并指出“新工科”主要體現工程教育的新理念、學科專業的新結構、人才培養新模式等方面[1]，這為工程教育指明了新的方向。中國工程院院士李培根教授[2]提到，工程問題需要大工程觀，卓越工程師應該能從大科學空間觀察、思考問題，因而新結構應該從專業結構、課程及知識體系等方面審視，新結構的建立主要在于邊界的再設計。這包括專業重構、課程重構、知識點融合等方面。天津大學校長鐘登華院士提到在“新工科”背景下，工程人才培養結構要求多元化，而交叉與融合是工程創新人才培養的著力點[3]。本文響應教育部“新工科”計劃，通過模擬以產品研發為核心的工程活動鏈，融合機械工程測試技術、機電控制工程、3D打印技術等課程知識，設置了以學生為主體、項目驅動、自主實踐為基本模式的“科研實踐項目”-智能盆栽養護平臺的設計與制作，讓學生以工業產品研發的全壽命周期活動為主線完成一種產品的構思設計以及制作調試，培養學生適應未來工程需求的新素養。

1 產品構思

隨著生活水平的提高，人們對生活質量、生活環境的要求也越來越高[4]，許多人為了給工作生活增添一些色彩，喜歡在家中或辦公室等室內種植一些盆栽植物。但是大多植物花卉都需要細心的養護才能生長良好?，F在人們常常因為種植經驗不足、沒有時間養護等，導致植物花卉由于光照不足或土壤濕度不適等而死亡[5-6]。而且人們對于智能化、自動化的要求也越來越高?，F有的很多盆栽養護系統只能實現對于土壤濕度、光照強度等的檢測以及報警，沒有澆水以及補光的執行機構[7-8]，或者只能實現澆水，結構功能單一[9-10]，不能實現真正意義上的自動養護。本文設計了一款智能盆栽養護平臺，該平臺包括自動澆水模塊和自動補光模塊，整個系統選用Arduino單片機[11-13]作為控制器，用來處理采集的信號[14]，并控制執行機構，原理如圖1所示。自動澆水模塊由水箱、水泵、水管、噴頭、土壤濕度傳感器、水位檢測傳感器、繼電器，Arduino等組成，一方面利用濕度傳感器檢測花盆土壤濕度，當土壤濕度低于設定值時，Arduino控制繼電器通電，水泵運轉進行澆水，當濕度達到設定值時關閉水泵，停止澆水；另一方面利用水位檢測傳感器檢測水箱內的水位，當水箱內水量不足時報警提醒。自動補光模塊由光線傳感器、植物生長燈帶、燈罩、繼電器、Arduino等組成，利用光線傳感器檢測環境光照強度，根據環境光強判定燈帶的開關，Arduino將控制信號輸出給繼電器，控制植物生長燈帶調節照射植物的亮度。

圖1 系統原理圖

2 產品設計

2.1 硬件設計

智能盆栽養護平臺的控制器選用Arduino。Arduino是一個開放源代碼的單芯片微電腦，它的主控板采用AVR單片機，開發者可以根據設定的產品功能在IDE集成開發環境中編寫程序代碼[15-16]，通過USB連接將程序下載到Arduino中運行即可實現相應功能[17]，程序的燒寫和修改非常容易[18-19]。Arduino的處理器核心是ATmega328，同時具有14路數字I/O口(其中6路可作為PWM輸出)，6路模擬輸入，一個16 MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復位按鈕。Arduino具有體積小、穩定性好、可擴展性強、配套的傳感器種類豐富等優點[20]，非常適合智能盆栽養護平臺使用。

(1) 自動澆水模塊。自動澆水模塊中，土壤濕度檢測采用土壤濕度傳感器(RB-02S047)，與Arduino的接線如圖2所示，該傳感器共有3個引腳，分別是數據端s、電源Vcc和地線GND，傳感器的s端口接Arduino的模擬量輸入口。土壤濕度傳感器通過判斷土壤中水分含量來判斷土壤的濕度值。當濕度傳感器探頭懸空時，三極管基極處于開路狀態，三極管截止輸出為0。當傳感器探頭插入土壤中，土壤中水分含量不同，土壤的電阻值不同，三極管的基極導通電流產生變化，三極管集電極到發射極的導通電流收到基極的控制，經過發射極的下拉電阻轉化為電壓值。土壤濕度傳感器的主要性能指標：工作電壓+5 V直流，工作電流小于20 mA，輸出類型為模擬量，工作濕度10%～90%無凝結。

圖2 土壤濕度傳感器接線圖

水位檢測采用水位傳感器(RB-02S048)，與Arduino的接線如圖3所示，傳感器的規格參數如下：工作電壓+5 V直流，工作電流小于20 mA，輸出信號類型模擬量，工作溫度：10～30 ℃，工作濕度：10%～90%無凝結。

圖3 水位傳感器接線圖

水泵采用R-385直流隔膜泵。R-385直流隔膜泵是一款微型水泵，產品具有質量輕、體積小、壓力大、可自吸、揚程高、使用性能廣等特點。其主要性能參數：尺寸90 mm×40 mm×35 mm，出水口內徑6 mm，外徑9 mm，工作電壓6～12 V直流，工作電流0.6～2 A，流量1.5～2 L/min，最大吸程2 m，最大揚程3 m，水溫低于80 ℃。

繼電器采用(RB-02S025) 繼電器開關控制模塊，其規格參數如下：工作電壓+5 V直流，控制信號TTL電平，與傳感器擴展板I/O兼容，平面尺寸：32 mm×20 mm。

(2) 自動補光模塊。自動補光模塊選用光線傳感器(RB-02S023)檢測光照強度，該傳感器是基于半導體的光電效應原理工作的，當光照強度變化時，半導體的電阻值發生變化，進而可檢測光照強度。傳感器的3P插針接口可通過3P傳感器連接線與Arduino結合使用，與Arduino的接線如圖4所示。主要性能參數：供電電壓3.55 V，工作溫度-25～85 ℃，尺寸： 13.7 mm×32.8 mm。

圖4 光線傳感器接線圖

燈帶采用低壓12 V，型號為5050的高亮植物生長補光LED植物防水燈帶。LED植物燈采用半導體照明原理，發熱量小，可接近植物補光，不會造成灼傷，其體積小、壽命長、生物能效高、節能環保和破損后沒有重金屬污染，是綠色照明光源，是專用于花卉和蔬菜等植物生產的一種基于高精密技術的植物生長輔助燈。

(3) 外觀結構設計。根據使用需求設計外觀結構，整體外觀如圖5所示，底部中心的大圓盤為盆栽承載臺-水箱，頂部放置花盆，內部中空作為水箱，盛裝用于澆花的水，水位傳感器固定在水箱內壁，為內部元器件安裝方便，盆栽承載臺-水箱分上下兩部分，如圖6所示。兩側的偏圓球用于放置濕度、光照、水位模塊的電路模塊和繼電器等元器件，后側偏圓球見圖7，內部空心，用于放置Arduino和水泵，是整個裝置的控制中樞，上面連接空心管，空心管內置橡膠水管、光傳感器連接線等，連接水泵與噴頭以及Arduino與光傳感器。錐形罩起燈罩和噴頭外罩作用，內置噴頭，如圖8所示。燈罩內壁纏繞植物生長燈帶，外壁安裝光照傳感器。噴頭上部連接橡膠水管，通過空心管連接水泵。燈罩和噴頭可方便安裝拆卸，且密封性能、功能得到良好保證。

1-盆栽承載臺-水箱，2-左側偏圓球，3-右側偏圓球，4-后側偏圓球，5-空心管，6-錐形罩

圖5 整體外觀設計圖

圖6 盆栽承載臺-水箱

圖8 噴頭與燈罩

2.2 軟件設計

首先對參數進行初始化，啟動光傳感器檢測環境光照強度，數據傳輸至Arduino，程序中設置兩個光強閾值，根據光強所處閾值范圍，Arduino輸出控制信號給繼電器，控制兩條植物生長燈帶點亮或熄滅，光強較強時兩條燈帶都熄滅，光強一般時點亮一條燈帶，光強較弱時點亮兩條燈帶。然后啟動濕度傳感器檢測花盆土壤濕度，水位檢測傳感器檢測水箱內的水位，數據傳輸至Arduino，當土壤濕度低于設定值且水箱內水量充足時，Arduino控制繼電器通電，水泵運轉進行澆水，當濕度達到設定值時關閉水泵，停止澆水；當水箱內水量不足時，系統報警提醒，水泵不運行，具有缺水保護作用。程序流程圖如圖9所示。

圖9 程序流程圖

3 組裝及調試

3.1 結構組裝

根據設計的原理圖和接線圖，連接各電氣元件，整個平臺的外觀主體結構采用PLA材料，通過3D打印進行制作，然后進行整體組裝，電氣元件放置在外觀結構內部，土壤濕度傳感器插入土壤中，光照傳感器固定在燈罩外側，整體結構如圖10所示。

圖10 盆栽養護平臺整體圖

3.2 系統調試與性能測試

平臺搭建完成后，接通電源，根據所選植物的種類設置光照強度閾值和土壤濕度閾值，通過更換土壤濕度不同的盆栽來改變測量土壤濕度值，通過開關室內電燈和強光照射光傳感器來實現測量光照強度處于不同光照強度閾值范圍內，對系統性能進行測試。結果表明，智能盆栽養護平臺能準確根據測量的土壤濕度和光照強度值判斷盆栽的生長環境，控制各執行部件進行合理的澆灌和補光，圖11為環境光線很暗時，養護平臺進行補光的狀態，整個平臺性能穩定可靠。

圖11 自動補光狀態

4 結 語

學生運用機械工程測試技術、機電控制技術、3D打印技術等課程知識，通過模擬工程活動鏈的方式設計制作了一款智能盆栽養護平臺，實現了自動澆水功能和自動補光功能。通過土壤濕度傳感器、光傳感器等檢查盆栽的環境信息，利用Arduino進行實時采集處理數據并控制整個系統，實現科學、智能、自動地養護盆栽，外觀結構上滿足了系統功能的需求，利用3D打印技術制作，加工效率高，成本低，而且方便結構優化。通過該科研實踐項目，鍛煉了學生的科研創新和實踐能力，幫助學生建立多學科交叉的意識和大工程觀，讓學生從多學科空間和大科學空間去觀察、思考問題。

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