新型智能養(yǎng)花裝置的研究

德州學院機電工程學院 崔 錕 孫如軍 郝 萌

德州學院美術學院 張世民

德州學院機電工程學院 李 澤

為了實現(xiàn)當下養(yǎng)花裝置的智能化、人性化、自動化、可視化，文章結合51單片機的控制優(yōu)點以及新興的物聯(lián)網(wǎng)技術開發(fā)了一款新型智能養(yǎng)花裝置。該裝置由“Wi-Fi”傳感器、STC89C51RC單片機為核心元件的智能花盆、參數(shù)檢測系統(tǒng)等部分組成，這款智能養(yǎng)花裝置可以在51單片機和參數(shù)檢測系統(tǒng)的配合下實現(xiàn)對盆中花卉的自動補給澆水、定量施肥、實時監(jiān)測花卉的生長環(huán)境的功能并且可以通過手機控制裝置的開啟。經(jīng)過實驗表明，該裝置可以十分準確的采集各項環(huán)境參數(shù)并且數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定51單片機的控制良好運行，并可實現(xiàn)花卉養(yǎng)殖的自動澆水與施肥的人性化操作，從而大大降低人們的養(yǎng)護工作。

1 概述

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，科學技術的日新月異人們對生活質量的要求越來越高。身在都市生活學習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@樣的實際需求背景下，通過對市場的先期調研發(fā)現(xiàn)我國在智能花卉養(yǎng)殖裝置領域還處于較低的發(fā)展水平，相較于一些國家我們與其有著一定的差距。這些差距主要體現(xiàn)在國內(nèi)的智能養(yǎng)花設備價格普遍高昂并且智能化程度不高大多數(shù)只是完成了自動澆水的簡單操作人們無法直觀的看到花卉的生長情況很難保證花卉的良性生長。這種種原因都制約了該種設備在國內(nèi)的普及程度，所以說研究一種價格低廉，性能優(yōu)越的養(yǎng)花裝置是目前我們亟待解決的問題。裝置的研究成功有著極大的市場經(jīng)濟價值，對我國在這一領域的國際市場占有率也有著及其深遠的意義（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,2016,36(1):174-176）。

2 國內(nèi)外智能養(yǎng)花裝置的研究現(xiàn)狀

現(xiàn)在國外的很多科技公司已經(jīng)將智能養(yǎng)花裝置的開發(fā)作為一項重要的研究工作，中國作為世界上重要的制造國家也成為了各家智能應用商家的合作對象這也進一步刺激了國內(nèi)智能花卉養(yǎng)殖的發(fā)展。雖然這種技術在國內(nèi)早有出現(xiàn)，但是大多都停留在傳統(tǒng)的澆花機械器械階段很少會有精準控制的智能養(yǎng)花裝置。傳統(tǒng)裝置采用水幕式方法澆花，用水量大而且對植物的生長容易造成負面影響無法達到合理養(yǎng)殖的人性化功能。

3 裝置的總體設計

文章中設計的裝置由“Wi-Fi”傳感器、STC89C51RC單片機為核心元件的智能花盆、參數(shù)檢測系統(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。整個裝備中以STC89C51RC單片機為核心元件的智能花盆是最重要的組成部分，它負責當參數(shù)采集系統(tǒng)收集完信息后傳輸給51控制元件通過51控制元件的信息反饋實現(xiàn)水泵的自動給水以及對土壤營養(yǎng)成分的補充。養(yǎng)花裝置內(nèi)部設有WI-FI傳感器可以利用網(wǎng)絡將其直接與手機相連接，通過手機可以實時的觀察到植物的各項生長數(shù)據(jù)并且對其進行遠程控制（宋玉港,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能花卉培育系統(tǒng)[J].中國農(nóng)機化學報,2018,39(2):78-82,88）。當然我們在裝置的內(nèi)部也嵌入了設定報警裝置，當儲水箱與液肥槽內(nèi)的含量低于設定值時傳感器會接收到信號傳遞到單片機上同時控制液晶顯示系統(tǒng)進行報警顯示，手機終端也會接收到相關信息提醒蓄水。

圖1 裝置工作流程圖

4 組成部分介紹

4.1 STC89C51RC單片機控制系統(tǒng)

對于這一部分我們采用現(xiàn)行市面上的流行控制系統(tǒng)進行嵌合設計，選用STC89C51RC單片機這款單片機的性能較為優(yōu)越完全可以滿足裝置的運行要求。我們利用單片機輸出程序對于澆花器所有部件進行數(shù)據(jù)控制，單片機通過控制水泵在每一個一定的時間間隔的時候定時抽水，而土壤濕度檢測器檢測土壤濕度，當土壤濕度達到植物所需要的濕度數(shù)據(jù)設定值時土壤濕度檢測器進行數(shù)據(jù)傳輸，通過繼電器對水泵進行關閉。該裝置的外部裝有一塊液晶顯示屏，單片機檢測到的所有數(shù)據(jù)都會通過這里對外顯示。同時我們還設有一個控制單元鍵盤，可以在這里輸入你要定量澆水的參數(shù)實現(xiàn)對裝置的控制。裝置實驗模型外觀整體圖如圖2所示。

圖2 裝置實驗模型外觀整體圖

4.2 參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

裝置中的參數(shù)檢測系統(tǒng)由多種傳感器組成，其中THU21D型傳感器可以完成對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,溫度的測量范圍在-40°～125°,濕度的測量范圍在0～100%RH，通過I2C的方式進行通信傳輸這款傳感器無論在測量范圍、測量精度還是市場價格上都是最優(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,2013）。在裝置上電后傳感器會經(jīng)過5s的響應時間然后進入穩(wěn)定的工作狀態(tài)，一般的測試時間在50ms內(nèi)完成。

對于土壤濕度的檢測我們采用FDR頻域型濕度傳感器。土壤濕度傳感器實物圖如圖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)測根部土壤的水分，該傳感器經(jīng)檢測電路將“濕度過高”和“濕度過低”信號經(jīng)編碼器傳至主控制器，由主控制器決定控制狀態(tài)。“濕度過高”則停止灌溉；“濕度過低”則通過光電隔離、繼電器控制接在水源的電磁閥。該系統(tǒng)還具有故障報警功能。主控制器通過通訊接口與上位機通訊，可以實時監(jiān)測系統(tǒng)運行狀況或對歷史數(shù)據(jù)進行分析。最終的檢測數(shù)值會傳輸?shù)絾纹瑱C中作為裝置運行的數(shù)據(jù)參考。

圖3 土壤濕度傳感器實物圖

通過傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)利用以下公式分別計算：

傳感器接收到電壓信號后將得到的數(shù)值通過：

式中：RH—土壤的相對濕度值；X—傳感器檢測數(shù)值。

4.3 儲水與液肥部分

裝置的下部分采用框格分布，智能養(yǎng)花裝置設計模型圖如圖4所示，我們將澆花器與花盆進行有機結合，裝置自帶有儲水部位，可以儲存一定量的水和液肥。當單片機接收到裝置報警時，會自行啟動裝置底部的水泵進行給水作業(yè)同時液肥槽也會在這時候隨水泵的動作開啟同時對植物施肥。

圖4 智能養(yǎng)花裝置設計模型圖

5 結束語

隨著科技的不斷進步新興的智能智慧家居方向的研究將會越來越多，我們及時抓住機遇立足當下實際對智能養(yǎng)花裝置進行開發(fā)。下一步我們將進行產(chǎn)品的優(yōu)化設計對目前存在的問題進行修復，爭取早日打開市場進行推廣。