智能遮光澆灌系統(tǒng)的設(shè)計與研究

葉鐘城　秦立蟠　沈宇軒　黃馨潁　呼格吉樂

摘 要：基于對普通植物光照濕度培育裝置，研制出了智能遮光澆灌系統(tǒng)。此款智能遮光澆灌系統(tǒng)能夠很好地解決對植物的高精度光照濕度雙線程的自動培育，可以為人們?nèi)粘Ｉ钪信嘤参锾峁┍憷１疚脑敿?xì)介紹了此款智能遮光澆灌系統(tǒng)的設(shè)計與制作。

關(guān)鍵詞：智能遮光澆灌;雙線程;高精度;自動;使用說明

一、概述

在現(xiàn)在快節(jié)奏生活中，人們常常會忘記照顧植物，而此款智能遮光澆灌系統(tǒng)就能解決這個問題，它能在植物過曬時自動伸展遮光網(wǎng)以及在水分不足時自動澆灌，從而避免了人們因上述原因而造成的一些損失。而當(dāng)外界陽光不足時它又能夠自動收回遮光網(wǎng)。同時，它也解決了人們對于植物培育精度的需求。因為就現(xiàn)在市場而言，很難對不同種類植物實現(xiàn)高精度地培育，大部分都是以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來照顧所有植物。尤其是當(dāng)家庭對于植物培養(yǎng)精度需求較高時，這款產(chǎn)品就可以滿足人們對不同種類植物高精度培育的需求。

二、功能簡介

智能遮光澆灌系統(tǒng)通過各類傳感器綜合傳感外界環(huán)境光照強度、濕度的變化，然后通過與傳感器中調(diào)用的閾值對比將電壓信號傳輸?shù)紸rduino主板中，再傳遞信號給驅(qū)動，使減速電動機進(jìn)行工作（正反轉(zhuǎn)），進(jìn)而帶動其內(nèi)部特有的機械結(jié)構(gòu)（聯(lián)軸器，同步輪、帶的傳動），從而達(dá)到“過曬自動展開遮光網(wǎng)”、“土壤濕度不足自動澆灌”的效果。同時在數(shù)據(jù)調(diào)用方面不斷更新程序內(nèi)數(shù)據(jù)庫提高對植物的培育精度。

三、智能遮光澆灌系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)

四、智能遮光澆灌系統(tǒng)的物理原理

（一）自動開關(guān)遮光網(wǎng)系統(tǒng)

利用了“自動感應(yīng)門”的機械原理。即用大扭力減速電動機帶動同步帶輪組，在同步帶上固定一個限位桿，利用與限位開關(guān)的配合觸發(fā)實現(xiàn)對遮光網(wǎng)的自動伸展和收回。電路部分利用土壤濕度傳感器及光敏傳感器來感應(yīng)周圍光照強度和濕度的變化，當(dāng)感應(yīng)到有過高光照強度時便啟動減速電機，完成自動伸展遮光網(wǎng)的任務(wù)。

（二）土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器是最簡單的濕度傳感器。土壤濕度傳感器主要有電阻式、電容式兩大類。這里我們選用的是電容式的傳感器。土壤濕度傳感器電容一般是用高分子薄膜電容制成的。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。

（三）光敏傳感器

光敏傳感器是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。光傳感器不只局限于對光的探測，它還可以對許多非電量進(jìn)行檢測，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可。通過對光信號的感受，我們就可以控制遮光布，在光這一方面對植株進(jìn)行呵護(hù)

五、智能遮光澆灌系統(tǒng)的制作方法

（1）定做4塊15*60*1cm的亞克力支撐板，1塊100*100cm的預(yù)備亞克力板材。

（2）在距離亞克力支撐板頂部10cm處利用激光雕刻機刻出半徑為3cm的圓孔，放入對應(yīng)的滾動軸承，在軸承外部利用牛皮紙或者熱熔膠與亞克力板貼合。再將準(zhǔn)備好的傳動軸裝入滾動軸承內(nèi)并加以固定，同時與聯(lián)動軸連接傳動到減速電機。將減速電機的正負(fù)極接到驅(qū)動板的OUT1、OUT2，驅(qū)動板IN1、IN2連接到Arduino板的提前設(shè)置好的數(shù)字接口。

（3）外部傳感方面，土壤濕度傳感器接到變送器，并與繼電器相連最后來驅(qū)動水泵的工作與否;光敏傳感器也與變送器相連，然后直接連入Arduino上提前設(shè)置的數(shù)字引腳，Arduino處理完信息將驅(qū)動信息通過數(shù)字引腳輸出到驅(qū)動模塊。

（4）限位桿采用502粘結(jié)在遮光網(wǎng)上，限位開關(guān)則粘在對面的亞克力支撐板上適當(dāng)?shù)母叨取?/p>

（5）將電池盒和Arduino的外接電源都連接到電路內(nèi)。

六、“智能窗”的使用說明（功能介紹）

本產(chǎn)品中的光敏傳感器接收到光強強度后將光強模擬信號傳輸給信號處理控制中心（Arduino），控制中心再將傳輸進(jìn)來的模擬信號通過程序編譯轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳導(dǎo)到驅(qū)動裝置來驅(qū)動減速電機，在信號處理控制中心可以通過對程序不斷地測試，不斷調(diào)節(jié)光敏傳感器的變化邊界，并記錄標(biāo)準(zhǔn)值，實現(xiàn)對環(huán)境光強與標(biāo)準(zhǔn)光強的比。同時，利用濕度傳感器雙程同時接受濕度模擬信號傳遞到信號處理控制中心，實現(xiàn)雙程的適度控制（噴灑澆灌，或者滴漏澆灌——根據(jù)用戶的不同需求可以開發(fā)不同的類型），最終實現(xiàn)智能的自動遮光澆灌體系。

七、相關(guān)拓展及后期優(yōu)化

目前，我們已經(jīng)建立了雙線程的系統(tǒng)模型，在不斷地運行和調(diào)試中尋找不足并對模型進(jìn)行精度調(diào)整改善以實現(xiàn)更精密地培養(yǎng)植物，未來爭取達(dá)到通過網(wǎng)絡(luò)與用戶手機進(jìn)行遠(yuǎn)程操作的目標(biāo)（提高其互動性）。同時盡可能地擴大該項目地適用范圍，并不斷減少項目地制作成本，實現(xiàn)雙向的研究（高精度——利用修改內(nèi)部程序參數(shù)調(diào)整精度與低精度——通過外置按鈕對應(yīng)一些基礎(chǔ)精度進(jìn)行大致的精度調(diào)節(jié)）進(jìn)而擴展該項目的受眾群體，同時考慮應(yīng)用到工業(yè)培養(yǎng)的方面以提高該項目的實用性。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃華梁，彭文生編.機械設(shè)計基礎(chǔ).高等教育出版社，2001.

[2]楊芳春主編.電機傳動.高等教育出版社，1995.

作者簡介：葉鐘城（1999-），男，浙江紹興柯橋人，湖州師范學(xué)院理學(xué)院物理學(xué)專業(yè)17級學(xué)生。

指導(dǎo)老師：呼格吉樂（1980-），男，蒙古族，內(nèi)蒙古通遼人，工程碩士學(xué)位，高級實驗師，湖州師范學(xué)院省級物理實驗教學(xué)示范中心，從事物理實驗教學(xué)與物理教學(xué)儀器開發(fā)。