Arduino創意設計
——智能植物培育體

原曉楠， 李瑞程， 柴凱昕， 邱 卓， 孫曉華

（西安交通大學電氣工程學院，西安 710049）

0 引 言

隨著生活條件的不斷提升，植物培養已經成為越來越多人的愛好，也是在快節奏生活之下很好的減壓方式，除了家庭花園培養模式外，目前較為流行的還有桌上盆栽。但是，在生活節奏越來越快的時代，經常會因時間、空間、方法等多種因素造成桌上盆栽無法獲得健康生長，這促進了自動澆花裝置的產生［1-2］。通過調研發現，目前市場上存在的自動澆花裝置存在功耗大、續航時間短、價格昂貴、受眾人群小，沒有平衡好產品自動化程度與種植樂趣的關系，用戶參與感不強，智能應用性較低等缺點［3-5］。

本文基于Arduino開發板設計了智能植物培育體，通過設計“電-水-土”分離式滲透給水結構并結合物聯網技術實現植物的遠程智能培養，設計多種模式平衡培養智能化與用戶參與感［6］，在降低系統功耗的前提下豐富系統的功能，具有很好的智能應用性。

1 系統設計

系統選擇Arduino作為主要控制芯片［7］，由數據采集與處理、算法設計、系統控制和遠程智能設計4個模塊組成，設計思路如圖1所示。通過對植物生長環境參數的采集與處理建立數據庫，并通過算法及軟件編程實現對植物生長環境的監測、預判，設計給水結構及控制電路并以Arduino作為主控平臺結合預判算法實現植物生長環境自主調控，應用物聯網技術設計用戶端APP實現系統遠程智能調控［8］。

圖1 系統設計思路導圖

2 數據采集與處理

2.1 傳感器選型

植物生長環境數據采集主要包括對植物生長環境的空氣溫度、濕度和土壤濕度的采集，通過綜合對比選擇DHT11進行空氣溫、濕度檢測，具有溫、濕度同時測量、結構簡單、抗靜電、抗干擾等諸多優點。選擇Arduino Moisture Sensor進行土壤濕度檢測，傳感器檢測探頭埋在作物根部，將濕度變化轉化為電阻變化監測土壤的濕度。

2.2 檢測電路設計

基于所選擇的傳感器設計了檢測電路，其原理如圖2所示。DHT11模塊內部有一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，可將采集到的信號轉換為電信號直接傳輸給Arduino進行處理。土壤濕度傳感器的阻值會隨著土壤水分含量的變化而變化，將土壤濕度傳感器的探頭插入土壤中，設計分壓電路將電阻的變化轉換為電壓的變化傳輸給Arduino進行處理。

圖2 檢測電路原理

2.3 數據庫建立

檢測電路輸出的模擬信號經由Arduino的模擬輸入引腳可完成模數轉換輸出相應數值，選擇模擬輸入引腳并通過編程語句定義輸入引腳，用模擬信號輸入函數analogRead（）獲取溫、濕度和土壤濕度信號，通過多次實驗建立植物生長環境參數數據庫。

3 算法設計

3.1 土壤濕度函數的擬合

根據實驗數據標定土壤干、濕程度［9］，利用Matlab軟件進行數據擬合，得到濕度與植物生長環境的函數關系曲線，將濕度值與生長環境變化一一對應［10］。通過建模獲取的土壤濕度函數關系式為

式中：s為土壤濕度，RH；g為采集信號。

3.2 閾值設計

根據數據擬合得出的函數關系設計閾值實現對植物生長環境的預判［11］。不同類型植物具有不同的生長習性，在室內養殖時對土壤濕度的要求也不盡相同［12］。一般來說，將濕度保持在60%～80%左右即可滿足生長要求。但有一些植物對濕度要求較低，若濕度一直保持較高水平，會導致植物根部缺氧壞死，不利于根部發育；有一些植物對濕度要求較高，土壤過干，滿足不了植株的蒸騰作用，從而影響地上部分給予根部的營養。通過查閱相關文獻，按照植物對含水量的需求將其分為3種不同類型，如表1所示，為不同類型的植物提供“定制化”的澆水養護服務。

表1 土壤濕度閾值調整類型設計表 %

3.3 程序設計

基于算法設計與閾值設計進行程序編寫，程序流程圖如圖3所示。首先從傳感器檢測電路獲取溫、濕度和土壤濕度信號并進行信號處理，獲取系統模式與狀態信息并進行相應的模式設置與閾值調整，將土壤濕度與閾值進行比較，當土壤濕度過低，啟動給水電路，當濕度過高，關閉給水電路。

圖3 程序設計流程

4 系統控制

4.1 給水結構設計

傳統的給水結構一般采用水泵給水，模擬用戶手動澆花的效果，需要額外的走線、打孔和布管，增加裝置復雜度、影響觀感的同時電路與蓄水池常常無法做到很好的隔離，且水泵體積較大，對水箱空間要求較高，自身能耗也比較高。系統采用滲透式給水原理設計了“水-電-土”分離的給水結構，其原理如圖4所示，將土壤、給水裝置與控制裝置分離開。

圖4 “水-電-土”分離滲透式給水結構原理

蓄水槽開設在花盆中下部四周，在與土壤相接的內壁處開設細小柵格，以供均勻滲透補水。蓄水槽上方與壓片對應位置開給水口，在壓片的控制下給水口的開合。給水裝置分為上下兩個部分，分別置于主體與電控盒中。電控盒中的舵機轉動控制磁鐵的上下移動，將給水口的開合轉化為彈簧彈力與磁鐵磁力的較量，當磁力大于彈力時，磁鐵吸合并帶動上閥體關閉給水口，停止給水；當磁力小于彈力時，彈簧帶動上閥體上移后打開給水口，開始給水。

基于以上設計原理系統采用Inventor Autodesk軟件進行了機械結構設計，如圖5所示。主體部分與電控盒部分通過梯形凸臺旋轉嵌合與分離，實現了水與電的分離，并利用3D打印技術制作了整體結構。

圖5 機械結構設計

4.2 控制電路設計

如圖6所示，系統的控制電路部分由舵機與磁鐵、下彈簧構成，在托盤底座上，與閥體對應的豎直位置，開有1個滑道，內置下彈簧和高磁性銣磁鐵，下彈簧在停止給水時處于收縮狀態，依靠磁鐵-彈簧-舵機配合來為上閥體提供動力，從而控制給水狀態。

圖6 系統控制原理

當主控芯片發出給水信號時，Arduino調制PWM信號使舵機旋轉45°，松開尼龍細線帶動彈簧控制磁鐵，開始給水；當給水量達到植物生長所需量時，再次調制PWM信號使舵機回轉45°，停止給水。為了使水能夠順利進入滲透管道，還需要注意平衡管道內的壓強，因此在水槽內部設計了一根細長的管子，連通大氣平衡氣壓。此外，由于系統的主要動力來源于磁鐵與彈簧以及舵機翼的簡單擺動動作，裝置無論在靜息狀態還是工作狀態耗能都極低，符合環保節能的要求，增加花盆的待機時間，使用方便簡潔。

5 遠程智能設計

5.1 模式設計

為了平衡好產品自動化程度與種植樂趣的關系，加強用戶培養植物的參與感，系統根據使用場景及使用人群的行為與作息習慣設計了兩種可選模式［13-14］：托管模式與輔助模式，其設計原理框圖如圖7所示。

圖7 工作模式設計原理

托管模式適用于用戶受時間、空間限制無法及時照料植物的情況，可實現對植物的全方位監測與管理，無需人為干預即可保證植物的正常生長，采取手機選擇觸發的方式，可實現模式的遠程即時切換。在托管模式下，系統可實時監測植物根部土壤濕度，并對植物生長狀態做出評估，根據評估結果控制自動給水裝置，同時在托管模式下，系統其他輔助功能暫停使用以減少裝置耗能，更加節能環保。

輔助模式適用于用戶有條件進行手動植物培養的情況，通過手機選擇將工作模式切換為輔助模式。在輔助模式下同樣能夠實現對植物狀態的實時監測，系統可實時監測植物根部土壤濕度，并對植物生長狀態做出評估，并在評估結果為植物缺水狀態時通過顯示屏將相關信息發送給用戶，提醒用戶為植物手動補水；若用戶忘記補水時啟動自動補水裝置進行補救性補水。輔助模式下系統其他輔助功能以低功耗方式呈現。

5.2 遠程控制功能設計

系統基于物聯網技術結合Blinker與ESP8266 WiFi模塊實現遠程控制功能設計。Blinker是由“點燈科技”提供的一種物聯網接入方案，提供APP端、設備端與服務器端支持，并通過云服務器進行數據傳輸存儲?；贐linker平臺可以在其APP端設計定時控制、設備接入控制、設備分享等多種功能，實現人機交互。利用用戶端手機APP定時向系統發送心跳包，系統收到心跳包后會返回當前狀態，每30～60 s發送一次，數據更新的時間間隔基本滿足需求。

ESP8266采用STA站點模式，采用透傳單鏈方式接入互聯網，作為數據采集上傳工具，完成數據的收集和可視化［15-16］，將數據通過WiFi網絡與監控手機進行遠程通信。用戶通過手機APP即可遠程查看植物生長環境狀況并進行相應控制。

系統設計的用戶端手機APP界面如圖8所示，最上方為調試信息，用戶可以通過點擊刷新鍵手動刷新數據；中部為空氣濕度、空氣溫度、土壤濕度、當前時間與天氣等環境信息的顯示；最下側為控制按鈕，供用戶控制澆水狀況、使用模式切換等。

圖8 用戶端手機APP界面

5.3 輔助功能設計

系統采用了網絡數據爬取技術進行了聯網對時、天氣預報功能的設計。聯網對時功能基于Blinker庫內置的時間獲取功能實現，通過設定時區獲得當前北京時間和年月日周信息。天氣預報功能采用心知天氣的免費版API產品，通過對心知天氣API發起請求，服務器響應并返回天氣信息的Json數據，使用ArduinoJson庫對接收到的Json數據進行解析并處理得到當前實時天氣和之后兩天的天氣預測信息。

對于輔助功能獲取的相關信息及植物生長狀態信息，系統進行了終端OLED屏幕和用戶端手機APP界面雙顯示的設計。其中終端OLED顯示屏設定了5種顯示模式，依次為網絡時間、當前天氣、天氣預測、植物生長情況、室內溫濕度，顯示效果如圖9所示。同時，為了降低能耗，系統使用SW-420高靈敏度震動傳感器實現顯示屏自動休眠功能，當用戶希望從OLED屏幕上讀取信息時，輕拍喚醒系統顯示即可。

圖9 輔助功能顯示效果

6 系統測試

6.1 植物培養性能測試

使用約500 g普通土壤對系統的植物生長環境調節性能進行數據測試，以5 s為采樣間隔，監測普通水泵式給水系統與實驗設計系統的植物培養效果，測試曲線圖如圖10所示。測試結果表明，實驗設計的系統可以實現更加優質的智能植物培養，且滲透式給水方式與盆內土壤廣泛接觸，對植物供水較為充足且均勻，避免了水泵灌溉式澆水的積水、板結等問題，有利于植物茁壯生長。

圖10 植物培養性能測試曲線

6.2 功耗分析

系統對機械結構、控制邏輯等方面進行了改進，給水過程只有舵機旋轉時需要電能，避免了使用水泵供水持續消耗電能的問題，降低功耗；利用SW-420高靈敏度震動傳感器為系統OLED顯示屏增添自動休眠功能，需要查看OLED屏幕信息時，輕拍花盆即可喚醒，降低顯示功耗。

7 結 語

系統從多角度解決了植物的智能培養問題，提出了基于磁力控制的滲透式給水方式，實現了電-水-土分離設計，杜絕水土摻混與電子元件遇水問題的同時降低了系統能耗，改善了植物培養效果。利用機械設計技術實現了系統的無螺釘嵌合式連接，可以實現徒手拆卸，便于檢修與維護。充分結合物聯網技術，多種模式實現植物智能培養的同時借助網絡爬蟲技術，使系統具備聯網對時、天氣預報等輔助功能，很好地平衡了用戶參與感與系統自動化程度，解決了現有植物智能培養的問題，具有很好的推廣意義。