基于Arduino的自動調節花卉土壤濕度系統的設計與實現

徐金增，孫好

（山東特殊教育職業學院，山東濟南，250022）

0 引言

不同花卉對生長環境的土壤濕度喜好不同，有些花卉（如常春藤、綠蘿等）喜水，必須時常保持土壤濕度；有些花卉（如長壽花、虎皮蘭等）不喜水，土壤濕度過大容易導致根系腐爛。現實生活中，養花人并不能準確判斷花卉土壤的濕度，只能根據自己的經驗判斷給花卉澆水，花卉土壤水分過多或過少都不利于花卉健康正常生長。

本文利用Arduino Uno開發板設計開發了一款自動調節花卉土壤濕度系統，通過土壤濕度傳感器可實時監測花卉土壤濕度，并可根據不同花卉的喜水特性設置不同的土壤濕度值，由Arduino Uno控制器自動作出花卉土壤是否需要澆水的判斷，控制電磁水閥開關進行澆水，從而實現不同花卉土壤保持在合適濕度，保證花卉健康正常生長。

1 系統設計方案

本系統以Arduino Uno開發板為核心，采用Moisture Sensor土壤濕度傳感器實時監測花卉土壤的濕度值，土壤濕度監測值通過模擬A0端口輸入ArduinoUno開發板，經系統對比提前設定的花卉土壤濕度值，若花卉土壤濕度值小于提前設定的濕度值，則ArduinoUno開發板的數字2和數字3端口輸出高電平，點亮LED指示燈并同時打開直流電磁水閥給花卉澆水；當花卉土壤濕度值達到或超過提前設定的土度值時，則ArduinoUno開發板的數字2和數字3端口輸出低電平，關閉LED指示燈和直流電磁水閥，停止澆水。

圖1 系統設計圖

1.1 土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器可分為電容型土壤濕度傳感器、電阻型土壤濕度傳感器和離子型土壤濕度傳感器。

電容型土壤濕度傳感器的敏感元件為濕敏電容，主要材料一般為金屬氧化物、高分子聚合物。其工作原理為：由于水分子有較大的電偶極矩，吸水后材料的電容率發生變化，電容器的電容值也就發生變化，把電容值的變化轉變為電信號，實現對土壤濕度進行監測。

電阻型土壤濕度傳感器的敏感元件為濕敏電阻，其主要的材料一般為電介質、半導體、多孔陶瓷等。其工作原理為：濕敏電阻對水的吸附較強，吸附水分后電阻率/電導率會隨濕度的變化而變化，濕度的變化可導致濕敏電阻阻值發生變化，電阻值的變化轉化為電信號，實現對土壤濕度進行監測。

離子敏場效應晶體管（ISFET）屬于半導體生物傳感器，離子敏型土壤濕度傳感器結構如圖2所示。離子敏感器件由離子選擇膜（敏感膜）和轉換器兩部分組成，敏感膜用以識別離子的種類和濃度，轉換器則將敏感膜感知的信息轉換為電信號，實現對土壤濕度進行監測。

圖2 離子敏型土壤濕度傳感器結構圖

本系統花卉土壤濕度傳感器采用Moisture Sensor集成模塊,電路圖如3所示，其結構為叉型設計，方便插入花卉土壤。模塊工作電壓為2.0～5.0V。Moisture Sensor集成模塊主要是利用三極管的電流放大原理，當土壤中的水分使三極管的基極與電源正極導通的時候，在三極管的基極和發射極之間就會產生一定大小的電流，此時在三極管的集電極和發射極之間就會產生一個一定放大倍數的電流，該電流經過發射極的電阻產生電壓供AD轉換器采集。

圖3 Moisture Sensor電路圖

Moisture Sensor模塊有3個接口，分別為VCC（電源）、GND（接地）和AOUT（模擬量輸出）,在系統中分別連接ArduinoUno開發板的VCC、GND和模擬A0端口。通過系統串口監視器可實時觀察濕度傳感器輸入到模擬A0端口的數值（如圖4所示）。經實驗測試，串口數值最小為0，最大為750左右。其中輸出數值越大，代表土壤水分含量越多。系統可根據不同植物喜水特性設置不同的數值，低于設定數值，代表土壤比較干燥，花卉缺水，需打開電磁水閥澆水；高于設定數值，代表土壤濕度大于花卉需要的濕度，花卉不需要澆水。

圖4 串口監視器

1.2 直流電磁水閥

直流電磁水閥分為常閉型直流電磁水閥和常開型直流電磁水閥。常閉型直流電磁水閥是當線圈通電時，電磁閥打開；當線圈斷電時，電磁閥關閉。而常開型直流電此水閥正好相反，為當線圈通電時，電磁閥關閉；當線圈斷電時，電磁閥打開。

電磁水閥為二次開閥的先導式電磁閥，其結構主要由導閥和主閥組成，主閥采用橡膠密封結構，其結構圖如圖5所示。常位時，活動鐵芯封住導閥口，閥腔內壓力平衡，主閥口封閉。當線圈通電時，產生電磁力將活動鐵芯吸上，主閥腔內的介質自導閥口外泄，以至產生壓力差，膜片或閥杯被迅速托起，主閥口開啟，閥便呈通路。當線圈斷電，磁場消失，活動鐵芯復位，封閉導閥口，導閥和主閥腔內壓力平衡后，閥又呈關閉狀態。

圖5 電磁水閥結構圖

本系統澆水設備控制端采用常閉型DC5V直流電磁水閥，電磁水閥有電氣和水流控制兩個端口，其中電氣端為電源接口和接地接口，電源接口直接與ArduinoUno開發板數字3端口連接，接地接口與ArduinoUno開發板GND端口連接。水流端進水口接水源，出水口接噴灑頭。當ArduinoUno開發板數字3端口輸出高電平（+5V）時，電磁水閥通電打開通水，可實現給花卉澆水，當ArduinoUno開發板數字3端口輸出低電平(0V)時，電磁水閥斷電關閉斷水。

2 系統電路設計

本系統硬件主要采用Arduino Uno開發板、Moisture Sensor土壤濕度傳感器、常閉型DC5V直流電磁水閥和LED指示燈組成（如圖6所示）。以Arduino Uno開發板為核心，模擬A0端口連接Moisture Sensor土壤濕度傳感器的AOUT模擬量輸出端口，數字2端口通過220歐姆的限流電阻連接LED電源指示燈，數字3端口連接DC5V電磁水閥的電源輸入引腳。Arduino Uno開發板可以通過USB供電，也可單獨使用直流電源供電。

圖6 系統電路圖

3 系統程序設計

系統程序既可使用Arduino IDE編寫也可以使用圖形化編程軟件Mixly編寫。Arduino IDE是一款開放源代碼的集成開發環境，可在Windows、Macintosh OSX、Linux三大主流操作系統上運行，其基于Processing IDE開發，對于初學者來說，極易掌握，同時有著足夠的靈活性。Mixly是由北京師范大學傅賽博士團隊組織開發的一款免費開源的圖形化編程工具，開發者可以通過拼接積木塊的方式來編寫程序，具有易用性、簡單性、普適性和延續性。

圖7 程序流程圖

（1）Arduino IDE程序設計如下：

（2）Mixly程序設計如圖8所示。

圖8

通過標準USB下載線連接電腦與Arduino Uno開發板，選擇設備串口端口（可通過電腦設備管理器查看連接Arduino Uno設備的com端口），通過“上傳”功能即可將程序下載到Arduino Uno開發板中。

4 實物連接圖

本系統實物連接圖如圖9所示，電路連接簡單，只需要連接Arduino Uno開發板的1個模擬端口、2個數字端口和電源端、接地端。程序下載到Arduino Uno開發板后，通過實驗，可完全實現本系統功能。

圖9 實物連接圖

5 結束語

通過本設計系統可便捷地實現花卉土壤濕度監測，并可根據不同花卉喜水特性設置不同的土壤濕度值，當花卉土壤濕度低于設定值時自動打開水閥澆水，土壤達到設定濕度后自動停止澆水，從而實現不同花卉土壤保持在合適濕度，保證花卉健康生長。

經過試驗，本系統可長時間穩定工作，實現花卉土壤干燥時自動澆水，土壤濕度達到設定條件時停止澆水，從而保持花卉土壤的濕度，完全滿足設計的目的和要求，設計原理簡單，可直接開發應用。