徐 銘，孫景鵬，王 洋，王博涵

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

1 研究背景

1.1 研究的意義

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，人們的生活水平的不斷提高，對(duì)于辦公等公共環(huán)境和家庭生活環(huán)境質(zhì)量要求也越來(lái)越高。根據(jù)平日觀察，幾乎所有的機(jī)關(guān)大樓、商城、寫字樓等公共場(chǎng)所的局部區(qū)域都會(huì)擺放部分花卉，絕大部分人都會(huì)在工作學(xué)習(xí)之余，在住所和辦公室養(yǎng)花，改善生活環(huán)境，修身養(yǎng)性?；ɑ軐?duì)水的需求十分敏感，尤其是在花蕾和開(kāi)花期，缺水會(huì)影響開(kāi)花數(shù)量和質(zhì)量，嚴(yán)重缺水會(huì)直接導(dǎo)致花蕾枯萎，因此，適時(shí)適量澆水是花卉養(yǎng)殖的關(guān)鍵條件。然而現(xiàn)代社會(huì)一個(gè)高效率、快節(jié)奏的高科技時(shí)代，人們平時(shí)上班工作比較忙，難以有充分的時(shí)間悉心照顧花草，并且經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)出差、休假旅游等家庭無(wú)人的情況，花草盆摘會(huì)因缺水而枯死，這不僅造成了一定的個(gè)人經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)養(yǎng)花人本身也是一種精神上的損失。在公共場(chǎng)所，對(duì)花卉澆水更是一項(xiàng)繁雜的工程，耗費(fèi)人力較多，勞動(dòng)力成本很高，而且很多花卉需水量不同，人工控制也難以保證適量，經(jīng)常造成用水浪費(fèi)。

目前，雖然市場(chǎng)上各種各樣的自動(dòng)澆花控制系統(tǒng)人們已經(jīng)研究出來(lái)了，但是很多的自動(dòng)澆花系統(tǒng)仍然存在很多弊端或適用范圍不同，而且可行性不高，缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹谱魇褂酶拍詈驮O(shè)計(jì)機(jī)理?，F(xiàn)在市場(chǎng)上現(xiàn)有的自動(dòng)澆花控制裝置要么太過(guò)簡(jiǎn)單不夠完善，沒(méi)有人們想象中的那么便捷高效?；趯?duì)現(xiàn)有澆花裝置中存在的一些缺陷，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)智能澆花控制系統(tǒng)裝置，更好地滿足養(yǎng)花人需求。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，微電子技術(shù)正處于發(fā)展階段，自動(dòng)澆花系統(tǒng)的誕生也是隨著人們生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快而誕生的一種懶人園藝用品。早在很多年前，國(guó)外就已經(jīng)開(kāi)始使用，但是其價(jià)格卻非常昂貴。例如，法國(guó)農(nóng)業(yè)研究人員最近發(fā)明了一種能準(zhǔn)確測(cè)定盆花需水量，并能自行適時(shí)為其澆水的機(jī)械裝置。在俄羅斯，有些人種植花卉時(shí)不愿與泥土打交道，很多花草不適于長(zhǎng)期在水中培育。為了解決這個(gè)問(wèn)題，俄羅斯研究人員研制出一種自動(dòng)灌溉裝置，能使部分花卉在數(shù)星期內(nèi)無(wú)需照看。幾年前，我們使用的電子類自動(dòng)澆花系統(tǒng)是從國(guó)外進(jìn)口的，價(jià)格昂貴，大多是用于花園、農(nóng)場(chǎng)等地方。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，目前擁有很多從事生物研發(fā)的科研單位，以及眾多從事生物科學(xué)研究的人員，為我國(guó)的花卉研發(fā)提供了重要的人員及技術(shù)保障。新時(shí)代背景下，人們生活水平的提高，人們的生活質(zhì)量越來(lái)越為人們關(guān)注，種養(yǎng)盆摘將成為人們?cè)絹?lái)越喜歡的休閑項(xiàng)目之一。互聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)今人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚墓ぞ?，是信息傳遞的速度更快，突破傳統(tǒng)的經(jīng)營(yíng)模式，增加客戶的需求量，能為花卉產(chǎn)業(yè)打開(kāi)市場(chǎng)。依據(jù)PC互聯(lián)網(wǎng)、電子商務(wù)應(yīng)用、人工智能等可以與花卉行業(yè)相結(jié)合，能夠開(kāi)拓花卉市場(chǎng)的發(fā)展，這一決策振興了花卉產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)。在“互聯(lián)網(wǎng)+花卉”的創(chuàng)新模式下，花卉的種植走向了一條全新的創(chuàng)新之路，一種綜合性的自動(dòng)澆花控制系統(tǒng)的產(chǎn)品非常符合大眾的生活需求。

2 設(shè)計(jì)思路

智能澆花器設(shè)計(jì)堅(jiān)持黨的十九大提出的綠色發(fā)展理念，在設(shè)計(jì)中充分考慮節(jié)約用水、節(jié)約能耗，充分考慮降低成本、使用便捷。智能澆花器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括智能控制、能源供給、無(wú)線傳輸3個(gè)模塊。

2.1 智能控制模塊

智能控制首先是智能感知，利用傳感器將采集到的信息資料轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏眯盘?hào)。傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件和相對(duì)應(yīng)的電子電路共同構(gòu)成，在使用的過(guò)程中直接響應(yīng)于被測(cè)物理量并且產(chǎn)生可用信號(hào)輸出。并且當(dāng)外界的濕度變化時(shí)，它里面的電阻值也會(huì)隨之變化，電阻值的變化范圍一般為0～10kΩ，當(dāng)電阻變化時(shí)，電路的輸出電壓也會(huì)產(chǎn)生變化。因此當(dāng)調(diào)變電阻的大小，能獲得一定值的電壓，滿足電路的需求。本文設(shè)計(jì)采用的是YL- 69土壤濕度傳感器。然后是自動(dòng)灌溉系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，主要采用結(jié)構(gòu)化以及模塊化的方法，這樣便于功能的擴(kuò)展，自動(dòng)灌溉系統(tǒng)用C語(yǔ)言編寫來(lái)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。YL- 69濕度傳感器測(cè)出濕度模擬數(shù)據(jù)，然后對(duì)測(cè)出的進(jìn)行處理轉(zhuǎn)為二進(jìn)制值，再經(jīng)過(guò)三線制接口發(fā)送給單片機(jī)。為了使采樣值變得更加精確，對(duì)獲得的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行一些補(bǔ)償?shù)乃惴ǎa(bǔ)償之后再送到液晶LCD顯示器顯示。先按萬(wàn)用板上設(shè)置鍵設(shè)定濕度大小，濕度傳感器是土壤濕度YL- 69傳感器，數(shù)字濕度傳感器濕度測(cè)量范圍為0.01～0.99RH，分辨率大小為0.5%RH，測(cè)量精度誤差大小為正負(fù)3.0%RH；響應(yīng)時(shí)間典型值為5s；正常使用電壓的大小為4.5～5.5V。YL- 69土壤濕度傳感器溫檢測(cè)到濕度大小發(fā)送到單片機(jī)并處理顯示在LCD屏幕上，當(dāng)檢測(cè)濕度小于設(shè)定濕度大小時(shí)，單片機(jī)發(fā)出一個(gè)指令，sethp2.0，繼電器的線圈通電，常開(kāi)觸點(diǎn)就閉合，于是電磁閥的線圈得電并且閥門由閉合狀態(tài)變?yōu)閿嚅_(kāi)狀態(tài)，水泵抽水進(jìn)行灌溉；當(dāng)檢測(cè)的濕度等于或高于設(shè)定濕度大小時(shí)，clrp2.0，繼電器的線圈失電，常開(kāi)觸點(diǎn)就斷開(kāi)，于是電磁閥線圈失電并且閥門閉合，水泵停止灌溉。

2.2 能源供給模塊

整個(gè)系統(tǒng)總能源包括太陽(yáng)能電池和家用220V交變電壓。太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電效應(yīng)或者光反應(yīng)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。當(dāng)光線照射太陽(yáng)能板表面時(shí)，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了躍遷成為自由電子在P-N兩側(cè)聚集形成電位差，當(dāng)外部接通電路時(shí)，在該電壓作用下，將會(huì)有電流流過(guò)外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過(guò)程的實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程。能源用于對(duì)單片機(jī)和攝像頭供電，節(jié)約了電能，保護(hù)環(huán)境。后者用于給智能設(shè)備(無(wú)線傳輸器)和水泵供電，提供遠(yuǎn)程控制的能源，從而實(shí)現(xiàn)水與智能科技相結(jié)合。

2.3 無(wú)線傳輸模塊

手機(jī)APP遠(yuǎn)程監(jiān)控PLC系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和控制技術(shù)的結(jié)合的一門先進(jìn)技術(shù)。信息技術(shù)發(fā)展使得遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)得以快速發(fā)展。遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)是遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制的結(jié)合，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)是指遠(yuǎn)程獲得被監(jiān)控資源對(duì)象的數(shù)據(jù)信息，遠(yuǎn)程控制是指遠(yuǎn)程發(fā)送命令控制現(xiàn)場(chǎng)資源對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)。一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通常由遠(yuǎn)程監(jiān)控端系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端系統(tǒng)構(gòu)成。三個(gè)子系統(tǒng)分工合作，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程資源的監(jiān)控。而后，景物通過(guò)(LENS)生成的光學(xué)圖像投射到圖像傳感器表面上，然后轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換)，轉(zhuǎn)化后變?yōu)閿?shù)字圖像信號(hào)，在送到數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)中加工處理，通過(guò)顯示器就可以看到錄像了。遠(yuǎn)程控制是通過(guò)手機(jī)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程觀察花兒的生長(zhǎng)狀態(tài)以及生長(zhǎng)環(huán)境，通過(guò)攝像頭觀察的信息，可以人為的對(duì)花兒進(jìn)行噴水，滿足養(yǎng)花愛(ài)好者的心理需求。也可以通過(guò)手機(jī)APP設(shè)置對(duì)花兒進(jìn)行定時(shí)噴灑，定時(shí)清理花兒。

3 創(chuàng)新特色

(1)采用無(wú)線土壤水分傳感器科學(xué)采集土壤濕度。產(chǎn)品采用盆栽種類，土壤濕度等多種信息作為澆花過(guò)程的控制參數(shù)，采用土壤濕度傳感器YL- 69模塊對(duì)土壤濕度進(jìn)行采集利用單片機(jī)對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)了澆花過(guò)程的科學(xué)、自動(dòng)控制。本系統(tǒng)成本低、體積小、應(yīng)用簡(jiǎn)單、便于維護(hù)使用的特點(diǎn)，該設(shè)計(jì)也可為其他農(nóng)田等濕度控制的研究提供參考。

(2)科學(xué)合理的利用太陽(yáng)光能，將其轉(zhuǎn)化成電能用于能源供給。在習(xí)近平總書(shū)記新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想指引下，要牢固樹(shù)立社會(huì)主義生態(tài)文明觀，堅(jiān)決打好生態(tài)環(huán)境保護(hù)攻堅(jiān)戰(zhàn)。該產(chǎn)品利用太陽(yáng)能資源來(lái)滿足整個(gè)系統(tǒng)所需電量，節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境。發(fā)展利用太陽(yáng)能資源，不僅對(duì)緩解傳統(tǒng)石油、煤炭等資源短缺、保護(hù)生態(tài)環(huán)境有著重要的意義，同時(shí)可以推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，形成新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，促進(jìn)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

(3)無(wú)線傳輸?shù)绞謾C(jī)APP上，觀察并控制水箱噴花，造成噴霧。在建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)、數(shù)字中國(guó)、智慧社會(huì)的時(shí)代背景下，網(wǎng)絡(luò)信息科技已成為我國(guó)全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的重要內(nèi)容。貫徹創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動(dòng)力，該產(chǎn)品利用互聯(lián)網(wǎng)手機(jī)APP，可以遠(yuǎn)程觀看并控制水泵澆水，提高了養(yǎng)花者的生活質(zhì)量，滿足了養(yǎng)花愛(ài)好者的精神需求。

4 應(yīng)用前景

智能澆花器一方面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)種植花卉缺水時(shí)的自動(dòng)灌溉，另一方面也可以對(duì)不同花卉對(duì)水量需求不同而澆灌實(shí)現(xiàn)水分的科學(xué)滿足。本次設(shè)計(jì)的智能澆花器還具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、體積小、能耗小等諸多優(yōu)點(diǎn)；實(shí)際使用中更是便于安放，不會(huì)占用大量空間，可以促進(jìn)花卉的科學(xué)生長(zhǎng)，不會(huì)造成花卉的缺水、多水等現(xiàn)象不利于花卉的茁壯成長(zhǎng)。

在實(shí)際生活中，該產(chǎn)品對(duì)于一些好于養(yǎng)花卻沒(méi)有時(shí)間澆花的常出差、繁忙的上班族、行動(dòng)不便的中老年人群、高校的教師和學(xué)生等有著極大的方便。，對(duì)于寫字樓、商場(chǎng)等公共場(chǎng)所，為了保證花卉的的正常生長(zhǎng)需每日每時(shí)澆水，大量減少花卉澆水管護(hù)工作量，節(jié)約勞動(dòng)力，降低人力成本。同時(shí)，為了吸引消費(fèi)者的眼球，根據(jù)商家的喜好設(shè)置成不同logo以吸引消費(fèi)者注意，滿足消費(fèi)者心理需求。

在全國(guó)各地都有著龐大的養(yǎng)花人群，該產(chǎn)品如果推廣到市場(chǎng)，對(duì)于以上這些人群和花卉市場(chǎng)的老板將是一個(gè)很大的誘惑，產(chǎn)品具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。