唐明祥，張?chǎng)紊瑮钚窆?，王楚楚，董桂?/p>

(吉林大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130062)

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們生活水平的日益提高，人們追求庭院、居室、辦公室等的美化綠化已成為時(shí)尚，越來(lái)越多的人已經(jīng)從單純地觀賞花卉轉(zhuǎn)變成自己動(dòng)手養(yǎng)護(hù)花卉。養(yǎng)護(hù)花卉需要具備一定的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，人們受專(zhuān)業(yè)知識(shí)這一局限，在養(yǎng)護(hù)花卉的過(guò)程中經(jīng)常遇到各種各樣的問(wèn)題，一旦操作不當(dāng)或考慮不周全易引起花卉生長(zhǎng)異常，甚至出現(xiàn)花卉死亡等。其中在養(yǎng)護(hù)花卉中澆水是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不僅要會(huì)澆水，更重要的是人們因遺忘、出差、探親和旅游等因素?zé)o法及時(shí)為花卉澆水，易造成花卉缺水甚至出現(xiàn)干死[1-3]?；谶@一現(xiàn)狀，研制自動(dòng)澆花系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，同時(shí)還能滿足吉林大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院農(nóng)學(xué)、植保、園藝、資環(huán)和生技共5個(gè)專(zhuān)業(yè)機(jī)械課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[4-5]。

1 實(shí)驗(yàn)裝置的研制

1.1 基本結(jié)構(gòu)

自動(dòng)澆花系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置主要由花盆、濕度傳感器、噴頭、電磁閥、電機(jī)水泵總成、水箱、進(jìn)水管、出水管、觸摸屏、主控板、驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊和電源模塊等組成，如圖1～2所示[6]。

圖1 自動(dòng)澆花系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 自動(dòng)澆花系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 主要組成部分及功能

實(shí)驗(yàn)裝置各組成部分都有著不同的功能，如表1所示。

表1 主要部件功能

1.3 工作原理

自動(dòng)澆花系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖3所示。自動(dòng)澆花系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置接通220 V電源，電源模塊將220 V電轉(zhuǎn)變?yōu)?2 V低壓電向微控制器供電。此時(shí)，通信模塊將接收到濕度傳感器感知的濕度值，并進(jìn)行處理后傳輸至微控制器。微控制器再通過(guò)顯示輸出模塊將濕度值傳送至觸摸屏顯示，此值為當(dāng)前濕度(或叫適時(shí)濕度)。在觸摸屏上可以設(shè)置濕度上限值和下限值，如果觸摸屏上顯示的當(dāng)前濕度值等于設(shè)定的濕度下限值時(shí)，微控制器立即發(fā)出指令通過(guò)輸出控制模塊同時(shí)啟動(dòng)電機(jī)水泵總成和電磁閥。此時(shí)，電機(jī)水泵總成將水箱中的水吸入澆花系統(tǒng)中，通過(guò)電磁閥向噴頭供水，噴頭向花盆澆水，觸摸屏上的當(dāng)前濕度值逐漸增大，當(dāng)增大到設(shè)定的濕度上限值時(shí)，微控制器立即發(fā)出指令通過(guò)輸出控制模塊同時(shí)停止電機(jī)水泵總成工作和關(guān)閉電磁閥，由于水源被切斷，噴頭立即停止向花盆澆水[7-9]。

圖3 自動(dòng)澆花系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置原理

1.4 創(chuàng)新點(diǎn)

(1)利用濕度值作為自動(dòng)澆花系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)水泵總成自動(dòng)啟動(dòng)與停止、電磁閥自動(dòng)開(kāi)啟與關(guān)閉。

(2)觸摸屏顯示3個(gè)“濕度值”，即當(dāng)前濕度值、濕度上限值、濕度下限值，同時(shí)，在觸摸屏上可以設(shè)定濕度上限值和濕度下限值，直觀方便。

(3)利用電磁閥實(shí)現(xiàn)對(duì)不同花盆的澆水，互不干擾[10]。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

2.1.1 連接實(shí)驗(yàn)裝置

將花盆和自動(dòng)澆花系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置放置在適當(dāng)位置，水箱加入足量的水，連接好噴頭、傳感器和水管等，將噴頭插入花盆接近中央的位置，并將噴頭調(diào)節(jié)為適合對(duì)花卉?chē)姙⒌哪Ｊ剑?個(gè)濕度傳感器暫時(shí)不插入花盆中(圖1)。

2.1.2 開(kāi)機(jī)

接通電源，實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)入啟動(dòng)畫(huà)面(圖4)，大約3 s直接進(jìn)入到主畫(huà)面，也可在開(kāi)機(jī)畫(huà)面的任意位置點(diǎn)擊進(jìn)入到主畫(huà)面(圖5)。此時(shí)顯示3個(gè)花盆的當(dāng)前濕度、濕度上限值和濕度下限值都是零，電磁閥狀態(tài)和開(kāi)關(guān)設(shè)定均處于關(guān)閉狀態(tài)。將3個(gè)濕度傳感器分別插入3個(gè)花盆中，每個(gè)濕度傳感器插在距離花盆中心1/4直徑(或邊長(zhǎng))處，其深度要根據(jù)花盆的高度而定，一般插入的深度為花盆深度的2/3左右即可，此時(shí)圖5所示狀態(tài)變?yōu)閳D6所示狀態(tài)，顯示3個(gè)花盆的濕度分別是30%、25%和20%。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)機(jī)畫(huà)面

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置主畫(huà)面

圖6 花盆里濕度顯示界面

2.1.3 設(shè)定實(shí)驗(yàn)裝置

為了使實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，首先要對(duì)圖6所示界面中參數(shù)、開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)置。點(diǎn)擊圖6所示界面中右下角“設(shè)定”按鈕進(jìn)入到圖7所示界面。點(diǎn)擊圖7所示界面中的“+”號(hào)或“-”號(hào)，設(shè)定1號(hào)花盆、2號(hào)花盆、3號(hào)花盆的濕度上限值分別為55%、50%和45%，濕度下限值分別為20%、15%和10%，如圖8所示。然后，點(diǎn)擊右下角的“確定”按鈕進(jìn)入圖9所示狀態(tài)。此時(shí)，再將圖9所示界面中3個(gè)花盆的自動(dòng)澆水開(kāi)關(guān)設(shè)為開(kāi)的位置，如圖10所示。至此，已完成對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)定，實(shí)驗(yàn)裝置處于工作狀態(tài)。

圖7 濕度上限值、濕度下限值設(shè)定界面

圖8 設(shè)定濕度上限值、濕度下限值

圖9 設(shè)定好的濕度上限值、濕度下限值

圖10 實(shí)驗(yàn)裝置處于工作狀態(tài)

2.1.4 自動(dòng)澆花

以1號(hào)花盆為例，當(dāng)前濕度值達(dá)到20%時(shí)，說(shuō)明1號(hào)花盆需要澆水，此時(shí)電機(jī)水泵總成啟動(dòng)，同時(shí)對(duì)應(yīng)1號(hào)花盆的電磁閥開(kāi)啟，噴頭向花盆澆水，(圖11)。屏幕上的閥狀態(tài)(電磁閥狀態(tài))指示燈變?yōu)榫G色，1號(hào)花盆的當(dāng)前濕度值逐漸增大，當(dāng)達(dá)到濕度上限值55%時(shí)，電機(jī)水泵總成立即停止工作，同時(shí)1號(hào)花盆的電磁閥也立即關(guān)閉，1號(hào)花盆自動(dòng)澆水完畢，電磁閥指示燈由綠色變?yōu)榛疑?圖12)。2號(hào)花盆、3號(hào)花盆自動(dòng)澆水過(guò)程與1號(hào)花盆相同。

圖11 1號(hào)花盆處于澆水狀態(tài)

圖12 1號(hào)花盆自動(dòng)澆水停止

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置的拆裝

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的拆裝練習(xí)，達(dá)到熟悉其基本結(jié)構(gòu)、工作原理和使用操作方法等[11-12]。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)觀察。觀察1號(hào)花盆、2號(hào)花盆、3號(hào)花盆的當(dāng)前濕度值。

(2)調(diào)整。調(diào)節(jié)3個(gè)花盆的濕度上限值、濕度下限值。

(3)觀察。觀察自動(dòng)澆花過(guò)程，尤其是開(kāi)始澆花和停止?jié)不▋蓚€(gè)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的當(dāng)前濕度值是否與提前設(shè)定好的濕度下限值、濕度上限值相符合。

(4)比較。比較濕度傳感器插在花盆的不同位置、不同深度，對(duì)自動(dòng)澆花開(kāi)始和結(jié)束兩個(gè)時(shí)刻有何影響。比較噴頭插在花盆的不同位置、噴灑方式，對(duì)自動(dòng)澆花開(kāi)始和結(jié)束兩個(gè)時(shí)刻有何影響。

2.3 注意事項(xiàng)

(1)正式啟用自動(dòng)澆花時(shí)，知曉被澆花卉應(yīng)該澆水時(shí)的濕度和澆足水時(shí)的濕度，必要時(shí)，利用實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)試。

(2)一定要選準(zhǔn)噴頭、傳感器插入花盆的位置與深度。

(3)根據(jù)需要自動(dòng)澆花的時(shí)間選擇足夠大的容器進(jìn)行儲(chǔ)水。

3 實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用及評(píng)價(jià)

3.1 教學(xué)應(yīng)用及評(píng)價(jià)

3.1.1 在本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

學(xué)院農(nóng)學(xué)、植保、園藝、資環(huán)和生技共5個(gè)專(zhuān)業(yè)涉及《農(nóng)業(yè)機(jī)械與應(yīng)用》《植保機(jī)械與應(yīng)用》和《園藝機(jī)械與應(yīng)用》3門(mén)機(jī)械課程，3門(mén)課程均包含澆灌方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。以往的教學(xué)主要是采用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的設(shè)備給學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，由于受教學(xué)時(shí)數(shù)的限制，只能采取現(xiàn)場(chǎng)講解為主的方式進(jìn)行，學(xué)生難以觀察到設(shè)備的工作狀態(tài)，更談不上親手操作。2020年秋季學(xué)期在農(nóng)學(xué)、植保、園藝、資環(huán)和生技5個(gè)專(zhuān)業(yè)的機(jī)械課實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行自動(dòng)澆花系統(tǒng)的應(yīng)用(表2)，共5個(gè)期班286人學(xué)時(shí)，收到了良好的教學(xué)效果。

表2 在本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

3.1.2 教學(xué)效果評(píng)價(jià)

為了更好地評(píng)價(jià)自動(dòng)澆花系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置在本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的教學(xué)效果，采取對(duì)比方式進(jìn)行分析。

針對(duì)2017級(jí)植保專(zhuān)業(yè)采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，受教學(xué)時(shí)數(shù)及設(shè)備陳舊等現(xiàn)狀，教師在課堂上只能通過(guò)普通設(shè)備及圖片講解灌溉設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及使用與維護(hù)。

針對(duì)2018級(jí)植保采用線上線下相結(jié)合的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，教師提前將課件、小視頻等材料傳至QQ群并通知學(xué)生課前做好充分預(yù)習(xí)，課堂上教師簡(jiǎn)單講解灌溉設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及使用與維護(hù)，以及自動(dòng)澆花系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的基本結(jié)構(gòu)、工作原理與使用操作，留出一定時(shí)間給學(xué)生實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)裝置，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。教師重點(diǎn)講解實(shí)驗(yàn)裝置在研制過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及改進(jìn)思路，在課堂上師生之間還有足夠的互動(dòng)時(shí)間，由此激發(fā)了學(xué)生上機(jī)械實(shí)驗(yàn)課的興趣與創(chuàng)新思維。

設(shè)置對(duì)“教學(xué)模式的滿意度”“提高學(xué)習(xí)興趣的滿意度”等4個(gè)問(wèn)題，對(duì)2017級(jí)植保33名學(xué)生、2018級(jí)植保32名學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查(表2)，結(jié)果表明，將自行研發(fā)的教具應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中能夠大幅度提高學(xué)生對(duì)線上線下教學(xué)模式的認(rèn)可度、學(xué)習(xí)興趣、自學(xué)能力和創(chuàng)新思維能力[13-15]。

表3 兩個(gè)年級(jí)學(xué)生的滿意度分析

3.2 日常生活中的應(yīng)用及評(píng)價(jià)

將實(shí)驗(yàn)裝置放在辦公室、家里對(duì)花卉進(jìn)行自動(dòng)澆水，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)實(shí)驗(yàn)，完全能解決出差、旅游、探親訪友等情況下對(duì)辦公室、庭院、家庭等地所養(yǎng)花卉進(jìn)行自動(dòng)澆水，避免花卉被干死的問(wèn)題[16]。為了進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的評(píng)價(jià)，設(shè)計(jì)了“實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)用性”“實(shí)驗(yàn)裝置的可靠性”和“實(shí)驗(yàn)裝置的可操作性”3個(gè)問(wèn)題，請(qǐng)來(lái)不同職業(yè)、不同年齡段、不同性別共18人，首先給他們?cè)敿?xì)講解自動(dòng)澆花系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的研制背景、基本結(jié)構(gòu)、工作原理和使用操作方法，然后給他們反復(fù)演示實(shí)驗(yàn)裝置自動(dòng)澆水的全過(guò)程，最后對(duì)這18人進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查(圖13)，調(diào)查結(jié)果顯示對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)用性、可靠性、可操作性的認(rèn)可度均達(dá)到92%以上，說(shuō)明大家對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的高度認(rèn)可。

圖13 實(shí)驗(yàn)裝置生活中應(yīng)用滿意度調(diào)查分析

3.3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

該實(shí)驗(yàn)裝置的成功研制，完全可以應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，只需對(duì)其中零部件的型號(hào)規(guī)格、管路、噴頭等進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，即可對(duì)溫室大棚、果園、旱地和草坪等根據(jù)土壤的濕度精準(zhǔn)澆灌，達(dá)到省時(shí)、省力，從而提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)自動(dòng)澆花系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的研制與應(yīng)用，解決了高校涉農(nóng)非機(jī)械專(zhuān)業(yè)學(xué)生更好地理解掌握《農(nóng)業(yè)機(jī)械與應(yīng)用》《植保機(jī)械與應(yīng)用》和《園藝機(jī)械與應(yīng)用》3門(mén)機(jī)械課程中所包含的噴灌、滴灌、噴藥機(jī)等設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、使用與維護(hù)，同時(shí)還能培養(yǎng)他們創(chuàng)新思維能力、分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力、實(shí)踐動(dòng)手能力，以及培養(yǎng)他們認(rèn)識(shí)學(xué)科交叉在科學(xué)研究中的重要性。此外，研究的實(shí)驗(yàn)裝置在現(xiàn)實(shí)生活中可以進(jìn)行有效應(yīng)用，解決因出差、旅游、探親訪友等情況下，辦公室、庭院、家庭等地所養(yǎng)的花卉不被干死的問(wèn)題。