基于单片机的太阳能自动盆栽灌溉器设计与制造

刘晓金+闫华杰+张子民等

摘 要：为了满足国内外室内盆栽作物灌溉的需求， 设计了一种适宜家用的自动盆栽灌溉器。此灌溉器以STM32F103V8T6单片机作为主控核心，用湿度传感器为其传递土壤湿度信息，单片机处理完电子信号后做出分析，同时将信息传给LED显示屏和水泵，且利用太阳能电池板为系统供电，绿色环保，在供水时采用自行设计的输液器插入植物根系部分，减少水资源浪费。此装置提高了灌溉的精度和温室栽培作物的人工智能程度。

关键词：盆栽作物；单片机；湿度传感器；自动灌溉；节能环保

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.001

0 引言

近年来，随着社会流动人口的增加，大量的人沦为候鸟族，而其中喜欢种植盆栽的人，出差期间盆栽灌溉就成了比较头疼的问题，另外很多种植盆栽的人因工作节奏加快而常常忘记照顾盆栽。基于此，市场急需一款盆栽室内灌溉系统来弥补这一需求漏洞。目前国内外盆栽灌溉主要形式有：底部自吸式供水，使用方便，但是灌溉精度不高，随着植物的生长加吸水材料不便捷，不够人性化；对花盆称重利用单片机控制自动灌溉，这种装置灌溉方式严重依赖于花盆总重量变化，而如果植物重量较小，不易称重或植物生长状况不能按照预期生长，总重和标准值差别较大，就不易实现智能灌溉；基于可编程逻辑控制器的灌溉装置，这种装置精度高，能实现自动控制，但是价格昂贵。故急需一款自动化程度高，使用方便，造价不高的自动灌溉系统来满足这一市场需求。

1 智能灌溉系统总体设计

基于单片机的太阳能自动盆栽灌溉器采用嵌入式智能灌溉控制系统，具有数据采集功能，定时控制、循环控制功能，变速功能，自动停转功能，故障自动检测功能等。数据采集功能将传感器检测到的模拟量转换成数字量传到控制中心。定时控制、循环控制功能能够通过设置自动进行灌溉，湿度达到要求之后自动停止灌溉。变速功能根据检测的土壤湿度自动控制电动机的转速，控制灌溉速度。故障自动检测功能能够提醒操作人员本系统出现问题，尽快解决问题。且系统以太阳能电池板作为供能元件，能源清洁，真正实现全自动节能灌溉。

基于单片机的太阳能自动盆栽灌溉器主要由四大模块组成。土壤检测模块：检测模块主要由土壤湿度检测器等组成，实时监测土壤含水量信息。核心控制模块：控制模块由单片机、按钮组成，是系统的核心，接受信号，分析做出反应。太阳能供能模块：供能模块主要由可充电锂电池、太阳能板、转压模块组成，吸收太阳能，将太阳能转换为系统可直接使用的电能。执行模块：包含水泵及OLED显示屏，自行设计的入土试输液器组成，实时将系统电信号传达至显示屏上，并且同时传递给水泵，进行灌溉。总体结构设计如图1所示。

2 智能灌溉系统模块化设计

2.1 湿度模块

土壤湿度检测传感器是检测模块的核心部件。本设计中使用的是YL69土壤湿度传感器，它表面采用镀镍处理，有加宽的感应面积，可以提高导电性能，防止接触土壤容易生锈的问题，延长使用寿命。YL69通过单片机IO口实现对YL69的正弦交流供电，以解决直流供电引起的两极间极化现象。YL69测量的土壤湿度范围为0～100%，且误差在±3%之间，能够满足喜阴湿花卉（如秋海棠、兰 花、杜鹃花）、耐干旱花卉（如仙人球、 龙舌兰）、中性花丼（如白兰花、茉莉花）的土壤湿度要求。而YL69输出的电压值通过AD转换，将获得的土壤湿度精确的数值传送给单片机，再经单片机内部的运算与相应程序的执行，将最终得到的指令信号输出给水泵，最终实现对花盆内植物生长土壤的实时湿度的智能控制，使其保持在植物生长所需的适宜值。TL69的信号采集与处理电路如图2所示。

2.2 核心控制模块

本系统以STM32F103V8T6作为主控核心。该处理器处理速度为72M，处理速度快，能够快速进行软件上的多种算法运算，且使显示屏显示字符，图片流畅。系统中单片机的主要引脚功能如表1所示。

单片机接受到传感器传回的数据后进行算法运算得到准确的当前土壤湿度，之后控制水泵实现相应转速的转动。其中，当单片机检测到用户按下按键后，修改相应的设定湿度，并显示在显示屏中。系统为用户提供了四种湿度选择，分别为适宜耐干旱花卉的湿度1，适宜中性花丼的湿度2和湿度3（根据季节选择湿度2和3），适宜喜阴湿花卉的湿度4。并且本设计中为了满足植物适宜的浇水原则：干干湿湿，不干不浇，见干即浇，浇要浇透。（干干湿湿，是使土壤时干，时湿。既保证花木供水，又使盆土透气，保护根系發育。干的标准是盆土上层干燥，底土尚有潮气，植株生长正常或叶片中午出现短暂萎蔫）。采用了以下方法：（1）采用小流量断续浇水的方法，加上土壤湿度检测器的反馈构成闭环系统，使得系统可以为植物营造适宜的湿度环境。（2）软件设计上使用了多种滤波算法来得到精准的当前土壤湿度状况，并通过PID算法精准控制灌溉装置。（3）软件对土壤水分的渗透速度进行计算，使灌溉后土壤湿度全方位达到一个精准的设定值。关键算法如下所示。

typedefstructPID_TypeDef

{

float Kp；//比例系数

float Ki；//积分系数

float Kd；//微分系数

float setdata；//设定值

float setimax；//设定积分最大值

float setomax；//输出最大值

floatsetmin；

float Pout；//比例输出

float Iout；//积分输出

float Dout；//微分输出

float error[2]；//偏差值

float realdata；//实际速度值endprint

float output；//PID输出

void（*calc）（structPID_TypeDef *pid）；

void（*reset）（structPID_TypeDef *pid）；

}PID_TypeDef；

voidabs_limit（float *a，float ABS_MAX）

{

if（*a >ABS_MAX）

*a=ABS_MAX；

if（*a <-ABS_MAX）

*a=-ABS_MAX；

}

voidPID_Calc（PID_TypeDef *pid）

{

pid->error[NOW] = pid->setdata - pid->realdata；

pid->Pout = pid->Kp*pid->error[NOW]；

pid->Iout += pid->Ki*pid->error[NOW]；

pid->Dout = pid->Kd*（pid->error[NOW] - pid->error[LAST]）；

abs_limit（&（pid->Iout），pid->setimax）；

pid->output = pid->Pout + pid->Iout + pid->Dout；

abs_limit（&（pid->output），pid->setomax）；

pid->error[LAST] = pid->error[NOW]；

}

程序具体流程图如图3所示。

2.3 供能模块

供能模块由太阳能电池板、稳压器、可充电锂电池和转压模块组成。太阳能电池板绿色环保，它将光能转化为电能后为锂电池充电。选用的太阳能电池板尺寸为235*173*20mm，重量为0.36kg，表面材质为超白布纹钢化玻璃，寿命长达25年，且成本较低。稳压器能够稳定输出5V电压，不会对锂电池的寿命造成损害。选用的锂电池为具有过压保护、短路保护、过流保护、过充保护、过放保护、过功率保护、温度保护八种保护的可充电锂电池，安全稳定。转压模块采用降压、稳压结合组成的电路，输出平稳。水泵控制采用可控硅，体积小、耐用、输出电压稳定且使得水泵功率可调。供能模块通过它们的组合利用光能为整个系统提供稳定可靠的电源。太阳能板的参数如表2所示。

2.4 执行模块

2.4.1 显示部分

系统中采用0.96寸OLED显示屏，同时采用IIC通信与单片机实现数据交互。IIC通信只需占用单片机两个IO口，且高效稳定，方便线路布置。显示屏用来显示当前花盆内湿度状况、用户设置的湿度等级、阳光照射程度，以此来供用户选择最适宜植物生长的环境。使用的OLED显示屏响应快、能耗低，显示颜色纯正，在阳光下有很好的可视效果。这使得用户在阳光照射下也能清晰读到花盆植物当前环境的状态信息。

2.4.2 水泵部分

系统中采用5V的水泵作为花盆的灌溉设备。功率小且可调速使灌溉更符合花盆作物的生长规律。灌溉装置采用自主设计的浇灌头，有助于均匀浇灌且不会造成堵塞。水泵噪音极小，且可调功率，结合控制算法使灌溉达到“干干湿湿，不干不浇，见干即浇，浇要浇透”的效果，更符合植物的生长规律。

2.4.3 输液器部分

考虑到在土层表面输液，会造成水分蒸发浪费，且水资源没有输送到关键部位，造成二次浪费，故在设计输液器时综合了以上因素，设计了一款入土式输液器。采用类回转体的外型设计，减小体积，减小了对土壤结构的破坏，在四周矩形长条孔，进行放液，四周外置略小于开口的挡泥板，具体尺寸如图4所示。

且根据多次使用输液器情况可得，在将输液器插入土壤过程中，输液器的受力情况可简化为如图5所示，F1，F2分别为挡泥板受力和柱体受力，且主要的力集中在F3，F4，F5。另外所受力与土壤种类和湿度、密度等各种条件有关，取常见的含水量18.5%～20%的飽墒黑土，用压力计侧得压力所受范围为21.10N～32.70N，考虑到其他复杂条件下的受力情况，F3取40N，σ3=F3/S=14mpa。由于侧面所受应力主要来源于土壤挤压，相对F3而言较小，故柱体采用侧面0.015mpa受力，挡泥板用0.02mpa计算，进行受力分析，采用材铝合金质量轻，强度高，且防水性好。运用ansys进行有限元分析应力应变分析。结果如图6、图7和图8所示。铝合金制输液器总体应力应变情况良好，F3的大小对总体最大应变影响不大，故输液器可承受的压力可以在40N的基础上继续增加知且在挡泥板末端会产生1mm左右的形变，减小了主体的侧应力，将其集中于挡泥板，产生的小变形使原来的矩形接触面积变为末端类三角形，减小了末端与土的接触面积，增加根部的灌溉量，减少了表层水的灌溉，减少了水分的损失，并且应挡泥板产生的微应变，可使其牢牢的固定在土壤中。如土太细可根据选择内置滤网，花盆较大也可在尾端攻出螺纹，外接金属管根据需求增加长度。盆栽灌溉器模块化设计实物如图9所示。

3 结论

本盆栽自动灌溉器，具有以下优点：灌溉智能，可以依据植物的需求灌溉，解放了人的劳动力，实现了自动化；灌溉在时间和空间上灌溉精度高；利用太阳能给装置供电，能完全满足系统的需要，绿色环保；为本装置设计的输液器，可将水直接供给植物的根部，节省了水资源。综合现在国内市场上的盆栽自动灌溉装置，本盆栽自动灌溉器在智能控制等功能上比称重和底部自吸式的装置更加智能，且更加绿色环保。将本装置嵌入花盆内，使装置结构紧凑美观。另外也可以和物联网结合起来，用手机的便携工具远程控制灌溉，未来发展潜力巨大。

参考文献：

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[2]王琼，陈青云.底部自吸式灌溉对蔬菜生长和水分利用的影响[J].北方园艺，2010，15（08）：190-193.

[3]王立忠，蒋宁，程礼邦等.盆栽植物土壤水分监测及自动灌溉系统设计[J].吉林师范大学学报（自然科学版），2015，36（01）：95-98.

[4]吴洪涛.可编程控制器在自动灌溉系统中的应用[J].森林工程，2006，22（03）：19-21.

[5]陈方丹.实用新型专利“自动灌溉花盆”简介[J].现代物业，2013

（10）：5-6.

基金项目：河北省大学生创新创业训练计划项目（X2017003）。

作者简介：刘晓金（1998-），男，本科，过程装备与控制工程专业，河北省大创项目负责人。endprint