智能浇花机器设计

徐 铭，孙景鹏，王 洋，王博涵

(东北农业大学 水利与土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

1 研究背景

1.1 研究的意义

随着经济发展和城市化进程加快，人们的生活水平的不断提高，对于办公等公共环境和家庭生活环境质量要求也越来越高。根据平日观察，几乎所有的机关大楼、商城、写字楼等公共场所的局部区域都会摆放部分花卉，绝大部分人都会在工作学习之余，在住所和办公室养花，改善生活环境，修身养性。花卉对水的需求十分敏感，尤其是在花蕾和开花期，缺水会影响开花数量和质量，严重缺水会直接导致花蕾枯萎，因此，适时适量浇水是花卉养殖的关键条件。然而现代社会一个高效率、快节奏的高科技时代，人们平时上班工作比较忙，难以有充分的时间悉心照顾花草，并且经常会出现出差、休假旅游等家庭无人的情况，花草盆摘会因缺水而枯死，这不仅造成了一定的个人经济损失，对养花人本身也是一种精神上的损失。在公共场所，对花卉浇水更是一项繁杂的工程，耗费人力较多，劳动力成本很高，而且很多花卉需水量不同，人工控制也难以保证适量，经常造成用水浪费。

目前，虽然市场上各种各样的自动浇花控制系统人们已经研究出来了，但是很多的自动浇花系统仍然存在很多弊端或适用范围不同，而且可行性不高，缺乏严谨的制作使用概念和设计机理。现在市场上现有的自动浇花控制装置要么太过简单不够完善，没有人们想象中的那么便捷高效。基于对现有浇花装置中存在的一些缺陷，改进设计了一种自动智能浇花控制系统装置，更好地满足养花人需求。

1.2 国内外研究现状

20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，自动浇花系统的诞生也是随着人们生活水平的提高和生活节奏的加快而诞生的一种懒人园艺用品。早在很多年前，国外就已经开始使用，但是其价格却非常昂贵。例如，法国农业研究人员最近发明了一种能准确测定盆花需水量，并能自行适时为其浇水的机械装置。在俄罗斯，有些人种植花卉时不愿与泥土打交道，很多花草不适于长期在水中培育。为了解决这个问题，俄罗斯研究人员研制出一种自动灌溉装置，能使部分花卉在数星期内无需照看。几年前，我们使用的电子类自动浇花系统是从国外进口的，价格昂贵，大多是用于花园、农场等地方。随着我国经济的发展，目前拥有很多从事生物研发的科研单位，以及众多从事生物科学研究的人员，为我国的花卉研发提供了重要的人员及技术保障。新时代背景下，人们生活水平的提高，人们的生活质量越来越为人们关注，种养盆摘将成为人们越来越喜欢的休闲项目之一。互联网是现今人们日常生活中不可缺少的工具，是信息传递的速度更快，突破传统的经营模式，增加客户的需求量，能为花卉产业打开市场。依据PC互联网、电子商务应用、人工智能等可以与花卉行业相结合，能够开拓花卉市场的发展，这一决策振兴了花卉产业经济。在“互联网+花卉”的创新模式下，花卉的种植走向了一条全新的创新之路，一种综合性的自动浇花控制系统的产品非常符合大众的生活需求。

2 设计思路

智能浇花器设计坚持党的十九大提出的绿色发展理念，在设计中充分考虑节约用水、节约能耗，充分考虑降低成本、使用便捷。智能浇花器结构设计主要包括智能控制、能源供给、无线传输3个模块。

2.1 智能控制模块

智能控制首先是智能感知，利用传感器将采集到的信息资料转变为有用信号。传感器由敏感元件和转换元件和相对应的电子电路共同构成，在使用的过程中直接响应于被测物理量并且产生可用信号输出。并且当外界的湿度变化时，它里面的电阻值也会随之变化，电阻值的变化范围一般为0～10kΩ，当电阻变化时，电路的输出电压也会产生变化。因此当调变电阻的大小，能获得一定值的电压，满足电路的需求。本文设计采用的是YL- 69土壤湿度传感器。然后是自动灌溉系统软件的设计，主要采用结构化以及模块化的方法，这样便于功能的扩展，自动灌溉系统用C语言编写来进行软件设计。YL- 69湿度传感器测出湿度模拟数据，然后对测出的进行处理转为二进制值，再经过三线制接口发送给单片机。为了使采样值变得更加精确，对获得的数据可以进行一些补偿的算法，补偿之后再送到液晶LCD显示器显示。先按万用板上设置键设定湿度大小，湿度传感器是土壤湿度YL- 69传感器，数字湿度传感器湿度测量范围为0.01～0.99RH，分辨率大小为0.5%RH，测量精度误差大小为正负3.0%RH；响应时间典型值为5s；正常使用电压的大小为4.5～5.5V。YL- 69土壤湿度传感器温检测到湿度大小发送到单片机并处理显示在LCD屏幕上，当检测湿度小于设定湿度大小时，单片机发出一个指令，sethp2.0，继电器的线圈通电，常开触点就闭合，于是电磁阀的线圈得电并且阀门由闭合状态变为断开状态，水泵抽水进行灌溉；当检测的湿度等于或高于设定湿度大小时，clrp2.0，继电器的线圈失电，常开触点就断开，于是电磁阀线圈失电并且阀门闭合，水泵停止灌溉。

2.2 能源供给模块

整个系统总能源包括太阳能电池和家用220V交变电压。太阳能电池是通过光电效应或者光反应效应直接把光能转化成电能的装置。当光线照射太阳能板表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁成为自由电子在P-N两侧聚集形成电位差，当外部接通电路时，在该电压作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。能源用于对单片机和摄像头供电，节约了电能，保护环境。后者用于给智能设备(无线传输器)和水泵供电，提供远程控制的能源，从而实现水与智能科技相结合。

2.3 无线传输模块

手机APP远程监控PLC系统是网络通信技术和控制技术的结合的一门先进技术。信息技术发展使得远程监控技术得以快速发展。远程监控技术是远程监测和远程控制的结合，远程监测是指远程获得被监控资源对象的数据信息，远程控制是指远程发送命令控制现场资源对象的运行状态。一个远程监控系统通常由远程监控端系统、远距离数据传输、现场监控端系统构成。三个子系统分工合作，共同实现对远程资源的监控。而后，景物通过(LENS)生成的光学图像投射到图像传感器表面上，然后转为电信号，经过A/D(模数转换)，转化后变为数字图像信号，在送到数字信号处理芯片(DSP)中加工处理，通过显示器就可以看到录像了。远程控制是通过手机APP进行远程观察花儿的生长状态以及生长环境，通过摄像头观察的信息，可以人为的对花儿进行喷水，满足养花爱好者的心理需求。也可以通过手机APP设置对花儿进行定时喷洒，定时清理花儿。

3 创新特色

(1)采用无线土壤水分传感器科学采集土壤湿度。产品采用盆栽种类，土壤湿度等多种信息作为浇花过程的控制参数，采用土壤湿度传感器YL- 69模块对土壤湿度进行采集利用单片机对有关参数进行了实时控制，实现了浇花过程的科学、自动控制。本系统成本低、体积小、应用简单、便于维护使用的特点，该设计也可为其他农田等湿度控制的研究提供参考。

(2)科学合理的利用太阳光能，将其转化成电能用于能源供给。在习近平总书记新时代中国特色社会主义思想指引下，要牢固树立社会主义生态文明观，坚决打好生态环境保护攻坚战。该产品利用太阳能资源来满足整个系统所需电量，节约资源，保护环境。发展利用太阳能资源，不仅对缓解传统石油、煤炭等资源短缺、保护生态环境有着重要的意义，同时可以推动相关产业发展，形成新的经济增长点，促进社会和经济的发展。

(3)无线传输到手机APP上，观察并控制水箱喷花，造成喷雾。在建设网络强国、数字中国、智慧社会的时代背景下，网络信息科技已成为我国全面建设社会主义现代化国家的重要内容。贯彻创新是引领发展的第一动力，该产品利用互联网手机APP，可以远程观看并控制水泵浇水，提高了养花者的生活质量，满足了养花爱好者的精神需求。

4 应用前景

智能浇花器一方面可以实现对种植花卉缺水时的自动灌溉，另一方面也可以对不同花卉对水量需求不同而浇灌实现水分的科学满足。本次设计的智能浇花器还具有构造简单、体积小、能耗小等诸多优点；实际使用中更是便于安放，不会占用大量空间，可以促进花卉的科学生长，不会造成花卉的缺水、多水等现象不利于花卉的茁壮成长。

在实际生活中，该产品对于一些好于养花却没有时间浇花的常出差、繁忙的上班族、行动不便的中老年人群、高校的教师和学生等有着极大的方便。，对于写字楼、商场等公共场所，为了保证花卉的的正常生长需每日每时浇水，大量减少花卉浇水管护工作量，节约劳动力，降低人力成本。同时，为了吸引消费者的眼球，根据商家的喜好设置成不同logo以吸引消费者注意，满足消费者心理需求。

在全国各地都有着庞大的养花人群，该产品如果推广到市场，对于以上这些人群和花卉市场的老板将是一个很大的诱惑，产品具有良好的市场应用前景。