基于工程活动链的智能盆栽养护平台的设计与制作

杨立娟， 陈雪峰， 张 楠， 郭艳婕， 田绍华

(西安交通大学 机械工程学院，西安 710054)

0 引 言

工程能力强的人才该如何培养一直是工程教育难题。在新工业革命正在来临之际，中国正在向工业强国的行列阔步迈进之时，教育部推出了“新工科”计划，并指出“新工科”主要体现工程教育的新理念、学科专业的新结构、人才培养新模式等方面[1]，这为工程教育指明了新的方向。中国工程院院士李培根教授[2]提到，工程问题需要大工程观，卓越工程师应该能从大科学空间观察、思考问题，因而新结构应该从专业结构、课程及知识体系等方面审视，新结构的建立主要在于边界的再设计。这包括专业重构、课程重构、知识点融合等方面。天津大学校长钟登华院士提到在“新工科”背景下，工程人才培养结构要求多元化，而交叉与融合是工程创新人才培养的着力点[3]。本文响应教育部“新工科”计划，通过模拟以产品研发为核心的工程活动链，融合机械工程测试技术、机电控制工程、3D打印技术等课程知识，设置了以学生为主体、项目驱动、自主实践为基本模式的“科研实践项目”-智能盆栽养护平台的设计与制作，让学生以工业产品研发的全寿命周期活动为主线完成一种产品的构思设计以及制作调试，培养学生适应未来工程需求的新素养。

1 产品构思

随着生活水平的提高，人们对生活质量、生活环境的要求也越来越高[4]，许多人为了给工作生活增添一些色彩，喜欢在家中或办公室等室内种植一些盆栽植物。但是大多植物花卉都需要细心的养护才能生长良好。现在人们常常因为种植经验不足、没有时间养护等，导致植物花卉由于光照不足或土壤湿度不适等而死亡[5-6]。而且人们对于智能化、自动化的要求也越来越高。现有的很多盆栽养护系统只能实现对于土壤湿度、光照强度等的检测以及报警，没有浇水以及补光的执行机构[7-8]，或者只能实现浇水，结构功能单一[9-10]，不能实现真正意义上的自动养护。本文设计了一款智能盆栽养护平台，该平台包括自动浇水模块和自动补光模块，整个系统选用Arduino单片机[11-13]作为控制器，用来处理采集的信号[14]，并控制执行机构，原理如图1所示。自动浇水模块由水箱、水泵、水管、喷头、土壤湿度传感器、水位检测传感器、继电器，Arduino等组成，一方面利用湿度传感器检测花盆土壤湿度，当土壤湿度低于设定值时，Arduino控制继电器通电，水泵运转进行浇水，当湿度达到设定值时关闭水泵，停止浇水；另一方面利用水位检测传感器检测水箱内的水位，当水箱内水量不足时报警提醒。自动补光模块由光线传感器、植物生长灯带、灯罩、继电器、Arduino等组成，利用光线传感器检测环境光照强度，根据环境光强判定灯带的开关，Arduino将控制信号输出给继电器，控制植物生长灯带调节照射植物的亮度。

图1 系统原理图

2 产品设计

2.1 硬件设计

智能盆栽养护平台的控制器选用Arduino。Arduino是一个开放源代码的单芯片微电脑，它的主控板采用AVR单片机，开发者可以根据设定的产品功能在IDE集成开发环境中编写程序代码[15-16]，通过USB连接将程序下载到Arduino中运行即可实现相应功能[17]，程序的烧写和修改非常容易[18-19]。Arduino的处理器核心是ATmega328，同时具有14路数字I/O口(其中6路可作为PWM输出)，6路模拟输入，一个16 MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮。Arduino具有体积小、稳定性好、可扩展性强、配套的传感器种类丰富等优点[20]，非常适合智能盆栽养护平台使用。

(1) 自动浇水模块。自动浇水模块中，土壤湿度检测采用土壤湿度传感器(RB-02S047)，与Arduino的接线如图2所示，该传感器共有3个引脚，分别是数据端s、电源Vcc和地线GND，传感器的s端口接Arduino的模拟量输入口。土壤湿度传感器通过判断土壤中水分含量来判断土壤的湿度值。当湿度传感器探头悬空时，三极管基极处于开路状态，三极管截止输出为0。当传感器探头插入土壤中，土壤中水分含量不同，土壤的电阻值不同，三极管的基极导通电流产生变化，三极管集电极到发射极的导通电流收到基极的控制，经过发射极的下拉电阻转化为电压值。土壤湿度传感器的主要性能指标：工作电压+5 V直流，工作电流小于20 mA，输出类型为模拟量，工作湿度10%～90%无凝结。

图2 土壤湿度传感器接线图

水位检测采用水位传感器(RB-02S048)，与Arduino的接线如图3所示，传感器的规格参数如下：工作电压+5 V直流，工作电流小于20 mA，输出信号类型模拟量，工作温度：10～30 ℃，工作湿度：10%～90%无凝结。

图3 水位传感器接线图

水泵采用R-385直流隔膜泵。R-385直流隔膜泵是一款微型水泵，产品具有质量轻、体积小、压力大、可自吸、扬程高、使用性能广等特点。其主要性能参数：尺寸90 mm×40 mm×35 mm，出水口内径6 mm，外径9 mm，工作电压6～12 V直流，工作电流0.6～2 A，流量1.5～2 L/min，最大吸程2 m，最大扬程3 m，水温低于80 ℃。

继电器采用(RB-02S025) 继电器开关控制模块，其规格参数如下：工作电压+5 V直流，控制信号TTL电平，与传感器扩展板I/O兼容，平面尺寸：32 mm×20 mm。

(2) 自动补光模块。自动补光模块选用光线传感器(RB-02S023)检测光照强度，该传感器是基于半导体的光电效应原理工作的，当光照强度变化时，半导体的电阻值发生变化，进而可检测光照强度。传感器的3P插针接口可通过3P传感器连接线与Arduino结合使用，与Arduino的接线如图4所示。主要性能参数：供电电压3.55 V，工作温度-25～85 ℃，尺寸： 13.7 mm×32.8 mm。

图4 光线传感器接线图

灯带采用低压12 V，型号为5050的高亮植物生长补光LED植物防水灯带。LED植物灯采用半导体照明原理，发热量小，可接近植物补光，不会造成灼伤，其体积小、寿命长、生物能效高、节能环保和破损后没有重金属污染，是绿色照明光源，是专用于花卉和蔬菜等植物生产的一种基于高精密技术的植物生长辅助灯。

(3) 外观结构设计。根据使用需求设计外观结构，整体外观如图5所示，底部中心的大圆盘为盆栽承载台-水箱，顶部放置花盆，内部中空作为水箱，盛装用于浇花的水，水位传感器固定在水箱内壁，为内部元器件安装方便，盆栽承载台-水箱分上下两部分，如图6所示。两侧的偏圆球用于放置湿度、光照、水位模块的电路模块和继电器等元器件，后侧偏圆球见图7，内部空心，用于放置Arduino和水泵，是整个装置的控制中枢，上面连接空心管，空心管内置橡胶水管、光传感器连接线等，连接水泵与喷头以及Arduino与光传感器。锥形罩起灯罩和喷头外罩作用，内置喷头，如图8所示。灯罩内壁缠绕植物生长灯带，外壁安装光照传感器。喷头上部连接橡胶水管，通过空心管连接水泵。灯罩和喷头可方便安装拆卸，且密封性能、功能得到良好保证。

1-盆栽承载台-水箱，2-左侧偏圆球，3-右侧偏圆球，4-后侧偏圆球，5-空心管，6-锥形罩

图5 整体外观设计图

图6 盆栽承载台-水箱

图8 喷头与灯罩

2.2 软件设计

首先对参数进行初始化，启动光传感器检测环境光照强度，数据传输至Arduino，程序中设置两个光强阈值，根据光强所处阈值范围，Arduino输出控制信号给继电器，控制两条植物生长灯带点亮或熄灭，光强较强时两条灯带都熄灭，光强一般时点亮一条灯带，光强较弱时点亮两条灯带。然后启动湿度传感器检测花盆土壤湿度，水位检测传感器检测水箱内的水位，数据传输至Arduino，当土壤湿度低于设定值且水箱内水量充足时，Arduino控制继电器通电，水泵运转进行浇水，当湿度达到设定值时关闭水泵，停止浇水；当水箱内水量不足时，系统报警提醒，水泵不运行，具有缺水保护作用。程序流程图如图9所示。

图9 程序流程图

3 组装及调试

3.1 结构组装

根据设计的原理图和接线图，连接各电气元件，整个平台的外观主体结构采用PLA材料，通过3D打印进行制作，然后进行整体组装，电气元件放置在外观结构内部，土壤湿度传感器插入土壤中，光照传感器固定在灯罩外侧，整体结构如图10所示。

图10 盆栽养护平台整体图

3.2 系统调试与性能测试

平台搭建完成后，接通电源，根据所选植物的种类设置光照强度阈值和土壤湿度阈值，通过更换土壤湿度不同的盆栽来改变测量土壤湿度值，通过开关室内电灯和强光照射光传感器来实现测量光照强度处于不同光照强度阈值范围内，对系统性能进行测试。结果表明，智能盆栽养护平台能准确根据测量的土壤湿度和光照强度值判断盆栽的生长环境，控制各执行部件进行合理的浇灌和补光，图11为环境光线很暗时，养护平台进行补光的状态，整个平台性能稳定可靠。

图11 自动补光状态

4 结 语

学生运用机械工程测试技术、机电控制技术、3D打印技术等课程知识，通过模拟工程活动链的方式设计制作了一款智能盆栽养护平台，实现了自动浇水功能和自动补光功能。通过土壤湿度传感器、光传感器等检查盆栽的环境信息，利用Arduino进行实时采集处理数据并控制整个系统，实现科学、智能、自动地养护盆栽，外观结构上满足了系统功能的需求，利用3D打印技术制作，加工效率高，成本低，而且方便结构优化。通过该科研实践项目，锻炼了学生的科研创新和实践能力，帮助学生建立多学科交叉的意识和大工程观，让学生从多学科空间和大科学空间去观察、思考问题。

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