智能花草养护装置＊

蒲飞杨，倪振辉，王喆，凌征冬，黄国波，邹积祥



智能花草养护装置＊

蒲飞杨，倪振辉，王喆，凌征冬，黄国波，邹积祥

（武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070）

针对家庭花草智能养护，利用传感器的各项功能研发出一种可行性强、安全可靠、使用方便的装置，主要功能为家庭盆栽智能护理，当用户长时间外出、工作繁忙无时间打理时，对花草进行智能养护。通过传感器检测植物土壤温湿度、光照强度等，反馈回系统控制中心，做出判断后给予合理的操作，如自动浇水、提高温度和给予光照等。装置功能多样化，可自动控制植物对光照和水分的摄取，利用传感器进行反馈、自动调节、智能化控制，还有缺水自动检测保护和提醒的功能。

家庭花草；传感器检测；自动控制；智能养护

1 引言

随着社会的不断进步，人们的生活质量越来越高。在家里养盆栽可以陶冶情操，丰富生活，同时空气也会变得清新，因此养盆栽逐渐成为一种潮流。

盆栽水量是否适时适量、接收的光照是否能适时适量是养花成败的关键。因此，我们想通过设计一种集土壤湿度、空气温度、光照度监测、自动浇水、自动补光等功能于一体的智能花草养护装置，让家庭盆栽在人们无暇照顾时也能得到精心照料，同时此装置还可以通过用户手机APP远程查看盆栽生长情况并且实施远程控制。

2 装置功能简介

2.1 自动浇水功能

通过湿度传感器监测土壤湿度，利用传感器显示的数值与盆栽所需土壤湿度对比，小于所需数值则启动自动浇水设备，打开水管阀门，及时供应水分；当达到预先设置的湿度值时，自动关闭阀门，停止供水。此功能能够时刻让盆栽处于适宜的湿度，既不会因为浇水过多导致盆栽死亡，也不会因为缺水而干死。

2.2 自动补光、温度调节功能

通过光电式传感器及时感知外界光照强度，对盆栽做出一定的补光措施。系统内置一套补光系统，针对不同的植株，设定一定的光照强度值，通过调节灯光亮度以及补光时长来调控补充光照的多少。当外界光照不足时，进行补光，最终达到额定值时，关闭光源停止补光；当外界光照充足时，自动关闭光源，光照强度由系统控制。并且通过额定的光照强度，使之产热，可以使植株维持在一定的温度，让植株正常生长。

2.3 APP远程监控

装置外部装有一个摄像头，可以对盆栽进行摄像监控，并且及时将数据通过互联网上传到用户APP客户端。用户可以下载相匹配的APP软件，通过互联网，接收装置传过来的数据，即使身处异地，也可以实时看到盆栽的生长状况，如果用户需要，也可以通过手机APP远程控制装置，对盆栽进行浇水或者补光操作。

3 装置机械结构设计

运用SolidWorks三维建模软件，对本装置进行整体结构的大致设计，如图1所示。

1—水槽；2—控制部分；3—伸缩杆结构；4—电机；5—补光灯具。

3.1 箱体整体结构设计

箱体整体结构尺寸为500 mm×300 mm×800 mm，数字1为水槽，由于水槽较重，为了降低装置重心，增加装置的稳定性，因此将水槽置于装置的最下部分，水槽可以取出，需要加水时，可以人工添加。水槽接出一根水管，插入盆栽土壤之中，通过系统自动控制阀门，来实现盆栽的自动供水；数字2为装置的控制部分，主要是来放置内部的电路板、电线等相关电子仪器，显示屏可以放置在2的正前面（未画出），方便用户进行操作，设置相应参数。为了防止水槽中的水溅到2中，引发装置发生短路，因此在1和2之间安装隔板，起到隔断的作用。

3.2 伸缩杆结构设计

如图1中数字3部分所示，伸缩杆为平行四边形式结构（也可用圆柱形），总长大约为1 m，由粗杆和细杆两部分组成，每部分长0.5 m左右。箱体2和伸缩杆3之间的连接部分可以使用棘轮机构，当需要将灯调高的时候，可以将伸缩杆往后拉，并且将伸缩杆拉长，由于棘轮的自动卡死功能，伸缩杆无法后退，需要后退的时候，可以按住棘轮的特定按钮，使棘轮倒回，并且配合伸缩杆的伸长缩短功能，可以完美地实现灯的高度调节功能。

3.3 电机和灯具结构

如图1中数字4和数字5所示，数字4部分为一小型电机，可以实现360°旋转功能，电机和灯具5通过连接轴连接。灯泡偏心安装在灯具的边缘部分，当电机转动的时候，带动灯泡进行360°旋转，对盆栽进行光照。之所以设计为偏心结构，是因为当灯泡旋转的时候，可以对盆栽各个角度进行充分光照，保证盆栽受光均匀，使其良好生长并且提高光合作用效率。

4 系统控制方案设计

系统总结构如图2所示。本系统由控制模块、传感器模块、通讯模块、灯光模块、浇水模块和显示器组成。传感器模块有土壤湿度传感器、空气温湿度传感器、光照强度传感器。土壤湿度传感器使用YL69模块，直接插入土壤中，检测得到电压（电流）信号并反馈到D/A转换模块，再将所得土壤湿度数值传输到控制模块；空气温湿度传感器使用DHT11模块，置于空气中，检测得到温湿度数值直接传回控制模块；光照强度传感器采用GY-30光照传感器，采用先进光电转换模块，将光照强度值转化为电压值，再将数据传送回控制模块。

灯光为植物生长灯，可根据植物需求变换不同波长的光照，灯泡位置固定，灯具可旋转，可以对植株进行360°照射；通讯模块由系统WiFi模块、手机端APP组成，WiFi模块无线连接手机后可传输盆栽各项信息数据以及系统工作状态，手机端设计控制界面，可远程控制浇花系统；浇水模块由继电器、水泵组成，可对土壤进行浇水；显示器可显示传感器反馈的数据。

控制模块是由单片机控制的系统，通过编程控制，对各个传感器反馈的信号进行分析比较，各项数据都设定一定数值范围，而且可以通过外部调整来进行相应操作。

图2 系统总示意图

5 硬件模块设计

5.1 智能控制模块

智能控制利用传感器将采集到的数据转变为有用信号，传感器由敏感元件、转换元件以及相对应的电子电路共同构成，在使用过程中直接响应于被测物理量并且产生可用的信号。本系统温湿度传感器采用YL-69土壤湿度传感器，湿度测量范围为0.01～0.99 RH，分辨率为0.5 %RH，正常使用电压为3.3～5 V，获取湿度信息的方式有2种且可同时使用，分别是：①从传感器的D0引脚。土壤湿度大于某个阈值，则D0输出0，否则输出1（多用于湿度阀值控制开关）。②从传感器的A0引脚。土壤湿度越大，获取的模拟量值越大（多用于显示实时湿度值）。YL-69传感器检测到外界环境土壤湿度，先经过放大电路后，由A/D转化为数字信号送入单片机处理，与设定的湿度进行比较，然后命令执行机构采取相对应的措施，同时连接WiFi模块，向APP软件输送数据并接收其指令。

光照强度传感器选用GY-30数字光强度检测模块，光照强度检测范围0～65 535 Lux，正常工作电压3～5 V，传感器内置16 bitAD转换器，直接数字输出，接近于视觉灵敏度的分光特性，可对广泛的亮度进行1 Lux的高精度测定。针对不同的植株，设定一定的光照强度值，由引脚输出的电流信号经过驱动电路的放大，与设定值进行比较，通过控制继电器的启闭来控制LED植物生长灯的开关。当外界光照不足时，使之补光，最终达到额定值；当外界光照充足时，自动关闭光源，光照强度由系统控制。通过额定的光照强度，使之产热，可以使植物维持在一定的温度，让植物正常生长。

5.2 LED显示模块

输出显示部分采用常用的LCD1602液晶显示屏进行人机交互界面的显示控制，它具有体积小、超薄轻便、功耗低和显示内容丰富等优点。显示容量为16×2个字符，芯片工作电压为4.5～5.5 V，工作电流为2.0 mA/5.0V，模块最佳工作电压为5.0 V，字符尺寸为2.95 mm×4.35 mm（×）。管脚电源直接接在5 V电源上，方便1602的输入端直接与Arduino的I/O进行并行数据传送。

5.3 无线传送模块

WiFi模块与单片机系统连接在一起且WiFi模块工作在STA模式下，借助服务器和无线路由器的支持，将WiFi模块的MAC地址绑定在服务器中，这样整个互联网中服务器相当于一个路由器，智能终端只要在网络（2G/3G/4G/WiFi）的支持下，即可实现无线远程控制单片机引脚输出高电平或低电平，通过控制继电器的通断实现浇水和补光动作。

6 软件系统设计

为了使浇花系统中的各种硬件设备正常运行，对浇花过程进行实时测控和管理，还需要一套相应的软件系统来支持。软件系统包括定时程序、报警程序、监控程序及主程序。主程序的流程如图3所示。

利用安卓开发平台设计用以控制的APP，用安卓socket编程实现TCP/IP数据通信，将APP安装到移动端后，通过地址找到并连接到设备，从而实现通信。APP具有显示土壤温湿度的作用，这时，单片机将从传感器收集的温湿度信息通过串口通信方式传输给WiFi模块，WiFi模块通过无线通信将信息传到APP端，从而在APP上显示出来。

图3 系统软件流程图

连接后，可打开APP端温湿度、光照强度等信息页面，当在APP端有相应操作时，APP端会将控制量发送到WiFi模块，WiFi模块通过串口通信方式与单片机进行数据传送，从而使单片机I/O口输出不同的电平状态，并控制水泵的启停及植物生长灯的亮灭。

7 结语

本装置利用温湿度传感器对花草生长土壤的温湿度检测，实现24 h检测，且考虑到光照对花草的重要作用，本装置利用光学原理，采用先进的光电转换技术，由微电脑控制光学感应系统，能够感应及判断环境光线的亮度变化，自动控制补光灯的开启光闭。装置简单，成本低廉，相比于现有的浇花装置，此装置的功能更全面、强大，可适用于家庭、办公室等场所，适用性强，安全性高，所以应用前景广阔。

［1］王李冬，安康，徐玮，等.单片机与物联网技术［M］.北京：机械工业出版社，2018.

［2］吴险峰.51单片机项目教程［M］.北京：人民邮电出版社，2016.

［3］刘国柱，杜军威.Android程序设计与开发［M］.北京：清华大学出版社，2017.

2095－6835（2019）05－0108－03

S68

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.108

蒲飞杨（1997—），男，四川绵阳人，研究方向为机械工程。

倪振辉（1995—），男，河南周口人，研究方向为机械工程。

武汉理工大学自主创新研究基金项目（编号：2018-JD-B1-11）

〔编辑：严丽琴〕