基于Arduino的智能花卉灌溉系统设计

张玉桃　王韧　郑仰国　张满堂　赵大旭

摘 要：针对阳台、露台等花卉种植环境，本文设计了一个智能化的灌溉与施肥系统。该控制系统通过传感器，可以在分别设定的控制周期内检测并返回环境参数至MCU，在和给定阈值进行比对后，MCU根据已有控制策略输出控制指令，自动实施灌溉和施肥。该系统能在无人值守情况下正常运行，能满足家庭种植和花卉管理的需要。

关键词：花卉种植;智能化;灌溉系统;Arduino

Abstract： In view of the balcony， balcony and other flower planting environment， this paper designed an intelligent irrigation and fertilization system. The control system can detect and return the environmental parameters to the MCU through the sensors within the respectively set control period. After comparing with the given threshold， the MCU automatically outputs irrigation and fertilization according to the existing control strategy output control commands. The system can operate normally under unattended conditions， to meet the needs of home planting and managing flowers.

Keywords： flower planting;intelligent;irrigation system;Arduino

1 研究背景

2010年，上海世界博覽会以“城市，让生活更美好”作为主题，展示了城市的发展给人们生活带来的便利。今天，科技的进步使这个主题得以深层次延续下去，人们愿意在改善居住环境方面投入更多关注，以提高生活质量。目前，包括花卉种植在内的，能够充分利用窗台、阳台等狭小空间的阳台农业越来越受到重视。基于回归自然、缓解精神压力和美化环境的需求，新生代白领对阳台农业种植具有较高意愿[1]。

阳台农业不仅指单纯在阳台空间进行农业活动，也包括在屋顶、露台等空间的农业，栽培模式更趋无土性，生产产品趋观赏性与自给性，是现代都市农业中的一种形式[2，3]。无论是种植环境、种植方式，还是种植目的，阳台农业都与传统农业和城市绿化有较大差别。

阳台农业在我国尚处于发展的初级阶段，无论是技术还是规模，都与发达国家存在较大差距，但发展迅速。现代智能控制技术的广泛应用，使阳台花园的自动化管理成为现实。由此，本文主要探讨智能花卉灌溉系统设计，以实现阳台农业自动化。

2 技术路线

将计算机用于灌溉排水，最早出现在20世纪50年代西方发达国家[4]。随着微电子技术与计算机控制技术的成熟，物美价廉的处理器被越来越广泛地应用于农业中。农业发达国家已经实现了设施农业的自动化，并逐步向智能化迈进。随着“城市农业（Urban Agriculture）”的兴起[5，6]，设施农业自动化、智能化技术也逐渐渗入阳台花园领域[7，8]。

鉴于花卉具有品种多样性的特点，针对盆栽植物的智能灌溉控制系统，不会基于固定的控制模型。作物生长最基础的环境参数是土壤的湿度，其次是光照及空气温度、湿度，然后是根据具体生长阶段，如发芽、开花、结果等确定营养元素。基于上述分析，课题组设计了基于Arduino的智能化控制系统，主要检测参数为土壤和空气的温湿度和光照强度，可以针对不同花卉品种建立控制模型，根据环境参数反馈值智能化地实施灌溉与施肥作业，技术路线如图1所示。

3 硬件设计

3.1 检测系统设计

3.1.1 控制器与输入模块。目前，设施农业的自动化、智能化控制系统配套较为完善。阳台农业的规模、模式均不同于设施农业，一方面成本会受到限制，另一方面，家庭花卉种植所需的功能较为单一，也不需要复杂昂贵的控制器，单片机则是一种理想的器件[9-11]。

经对比，课题组选择了性价比较高的一款控制器——Arduino UNO Rev3。Arduino自带A/D转换和PWM模块，编程简单，软硬件资源丰富，非常适用于原型机的开发。

由于样机功能并不多，选择了独立按键作为控制输入端，选择LCD1602作为显示器，组成一个简单的人机交互模块。

3.1.2 传感器选择。土壤湿度传感器选择了数字型YL69，当插入土壤中的探针检测到湿度低于阈值时，通过比较器LM393输出1（高电平），相反则输出0（低电平）。若不用比较器，YL69输出模拟量数值，通过A/D转换输出更精确的湿度值。光照使用光敏电阻（LDR）构建的检测电路进行检测，与湿度传感器类似，电路有数字量和模拟量引脚，既可以通过比较器LM393输出数字量，也可以利用模拟量引脚检测精确值。

3.2 执行机构设计

3.2.1 输出与执行模块。现场执行机构主要是针对灌溉与施肥，首先通过电磁阀A控制蓄水容器不缺水，电磁阀B控制灌溉通道的开关，电磁阀C则用于控制营养液通道的开关。三个电磁阀通过继电器进行控制。

3.2.2 硬件系统集成。图2所示为硬件系统的框图。将所有模块连接之后，本系统选择DS1302涓流充电计时芯片进行定时控制。DS1302拥有实时时钟/日历，能够提供年、月、日、时、分、秒等信息，可作为1602实时显示内容，有12小时制（需要AM/PM指示器）和24小时制供选择。

用户通过按键、电位器等控制系统或某功能的开关、调节，系统将用户关心的参数通过显示器显示出来。本系统中，开关操作选择了独立按键，显示选择了LCD显示器，调节选择了10k电位器。另外，为了直观展示光照强弱，选择了1个LED以呼吸灯形式输出。

最终，根据方案规划，设计了如图3所示的硬件控制系统接线图。

4 程序设计

4.1 程序流程

根据控制策略，用户可针对不同花卉的管理模型设定初始参数。这部分操作放在初始化阶段，用户可通过通信或按钮进行设定，系统会保存已经设定的参数，直至下次更改。样机设计阶段，课题组设定了高、中、低三档调节，分别对应不同喜水性的花卉种植管理。

设置完成后，通过按钮启动系统，按照图4所示的主程序流程工作。

4.2 检测子程序设计

4.2.1 空气参数检测程序。与空气相关的环境参数包括温度、湿度和光照强度，DHT11传感器可同时检测温湿度。选择光敏电阻模块的模拟量引脚作为输入端，模拟量信号经A/D转换后，通过PWM方式输出至LED灯，以指示光照强弱。

限于篇幅，源代码未完全附出。

上述检测值通过串口监视窗口可以进行实时观察。

4.2.2 土壤检测程序。土壤的湿度是最基础的环境参数，选择模拟量引脚，通过Arduino引脚输入并实现A/D转换。

限于篇幅，源代码未完全附出。

土壤温度与空气温度的检测方法类似，但土壤温度变化较缓慢，检测周期可能更长。由于土壤温度并不是一个重要参数，通常可以忽略，仅检测空气温度即可。

4.3 继电器输出子程序

继电器通过小电流控制大电流，是连接信号电路和工作电路的桥梁，在系统中作为开关量输出端控制电磁阀的开关。

限于篇幅，源代码未完全附出。

4.4 显示子程序

1602是性价比较高的LCD显示器，环境参数可通过1602实时显示。首先需要进行初始化操作，对工作模式进行设定，然后显示检测值，

限于篇幅，源代码未完全附出。

5 调试与试验

5.1 功能验证试验

光敏传感器可用遮光和不同强度的光源照射方式测试，如图5所示。当光照强度达到一定值时，继电器导通，LED灯点亮。

土壤含水量变化缓慢，因此在验证试验中用湿纸巾替代土壤，通過串口读取检测探针电极检测值，结果显示：检测效果符合预期。

5.2 模拟测试试验

各模块功能得以实现后，将所有子系统加入电路，构成完整控制系统。设定LCD1602显示布局为双行显示，第1行显示参数的实时检测值。为更紧凑显示，分别用字母W代表土壤含水量，T代表温度，H代表空气湿度，L代表光照强度。试验结果表明：LCD能够实时地显示传感器检测到的参数。测试电路如图6所示。

LCD的第2行用来显示设定阈值，一旦系统启动，用户可方便观察当前保存的阈值，如果不符合预期，通过3个独立按键设定高、中、低三个档位，分别针对不同喜水类型花卉。

灌溉功能由3个继电器控制3个电磁阀实现。土壤湿度检测周期较长，测试中用电位器进行模拟。当传感器检测到的条件满足时，继电器导通，LED指示灯点亮，对应电磁阀导通，完成灌溉和施肥，条件不满足时自动进入下一个循环。试验结果表明：课题组所设计的控制策略科学可行，控制系统功能实现和效果满足预期。

6 结语

基于Arduino UNO Rev3开发的智能花卉灌溉系统，初步验证了智能化控制设计的正确性，可满足阳台或露台种植及管理花卉蔬菜的基本需要。Arduino的硬件资源可以支撑更多模式的灌溉与施肥管理，且系统的扩展成本较低，非常适合原理样机的开发，在功能一一实现的基础上，可以用功能更强大的器件替代原型机各个子系统，以便使智能化控制与花卉特定的生长模型有机结合。

参考文献：

[1]蔡淑芳，陈敏.新生代白领的城市阳台农业种植意愿及影响因素研究[J].生态经济，2014（3）：52-55，58.

[2]陈柏延.阳台农业栽培系统的设计及其营销模式的研究[D].沈阳：沈阳农业大学，2016.

[3]杨宝祝.都市人的田园情结[J].北京农业，2013（25）：64-66.

[4]诸一骅.农田排灌自动控制技术的应用和发展[J].河海大学科技情报，1988（1）：75-82.

[5]郭迪，王晨静，陆国权.我国阳台农业概况及发展前景[J].浙江农业科学，2013（3）：239-241.

[6]陈瑞仙，翟云霞，解莉莉，等.阳台农业的推广应用[J].农业工程，2015（S2）：81-83.

[7]陈浩.基于ZigBee和电力线载波技术的智能温室应用研究[D].杭州：浙江农林大学，2015.

[8]冯澍，盛庆华，陈洁，等[J].微型机与应用，2016（18）：35-38.

[9]陈娜，陈立平，李斌，等.阳台农业立体栽培自动控制系统设计与实现[J].农机化研究，2014（1）：127-131.

[10]孙煜.基于单片机盆栽自动灌溉控制系统的设计[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2017.

[11]李鹏宇.设施农业自动灌溉控制器研发[D].杨凌：西北农林科技大学，2014.