基于Arduino的自动调节花卉土壤湿度系统的设计与实现

徐金增，孙好

（山东特殊教育职业学院，山东济南，250022）

0 引言

不同花卉对生长环境的土壤湿度喜好不同，有些花卉（如常春藤、绿萝等）喜水，必须时常保持土壤湿度；有些花卉（如长寿花、虎皮兰等）不喜水，土壤湿度过大容易导致根系腐烂。现实生活中，养花人并不能准确判断花卉土壤的湿度，只能根据自己的经验判断给花卉浇水，花卉土壤水分过多或过少都不利于花卉健康正常生长。

本文利用Arduino Uno开发板设计开发了一款自动调节花卉土壤湿度系统，通过土壤湿度传感器可实时监测花卉土壤湿度，并可根据不同花卉的喜水特性设置不同的土壤湿度值，由Arduino Uno控制器自动作出花卉土壤是否需要浇水的判断，控制电磁水阀开关进行浇水，从而实现不同花卉土壤保持在合适湿度，保证花卉健康正常生长。

1 系统设计方案

本系统以Arduino Uno开发板为核心，采用Moisture Sensor土壤湿度传感器实时监测花卉土壤的湿度值，土壤湿度监测值通过模拟A0端口输入ArduinoUno开发板，经系统对比提前设定的花卉土壤湿度值，若花卉土壤湿度值小于提前设定的湿度值，则ArduinoUno开发板的数字2和数字3端口输出高电平，点亮LED指示灯并同时打开直流电磁水阀给花卉浇水；当花卉土壤湿度值达到或超过提前设定的土度值时，则ArduinoUno开发板的数字2和数字3端口输出低电平，关闭LED指示灯和直流电磁水阀，停止浇水。

图1 系统设计图

1.1 土壤湿度传感器

土壤湿度传感器可分为电容型土壤湿度传感器、电阻型土壤湿度传感器和离子型土壤湿度传感器。

电容型土壤湿度传感器的敏感元件为湿敏电容，主要材料一般为金属氧化物、高分子聚合物。其工作原理为：由于水分子有较大的电偶极矩，吸水后材料的电容率发生变化，电容器的电容值也就发生变化，把电容值的变化转变为电信号，实现对土壤湿度进行监测。

电阻型土壤湿度传感器的敏感元件为湿敏电阻，其主要的材料一般为电介质、半导体、多孔陶瓷等。其工作原理为：湿敏电阻对水的吸附较强，吸附水分后电阻率/电导率会随湿度的变化而变化，湿度的变化可导致湿敏电阻阻值发生变化，电阻值的变化转化为电信号，实现对土壤湿度进行监测。

离子敏场效应晶体管（ISFET）属于半导体生物传感器，离子敏型土壤湿度传感器结构如图2所示。离子敏感器件由离子选择膜（敏感膜）和转换器两部分组成，敏感膜用以识别离子的种类和浓度，转换器则将敏感膜感知的信息转换为电信号，实现对土壤湿度进行监测。

图2 离子敏型土壤湿度传感器结构图

本系统花卉土壤湿度传感器采用Moisture Sensor集成模块,电路图如3所示，其结构为叉型设计，方便插入花卉土壤。模块工作电压为2.0～5.0V。Moisture Sensor集成模块主要是利用三极管的电流放大原理，当土壤中的水分使三极管的基极与电源正极导通的时候，在三极管的基极和发射极之间就会产生一定大小的电流，此时在三极管的集电极和发射极之间就会产生一个一定放大倍数的电流，该电流经过发射极的电阻产生电压供AD转换器采集。

图3 Moisture Sensor电路图

Moisture Sensor模块有3个接口，分别为VCC（电源）、GND（接地）和AOUT（模拟量输出）,在系统中分别连接ArduinoUno开发板的VCC、GND和模拟A0端口。通过系统串口监视器可实时观察湿度传感器输入到模拟A0端口的数值（如图4所示）。经实验测试，串口数值最小为0，最大为750左右。其中输出数值越大，代表土壤水分含量越多。系统可根据不同植物喜水特性设置不同的数值，低于设定数值，代表土壤比较干燥，花卉缺水，需打开电磁水阀浇水；高于设定数值，代表土壤湿度大于花卉需要的湿度，花卉不需要浇水。

图4 串口监视器

1.2 直流电磁水阀

直流电磁水阀分为常闭型直流电磁水阀和常开型直流电磁水阀。常闭型直流电磁水阀是当线圈通电时，电磁阀打开；当线圈断电时，电磁阀关闭。而常开型直流电此水阀正好相反，为当线圈通电时，电磁阀关闭；当线圈断电时，电磁阀打开。

电磁水阀为二次开阀的先导式电磁阀，其结构主要由导阀和主阀组成，主阀采用橡胶密封结构，其结构图如图5所示。常位时，活动铁芯封住导阀口，阀腔内压力平衡，主阀口封闭。当线圈通电时，产生电磁力将活动铁芯吸上，主阀腔内的介质自导阀口外泄，以至产生压力差，膜片或阀杯被迅速托起，主阀口开启，阀便呈通路。当线圈断电，磁场消失，活动铁芯复位，封闭导阀口，导阀和主阀腔内压力平衡后，阀又呈关闭状态。

图5 电磁水阀结构图

本系统浇水设备控制端采用常闭型DC5V直流电磁水阀，电磁水阀有电气和水流控制两个端口，其中电气端为电源接口和接地接口，电源接口直接与ArduinoUno开发板数字3端口连接，接地接口与ArduinoUno开发板GND端口连接。水流端进水口接水源，出水口接喷洒头。当ArduinoUno开发板数字3端口输出高电平（+5V）时，电磁水阀通电打开通水，可实现给花卉浇水，当ArduinoUno开发板数字3端口输出低电平(0V)时，电磁水阀断电关闭断水。

2 系统电路设计

本系统硬件主要采用Arduino Uno开发板、Moisture Sensor土壤湿度传感器、常闭型DC5V直流电磁水阀和LED指示灯组成（如图6所示）。以Arduino Uno开发板为核心，模拟A0端口连接Moisture Sensor土壤湿度传感器的AOUT模拟量输出端口，数字2端口通过220欧姆的限流电阻连接LED电源指示灯，数字3端口连接DC5V电磁水阀的电源输入引脚。Arduino Uno开发板可以通过USB供电，也可单独使用直流电源供电。

图6 系统电路图

3 系统程序设计

系统程序既可使用Arduino IDE编写也可以使用图形化编程软件Mixly编写。Arduino IDE是一款开放源代码的集成开发环境，可在Windows、Macintosh OSX、Linux三大主流操作系统上运行，其基于Processing IDE开发，对于初学者来说，极易掌握，同时有着足够的灵活性。Mixly是由北京师范大学傅赛博士团队组织开发的一款免费开源的图形化编程工具，开发者可以通过拼接积木块的方式来编写程序，具有易用性、简单性、普适性和延续性。

图7 程序流程图

（1）Arduino IDE程序设计如下：

（2）Mixly程序设计如图8所示。

图8

通过标准USB下载线连接电脑与Arduino Uno开发板，选择设备串口端口（可通过电脑设备管理器查看连接Arduino Uno设备的com端口），通过“上传”功能即可将程序下载到Arduino Uno开发板中。

4 实物连接图

本系统实物连接图如图9所示，电路连接简单，只需要连接Arduino Uno开发板的1个模拟端口、2个数字端口和电源端、接地端。程序下载到Arduino Uno开发板后，通过实验，可完全实现本系统功能。

图9 实物连接图

5 结束语

通过本设计系统可便捷地实现花卉土壤湿度监测，并可根据不同花卉喜水特性设置不同的土壤湿度值，当花卉土壤湿度低于设定值时自动打开水阀浇水，土壤达到设定湿度后自动停止浇水，从而实现不同花卉土壤保持在合适湿度，保证花卉健康生长。

经过试验，本系统可长时间稳定工作，实现花卉土壤干燥时自动浇水，土壤湿度达到设定条件时停止浇水，从而保持花卉土壤的湿度，完全满足设计的目的和要求，设计原理简单，可直接开发应用。