智能盆栽系统的设计

1、智能盆栽系统的设计【摘 要】本文提出的基于互联网技术的智能盆栽系 统，由储水箱、滴灌管道、电磁阀、显示屏、单片机、湿度 盐分传感器、温度传感器、 WiFi 模块等构成，最后与互联网 技术相结合， 可以通过手机上相应的 APP 软件， 时刻查看盆 栽生长情况，并且能够时时检测盆栽周围的温度、湿度和盐 分等数据，进行有效调节来适应盆栽的生长情况。【关键词】系统功能设计；结构设计；控制系统设计0 引言 据调研结果及资料显示，目前市面上常见的盆栽种类主 要有普通盆栽、懒人盆栽、太阳灯培育盆栽。普通盆栽价格 便宜，但不具备有其他功能，底部带排水孔，直接排走多余 水分，水资源利用程度低，且需要人工定时浇水

2、；懒人盆栽 是一种带储水功能的盆栽，但是用棉线供水，容易造成土层 湿度过大，花草溺死烂根，同时此种盆栽不具备实时监测植 物生长状况的功能；太阳灯培育盆栽是市面上价格较高的一 种盆栽，多用于植物种子发芽培育，补光以增加存活率，其 具有浇水提醒功能，但不能实现自动给水。市面上的智能盆 栽市场仍存在空缺，没有一款价格适宜的集成智能监控、智 能补水功能同时能利用多余水分重复浇灌的智能盆栽系统， 基于此，我们提出了一种智能盆栽系统，与传统盆栽种植技 术相比，具有以下优势： 1）节水滴灌，防止浪费； 2）储存 多余水分，重复利用； 3）精确监控湿度温度肥力，通过 app 反馈植物健康程度1 系统功能设计

3、该作品主要研究内容是设计一种新型智能盆栽系统，可 以解决现有过度浇水浪费，植物吸水烂根，用户忘记浇水导 致植物枯死等问题，还可根据经验在 APP 中选择种植方案， 实时反馈植物生长状况等，适应不同的作物，能够很好地弥 补传统盆栽种植方式的不足，达到节水节省人力的目的。为解决现有盆栽存在的过度浇水浪费，植物根部长时间 浸泡易腐烂等问题以及用户需要定时浇水的麻烦，本作品 “智能盆栽系统”能给植物提供最佳的生存环境。并在以上 功能基础上，通过温湿度和盐碱度传感器实现对土壤环境的 有效监控， 收集雨水并通过手机 APP 与单片机控制器相结合 实现对土壤的自动排水、浇水，从而实现对整个盆栽系统的 智能化

4、调节。同时通过 Wi-Fi 模块将植物生长状况实时传输 到终端，供用户查看。根据功能需要其设计要求为： 1）外盆栽能有效收集过 多的雨水，同时水量大时能及时将多余的水排出；2）单片机系统能通过采集盆栽环境数据对浇水量进行控制；3）为方便远程控制，需要将盆栽系统数据实时传出至终端供用户查看为此，根据设计要求，将本作品分为结构设计和智能控 制两大模块。其中结构设计要充分考虑到对雨水的收集、雨 水的重复利用、和灌溉方式，我们采取了内外花盆、新型滴 灌设计。智能控制要考虑土壤的环境参数以及其相应的检测 方式，获取目标参数后要利用电磁阀等装置对盆栽进行智能 调控。我们采用了以 STC89C52 单片机为

5、核心的控制模块进 行智能调控。实际使用时，还可根据需求对本盆栽进行重新组合，实 现不同的功能。其主要使用方式如下：1）家庭种植使用，家庭使用数量有限，且种植植物种 类各异，可全部使用带完整功能的本盆栽，同时利用手机 APP 向用户实时传输每一株植物的生长状况；2）植物培育基地或科研基地使用，在植物培育基地一 般种植相同种类植株几株，其可种植在几个盆栽内共用一个 检测模块以降低成本。同时科研所需各项参数可通过本盆栽 自带的检测系统来读取，更加方便。也可通过人机交互界面 或远程终端调控盆栽环境，来满足科研要求；3）公路绿化带上的使用，考虑到同一条绿化带上植物 种类基本一致，对土壤要求相似，同时公路

6、上绿化带串联， 土壤所处环境也相似，故可采取设置一个带检测模块的本盆 栽利用同一根浇水管道串联多个不带控制的本盆栽，在保证实现相同功能的前提下节省能源，降低成本。同时可通过APP 向有关绿化部门报告该条公路上绿化带情况。2 结构设计 智能盆栽系统结构部分由内盆栽、外盆栽和滴灌管道三 部分组成。 内盆栽设置泥土层与保水层， 外盆栽设有储水腔， 用以储存从内盆栽流下来的水；滴灌管道可通过电磁阀调节 进水大小，滴灌管深插入土壤中，可实现对土壤不同高度的 滴灌，是土壤湿度更加均匀。电磁阀连接进水管道，实现自 给补水；同时，通过温湿度传感器的实时监测，由信号控制 系统工作，实现智能按需喷灌。系统中盆栽设

7、计分为两种，即带智能控制的盆栽与不带 智能控制的盆栽，其大?w设计相同，区别在于水量控制结构 设计，智能控制盆栽安装电磁阀，与其后级相连接的不带智 能控制的盆栽仅具有进水口，而不具有电磁阀，从而可实现 一机控制，整体控制的效果。2.1 双层盆栽设计2.1.1 外盆栽结构设计 外盆栽设置储水槽与排水口，当有雨水或者有多余的浇灌水从盆栽上部流入时暂时储存在下层的集水槽中，当水持 续积攒时， 则当水位到达排水口高度时， 水从排水口处流出， 避免过多积攒的水分把植物根部泡烂。2.1.2 内盆栽结构设计内盆栽分为两层，上层为泥土层，下层为保水花泥层， 花泥伸入内盆栽底部，从而能够较好的实现吸水，滴灌管道

8、 插入泥土层中，其目的是为了保证出水的平缓和使水能更好 地被泥土所吸收。2.2 水量控制结构设计水量控制结构由两部分组成：输水管道与电磁阀，当盆 栽环境监测传来信号表示需要进行浇灌时，电磁阀打开，水 流进入盆栽内部的滴灌管道当中。外部输水管道采用串联设 计，当有多组盆栽时，可由一套系统共同控制，从而减少阀 门的使用数量和管道布置的复杂程度，节约成本。2.3 改进滴灌模块滴灌模块外置于盆栽外，铺设管道麻烦，且实际应用中 比较麻烦，需要手动调节水滴流速，且水滴滴在泥土表面， 水分容易蒸发，不便被土壤所吸收，基于此我们设计了滴管 模块，其于水量控制结构中的外输水管通过电磁阀相连接， 由电磁阀即可以调

9、节水流速度，水流进铺设在土壤内部的管 道后，流入多孔滴灌管，再通过各个孔洞中滴入泥土层中， 此举可保证水分被泥土所均匀吸收，使土壤湿度保持均匀， 同时避免滴灌管外露，减少了安装成本，既省水省力，又美 观大方。 3 控制系统设计3.1 整体方案设计采用 STC89C52 单片机为控制核心，该部分主要包括显示屏、单片机、湿度盐分传感器、温度传感器、 WiFi 模块、 电磁阀等。为满足盆栽种植需求，结合智能app 实时反馈数据，实现盆栽的自动灌溉，采用温湿度传感器模块对盆栽的 土壤湿度进行实时检测，把监测到的湿度值与设定湿度（土 壤所适合的水分下限值） 进行比较， 当低于设定的湿度值时， 则启动系统

10、进行灌溉。本系统可实现按需灌溉，无需人工操 作，节省人力，同时相对于现有的棉线吸水方式，更避免了 植物烂根现象。其外部电路结构简单紧凑，放置于外置原件盒中，采用 防水密封设计，避免外部电路受雨水侵蚀，同时按作品实际 需求估算，本作品所需的能耗较低，功率约为2025W，且其实际工作时间（开闭电磁阀）较短，其供电方式可采用锂 电池供电，亦可再后续的设计中增加小型太阳能板供电模 块，其供电能力符合本作品需求。在实际使用中， 组合盆栽系统中， 仅需要一台主控盆栽， 其他联动控制的盆栽均收主控盆栽的集中控制，其具有省 电、减少系统错误、便于检修等特点。开机上电后进行初始化设置，依据作物实际种植情况， 通

11、过手机 app 选择植物种类，种植土类等情况，系统自动设 定参数值，包括温度t及设定湿度值 m，肥力s等。3.2 监测模块 监测模块由 MEC-10 湿度盐分二合一传感器、光度传感器、温度传感器和信号处理电路构成，温湿度传感器能实时 监测土壤中的温湿度值，通过信号处理电路将模拟信号转换 为数字信号，再经由单片机与预设的湿度值进行比较，当测 定的湿度低于设定湿度， 系统开始工作， 从而实现按需喷灌。 土壤肥力可由盐分传感器检测，再储存于单片机当中，使用 户实时关注土壤肥力。3.3 显示及 WiFi 交互模块通过 APP 设定植物的种植品种，由 APP 查找数据库， 自动设置该品种所适宜的种植环境

12、并通过无线网络反馈到 检测模块中，检测模块实时监测土壤中的湿度环境，用以确 定是否需补水而打开自动滴灌模块，避免吸水过多导致的烂 根现象等，同时检测模块也能实时反馈光照度及肥力等信 息，反馈到 APP 上，由屏幕实时反馈花卉培养情况。4 结论 该作品主要运用机电一体化、水肥一体化等技术，可用 于家庭或城市绿化中，保证植物良好存活的前提下，极大地 提高了灌溉用水的利用率，有广阔的应用前景。达到了良好 节能减排的效果， 能为盆栽栽培节约大量水资源。 除此之外， 该作品应用了模块化设计，能适应不同作业环境，操作、拆 卸方便， ?U 大了推广范围。【参考文献】1 旷野.2015年全国花卉统计数据分析J中国花卉园艺， 2016（15）.2 孙成竹，范瑛，蒋志云家庭盆栽节水潜力分析J.北 京师范大学学报， 2012， 06（ 48） .3 康银红， 马孝义， 李娟， 赵文举 .地下滴渗灌灌水技术 研究进展 J. 灌溉排水学报， 2007， 26（6） .4 张增志， 王晓健， 薛梅.渗灌材