基于Arduino的智能盆栽设计

徐征武

现代室内智能绿化设备在对植物根部浇灌技术上已日趋成熟，却忽略了对植物叶面的养护，针对这一现状，设计了一种基于Arduino的智能盆栽。该盆栽以Arduino UNO、温湿度传感器和电机为核心，LCD液晶屏实时显示为辅。设计并编写了Arduino UNO程序，实现实时、便捷地检测周围环境的温度、湿度变化情况，并根据实时温湿度检测数据，通过Arduino UNO控制电机，对盆栽进行及时的叶面保温。实践表明，该设计能够经济、高效地实现植物叶面自动喷湿，可用于室内盆栽的日常护理。

引言

当下，现代工业进步带来的环境恶化渐渐影响到人们的日常生活。既能安抚心情又能净化空气的室内盆栽被热爱健康生活的人们所推崇，而快节奏的都市生活有时会让人们忽略了对这些绿色精灵的呵护，使得原本珍爱的盆栽枯萎凋零，这让人们倍感无奈与惋惜。随之而兴起的智能浇灌盆栽在市面上也备受欢迎，其基本功能是实现对盆景土壤湿度和光照度的智能调节，市场上的多数智能绿植产品已基本实现上述功能，正当在人们关注浇水、补光的时候却忽略了植物的叶面保湿，而市场上能够满足这需要的相关的产品却很少。

对此，设计出一种盆栽叶面湿度智能调节系统，该系统能根据盆栽周围湿度大小实现对叶面喷洒保湿功能，为盆栽提供更好的保护。植物叶面自动喷洒的需求分析

相关研究表明适量对植物叶面喷水可增加植物周围小环境湿度，降低温度，使叶面保持洁净，提高光合作用效率并防止落叶，减少病虫害等现象。从观赏角度来看，叶面湿润、饱满的植物会使观赏者的愉悦感增加。但叶面喷洒也应该讲究适量原则，不同地区的不同植物都存在差异。

1.次数和量都要有度。叶面喷水必须恰如其分，以喷湿叶面而又能很快干燥为度。

2.地区差异

南方夏季雨水充沛，空气比较湿润，但此时也是南方一年之中最为酷热的季节，此时室内绿植叶面保湿工作同样重要。冬季气温属于湿冷类型，空气中的湿度一般情况下不会低于警戒值，由于湿冷气候，有些植物，耐寒能力相对较弱，此时要减少对叶面的额外喷洒。

北方常年都比较干噪，适合对叶面进行喷水保湿。南北方冬季叶面喷水的时间最好选择有太阳的中午时分。

3.种类差异

绿萝、杜鹃、茶花、文竹、珠兰、兰花、万年吉、马蹄莲、白兰花、棕桐、棕竹等宜经常喷水，而像石榴、紫薇、榆、枫、桃、梅等落叶花木和仙人掌类及多肉花卉等，均不宜多喷；而蒲包花、大岩桐、秋海棠等，因叶面有较厚的绒毛层，水分不易蒸发，不宜喷水。

植物叶面自动喷洒的需求与功能分析

基于以上对叶面喷水养护的研究，我们可以得出三点：1、什么时候喷水；2、喷多少水；3、以什么形式喷水。什么时候喷水取决于两个要素：温度和湿度。当温度高于定值，湿度低于一定值的时候，开始喷水。喷水量则取决于电机的运行时间或者阀门的打开时间等。考虑到少量均匀喷洒，使每片叶子都能吸收适量的水分，喷雾形式可以满足此要求。

智能喷洒控制系统概述

前两点的实现则需要引入智能控制模块，基于对室内盆栽养护问题的思考，考虑到针对单个问题提出解决方案，需要实现的功能也并不复杂，相比较其他微控制器，Arduino在功能实现上更加简单方便；成本也能很好地控制；基于Arduino控制功能原型在工业设计领域逐渐流行起来，与Arduino相关的电子DIY书籍也比较丰富，方便参考学习。

Arduino是种开源电子原型平台，使用便捷灵活、方便上手，由硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE）组成。硬件部分是可以用来做电路连接的Arduino电路板，软件部分则是ArduinolDE，它是一个简单但实用的集成开发环境。整块控制板类似于单片机开发板，是近年来快速流行起来的一种微控制器可以外接若干传感元件，能够实现许多功能。

综上考虑，本文选择以Arduino为原型平台，研究利用现有的成熟传感器及其智能控制技术，实现实时获取室内环境（温、湿度）状况信息，通过微控制器，在无人看管的情况下实现对盆栽自动喷洒功能，从而保持植物叶面的湿润。这种智能喷洒控制实现方法简单快速，成本低廉，具有很高的实用性，其控制系统框图如下图所示。

智能喷洒控制系统分为五个部分：Arduino控制模块、温湿度检测模块、液晶显示模块、电机模块和电源模块。温湿度检测模块将环境中的温湿度数据以电信号的形式传输到Arduino中，Arduino会将数据值的大小与目标设定值进行比较，判断是否要启动电机，并根据PWM的值来控制电机的转速，同时将环境数据显示出来。

Arduino主控板及其电子元件相关参数

1.Arduino主控板

Arduino UNO是目前使用最广泛的Arduino控制器，具有Arduino的所有基本功能。UNO包括ATmega328核心处理器，1 4路数字输入输出接口（其中6路可作为PWM输出，6路模拟输入），一个16MHz晶体振荡器，一个USB接口，一个电源插座，一个ICSP接口和

个复位按钮，其结构和引脚电路如图2所示。

2.DHT11温湿度传感器

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术。

DHT11数字温湿度传感器引脚说明。

3.水泵

水泵选择额定电压为5V的小型直流电动机，额定转速般在8540RPM。如下所示，表2为水泵的尺寸参数。

5V工作电压测试下，空管吸程约1.2M（管充满水后吸程可达4-5米）；扬程约10M；向上扬程约3.5M；最高压力可达2公斤以上，每分钟可抽水0.54Kg。

将水泵连接到电路中，考虑到当有负载时，可能会产生堵转电流，即电机试图旋转但是转不动时所消耗的电流，为防止其对控制电路造成的损坏，需要用到TIP120达林顿晶体管。当电动机断电时，电动机的线圈会产生感应电流，必须得有地方流走，需要一个二极管并联在电动机上，在电动机断电时形成回路，在内部消耗电流，保护外部电路。

4.1620LCD液晶显示屏

1620液晶显示屏能实现基本的文字和数字显示，既便宜又简单实用。本设计选用的是16字符两行带背光的LCD模块，使用HD44780兼容的接口可以和Arduino配合工作，外接10kL3微调电阻，用来调节显示器的对比度。

硬件电路设计

根据对控制系统框图和显示模块、检测模块、电动机模块、控制模块的分析，设计得到下图硬件电路设计。

软件程序设计

1.Arduino IDE介绍

Arduino IDE是Arduino的开放源代码的集成开发环境，其界面友好，语法简单以及能方便下载程序，使得Arduino的程序开发变得非常便捷。作为一款开放源代码的软件，Arduino IDE也是由Java、Processing、avr-gcc等开放源码的软件写成，其另一个最大特点是跨平台的兼容性，适用于Windows、Max OS X以及Linux。

在整个控制系统开始运行之前，DHT11温湿度传感器和1620液晶显示屏将数据初始化，随后DHT11对环境的温湿度进行检测，并将检测后的值以数字信号的形式传输给Arduino UNO主控板。主控板将接收到的数据与设定值进行比较，若满足条件，电机将会启动，并保持运行一段时间，然后自动停止，温湿度数据将会显示在液晶上，若不能满足条件，温湿度数据将直接显示出来。之后，整个系统会静默一段时间，时间一到新的循环再次开始。

2.Pro/E建模与渲染

根据以上功能模块的分析，建模分为四个部分：盆体（底部有Arduino控制模块）、储水瓶、喷雾管（内有雾化喷头、温湿度检测元件、水管、水泵）和显示屏。

基于Arduino的智能盆栽设计最终效果图展示

总结

本设计利用DHT11温湿度传感器实现环境数据的采集，ArduinoUNO进行智能控制，用1620LCD将环境状况实时显示，控制电机转动，带动雾化喷头内部杠杆机构发生运动，将水以雾化状态喷洒在叶面上，从而实现叶面保湿功能，简单实用，成本低廉。在不久的将来，随着物联网的不断发展以及无线传感器技术ZigBee模块的日趋成熟，这些都将会被良好地应用于智能绿化设计中，实现绿化网络中各个节点之间信息更加便捷地传输与通信，对环境、植物状态的实时监测和智能控制将更加方便、及时和有效。