适合不同成长期的智能浇花系统理论研究

何易航

（河北省唐山市第一中学 河北 唐山 063000）

适合不同成长期的智能浇花系统理论研究

何易航

（河北省唐山市第一中学 河北 唐山 063000）

土壤湿度是影响植物生长的最直接的因素之一。设计了一套智能花盆，通过测量植物所需土壤湿度和系统重量信息，提出了详细的控制运算过程，实现为植物自动浇水功能。该系统所采用控制运算充分考虑了植物生长和土壤流失问题，能够准确控制浇水量。该智能浇花系统能够为植物提供适宜的水分，同时为人们解决无人照料花草的问题提供帮助。

智能花盆；自动浇水；土壤湿度

1 引言

1.1 课题背景

随着社会的进步，人们的生活质量也有了提高，越来越多的家庭注重健康的生活环境。在家中，工作和学习的环境中放置一些盆栽花卉或绿色植物，既可以通过光合作用吸收二氧化碳，净化室内空气，还可以陶冶我们的情操，让我们的生活、工作、学习会更加愉悦。植物的健康生长却是人们面临的重要问题，而这个问题最大的影响因素之一就是植物需要适当的水分。水分过多或过少都会影响植物的正常生长。生活中存在的问题一为家中人员全部外出，或长时间忘记给植物浇水，植物很可能会枯萎死亡[1]。为防止植物干枯人们经常给植物一次性大量浇水，容易导致植物根系腐烂死亡。

1.2 研究现状

植物对其周围环境的湿度、温度有一定的范围要求，一旦高于或低于这个范围其生长就会受到影响。人们在生活中实际操作大部分是凭经验进行的，浇水时机与浇水量都很难把握，为解决该问题，市场中涌现出了一批自动浇水花盆，市场上的自动浇水花盆虽然能够实现自动浇水，但是自动浇水的效果不佳，一般都为机械的定时定量浇水[2-3]，不能根据植物的真实需要浇水。许多研究者把传感器和智能控制手段引入自动浇水系统，通过测定空气温度和土壤湿度二者其一或者组合来控制浇水量[4-6]。刘洪涛等[1]基于STM32为控制核心，设计了一种操作简单、成本低廉的智能自动浇水花盆，通过测试土壤湿度控制水泵的启停，完成对花盆中的植物自动浇水。汪磊等[3]基于AT89S51单片机控制设计了盆花自动浇水系统，采用HM1500湿度传感器检测花盆的土壤湿度，然后单片机根据土壤湿度控制继电器继而控制电磁阀实现自动浇水。李克讷等[6]基于AVR单片机设计了盆栽自动浇水系统，利用单片机自带EEPROM存储器保存浇水湿度的基准阈值，可根据温度传感器采集的温度数据自动调整湿度阈值，以保证盆栽在温度变化时的浇水量。虽然上述研究可以确定什么时间浇水合适，但是应该浇多少水就无法判断，因为土壤湿度即土壤含水量占烘干土重的百分比，是影响植物生长的最直接的因素之一。而湿度传感器能够检测到土壤的真实湿度，湿度传感器输出的湿度值需要稳定后才能判断，而浇的水想要均匀渗透到全部土壤中需要一段比较长的时间，这段时间差容易导致土壤湿度过大，对植物生长产生影响。如何解决自动浇水和防止浇水过量的问题，仍有待研究。

本研究拟基于土壤湿度与重量的控制方法来实现自动浇水，通过土壤真实湿度触发浇水可以更为精准的保证浇水量。该系统可以利用准确的质量控制来实现自动控制，有利于保持植物适宜的生长条件，同时可以减轻人们劳动量和解决人们外出时无人照料花草的问题。

2 系统组成及工作流程

研究采用的自动浇水系统如图1所示，包括花盆、自动供水装置、称重传感器、湿度传感器、中央处理器、电源模块。其中，称重传感器设置在花盆底部下方，湿度传感器设置在花盆内部，自动供水装置为花盆供水，电源模块为系统供电，中央处理器根据接收到的重量信号、湿度值信号输出控制信号至自动供水装置。

主要单元模块的设置及作用：

（1）称重传感器设置在花盆底部，用于测量花盆、植物和土壤的重量，并将重量信号传输至中央处理器，中央处理器结合土壤湿度和各重量数据运算输出指令信号。

（2）湿度传感器设置在花盆内壁上且在不同深度上设有多个传感器，并有一定长度深入土壤内部以保证数据真实，用于测量花盆内土壤的湿度值，并将土壤湿度值信号传输至中央处理器，中央处理器通过计算输出平均湿度值信号。

（3）自动供水装置包括水源装置以及电子水阀，通过电子水阀的出水口为花盆供水，电子水阀与水源装置相连接，电子水阀的开闭由中央处理器输送信号控制。

图1 自动浇花系统构成图

3 系统控制原理及特点

3.1 系统控制流程

自动浇水系统的控制流程如图2所示。

图2 系统工作流程图

3.2 系统自动控制原理

自动浇水系统依靠严格运算控制，图2中流程中各参数的确定方法：

（1）R1、R2为某特定植物生长适宜的土壤湿度上下限值，R1＞R2，对于该植物，二者均为定值，且均可以在自动控制器上进行参数设定。

（2）花盆内部绝干土壤重量W0是一个基础参数，由于在植物生长过程中存在水土流失现象，W0不是定值，而是随时间发生变化的。W0可根据湿度传感器以及称重传感器测量的参数值随时间更新。

任一时刻记录湿度传感器的湿度值为R3，重量传感器的重量值为W2，当浇水完成后，待湿度传感器数值稳定记录湿度值为R4，记录重量传感器的重量值为W3，则可得：

（3）花盆内土壤达到湿度值R1时，所对应的花盆、土壤以及植物总重W1的计算，假设花盆与植物重量W4：

将式（1）-（3）代入式（4）得式（5），式（5）中除W1外，其余参数均可实测或求得。

（4）当湿度传感器感应到土壤湿度≤R2时，自动浇水功能启动，为防止水在土壤中分布不均匀导致土壤湿度测量误差，此时湿度传感器应同时停止工作。

（5）当花盆底部下方称重传感器检测到花盆、土壤以及植物总重≥W1时，即土壤湿度≥R1时，停止浇水。由于新注入的水在土壤中扩散均匀需要时间，因此停止浇水后的土壤湿度采集需要延后以保证数据可靠。

随着浇水时会有部分土壤流失，为了保证浇水量的精准，测定方法（2）和（3）中的各个参数需要重新校正，具体校准频率可根据所种植植物的实际生长情况及周围环境确定。

4 结论

通过上述分析过程，设计了一套智能花盆自动浇水系统，该系统利用植物生长所需土壤湿度信息，触发花盆的自动浇水信号，实现自动浇水功能。该系统能够准确控制浇水量，达到解决浇水不足和过量问题的目的。同时本研究所采用控制运算充分考虑了植物生长和土壤流失问题，为智能化浇水控制提供理论基础和方法支持。

[1]刘洪涛，邓二伟.基于STM32的智能自动浇水花盆的设计[J].自动化与仪器仪表，2016(8)：232-233.

[2]李晨杰，赵佑初，章丽霞，袁清.基于单片机的智能花盆的研究与应用[J].科技创新导报，2013(22)：131-133.

[3]汪磊，韩宇光，郭鹏，张光忠，侯志鹏.盆花自动浇水系统的设计[J].科技创新与应用，2016(11):23.

S152.7 【文献标识码】A 【文章编号】1009-5624（2018）02-0065-03