一种自动施肥型智能花圃盆的设计与研究

王丽凤,魏红梅,王宇航,蔡佳琪

(山东华宇工学院,山东 德州 253034)

0 引言

近年来,智能花盆研究在国内外取得了显著进展。英国设计了一种智能花盆,具有自动监测土壤温度和湿度的功能,可利用灯光报警系统向使用者发送提醒信息。美国推出了WaterLink智能花盆产品,使用湿度传感器收集土壤中的水分数据,借助WCDM网络将这些信息持续传递给终端用户,用户可利用智能手机应用程序获取花盆资料。我国发明了一种智能花盆,具备测定土壤温度、湿度及光照强度等功能,还可自动灌溉。有人开发了一种基于GSM技术的智能花圃盆,为人们提供了极大的便利[1-2]。本研究设计了一款智能花圃盆,通过智能化调控土壤温湿度、光照强度及远程操控,满足植物需求,为植物养护提供便利。

1 系统设计

1.1 结构设计

智能花圃盆主要由中央控制系统、感应部分、显示部分、电动部分、WIFI传输模块组成。花圃盆结构由盆体、养料箱、水箱及其他内部结构组成,其中内部结构由根部温度传感器、中央控制器、根部加热器、电机、液体泵、雾状加湿器、湿度和离子浓度检测传感器组成。从功能上看,内置湿度检测器和离子浓度检测模块能够准确把握灌溉时间。盆栽空腔处设有温度传感器和增温保温装置,能够在低温条件下保证绿植的正常存活。盆栽边缘设有雾状加湿器,保证叶片和茎部湿度充足。配有供能装置,与水箱、养料箱一体化,可有效实现电能供应,将所需养料向根茎部输送。显示屏显示绿植健康状况并及时反馈给养殖者,可随时随地了解绿植状态信息,结构简单,使用方便,兼顾养殖者对绿植照料不便、缺乏科学照料方法等问题,提升绿植存活率。该装置通过多个部分协调工作实现智能灌溉、施肥、施药一体化,通过合理、精准护理提高植物存活率,从而满足用户养殖需要。

图1 花圃盆结构Fig.1 Flowerbed structure

1.2 运作形式设计

当绿植移入盆栽时,盆栽根部的温湿度检测器和离子浓度检测器开始检测,将信号传输给中央控制系统,控制系统通过数据处理进行土壤离子浓度信息反馈,用户通过云平台了解植栽实时环境信息,选取植株类型,控制系统通过设计好的算法配比适当的离子浓度营养液,加入物料箱。控制系统对土壤湿度传感器检测数据进行处理,控制水泵和电磁阀,实现自动浇注功能。当土壤湿度达到上阀值时,控制器断开水泵电源,停止对盆栽植物根部注水,满足绿植对土壤营养及湿度的需求。当绿植感染真菌时,配置器可选择性配比药剂进入物料箱,进行杀菌除虫。在控制环境室内湿度方面,盆栽边缘放置湿度检测器,当湿度低于绿植茎叶湿度要求时,边缘处的雾状喷射器开始增加湿度。在控制环境温度方面,盆栽空腔内有控温加热棒,当根部温度检测器监测到温度较低时,进行加热处理,当温度达到根部要求时则断开。通过启动保温装置保证根部温度恒定。采用MQTT协议进行服务器与WIFI设备数据开发[2]。

图2 运作形式设计Fig.2 Design of operation form

1.3 控制系统设计

中央控制系统采用MSP430单片机为主控制器,其他部分均由主控制器进行控制运行。MSP430微控制器系列的显著特性是低能量消耗和高效性能,MSP430单片机的低能量消耗特点是可以在低电压和低电流条件下正常运行,适用于电池供电,可延长设备电池寿命,保证花盆在控制模块选取上的耐用性。MSP430单片机具有较高的处理能力及良好的性价比,可在满足智能花盆性能的前提下降低成本。

中央控制系统控制整个花盆,当温度、湿度等发生变化时,传感器会立刻做出反应,信号被传递到中央控制系统,并向各种反应器发送不同的信号,以保证盆栽的各项性能指标正常。

1.4 云传输、控制系统设计

开发了一个基于Android操作系统的应用程序(App),智能花盆可实现与手机的实时连接。此应用程序利用Android平台的WIFI功能实时将智能花盆传感器收集的温度、湿度、离子浓度等多项数据同步到手机App端,为用户提供远程监控。用户可利用应用软件与花盆形成连接,在App界面上查看植株的各项实时数据,监控并调整植株的生长环境数据,从而更好地照料植物。可在手机App上选择想要监控的植物,进行多选操作,为每棵植物设置姓名,避免数据混淆,如果不需要命名,也可跳过此步骤。完成注册后,传感器开始采集数据并发送至App端。App会及时向用户反馈植物情况,允许用户远程控制花盆的移动、浇水等操作。当花盆的存水装置缺水时,花盆会通过App提醒用户,App还会根据不同植物的特性推荐适合的肥料品牌,用户可根据需要选择所需肥料。App会提供相关的植物专业知识,提供用户交流平台,以便更好地照料植物。

智能花盆与手机App的结合可便于远程监控及管理植物,提供智能化、便捷的植物养护方式。用户初次选择App时,不通过初始注册阶段是无法进行数据操作的。参照具体的分析控制,需要通过两次注册才能实现远程控制。点击手机App系统菜单,等待出现登录界面,如没有注册,需要确认注册。登录后需要添加木本植物。如果再次打开系统菜单,相关绿色植物信息将出现在主页上,即连接成功。新用户注册成功后可自动关闭浇水并定时控制两个方向的转向和小于一定限度的移动。如果是冬天,室内温度在18 ℃左右,环境湿度约为51%,如果App显示为图3,则为正常。如果土壤酸碱度足够,则为5滴水,随着时间的推移会持续下去,表层土壤会越来越干燥。当只剩下一小滴水时,App会开启提醒功能,将光照时间、浇水量历史数据记录下来,生成折线图,帮助养护人员更好地分析数据,科学学习养花知识[3-4]。该应用程序将参考符合特定情况的木本植物,由App推送具体内容。

图3 状态显示Fig.3 Status display

图4 水泵控制Fig.4 Water pump control

后台服务器与ESP8266WIFI模块连接成功后,每隔10 s接收一次WIFI模块传递过来的花卉环境信息,并把信息存储到数据库中[5]。

1.5 硬件系统设计

该控制系统以MSP430单片机为中心控制单元,利用土壤湿度和空气温度传感器收集土壤湿度及环境温度数据,将这些数据传输到单片机进行进一步控制和处理。土壤温湿度传感器采用Sensirion SHT3x系列,其薄膜是 ePTFE 类型金属箔片,专用于保护传感器开口,防水防尘,符合 IP67 标准,即使在充满水雾和灰尘等恶劣条件下,传感器仍能提供精准的测量,实现温度、湿度检测,保证数字化、高精度输出,便于与智能花盆控制系统进行通信及数据处理。控制系统对信息进行处理,通过算法分析湿度要求,控制水泵和电磁阀的工作状态,保证植株生长环境的科学性。

远程控制、后台服务器与ESP8266WIFI模块连接,中央控制系统采用MSP430单片机为主控制器,控制继电器打开,水泵开。为了精准满足不同植株对氮磷钾钙镁含量的需要,在土壤中设计添加离子浓度传感器,根据土壤中离子的实时浓度来调整物料箱中的营养液配比,提供精确的养分供应。离子浓度传感器基于离子选择电极及离子传感材料来测量土壤中的特定离子浓度,通过离子选择膜与该离子发生反应并生成电信号,从而测量粒子浓度。土壤中温控加热棒选择GROWNEERWaterproofSeedlingHeatMat加热垫,具有防水设计,适用于花盆和种植托盘,还配备了温度控制器,可根据需要设置温度范围。

2 性能指标

智能花圃盆设有显示屏,可实时显示土壤温湿度、植物信息等,整体采用MSP430单片机控制,利用温度传感器、湿度传感器、离子浓度检测模块实时掌握土壤水分、温度情况,控制实施机构实现自动浇水、自动加热、自动施肥等功能,中央控制系统还可通过App将这些信息反馈到用户手机上。

表1 主要技术参数

3 实验结果分析

智能花盆运用土壤湿度传感器和温度传感器对盆栽土壤进行实时监测,当土壤湿度传感器检测到土壤湿度低于阈值时,控制器对信号进行处理,启动水泵和电磁阀电源,喷头出水。浅层根部湿度传感器实时向控制器反馈,当检测土壤湿度达到上阈值时,控制器控制电磁阀关闭,断开水泵电源,停止对盆栽植物浇水。温度传感器与控温棒在控制器处理下实时接收温度数据,控制控温棒工作状态,实现智能控温。其中,土壤温度及湿度和室内环境温度及湿度实时检测结果即时显示,如图5所示。

图5 显示结果测试Fig.5 Display result test

通过对土壤湿度与温度、室内温度与湿度的显示,初步掌握花圃盆自动浇水、施肥及温度控制动态,检验花圃盆功能的可实现性。实验显示屏显示初始温度,数据稳定,没有浮动,启动开关,设置选择绿植类型,控制系统分析数据,根据程序设计预定温度、湿度数值,根部温度加热器和盆栽喷头对植栽分别进行控温和浇水,显示屏与手机接收端信息实时变更,控制器对温度、湿度信息进行处理,控制结束。此时温度信息与湿度信息符合绿植需要,显示屏与手机信息一致,符合绿植培育数据的设定。实验表明,此设计可实现对植栽温度、湿度的智能调控。进行实验,评估测量控制数据精准范围,对数据精度进行计算,确定产品参数,数据如表2。

在施肥实验中选择植株类型,分析肥料成分。检测土壤中的离子浓度值,数据实时反馈,用户根据信息反馈加装肥料成分,配比营养液置于物料箱中,根部施肥器开启,检测浓度符合绿植培养数据时停止施肥。此时,疏根部离子浓度检测器检测营养液数据符合植株生长培育需要。

4 结束语

目前市场上主要使用大型灌溉设备,设备价格昂贵,安装复杂,而一般的灌溉设备则缺乏智能化功能。智能花盆灌溉系统根据预设数据来调整灌溉时间、出水及土壤环境温度,实现全自动无人值守灌溉,节约能源,满足使用需求。通过科学护理,参照不同植物的生长需求,提供不同的生长方案,通过算法,对不同生长方案数值进行预设,实现精准科学养殖。该设备外观设计合理,不影响美观,采用的算法控制技术稳定可靠,结构功能协调统一,适合规模化生产,可满足人们对智能家电的需求,符合市场发展需要。