太陽能智能無土栽培花盆的設計與試驗研究

發布時間：2019-05-24所屬分類：農業論文瀏覽：1319次

摘 要： 摘要:針對傳統人工養殖花卉不方便、不衛生的弊端，設計了一款可以應用于室內的全自動智能營養液培植花盆。該花盆由光照強度檢測與補光燈控制系統、自動補水系統、太陽能儲電系統及自動旋轉系統4個部分構成。光照強度的檢測由光照傳感器感應，單片機輸出控制L

　　摘要:針對傳統人工養殖花卉不方便、不衛生的弊端，設計了一款可以應用于室內的全自動智能營養液培植花盆。該花盆由光照強度檢測與補光燈控制系統、自動補水系統、太陽能儲電系統及自動旋轉系統4個部分構成。光照強度的檢測由光照傳感器感應，單片機輸出控制LED燈的開關及盆體是否旋轉等信息;太陽能儲電系統由太陽能電池板轉換電能用于提供整個系統的部分電能;自動補水系統和自動旋轉系統是借助于時鐘芯片，通過軟件程序設定定時噴灑營養液及向光旋轉。綠植無土栽培試驗表明:植株在后期生長的形態指標要優于傳統土培與基質養植。此研究結果可為智能無土栽培提供技術支持。

　　關鍵詞:智能花盆;無土栽培;太陽能;單片機

　　0引言

　　綠色植物能夠有效凈化空氣、釋放負離子，還能形成綠色視野，促進人類身心健康。如今，隨著生活節奏的加快和生活壓力的增加，人們并沒有足夠的時間和精力來照看家庭室內養殖的植物，大型辦公場所的植物更是需要聘用專業人士種植，智能花盆[1-2]的思想應運而生。智能化控制花盆能夠降低能耗、節約資源，實現健康、環保及低碳節能的智能生活。

　　目前，智能花盆與物聯網的有效結合使得智能花盆相比于傳統花盆特點更加鮮明、優勢更加明顯，主要體現在如下幾個方面:1)科學性。將“智能花盆”的設計與營養液水培技術結合，并將太陽能供電技術應用其中，具有節能環保的特點，實現了自動補水、向光旋轉及整體基本無人看管。2)先進性。智能花盆將傳統種植業與電子產品業等現代科技結合，形成具有強大功能的技術架構，同時為眾多消費者及企業提供了巨大的市場和無限機會。3)創新性。物聯網下的智能家居帶來的是一次顛覆性、創新性的革命，新的生活方式必然會帶來技術的創新及各方面產品的創新。智能家居產品[3-4]在人們生活發展中越來越得到廣泛的應用與認可，具有良好的發展前景。

　　1國內外發展現狀

　　智能花盆在我國的發展時間尚短，但種類繁多。2015年，通達綠景科技發布了JUSTGROW智能花盆，主打“省事、省心的植物養成”。其栽培基質經反復試驗免除了鏟土、施肥的步驟，同時加入了澆水提醒。2017年，小米眾籌智能花盆發布，小米“米家”雜貨鋪上架種花神器—花花草草智能花盆。該花盆設計簡約，具有易懂的燈光指示，通過讀取花盆上不同的指示燈顏色判斷花盆電量、肥力失衡及水分失衡，且能夠在手機等移動設備安裝客戶端觀察。近年來，布魯內爾大學工業設計系的女大學生娜塔莉·金設計的“Tulipe”[5]，旨在讓人們和其種植的盆栽之間擁有更多的交流，使得人們在種植盆栽前了解所種植植物的生活特性。2015年，CES國際消費電子展美國某公司展出的ParrotPot智能花盆加入了自動澆水功能，使得智能花盆領域的研究向全自動化更進一步。

　　2太陽能智能無土栽培花盆系統的研制

　　2.1核心系統

　　核心系統主要由光照強度檢測與補光燈控制系統、自動補水系統、太陽能儲電系統及自動旋轉系統4個部分構成。光照強度的檢測以光照傳感器BH1750FVI為感應部件，設定最小光照度為1000Lux的正常太陽光照強度，將檢測到的光照強度值送入AT89C51單片機，再由其輸出繼電器控制LED燈的亮滅及盆體是否旋轉，最大限度地節約能源和成本。

　　太陽能儲電系統基于自動旋轉系統的向光性，由太陽能電池板轉換電能用于提供整個系統的部分電能。太陽能儲電不足時利用外接USB接口進行充電，采用USB充電的好處在于其通用性和實用性強[6]。自動補水系統和自動旋轉系統是從時鐘芯片DS1302讀入月份與每天的實時時刻，通過軟件程序設定定時噴營養液以及向光旋轉。以人工智能、自動控制及機械優化設計等現代化技術手段為根本，基于光、溫、水、氣、肥的檢測與調控系統，創建了一個具備初等小型生態系統的概念花盆，通過各平臺系統統一協調各個獨立執行系統動作，實現光照、水分環境自發適應調控，即各環境因子(光照、溫度、濕度、CO2濃度等)的耦合調控、自適應LED補光、太陽能補光及智能補充營養液等功能。

　　2.2智能花盆結構與設計

　　2.2.1盆體選材

　　其優異的防水能力及抗老化能力適合作為與水接觸的材料。隔板采用粘接式燙接形式，從而形成一個新的防水層，既有排水功能又有二次防水功能，并可以采用機械燙接形式。PVC材料卷材抗壓強度大，其抗壓強度是同等厚度PS卷材的1.5倍、HDPE材料的2.5倍。采用防塌陷設計，在四周用三角支撐板支撐，增大了花盆的承載量，防止盛水過多導致隔板塌陷。

　　2.2.2盆底選材

　　從環保、力學性能、有無毒害等多方面考慮，采用原生改性聚丙烯材料(PP)。其為半透明無色固體，無臭無毒，由于結構規整而高度結晶化，故熔點可高達167℃，耐熱、耐腐蝕，制品可用蒸汽消毒是其突出優點，且密度小，是最輕的通用塑料。這種材料的力學性能良好，表面剛度和抗劃痕特性尤為出眾，不存在環境應力開裂問題[7-10]。

　　聚丙烯具有優異的抗彎曲疲勞性，其制品在常溫下可彎折106次而不損壞;化學穩定性也十分良好，除能被濃硫酸、濃硝酸侵蝕外，對其它各種化學試劑都比較穩定。所以，選擇其作為花盆底座。在底座下安裝4個萬向輪，用于其整體在軌道上旋轉，并且外徑大于花盆最大外徑，防止向花盆內注水時濺射而發生電源或其他電路短路的情況。

　　2.2.3密封方式

　　花盆外形選擇近似漏斗形的結構，隔板位于中間部分。由于PVC材料具有良好的耐腐蝕性，密封采用黏著力較強、密封性最好的耐候性酸性硅酮膠密封膠密封。在盆體注水的情況下，外殼和隔板同時受水施加的壓力，但漏斗形狀會分擔其向下的壓力，在水壓下不會導致粘接處出現開膠的現象，保證了花盆的密封效果。

　　2.2.4燈架的選擇

　　外部燈架選用鋁合金材料，主干結構采用弧形可伸縮式燈架，可根據植株的大小調整燈與植株間的距離，以適應不同植株對光照點的要求[11]。弧形結構使之與花盆外壁緊密貼合，加強了燈架主干抗彎強度。

　　2.3帶傳動的設計

　　考慮到花盆工作條件，盆底傳動裝置處于一個相對良好的工作環境，且要把不便于更換零件的損害降到最低，故選用所示帶傳動作為花盆的主傳動裝置。其優勢在于:緩和載荷沖擊，運行平穩無噪聲，制造和安裝精度不像嚙合傳動那樣嚴格，防止過載時引起打滑及其他零件損壞，且可增加帶長以適應中心距較大的工作條件。大帶輪直徑為120mm，小帶輪直徑為10mm，傳動比n=12:1，帶輪寬為3mm，材料為聚丙烯。此設計的主要目的是為了在傳送帶損壞時可在家隨時用橡膠帶更換。

　　動力的轉換采用5號線4相28BYJ-48型步進電機。該產品結構緊湊，體積小、質量輕，且性價比高。28BYJ-48型步進電機直徑為28mm，電壓為5V，步進角度為5.64*1/64，減速比為1/64，啟動轉矩大于300g·cm，定位轉矩大于300g·cm。

　　2.4控制系統設計

　　軟件設計部分以AT89C51單片機為核心，利用軟件編寫C語言程序。軟件系統主要包括系統初始化、時鐘時序、端口控制等，從而實現由步進電機利用單片機對外圍電路的自動控制。本系統的軟件設計是在硬件設計的基礎上實現的。軟件設計主要分為幾大部分:1)光強檢測部分是通過照度傳感器BH1750FVI檢測光照強度，與程序固化的下限值進行比較，然后做出判斷;當光照強度和光照時間低于固化的下限值時，反饋給單片機斷開LED燈的電能供給。2)定時電路部分。

　　本系統用于家居生活中，通常其工作時間為幾個小時到十幾個小時。由于單片機自帶的定時器內部定時，指令的執行時間不確定而具有一定的誤差[12-15]，時間的積累會產生很大的誤差。因此，對于定時電路使用外部的外接時鐘芯片，通過讀取該定時芯片數據的變化進行定時，從而保證定時時間的準確。所以，定時電路使用外部時間芯片DS1302。DS1302采用同步串行的方式與單片機進行通信，通過RES復位線、I/O數據線、SCLK串行時鐘口線和單片機進行信息交換。

　　3綠植無土栽培試驗研究

　　無土栽培技術(soillessculture)用人工配制的培養液，供給植物礦物營養的需要。無土栽培是一種不用天然土壤而采用含有植物生長發育必需元素的營養液來提供營養，使植物正常完成整個生命周期的技術。

　　4結論

　　1)科學的思路:根據專業的知識，計算植物生長所需的光照強度及時間;堅持有效節約能源的理念，利用機械結構自動化設計，將太陽能板安裝在花盆上方，解決傳統智能花盆浪費能源等問題。2)實用的設計:采用營養液無土裁培技術，去除了土壤栽培帶來的諸多不便，且打理的時間大大縮短，不需要花太多的時間去澆水、施肥、翻土等，有效地解決了愛花與愛干凈之間的矛盾。

　　3)有效的優化:利用太陽能供光，并添加向光旋轉的功能，去除了土培花盆的土壤部分，采用新材料水培土，不溶解但是能儲存水分，以植物和照明兩用燈代替了傳統植物補光燈，減少了資源的浪費，大大提升了材料利用率與花盆工作效率。4)通過試驗研究，智能花盆在正常室內環境下運行時可以實現:①綠植生長環境光照強度、水分以及營養的自適應調控;②能夠及時補充光照保證綠植正常生長;③能夠對綠植定量、均勻地進行水分補施;④營養液栽培縮短了植物生長周期。

　　參考文獻:

　　[1]張鑫，徐文勝，劉階萍，等.基于Kinect的智能花盆體感控制系統設計[J].機電工程，2014，31(9):1226-1230.

　　[2]劉洪濤，鄧二偉.基于STM32的智能自動澆水花盆的設計[J].自動化與儀器儀表，2016，202(8):232-233.

　　[3]賈陽靜，鄒念育，雷東鳴，等.基于Android和WIFI通信的智能家居系統設計[J].大連工業大學學報，2016，35(1):67-71.

　　[4]劉建華.基于Android的智能家居系統的設計[J].先郵電大學學報，2013，18(4):71-74.

　　[5]徐高松.基于物聯網技術的智慧花盆的設計與實現[D].北京:中國科學院大學(工程管理與信息技術學院)，2013.

　　機電工程師評職刊物：機電設備的專業范圍涉及工業設備、電氣自動化、液壓與氣動、制冷與空調、環保機械、物流機式、柴油機、泵、閥、風機、壓縮機、船舶輔助機械以及船舶電氣設備等。編輯部還與國際技術傳媒合作，逐漸增加雜志中有關國外先進應用技術的報導和市場信息。讀者對象為從事于機電設備研究，開發、應用、維修管理，以及機電產品營銷，采購人員、工程技術人員和理工專業的大專院校師生。

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