家用自动化盆栽浇水系统

家用自动化盆栽浇水系统
作者：王慧雯
来源：《中国科技纵横》2017年第24期
摘要：本文结合人工浇水的操作流程，根据嵌入式系统原理设计了一款家用自动化盆栽浇水系统，主要涉及由设计方案的选择、系统的组成、管道放置、出水口的设计和程序的设计等具体内容。

该系统具有比较高的响应速度，能准确地完成浇水操作，同时具有较强的普适性。

关键词：自动化；自动浇花；流量监测；中断
中图分类号：S68 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）24-0048-02
在日常生活中，除了单调的工作、学习之外大多数人会选择在家中养一些盆栽，这些植物摆放在家中，除了能起到装饰的作用，还能够让人在照顾花草的过程中获得放松，让人能够更加的能够再投入到工作中。

另外，种植盆栽还能帮助更新室内的空气，除去空气中的有害物质，可以说是一举多得。

但是当住户有事情需要长时间外出时，照顾花草就成了一个大问题，这时，一个家用自动盆栽浇水的系统就可以很大程度上解决这个问题。

1 系统方案选择
首先考虑人浇水的操作，要完成“浇花”这个动作，看上去很简单，不过是提壶浇水这样两步就可以。

但是事实上，这两步需要具体分解为多个操作步骤。

人工浇水的操作流程如图1所示，首先人眼通过观察盆栽，配合大脑判断花草是否需要浇灌，只有当判断出盆栽需要浇水时，大脑才会发出浇水指令；然后大脑会控制人手执行提水浇花的动作，在浇水的同时眼睛继续观察，大脑会依据经验和眼睛接收到的信息判断水量是否足够，当大脑判断出水量足够时，会发出停止浇水的指令使浇水停止。

在上述的人工操作中，每一个部分都有其特有的功能，如表1所示，在用自动化系统代替人工的过程中，需要使用不同的部件以起到与人工操作相同的作用。

例如人的眼有监测水量的功能，可以用流量检测传感器代替，大脑可以进行数据处理和算法执行，可以用微控制器代替，大脑作为执行机构可以用开关阀代替，神经传输信号，可以用线路代替等。

1.1 系统构成
以微控制器作为主控单元进行系统搭建，如图2所示，整个系统由多个流量检测传感器、传感器配套放大器、A/D转换器、微控制器、键盘、外部终端、显示器模块和多个开关阀构成。

流量检测传感器用来采集水的流量信号，经过配套放大器和A/D转换器后，输入微控制器进行数据处理与计算，然后据此判断是否需要控制执行机构进行动作。

键盘连接计算机手动输入频率和流量。

外部终端用于完成外界设备与系统的信息交互。

显示器则用来显示系统运作是否正常，以及显示即时数据等，以便于人工检查。

1.2 关键部分组成
系统的管道布线如图3所示，将管道放置在比较隐蔽的位置，并且尽可能的将各个盆栽连接在一起，可以既不影响美观也不影响系统的功能，主线的另一边连接在总闸上，主线上在每盆花的附近分出若干个支路延伸到每个盆栽的根部用于浇水。

支路管道的长短根据盆栽与主线的距离决定。

另外，为了能够更准确的监测流量和控制线路的通断，线路的开关和各个流量监测传感器安装在最接近花盆的位置。

流量监测传感器能够实时监测水量，获得实时水流的流量信号经由运算放大器和A/D转换器处理后中，将模拟量转变为数字量最后输入计算机中，并在计算机中进行数据处理，当水流的数据达到设定条件时，由微控制器发出指令控制各个开关阀进行关闭或打开动作。

考虑到使用水管作为运输水的工具，那么支路管道内就会不可避免的有剩余的水不能完全流出，所以也要考虑到水管内剩余水量对总水量的影响。

如图4所示，可以将支路开关和传感器设置在靠近花盆的位置，使经过传感器的水量能够全部进入花盆，几乎没有误差，以防止实际浇花的水量小于盆栽需要的水量而导致的浇水不足的情况。

此外，为了防止水流进入盆栽中时流速过急对盆栽造成损伤，对出水口设计了储水区和缓冲区。

水流从支路先后流经开关和传感器，然后流入储水区，最后再经过缓冲区流入盆栽。

支路流入的流速较快，而缓冲区流出的流速要慢，所以设计了空间大于水量的储水区，使短时间内流不完的水量储存在储水区中然后慢慢流入盆栽中。

2 程序设计
为了顾及到家中盆栽的种类，考虑采用输入浇水的频率和浇水的水量的方式来提高系统的适应性，例如家中经常会养的文竹和仙人掌，在夏季，文竹有时会需要一天浇一次，而仙人掌一般两周浇一次就可以，并且两种植物的每次浇水的水量也是不同的。

同时为了使系统能够同时兼顾多个盆栽，考虑设置若干个开关阀控制分路，配合计算机连接上键盘以便于人工输入浇水的频率和每次浇水的水量，从而更好的使系统可以适用于更多的使用情况。

依据系统功能的要求，考虑了两种系统软件设计方案。

方案一：调用计时程序法，开始后由人工输入浇水频率和水量，主程序额外调用计时程序，当时间达到设定值时，计算机控制支路的传感器和开关打开，传感器监测实时水量，在程
序内部与设定水量值对比，当达到设定值时，计算机发出指令控制关闭传感器和开关，计时部件计时，等待下次浇水时间。

方案二：外部中断法，整个系统分为主程序和子程序，程序开始后输入水量值，进入待机程序，当外部终端发送中断信号时，待机的状态被打断，中断响应进入浇水的程序中，支路开关和传感器打开，传感器监测实时水量，在子程序中与设定值对比，达到设定值时控制器控制开关和传感器关闭，中断返回，再次进入待机程序中，等待下一次中断信号。

对比方案一与方案二，发现此方案的优点在于由网络发送中断信号而不需内部调用计时程序，减小了程序占用的内存，可以使程序简单方便。

因此这里采用方案二进行系统程序设计。

方案二的程序流程图如图5所示，程序开始后首先由人工根据盆栽的种类和对水的需求程度通过键盘输入水量值，然后系统执行等待复位的指令，盆栽浇水的频率由外部终端发送时间信号中断当前的等待的程序，外部时间信号到来的位置作为断点，主程序跳到中断处理子程序，系统控制支路传感器和开关阀打开，同时传感器开始监测水量，微控制器对采集的数据进行计算处理，判断水量是否达到设定值。

当流量达到设定值时，计算机控制关闭支路传感器和开关，中断返回到初始的等待程序中，等待下一次中断信号。

3 结语
本文针对家中的盆栽如何在无人照顾的情况，结合人工浇水的操作流程，根据嵌入式系统原理设计了家用自动化盆栽浇水的系统，本文从整个系统的结构设计、系统工作原理、系统硬件组成、如何精确的控制水量以及有效保护盆栽等方面进行了详细的设计说明。

该系统具有比较高的响应速度，能准确地完成浇水操作，同时具有较强的普适性。

由于知识水平和时间所限，本文仍有问题未能很好解决，还需进一步完善。

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