家用自動化盆栽澆水系統(tǒng)

王慧雯

摘 要：本文結(jié)合人工澆水的操作流程，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)原理設(shè)計了一款家用自動化盆栽澆水系統(tǒng)，主要涉及由設(shè)計方案的選擇、系統(tǒng)的組成、管道放置、出水口的設(shè)計和程序的設(shè)計等具體內(nèi)容。該系統(tǒng)具有比較高的響應(yīng)速度，能準(zhǔn)確地完成澆水操作，同時具有較強的普適性。

關(guān)鍵詞：自動化；自動澆花；流量監(jiān)測；中斷

中圖分類號：S68 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）24-0048-02

在日常生活中，除了單調(diào)的工作、學(xué)習(xí)之外大多數(shù)人會選擇在家中養(yǎng)一些盆栽，這些植物擺放在家中，除了能起到裝飾的作用，還能夠讓人在照顧花草的過程中獲得放松，讓人能夠更加的能夠再投入到工作中。另外，種植盆栽還能幫助更新室內(nèi)的空氣，除去空氣中的有害物質(zhì)，可以說是一舉多得。但是當(dāng)住戶有事情需要長時間外出時，照顧花草就成了一個大問題，這時，一個家用自動盆栽澆水的系統(tǒng)就可以很大程度上解決這個問題。

1 系統(tǒng)方案選擇

首先考慮人澆水的操作，要完成“澆花”這個動作，看上去很簡單，不過是提壺澆水這樣兩步就可以。但是事實上，這兩步需要具體分解為多個操作步驟。人工澆水的操作流程如圖1所示，首先人眼通過觀察盆栽，配合大腦判斷花草是否需要澆灌，只有當(dāng)判斷出盆栽需要澆水時，大腦才會發(fā)出澆水指令；然后大腦會控制人手執(zhí)行提水澆花的動作，在澆水的同時眼睛繼續(xù)觀察，大腦會依據(jù)經(jīng)驗和眼睛接收到的信息判斷水量是否足夠，當(dāng)大腦判斷出水量足夠時，會發(fā)出停止?jié)菜闹噶钍節(jié)菜Ｖ埂?/p>

在上述的人工操作中，每一個部分都有其特有的功能，如表1所示，在用自動化系統(tǒng)代替人工的過程中，需要使用不同的部件以起到與人工操作相同的作用。例如人的眼有監(jiān)測水量的功能，可以用流量檢測傳感器代替，大腦可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和算法執(zhí)行，可以用微控制器代替，大腦作為執(zhí)行機構(gòu)可以用開關(guān)閥代替，神經(jīng)傳輸信號，可以用線路代替等。

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

以微控制器作為主控單元進(jìn)行系統(tǒng)搭建，如圖2所示，整個系統(tǒng)由多個流量檢測傳感器、傳感器配套放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、微控制器、鍵盤、外部終端、顯示器模塊和多個開關(guān)閥構(gòu)成。

流量檢測傳感器用來采集水的流量信號，經(jīng)過配套放大器和A/D轉(zhuǎn)換器后，輸入微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與計算，然后據(jù)此判斷是否需要控制執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行動作。鍵盤連接計算機手動輸入頻率和流量。外部終端用于完成外界設(shè)備與系統(tǒng)的信息交互。顯示器則用來顯示系統(tǒng)運作是否正常，以及顯示即時數(shù)據(jù)等，以便于人工檢查。

1.2 關(guān)鍵部分組成

系統(tǒng)的管道布線如圖3所示，將管道放置在比較隱蔽的位置，并且盡可能的將各個盆栽連接在一起，可以既不影響美觀也不影響系統(tǒng)的功能，主線的另一邊連接在總閘上，主線上在每盆花的附近分出若干個支路延伸到每個盆栽的根部用于澆水。支路管道的長短根據(jù)盆栽與主線的距離決定。另外，為了能夠更準(zhǔn)確的監(jiān)測流量和控制線路的通斷，線路的開關(guān)和各個流量監(jiān)測傳感器安裝在最接近花盆的位置。

流量監(jiān)測傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測水量，獲得實時水流的流量信號經(jīng)由運算放大器和A/D轉(zhuǎn)換器處理后中，將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量最后輸入計算機中，并在計算機中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)水流的數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定條件時，由微控制器發(fā)出指令控制各個開關(guān)閥進(jìn)行關(guān)閉或打開動作。

考慮到使用水管作為運輸水的工具，那么支路管道內(nèi)就會不可避免的有剩余的水不能完全流出，所以也要考慮到水管內(nèi)剩余水量對總水量的影響。如圖4所示，可以將支路開關(guān)和傳感器設(shè)置在靠近花盆的位置，使經(jīng)過傳感器的水量能夠全部進(jìn)入花盆，幾乎沒有誤差，以防止實際澆花的水量小于盆栽需要的水量而導(dǎo)致的澆水不足的情況。此外，為了防止水流進(jìn)入盆栽中時流速過急對盆栽造成損傷，對出水口設(shè)計了儲水區(qū)和緩沖區(qū)。水流從支路先后流經(jīng)開關(guān)和傳感器，然后流入儲水區(qū)，最后再經(jīng)過緩沖區(qū)流入盆栽。支路流入的流速較快，而緩沖區(qū)流出的流速要慢，所以設(shè)計了空間大于水量的儲水區(qū)，使短時間內(nèi)流不完的水量儲存在儲水區(qū)中然后慢慢流入盆栽中。

2 程序設(shè)計

為了顧及到家中盆栽的種類，考慮采用輸入澆水的頻率和澆水的水量的方式來提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，例如家中經(jīng)常會養(yǎng)的文竹和仙人掌，在夏季，文竹有時會需要一天澆一次，而仙人掌一般兩周澆一次就可以，并且兩種植物的每次澆水的水量也是不同的。同時為了使系統(tǒng)能夠同時兼顧多個盆栽，考慮設(shè)置若干個開關(guān)閥控制分路，配合計算機連接上鍵盤以便于人工輸入澆水的頻率和每次澆水的水量，從而更好的使系統(tǒng)可以適用于更多的使用情況。

依據(jù)系統(tǒng)功能的要求，考慮了兩種系統(tǒng)軟件設(shè)計方案。

方案一：調(diào)用計時程序法，開始后由人工輸入澆水頻率和水量，主程序額外調(diào)用計時程序，當(dāng)時間達(dá)到設(shè)定值時，計算機控制支路的傳感器和開關(guān)打開，傳感器監(jiān)測實時水量，在程序內(nèi)部與設(shè)定水量值對比，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時，計算機發(fā)出指令控制關(guān)閉傳感器和開關(guān)，計時部件計時，等待下次澆水時間。

方案二：外部中斷法，整個系統(tǒng)分為主程序和子程序，程序開始后輸入水量值，進(jìn)入待機程序，當(dāng)外部終端發(fā)送中斷信號時，待機的狀態(tài)被打斷，中斷響應(yīng)進(jìn)入澆水的程序中，支路開關(guān)和傳感器打開，傳感器監(jiān)測實時水量，在子程序中與設(shè)定值對比，達(dá)到設(shè)定值時控制器控制開關(guān)和傳感器關(guān)閉，中斷返回，再次進(jìn)入待機程序中，等待下一次中斷信號。

對比方案一與方案二，發(fā)現(xiàn)此方案的優(yōu)點在于由網(wǎng)絡(luò)發(fā)送中斷信號而不需內(nèi)部調(diào)用計時程序，減小了程序占用的內(nèi)存，可以使程序簡單方便。因此這里采用方案二進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計。

方案二的程序流程圖如圖5所示，程序開始后首先由人工根據(jù)盆栽的種類和對水的需求程度通過鍵盤輸入水量值，然后系統(tǒng)執(zhí)行等待復(fù)位的指令，盆栽澆水的頻率由外部終端發(fā)送時間信號中斷當(dāng)前的等待的程序，外部時間信號到來的位置作為斷點，主程序跳到中斷處理子程序，系統(tǒng)控制支路傳感器和開關(guān)閥打開，同時傳感器開始監(jiān)測水量，微控制器對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，判斷水量是否達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)流量達(dá)到設(shè)定值時，計算機控制關(guān)閉支路傳感器和開關(guān)，中斷返回到初始的等待程序中，等待下一次中斷信號。

3 結(jié)語

本文針對家中的盆栽如何在無人照顧的情況，結(jié)合人工澆水的操作流程，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)原理設(shè)計了家用自動化盆栽澆水的系統(tǒng)，本文從整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)工作原理、系統(tǒng)硬件組成、如何精確的控制水量以及有效保護(hù)盆栽等方面進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計說明。該系統(tǒng)具有比較高的響應(yīng)速度，能準(zhǔn)確地完成澆水操作，同時具有較強的普適性。由于知識水平和時間所限，本文仍有問題未能很好解決，還需進(jìn)一步完善。

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