基于Arduino的太陽能庭院自動(dòng)澆灌裝置設(shè)計(jì)

0 引言

隨著人民生活水平的不斷提高,對(duì)居住環(huán)境也有了更高的追求，越來越多的人在家里、花園或者菜園里種植各種花草樹木。這些植物需要定期灌溉,特別是夏天，天氣炎熱干燥，一天不澆水植物就會(huì)枯萎。而日常生活中大家的工作都比較繁忙，有時(shí)還需要外出,存在家中長(zhǎng)期無人的情況,無法養(yǎng)護(hù)植物，植物很容易死亡或生長(zhǎng)受損。

另外，傳統(tǒng)的灌溉由人為實(shí)現(xiàn),灌溉的時(shí)間間隔及灌溉量都是根據(jù)自己的主觀意識(shí)來判斷，無法做到精確控制,不可避免存在灌溉量不足或過多的情況,不利于植物的生長(zhǎng)。

目前，市面上有許多的澆灌系統(tǒng)[1-13]是采用定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)澆灌，這種方法顯然不科學(xué)。還有很多使用了無線傳感和網(wǎng)絡(luò)技術(shù),通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物各個(gè)階段的成長(zhǎng)情況,但這種自動(dòng)澆灌裝置一般用于苗圃大棚，價(jià)格昂貴,性價(jià)比不高。對(duì)于普通家庭用，完全沒有必要掌握各項(xiàng)數(shù)據(jù)。因此，針對(duì)普通家用,設(shè)計(jì)一個(gè)小型的庭院用自動(dòng)澆水裝置有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)方案

該系統(tǒng)由電源模塊、Arduino UNO 開發(fā)板、光敏電阻、土壤濕度傳感器、繼電器、電磁閥、蜂鳴器和水管等構(gòu)成，整個(gè)設(shè)計(jì)過程和思路都是依據(jù) Arduino UNO 開發(fā)板的系統(tǒng)資源，控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)如圖 1 所示。

1.2 工作原理

該系統(tǒng)采用 Arduino UNO 開發(fā)板作為控制核心，通過對(duì)埋在土壤中的濕度傳感器對(duì)土壤濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),且利用光敏傳感器對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，將兩者獲取的信息反饋給控制芯片，若濕度和光強(qiáng)都高于預(yù)設(shè)值，通過控制模塊反饋信號(hào)，啟動(dòng)蜂鳴器發(fā)出警告聲,用以提醒在院中勞作的人，灌溉系統(tǒng)即將啟動(dòng),盡快撤離澆灌范圍。

經(jīng)過延時(shí)，待人員撤離后，Arduino 控制繼電器閉合電磁閥開始工作,通過噴頭噴灑對(duì)土壤均勻澆灌。當(dāng)土壤濕度達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，控制繼電器截?cái)嚯姶砰y通路,停止灌溉。整個(gè)系統(tǒng)的供電，采用太陽能蓄電池供電的方法，不需要專門準(zhǔn)備插座，既利用了自然資源，又節(jié)約了電力，體現(xiàn)了裝置節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 Arduino UNORV3 開發(fā)板

主控模塊選擇近年來最受電子愛好者歡迎的Arduino，該板是一個(gè)基于易用硬件和軟件的原型平臺(tái)（開源）。該平臺(tái)起源于意大利，主要基于 AVR 單片機(jī)微控制器和相應(yīng)的開發(fā)軟件而設(shè)計(jì)，其具有高度的模塊化特點(diǎn)[14]。Arduino Uno 是一款基于 ATmega328P 的微控制器板。它有 14 個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳(其中 6 個(gè)可用作 PWM 輸出)，6 個(gè)模擬輸入，16 MHz 晶振時(shí)鐘，USB 連接，電源插孔，ICSP 接頭和復(fù)位按鈕。只需要通過 USB 數(shù)據(jù)線連接電腦就能供電、程序下載和數(shù)據(jù)通信。

2.2 電源模塊

本系統(tǒng)由光合硅能的 30 W，12 V 家用小型發(fā)電系統(tǒng)供電。該發(fā)電系統(tǒng)由 3 部分構(gòu)成，18 V 30 W 光伏單晶硅太陽能發(fā)電板，10 A，12/24 V 太陽能智能控制器和 12 V 20 Ah 的蓄電池。該控制器能快速充電并穩(wěn)定太陽能電池板發(fā)出的不穩(wěn)定的電流,確保電池和負(fù)載的運(yùn)行安全和使用壽命，并帶有 12 V 輸出口及 5 V USB 接口，可為 12 V 電磁閥及 Arduino 開發(fā)板提供電壓。

2.3 土壤濕度傳感器

本系統(tǒng)采用 YL69 土壤濕度傳感器，使用時(shí)插入土壤中[15]。其濕度測(cè)量范圍為 1～99%RH,分辨率為 0.5%RH,測(cè)量精度誤差為±3.0%RH，響應(yīng)時(shí)間值為 5 s，正常使用的電壓范圍為 4.5～5.5 V。模塊中的電位器用于土壤濕度的閾值調(diào)節(jié)，順時(shí)針調(diào)節(jié)，控制的濕度會(huì)越大，逆時(shí)針越小。

數(shù)字量輸出 D0 可以直接與 Arduino 的數(shù)字口相連，通過 Arduino 來檢測(cè)高低電平。由此來檢測(cè)土壤濕度；模擬量輸出 A0（5 V 供電時(shí)的數(shù)值為 0～1 023），可以直接與 Arduino 的模擬輸入口相連，通過 Arduino 讀出土壤濕度更精確的數(shù)值。

本系統(tǒng)采用第二種辦法，直接讀模擬量的值。如果濕度的讀出數(shù)值高于 700（可根據(jù)需要自行設(shè)定），則自動(dòng)開啟電磁閥澆水。圖 2 為 YL69與Arduino 的連接方法。

2.4 電磁閥

太陽能控制器上可提供 12 V 電源，因此電磁閥采用工作電壓為 DC 12 V，電流為 1.2 A 的常閉型電磁閥,管徑大小為 4 分口，便于和普通自來水龍頭匹配，也便于連接軟水管。

2.5 繼電器

由于電磁閥的工作電流有 1.2 A，而 Arduino 能提供的電流只有 50 mA，達(dá)不到驅(qū)動(dòng)電磁閥的電流，所以無法直接驅(qū)動(dòng)電磁閥。此時(shí)，需要用中間繼電器來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。本系統(tǒng)采用 Arduino 專用 3p 接口，工作電壓為 5 V 的繼電器，該繼電器為 10 A 大電流繼電器，可以驅(qū)動(dòng)大電流設(shè)備。繼電器的 IN 引腳接 ArduinoD2 數(shù)字口，輸出端接電磁閥。

2.6 光敏電阻

該系統(tǒng)采用光敏電阻的目的是晚上不對(duì)植物進(jìn)行灌溉。光敏電阻采集的光強(qiáng)值直接與 Arduino 的模擬輸入口相連，通過 Arduino 可以讀出光照強(qiáng)度的精確數(shù)值。讀出數(shù)值低于 100 時(shí)（可設(shè)定），即使土壤濕度值高于設(shè)定數(shù)值，也不進(jìn)行灌溉。光敏電阻一端接 A1 口，另一端通過電阻接地。

2.7 蜂鳴器

白天，若傳感器檢測(cè)到土壤干燥，就自動(dòng)澆灌，有可能會(huì)淋濕到在院中勞作的人，因此，在啟動(dòng)設(shè)備前先驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，警告院中人即將噴水澆灌，待人離開后，再開啟設(shè)備。蜂鳴器負(fù)極接地，正極接 Arduino 的 D5 數(shù)字口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 Arduino 軟件設(shè)計(jì)

Arduino 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要采用 C 語言編制，在 Arduino 的程序開發(fā)平臺(tái)中，完成土壤濕度傳感器采集模塊、光敏電阻采集模塊、輸出繼電器控制模塊、蜂鳴器模塊等的軟件設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)上電后即檢測(cè)土壤濕度。若濕度值大于 700，則檢測(cè)光照強(qiáng)度值，若光強(qiáng)值大于 100，則使蜂鳴器得電，報(bào)警 10 s 后，使繼電器得電，繼而啟動(dòng)電磁閥開始澆灌植物。直到濕度值小于 700。若濕度值小于 700 或光強(qiáng)值小于 100，則關(guān)閉電磁閥通路。整個(gè)系統(tǒng)控制流程如圖 3 所示。

3.2 程序設(shè)計(jì)

Arduino 有自有的程序開發(fā)平臺(tái)，采用 C 語言編制。程序的最后編寫了一段可以在串口監(jiān)視窗口讀取實(shí)時(shí)的土壤濕度值和光照強(qiáng)度值的程序，通過手動(dòng)來改變光強(qiáng)及傳感器濕度，采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖 4 所示。采集的濕度、光強(qiáng)數(shù)據(jù)和實(shí)際值相符，且穩(wěn)定,無數(shù)據(jù)丟失、失真現(xiàn)象。圖 5 為部分系統(tǒng)源程序。

4 結(jié)語

該款小型的太陽能庭院自動(dòng)澆灌裝置，根據(jù)采集的濕度值、光照值與系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較判斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆灌的功能。實(shí)踐表明，本系統(tǒng)完全能滿足家用需求，具有運(yùn)行穩(wěn)定，工作可靠,測(cè)量精度高,實(shí)用性強(qiáng)，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼具節(jié)水節(jié)電的功能，便于應(yīng)用推廣。