發(fā)布時(shí)間：2019-05-24所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:針對(duì)傳統(tǒng)人工養(yǎng)殖花卉不方便、不衛(wèi)生的弊端，設(shè)計(jì)了一款可以應(yīng)用于室內(nèi)的全自動(dòng)智能營養(yǎng)液培植花盆。該花盆由光照強(qiáng)度檢測與補(bǔ)光燈控制系統(tǒng)、自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)、太陽能儲(chǔ)電系統(tǒng)及自動(dòng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)4個(gè)部分構(gòu)成。光照強(qiáng)度的檢測由光照傳感器感應(yīng)，單片機(jī)輸出控制L
摘要:針對(duì)傳統(tǒng)人工養(yǎng)殖花卉不方便、不衛(wèi)生的弊端，設(shè)計(jì)了一款可以應(yīng)用于室內(nèi)的全自動(dòng)智能營養(yǎng)液培植花盆。該花盆由光照強(qiáng)度檢測與補(bǔ)光燈控制系統(tǒng)、自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)、太陽能儲(chǔ)電系統(tǒng)及自動(dòng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)4個(gè)部分構(gòu)成。光照強(qiáng)度的檢測由光照傳感器感應(yīng)，單片機(jī)輸出控制LED燈的開關(guān)及盆體是否旋轉(zhuǎn)等信息;太陽能儲(chǔ)電系統(tǒng)由太陽能電池板轉(zhuǎn)換電能用于提供整個(gè)系統(tǒng)的部分電能;自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)和自動(dòng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)是借助于時(shí)鐘芯片，通過軟件程序設(shè)定定時(shí)噴灑營養(yǎng)液及向光旋轉(zhuǎn)。綠植無土栽培試驗(yàn)表明:植株在后期生長的形態(tài)指標(biāo)要優(yōu)于傳統(tǒng)土培與基質(zhì)養(yǎng)植。此研究結(jié)果可為智能無土栽培提供技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞:智能花盆;無土栽培;太陽能;單片機(jī)
0引言
綠色植物能夠有效凈化空氣、釋放負(fù)離子，還能形成綠色視野，促進(jìn)人類身心健康。如今，隨著生活節(jié)奏的加快和生活壓力的增加，人們并沒有足夠的時(shí)間和精力來照看家庭室內(nèi)養(yǎng)殖的植物，大型辦公場所的植物更是需要聘用專業(yè)人士種植，智能花盆[1-2]的思想應(yīng)運(yùn)而生。智能化控制花盆能夠降低能耗、節(jié)約資源，實(shí)現(xiàn)健康、環(huán)保及低碳節(jié)能的智能生活。
目前，智能花盆與物聯(lián)網(wǎng)的有效結(jié)合使得智能花盆相比于傳統(tǒng)花盆特點(diǎn)更加鮮明、優(yōu)勢更加明顯，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:1)科學(xué)性。將“智能花盆”的設(shè)計(jì)與營養(yǎng)液水培技術(shù)結(jié)合，并將太陽能供電技術(shù)應(yīng)用其中，具有節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)補(bǔ)水、向光旋轉(zhuǎn)及整體基本無人看管。2)先進(jìn)性。智能花盆將傳統(tǒng)種植業(yè)與電子產(chǎn)品業(yè)等現(xiàn)代科技結(jié)合，形成具有強(qiáng)大功能的技術(shù)架構(gòu)，同時(shí)為眾多消費(fèi)者及企業(yè)提供了巨大的市場和無限機(jī)會(huì)。3)創(chuàng)新性。物聯(lián)網(wǎng)下的智能家居帶來的是一次顛覆性、創(chuàng)新性的革命，新的生活方式必然會(huì)帶來技術(shù)的創(chuàng)新及各方面產(chǎn)品的創(chuàng)新。智能家居產(chǎn)品[3-4]在人們生活發(fā)展中越來越得到廣泛的應(yīng)用與認(rèn)可，具有良好的發(fā)展前景。
1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
智能花盆在我國的發(fā)展時(shí)間尚短，但種類繁多。2015年，通達(dá)綠景科技發(fā)布了JUSTGROW智能花盆，主打“省事、省心的植物養(yǎng)成”。其栽培基質(zhì)經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)免除了鏟土、施肥的步驟，同時(shí)加入了澆水提醒。2017年，小米眾籌智能花盆發(fā)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(shè)計(jì)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(jī)等移動(dòng)設(shè)備安裝客戶端觀察。近年來，布魯內(nèi)爾大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)系的女大學(xué)生娜塔莉·金設(shè)計(jì)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?cè)诜N植盆栽前了解所種植植物的生活特性。2015年，CES國際消費(fèi)電子展美國某公司展出的ParrotPot智能花盆加入了自動(dòng)澆水功能，使得智能花盆領(lǐng)域的研究向全自動(dòng)化更進(jìn)一步。
2太陽能智能無土栽培花盆系統(tǒng)的研制
2.1核心系統(tǒng)
核心系統(tǒng)主要由光照強(qiáng)度檢測與補(bǔ)光燈控制系統(tǒng)、自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)、太陽能儲(chǔ)電系統(tǒng)及自動(dòng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)4個(gè)部分構(gòu)成。光照強(qiáng)度的檢測以光照傳感器BH1750FVI為感應(yīng)部件，設(shè)定最小光照度為1000Lux的正常太陽光照強(qiáng)度，將檢測到的光照強(qiáng)度值送入AT89C51單片機(jī)，再由其輸出繼電器控制LED燈的亮滅及盆體是否旋轉(zhuǎn)，最大限度地節(jié)約能源和成本。
太陽能儲(chǔ)電系統(tǒng)基于自動(dòng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的向光性，由太陽能電池板轉(zhuǎn)換電能用于提供整個(gè)系統(tǒng)的部分電能。太陽能儲(chǔ)電不足時(shí)利用外接USB接口進(jìn)行充電，采用USB充電的好處在于其通用性和實(shí)用性強(qiáng)[6]。自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)和自動(dòng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)是從時(shí)鐘芯片DS1302讀入月份與每天的實(shí)時(shí)時(shí)刻，通過軟件程序設(shè)定定時(shí)噴營養(yǎng)液以及向光旋轉(zhuǎn)。以人工智能、自動(dòng)控制及機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)等現(xiàn)代化技術(shù)手段為根本，基于光、溫、水、氣、肥的檢測與調(diào)控系統(tǒng)，創(chuàng)建了一個(gè)具備初等小型生態(tài)系統(tǒng)的概念花盆，通過各平臺(tái)系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)各個(gè)獨(dú)立執(zhí)行系統(tǒng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)光照、水分環(huán)境自發(fā)適應(yīng)調(diào)控，即各環(huán)境因子(光照、溫度、濕度、CO2濃度等)的耦合調(diào)控、自適應(yīng)LED補(bǔ)光、太陽能補(bǔ)光及智能補(bǔ)充營養(yǎng)液等功能。
2.2智能花盆結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)
2.2.1盆體選材
其優(yōu)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(gè)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(jī)械燙接形式。PVC材料卷材抗壓強(qiáng)度大，其抗壓強(qiáng)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(shè)計(jì)，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(dǎo)致隔板塌陷。
2.2.2盆底選材
從環(huán)保、力學(xué)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(jié)構(gòu)規(guī)整而高度結(jié)晶化，故熔點(diǎn)可高達(dá)167℃，耐熱、耐腐蝕，制品可用蒸汽消毒是其突出優(yōu)點(diǎn)，且密度小，是最輕的通用塑料。這種材料的力學(xué)性能良好，表面剛度和抗劃痕特性尤為出眾，不存在環(huán)境應(yīng)力開裂問題[7-10]。
聚丙烯具有優(yōu)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(xué)穩(wěn)定性也十分良好，除能被濃硫酸、濃硝酸侵蝕外，對(duì)其它各種化學(xué)試劑都比較穩(wěn)定。所以，選擇其作為花盆底座。在底座下安裝4個(gè)萬向輪，用于其整體在軌道上旋轉(zhuǎn)，并且外徑大于花盆最大外徑，防止向花盆內(nèi)注水時(shí)濺射而發(fā)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(jié)構(gòu)，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(qiáng)、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(shí)受水施加的壓力，但漏斗形狀會(huì)分擔(dān)其向下的壓力，在水壓下不會(huì)導(dǎo)致粘接處出現(xiàn)開膠的現(xiàn)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(jié)構(gòu)采用弧形可伸縮式燈架，可根據(jù)植株的大小調(diào)整燈與植株間的距離，以適應(yīng)不同植株對(duì)光照點(diǎn)的要求[11]。弧形結(jié)構(gòu)使之與花盆外壁緊密貼合，加強(qiáng)了燈架主干抗彎強(qiáng)度。
2.3帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
考慮到花盆工作條件，盆底傳動(dòng)裝置處于一個(gè)相對(duì)良好的工作環(huán)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(dòng)作為花盆的主傳動(dòng)裝置。其優(yōu)勢在于:緩和載荷沖擊，運(yùn)行平穩(wěn)無噪聲，制造和安裝精度不像嚙合傳動(dòng)那樣嚴(yán)格，防止過載時(shí)引起打滑及其他零件損壞，且可增加帶長以適應(yīng)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(dòng)比n=12:1，帶輪寬為3mm，材料為聚丙烯。此設(shè)計(jì)的主要目的是為了在傳送帶損壞時(shí)可在家隨時(shí)用橡膠帶更換。
動(dòng)力的轉(zhuǎn)換采用5號(hào)線4相28BYJ-48型步進(jìn)電機(jī)。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、質(zhì)量輕，且性價(jià)比高。28BYJ-48型步進(jìn)電機(jī)直徑為28mm，電壓為5V，步進(jìn)角度為5.64*1/64，減速比為1/64，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于300g·cm，定位轉(zhuǎn)矩大于300g·cm。
2.4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)部分以AT89C51單片機(jī)為核心，利用軟件編寫C語言程序。軟件系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)初始化、時(shí)鐘時(shí)序、端口控制等，從而實(shí)現(xiàn)由步進(jìn)電機(jī)利用單片機(jī)對(duì)外圍電路的自動(dòng)控制。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。軟件設(shè)計(jì)主要分為幾大部分:1)光強(qiáng)檢測部分是通過照度傳感器BH1750FVI檢測光照強(qiáng)度，與程序固化的下限值進(jìn)行比較，然后做出判斷;當(dāng)光照強(qiáng)度和光照時(shí)間低于固化的下限值時(shí)，反饋給單片機(jī)斷開LED燈的電能供給。2)定時(shí)電路部分。
本系統(tǒng)用于家居生活中，通常其工作時(shí)間為幾個(gè)小時(shí)到十幾個(gè)小時(shí)。由于單片機(jī)自帶的定時(shí)器內(nèi)部定時(shí)，指令的執(zhí)行時(shí)間不確定而具有一定的誤差[12-15]，時(shí)間的積累會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。因此，對(duì)于定時(shí)電路使用外部的外接時(shí)鐘芯片，通過讀取該定時(shí)芯片數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行定時(shí)，從而保證定時(shí)時(shí)間的準(zhǔn)確。所以，定時(shí)電路使用外部時(shí)間芯片DS1302。DS1302采用同步串行的方式與單片機(jī)進(jìn)行通信，通過RES復(fù)位線、I/O數(shù)據(jù)線、SCLK串行時(shí)鐘口線和單片機(jī)進(jìn)行信息交換。
3綠植無土栽培試驗(yàn)研究
無土栽培技術(shù)(soillessculture)用人工配制的培養(yǎng)液，供給植物礦物營養(yǎng)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(fā)育必需元素的營養(yǎng)液來提供營養(yǎng)，使植物正常完成整個(gè)生命周期的技術(shù)。
4結(jié)論
1)科學(xué)的思路:根據(jù)專業(yè)的知識(shí)，計(jì)算植物生長所需的光照強(qiáng)度及時(shí)間;堅(jiān)持有效節(jié)約能源的理念，利用機(jī)械結(jié)構(gòu)自動(dòng)化設(shè)計(jì)，將太陽能板安裝在花盆上方，解決傳統(tǒng)智能花盆浪費(fèi)能源等問題。2)實(shí)用的設(shè)計(jì):采用營養(yǎng)液無土裁培技術(shù)，去除了土壤栽培帶來的諸多不便，且打理的時(shí)間大大縮短，不需要花太多的時(shí)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(yōu)化:利用太陽能供光，并添加向光旋轉(zhuǎn)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(chǔ)存水分，以植物和照明兩用燈代替了傳統(tǒng)植物補(bǔ)光燈，減少了資源的浪費(fèi)，大大提升了材料利用率與花盆工作效率。4)通過試驗(yàn)研究，智能花盆在正常室內(nèi)環(huán)境下運(yùn)行時(shí)可以實(shí)現(xiàn):①綠植生長環(huán)境光照強(qiáng)度、水分以及營養(yǎng)的自適應(yīng)調(diào)控;②能夠及時(shí)補(bǔ)充光照保證綠植正常生長;③能夠?qū)G植定量、均勻地進(jìn)行水分補(bǔ)施;④營養(yǎng)液栽培縮短了植物生長周期。
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機(jī)電工程師評(píng)職刊物：機(jī)電設(shè)備的專業(yè)范圍涉及工業(yè)設(shè)備、電氣自動(dòng)化、液壓與氣動(dòng)、制冷與空調(diào)、環(huán)保機(jī)械、物流機(jī)式、柴油機(jī)、泵、閥、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、船舶輔助機(jī)械以及船舶電氣設(shè)備等。編輯部還與國際技術(shù)傳媒合作，逐漸增加雜志中有關(guān)國外先進(jìn)應(yīng)用技術(shù)的報(bào)導(dǎo)和市場信息。讀者對(duì)象為從事于機(jī)電設(shè)備研究，開發(fā)、應(yīng)用、維修管理，以及機(jī)電產(chǎn)品營銷，采購人員、工程技術(shù)人員和理工專業(yè)的大專院校師生。
