作者：付菲菲、于海鑫、王子敏
單位：黑河學(xué)院
指導(dǎo)老師：索向峰、李巖

1. 概述

1.1設(shè)計背景
? ?? ? 隨著時代的發(fā)展，城市化腳步加快、城市人口密度越來越大、城市生活節(jié)奏快壓力大作息難成規(guī)律。城市建筑建筑面積迅速增加、而綠地面積越來越少，生活環(huán)境逐漸變差。身居城市的人們渴望一個舒適安寧。 自然和諧的環(huán)境從而不同程度的著手綠化環(huán)境。家庭養(yǎng)植開始快速發(fā)展，對增加城市綠的面積，改善特定范圍內(nèi)的人居環(huán)境有著極其重要的意義。人們對花卉的需求量越來越大，但是現(xiàn)今的花卉養(yǎng)植基本都是靠花卉主進(jìn)行的人工培育、所以，養(yǎng)殖主要花卉大量的精力去培育花卉，如此一來就會浪費大量的人力物力和財力，造成資源浪費，也會造成花開成本升高、也二降低了花卉主的收益以及人們的購買力。在家庭養(yǎng)植發(fā)展的同時物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也在迅速發(fā)展。而技術(shù)也正在快速的發(fā)展和成熟，將基于的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到家庭養(yǎng)植管理是一個很好的發(fā)展方向。通過這個智能監(jiān)測系統(tǒng)?？梢詼?zhǔn)確的采集花生卉長環(huán)境的各項指標(biāo)。并將所測得的花卉指標(biāo)通過與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境進(jìn)行對比、人們便可以準(zhǔn)確及時的進(jìn)行改變其生長環(huán)境到最佳生長環(huán)境狀態(tài)下。那么只需要花費少量的資源來對花卉生長環(huán)境進(jìn)行修正即可還大大的提高了花卉的成活率減少損失提高效率。

1.2綜述
? ?? ?目前植物檢測器有兩大分類，一種為監(jiān)測型，另一種為養(yǎng)護(hù)型。監(jiān)測型價格便宜但功能較少。養(yǎng)護(hù)型可以全方位的對植物進(jìn)行呵護(hù)有利于植物更好的成長。大家現(xiàn)在的解決方案基本都為軟硬件結(jié)合，通過手機(jī)和智能硬件互動。監(jiān)測型產(chǎn)品國外代表產(chǎn)品有“flower power智能盆栽檢測器”，與國內(nèi)小米公司的“花花草草檢測器”類似。只能進(jìn)行植物信息的采集和反饋。并不具備對植物進(jìn)行補(bǔ)光和澆水等功能。養(yǎng)護(hù)型產(chǎn)品國內(nèi)有“花小白智能盆栽”，其具備澆水功能，但產(chǎn)品設(shè)計分散，花盆與水箱分離，美觀性和實用性不強(qiáng)。而本次探索者程序設(shè)計的智能花架的智能體現(xiàn)在它可以通過實時監(jiān)測植物生長的外界環(huán)境因素(空氣溫濕度，土壤濕度，光照強(qiáng)度等），隨著植物生長環(huán)境條件的變化，自動澆水，自動補(bǔ)光，自動補(bǔ)充從而適時的調(diào)節(jié)植物正常生長所需的外界環(huán)境因素，使植物生長在一個合適的環(huán)境當(dāng)中。解決了用戶無法實時照顧植物的痛點。智能花架的實時監(jiān)測功能，可以監(jiān)測植物的當(dāng)前狀態(tài)，自動澆水，自動補(bǔ)光功能完全可以替代人的照料。即使用戶身處在另一座城市之中，植物也會得到及時的照料。

2. 系統(tǒng)整體設(shè)計

2.1設(shè)計要求
? ?? ? 在本次探索者創(chuàng)新設(shè)計挑戰(zhàn)賽中，本隊伍設(shè)計的智能花架具有自動感應(yīng)參數(shù)功能，要求花架感應(yīng)植物生長環(huán)境的變化，針對不利于植物正常生長的環(huán)境參數(shù)如：溫度、土壤和空氣濕度、光線強(qiáng)度等做出調(diào)整，使之有利于植物的正常生長
? ?? ? ① 感應(yīng)要求
? ?? ? 感應(yīng)功能要求能夠正確的感知植物土壤的濕度是否有利于當(dāng)前植物的需求；
? ?? ? 感知植物所處空間的濕度與溫度是否符合當(dāng)前植物生長的需求；感知當(dāng)前室內(nèi)光照強(qiáng)度是否利于植物的正常生長
? ?? ? ② 調(diào)整要求
? ?? ? 調(diào)整功能需要通過設(shè)備感應(yīng)與系統(tǒng)控制功能相結(jié)合，在不符合要求的土壤濕度環(huán)境下，對植物進(jìn)行自動灌溉，當(dāng)滿足要求時，系統(tǒng)自動停止灌溉；在不符合環(huán)境溫度空氣濕度情況下，通過溫度傳感器、濕度傳感器與發(fā)熱器、噴灑器改變植物周圍的溫度與濕度，是植物保持正常生長；在不符合光照強(qiáng)度情況下，通過智能調(diào)光版與采光系統(tǒng)，使植物受到的光照強(qiáng)度符合生長要求。

2.2 智能花架系統(tǒng)總體設(shè)計
? ?? ? 根據(jù)設(shè)計方案，花架共包括五大模塊：溫度器模塊、濕度傳感器模塊、光線傳感器模塊、灌溉模塊、采光與調(diào)光模塊、電源模塊。

? ?? ? ① 濕度感器模塊：在該模塊中對在該模塊中對植物周圍空氣中水分和土壤中的水分所占的比例進(jìn)行測量其作用主要是將測量結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)，讓其與系統(tǒng)預(yù)設(shè)濕度進(jìn)行比對，從而讓系統(tǒng)判斷是否需要對植物周圍濕度和土壤濕度做出調(diào)整。
? ?? ? ② 溫度傳感器模塊：在該模塊中通過熱敏電阻將植物周圍溫度傳遞給控制系統(tǒng)，讓其與系統(tǒng)預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行比對，從而讓系統(tǒng)判斷是否需要對植物周圍溫度做出調(diào)整。
? ?? ? ③ 光線傳感器模塊：在該模塊中將植物周圍光線強(qiáng)度傳遞給控制系統(tǒng)，讓其與系統(tǒng)預(yù)設(shè)光線強(qiáng)度進(jìn)行比對，如果植物受到的光照強(qiáng)度過強(qiáng)則控制調(diào)光版使周圍光線強(qiáng)度降低；如果植物受到光照強(qiáng)度較弱，則通過光線追蹤控制調(diào)整植物角度使其最大范圍，最大角度接受光照。
? ?? ? ④ 灌溉模塊：當(dāng)系統(tǒng)接受到濕度傳感器的信息后，如果不符合預(yù)設(shè)要求，則控制系統(tǒng)會控制水泵自動抽水對植物進(jìn)行灌溉，直到傳感器信息符合預(yù)設(shè)要求調(diào)整灌溉。
? ?? ? ⑤ 調(diào)光與采光模塊：當(dāng)系統(tǒng)接受到光線傳感器的信息后，如果不符合要求，則控制系統(tǒng)會通過調(diào)光版以及光線追蹤，角度調(diào)整對植物受到的光照強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。

3. 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1主體結(jié)構(gòu)和機(jī)械運作結(jié)構(gòu)
? ?? ? 主體花架采用立體分層式結(jié)構(gòu)設(shè)計，便攜輕巧，節(jié)省空間，總體結(jié)構(gòu)美觀。機(jī)械運作，通過電磁閥門控制水泵灌溉與水箱自動上水，水位報警采用硬件電路控制，實現(xiàn)水箱水位實時監(jiān)測功能；通過調(diào)光版升降程度與位置調(diào)節(jié)器調(diào)整植物擺放角度與受光強(qiáng)度，實現(xiàn)受光控制功能；通過機(jī)械臂控制噴水器方位，通過電磁噴嘴控制噴水強(qiáng)度，實現(xiàn)濕度穩(wěn)定功能。

3.2傳輸模塊
? ?? ? 選用的傳輸模塊是nRF905，利用nRF905的ShockBrusrTM接收模式接收其他模塊傳來的數(shù)據(jù)和 ShockBrusTM 發(fā)送模式將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給其他需要數(shù)據(jù)的模塊。
? ?? ? ShockBrusrTM接收模式：當(dāng)一個包含正確地址和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包被接收到后，地址匹配(AM）和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好（DR）兩引腳通知微控制器。
? ?? ? ShockBrusTM 發(fā)送模式：nRF905 自動產(chǎn)生字頭和 CRC 校驗碼(循環(huán)冗余碼校驗），當(dāng)發(fā)送過程完成后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。
? ?? ? 整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流動將主要依靠 nRF905 無線傳輸模塊中的ShockBrusrTM接收模式和ShockBrusTM 發(fā)送模式進(jìn)行，以此來使正個系統(tǒng)各項指令的能快捷方便的傳輸。

3.3主控模塊
? ?? ? 通過給AT89C51單片機(jī)進(jìn)行程序編程讓 AT89C51單片機(jī)實現(xiàn)對DHT11溫度傳感器，DHT11濕度傳感器，BH1750光照傳感器，土壤濕度傳感器的控制與參數(shù)調(diào)節(jié)，通過螺絲和螺柱來調(diào)節(jié)高度使單片機(jī)主控板方便接線，并且主板與各器件處于對稱的位置，有利于花架的穩(wěn)定。

3.4電源模塊
? ?? ? 可以采用機(jī)車移動式電源與家用電器交流電源兩種類型，方便智能花架應(yīng)運于各種場景

4. 硬件信息

4.1 AT89C51單片機(jī)
? ?? ? AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制浩技術(shù)制造、與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指合集和輸出管腳相兼容。由多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中。AT89C51單片機(jī)為智能花架嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。

4.2 DHT11濕度傳感器
? ?? ? DHT11數(shù)字濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器為一個電阻式感濕元件，并與一個高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價比極高等優(yōu)點。每個 DHT11 傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其成為該類應(yīng)用中，在苛刻應(yīng)用場合的最佳選擇。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝，連接方便。

4.3 DHT11溫度傳感器
? ?? ? DHT11數(shù)字溫度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)溫度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器為一個NTC 測溫元件，并與一個高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價比極高等優(yōu)點。每個 DHT11 傳感器都在極為精確的溫度校驗室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其成為該類應(yīng)用中，在苛刻應(yīng)用場合的最佳選擇。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝，連接方便。

4.4 BH1750光照傳感器
? ?? ? BH1750環(huán)境光傳感器內(nèi)置16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它能夠直接輸出一個數(shù)字信號，不需要再做復(fù)雜的計算。這是一種更精良的和容易使用簡易電阻器的版本，通過計算電壓,來獲得有效的數(shù)據(jù)。這款環(huán)境光傳感器能夠直接通過光度計來測量。光強(qiáng)度的單位是流明"Ix”。當(dāng)物體在均勻的光照下它能夠在每平方米獲 得1lx的光通量，它們的光強(qiáng)度是1lx。有時為了充分利用光源，你可以增加一個光源的反射裝置。那樣在某些方向就能獲得更多的光通量，以增加被照表面的亮度。

4.5 土壤濕度傳感器
? ?? ? 模塊中藍(lán)色的電位器是用于土壤濕度的閥值調(diào)節(jié)，數(shù)字量輸出DO可以與單片機(jī)直接相連，通過單片機(jī)來檢測高低電平，由此來檢測土壤濕度；小板模擬量輸出AO可以和AD模塊相連，通過AD轉(zhuǎn)換，可以獲得土壤濕度更精確的數(shù)值。

5. 工作流程

5.1流程框架圖

5.2詳細(xì)功能與指標(biāo)

6. 系統(tǒng)開發(fā)與測試

? ?? ? 產(chǎn)品的問題是不可避免的，所以必須經(jīng)過嚴(yán)格的測試。通過對本產(chǎn)品的測試，盡可能的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中存在的錯誤，借以減少系統(tǒng)內(nèi)部各模塊的邏輯，功能上的缺陷和錯誤，保證每個單元能正確地實現(xiàn)其預(yù)期的功能。檢測和排除子系統(tǒng)（或系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)或相應(yīng)程序結(jié)構(gòu)上的錯誤，使所有的系統(tǒng)單元配合合適，整體的性能和功能完整。

6.1功能測試
? ?? ? 主要核實所有功能均已正常實現(xiàn)，與需求一致。測試是否可以正常監(jiān)測植物周邊環(huán)境的空氣溫濕度、光照、土壤濕度信息。

6.2性能測試

? ?? ? 主要測試設(shè)備連續(xù)工作是否正常，觀察智能養(yǎng)護(hù)效果是否理想。調(diào)光版和澆水對植物的影響是否明顯。

6.3測試數(shù)據(jù)
? ?? ? 我們進(jìn)行了24小時不間斷測試，環(huán)境數(shù)據(jù)我們通過標(biāo)準(zhǔn)測量設(shè)備測出，實測數(shù)據(jù)通過我們的產(chǎn)品傳感器測出。

6.4結(jié)果分析
? ?? ? 可以從以上分析看出我們的對植物的補(bǔ)光和補(bǔ)水效果比較明顯。當(dāng)土壤濕度不宜時，水泵會自動調(diào)節(jié)澆水水量，始終使土壤濕度維持到一個正常范圍。當(dāng)光照不足或光照時間不足時，led 補(bǔ)光系統(tǒng)以及調(diào)光版和光線追蹤系統(tǒng)會根據(jù)植物屬性進(jìn)行不同的光照調(diào)節(jié)，使植物始終受到合理的光照，利于植物生長。

7. 特色與創(chuàng)新點
7.1產(chǎn)品特色
? ?? ? 智能照科有植物花架外觀簡潔美觀，我們努力把它做成家中的藝術(shù)品。此款產(chǎn)品適合城市居民使用，即能提高自己的品味又能凈化空氣，減少輻射。

7.2產(chǎn)品創(chuàng)新
? ?? ? 市面上大部分花架不具備對植物進(jìn)行補(bǔ)光和澆水監(jiān)測等功能，而少部分花架產(chǎn)品如國內(nèi)有“花小白智能盆栽”，其具備澆水功能，但產(chǎn)品設(shè)計分散，花盆與水箱分離，美觀性和實用性不強(qiáng)。而本次探索者程序設(shè)計的智能花架的智能體現(xiàn)在它可以通過實時監(jiān)測植物生長的外界環(huán)境因素(空氣溫濕度，土壤濕度，光照強(qiáng)度等），隨著植物生長環(huán)境條件的變化，自動澆水，自動補(bǔ)光，自動補(bǔ)充從而適時的調(diào)節(jié)植物正常生長所需的外界環(huán)境因素，使植物生長在一個合適的環(huán)境當(dāng)中。解決了用戶無法實時照顧植物的痛點。智能花架的實時監(jiān)測功能，可以監(jiān)測植物的當(dāng)前狀態(tài)，自動澆水，自動補(bǔ)光功能完全可以替代人的照料。即使用戶身處在另一座城市之中，植物也會得到及時的照料。

8. 示例程序

9. 結(jié)論

? ?? ? 此次大賽是本團(tuán)隊第一次參加該賽事，所遇到的困難和問題都欠缺處理的經(jīng)驗和解決的方法。但我們參賽隊員飽含熱情不拋棄不放棄，遇到問題就解決問題，在困難中探索，在困境中越障，在生活中循跡，想必這也是此次比賽乃至中國機(jī)器人行業(yè)從業(yè)者的精神內(nèi)涵。
? ?? ? 為了讓用戶不再因為養(yǎng)殖植物死亡而煩惱，我們設(shè)計了家庭智能照科花架。我們希望通過我們的產(chǎn)品解決用戶的痛點，并能愛上植物養(yǎng)殖。目前我們已經(jīng)實現(xiàn)了智能盆栽的植物土壤濕度、光照、空氣溫濕度的信息采集與處理，并能使盆栽自動澆水與補(bǔ)光，使植物始終處于合適的生長環(huán)境，真正實現(xiàn)了24小時全面養(yǎng)護(hù)植物。
? ?? ? 然而還需要改進(jìn)的地方還有許多，雖然可以通過大量的實驗檢測使得數(shù)據(jù)貼合的更完美，但畢竟屬于開環(huán)控制，所以我們離真正智能化還有很大的一段距離要走，這也正是我們未來的目標(biāo)和奮斗的方向。同時為提供比賽的舉辦方和協(xié)辦單位提出感謝，正是前行者們的不斷努力才能使對機(jī)器人有著興趣的廣大愛好者們有著參賽機(jī)會和了解行業(yè)前沿知識的機(jī)會。相信每一個對機(jī)器人有興趣的參賽者們最終也會銘記此次參賽經(jīng)歷。

參考文獻(xiàn)

* 更多詳情請參考?https://www.robotway.com/h-col-288.html