智能遮光浇灌系统的设计与研究
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作者:叶钟城 秦立蟠 沈宇轩 黄馨颍 呼格吉乐
摘 要：基于对普通植物光照湿度培育装置，研制出了智能遮光浇灌系统。此款智能遮光浇灌系统能够很好地解决对植物的高精度光照湿度双线程的自动培育，可以为人们日常生活中培育植物提供便利。本文详细介绍了此款智能遮光浇灌系统的设计与制作。
关键词：智能遮光浇灌;双线程;高精度;自动;使用说明
一、概述
在现在快节奏生活中，人们常常会忘记照顾植物，而此款智能遮光浇灌系统就能解决这个问题，它能在植物过晒时自动伸展遮光网以及在水分不足时自动浇灌，从而避免了人们因上述原因而造成的一些损失。而当外界阳光不足时它又能够自动收回遮光网。同时，它也解决了人们对于植物培育精度的需求。因为就现在市场而言，很难对不同种类植物实现高精度地培育，大部分都是以统一的标准来照顾所有植物。尤其是当家庭对于植物培养精度需求较高时，这款产品就可以满足人们对不同种类植物高精度培育的需求。
二、功能简介
智能遮光浇灌系统通过各类传感器综合传感外界环境光照强度、湿度的变化，然后通过与传感器中调用的阈值对比将电压信号传输到Arduino主板中，再传递信号给驱动，使减速电动机进行工作（正反转），进而带动其内部特有的机械结构（联轴器，同步轮、带的传动），从而达到“过晒自动展开遮光网”、“土壤湿度不足自动浇灌”的效果。同时在数据调用方面不断更新程序内数据库提高对植物的培育精度。
三、智能遮光浇灌系统的主要结构
四、智能遮光浇灌系统的物理原理
（一）自动开关遮光网系统
利用了“自动感应门”的机械原理。即用大扭力减速电动机带动同步带轮组，在同步带上固定一个限位杆，利用与限位开关的配合触发实现对遮光网的自动伸展和收回。电路部分利用土壤湿度传感器及光敏传感器来感应周围光照强度和湿度的变化，当感应到有过高光照强度时便启动减速电机，完成自动伸展遮光网的任务。
（二）土壤湿度传感器
土壤湿度传感器是最简单的湿度传感器。土壤湿度传感器主要有电阻式、电容式两大类。这里我们选用的是电容式的传感器。土壤湿度传感器电容一般是用高分子薄膜电容制成的。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。
（三）光敏传感器
光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。通过对光信号的感受，我们就可以控制遮光布，在光这一方面对植株进行呵护
五、智能遮光浇灌系统的制作方法
（1）定做4块15*60*1cm的亚克力支撑板，1块100*100cm的预备亚克力板材。
（2）在距离亚克力支撑板顶部10cm处利用激光雕刻机刻出半径为3cm的圆孔，放入对应的滚动轴承，在轴承外部利用牛皮纸或者热熔胶与亚克力板贴合。再将准备好的传动轴装入滚动轴承内并加以固定，同时与联动轴连接传动到减速电机。将减速电机的正负极接到驱动板的OUT1、OUT2，驱动板IN1、IN2连接到Arduino板的提前设置好的数字接口。
（3）外部传感方面，土壤湿度传感器接到变送器，并与继电器相连最后来驱动水泵的工作与否;光敏传感器也与变送器相连，然后直接连入Arduino上提前设置的数字引脚，Arduino处理完信息将驱动信息通过数字引脚输出到驱动模块。
（4）限位杆采用502粘结在遮光网上，限位开关则粘在对面的亚克力支撑板上适当的高度。
（5）将电池盒和Arduino的外接电源都连接到电路内。
六、“智能窗”的使用说明（功能介绍）
本产品中的光敏传感器接收到光强强度后将光强模拟信号传输给信号处理控制中心（Arduino），控制中心再将传输进来的模拟信号通过程序编译转化成数字信号传导到驱动装置来驱动減速电机，在信号处理控制中心可以通过对程序不断地测试，不断调节光敏传感器的变化边界，并记录标准值，实现对环境光强与标准光强的比。同时，利用湿度传感器双程同时接受湿度模拟信号传递到信号处理控制中心，实现双程的适度控制（喷洒浇灌，或者滴漏浇灌——根据用户的不同需求可以开发不同的类型），最终实现智能的自动遮光浇灌体系。
七、相关拓展及后期优化
目前，我们已经建立了双线程的系统模型，在不断地运行和调试中寻找不足并对模型进行精度调整改善以实现更精密地培养植物，未来争取达到通过网络与用户手机进行远程操作的目标（提高其互动性）。同时尽可能地扩大该项目地适用范围，并不断减少项目地制作成本，实现双向的研究（高精度——利用修改内部程序参数调整精度与低精度——通过外置按钮对应一些基础精度进行大致的精度调节）进而扩展该项目的受众群体，同时考虑应用到工业培养的方面以提高该项目的实用性。
参考文献：
[1]黄华梁，彭文生编.机械设计基础.高等教育出版社，2001.
[2]杨芳春主编.电机传动.高等教育出版社，1995.
作者简介：叶钟城（1999-），男，浙江绍兴柯桥人，湖州师范学院理学院物理学专业17级学生。
指导老师：呼格吉乐（1980-），男，蒙古族，内蒙古通辽人，工程硕士学位，高级实验师，湖州师范学院省级物理实验教学示范中心，从事物理实验教学与物理教学仪器开发。
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