CN105830875A - 一种控制花卉浇水的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制花卉浇水的方法及系统，采用可编程逻辑器控制，方法包括：通过光传感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传感器分别对花卉外部光线强度、空气相对湿度和土壤湿度进行采样；响应所述外部光线强度、空气相对湿度和土壤湿度计算实际浇花因子；判断所述实际浇花因子是否大于规定的理想浇花因子；当所述实际浇花因子大于等于所述理想浇花因子时发出启动浇水信号；响应所述外部光线强度、空气相对湿度和土壤湿度动态更新实际浇花因子；当所述实际浇花因子小于所述理想浇花因子时发出停止浇水信号。实现了根据花卉种类、光照、空气干湿度和土壤湿度判断花卉浇水需求，并可对多种花卉进行联合控制浇水。

Description

一种控制花卉浇水的方法及系统

技术领域

本发明涉及盆栽种植技术领域，特别涉及一种采用可编程逻辑器控制花卉浇水的方法及系统。

背景技术

现有的自动浇花设备普遍采用预先设定固定浇水量方法，部分方法可以根据监测土壤的湿度自动开启水泵进行浇水。预先设定固定浇水量的方法是通过单片机设定固定时间长度进行浇水。监测土壤湿度浇水方法是采用单片机进行控制，单片机连接土壤湿度传感器，监测传感器湿度变化值，通过外接水泵电机控制芯片驱动水泵电机进行浇水。单片机接收传感器探测的土壤湿度值，再根据预置的土壤湿度参考值和土壤温度值，判断是否需要浇花，在判断需要浇花时，驱动水泵浇花，实现了自动控制的浇花方法。例如，专利号为ZL201220706800.1、专利号CN203226113U、专利号CN 102960218A中公开的自动浇水系统，根据预置固定的土壤湿度参考值和土壤温度值，判断是否需要浇花，在判断需要浇花时，驱动水泵启动浇花，实现了自动控制的浇花方法。但是现有大量技术中，对于浇水量的控制都是预先在自动浇花设备中设定的，每次浇水时并不进行调整。同时，已有的偶有能调整浇水量的方法中，浇水量的设定都是基于土壤湿度的检测。例如，专利号为CN 104012376A的发明专利公开了根据花卉生长周期对浇水量进行调整的方法。花卉在不同的生长周期其需要的土壤湿度并不相同，根据生长周期对土壤的湿度进行调整，通过检测土壤湿度的变化控制浇水量。同时，该方法只能针对单一花卉进行浇花控制。现有浇花设备普遍缺乏根据花草品种对浇水量进行调整的方法，造成花卉需水量不同而枯萎，甚至死亡。因此，现有浇花技术没有综合花卉种类、光照、空气干湿度和土壤湿度性能指标同时进行定制浇水，浇灌过程具有盲目性及随意性的特点。花卉生长过程中，浇水量的多少影响花卉生长速度，如果浇水量过多或过少都将导致花卉生长不正常，甚至死亡。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种控制花卉浇水的方法及系统，根据花卉种类、光照、空气干湿度和土壤湿度实时计算花卉是否需要浇水，并驱动水泵对花卉进行浇水或停止浇水，同时可实现对多种花卉进行联合控制浇水。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种采用可编程逻辑器控制花卉浇水的方法，包括：

通过光传感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传感器分别对花卉外部光线强度、空气相对湿度和土壤湿度进行采样；

响应所述外部光线强度、空气相对湿度和土壤湿度计算实际浇花因子；

判断所述实际浇花因子是否大于规定的理想浇花因子；

当所述实际浇花因子大于等于所述理想浇花因子时发出启动浇水信号；

响应所述外部光线强度、空气相对湿度和土壤湿度动态更新实际浇花因子；

当所述实际浇花因子小于所述理想浇花因子时发出停止浇水信号。

优选的，使用如下公式计算实际浇花因子r，

$r=\frac{q_i}{s}\sqrt{\frac{Q}{t}}$

其中，i＝1,…,5，q_i表示不同花卉种类对应的光权值，Q表示所述外部光线强度值，t表示所述空气相对湿度值，s表示所述土壤湿度值。

优选的，所述花卉种类根据花卉的喜光性分为非常喜光、喜光、正常、喜阴和非常喜阴，对应的光权值分别用q₁、q₂、q₃、q₄、q₅表示，所述q₁>q₂>q₃>q₄>q₅。

优选的，所述当所述实际浇花因子大于等于所述理想浇花因子时发出启动浇水信号步骤和所述响应所述外部光线强度、空气相对湿度和土壤湿度动态更新实际浇花因子步骤之间还包括：按设定值自动更新光传感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传感器的采样周期。

优选的，所述光传感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传感器的采样周期相同。

一种控制花卉浇水的系统，包括：

用于对整个系统进行核心控制的可编程逻辑阵列控制模块；

用于探测花卉外部自然光线强度变化、将探测结果输出到所述可编程逻辑阵列控制模块并接受所述可编程逻辑阵列控制模块控制的光探测模块；

用于探测空气干湿度变化、将探测结果输出到所述可编程逻辑阵列控制模块并接受所述可编程逻辑阵列控制模块控制的空气干湿度探测模块；

用于探测土壤的湿度变化、将探测结果输出到所述可编程逻辑阵列控制模块并接受所述可编程逻辑阵列控制模块控制的土壤湿度探测模块；

用于接收所述可编程逻辑阵列控制模块的启动浇水信号或停止浇水信号，对花卉进行浇水控制的水泵模块；

用于存储花卉名称、种类、喜光性、光权值和理想浇花因子的存储器模块；

用于为所述可编程逻辑阵列控制模块提供直流工作电源的电源模块；

用于显示花卉名称、种类和喜光性的LCD显示模块；

所述可编程逻辑阵列控制模块分别与所述光探测模块、空气干湿度探测模块、土壤湿度探测模块、水泵模块、存储器模块、电源模块和LCD显示模块连接。

优选的，所述可编程逻辑阵列控制模块包括可编程逻辑器，所述可编程逻辑器至少包括与所述光探测模块、空气干湿度探测模块、土壤湿度探测模块、水泵模块、存储器模块、电源模块和LCD显示模块相连接的若干个引脚。

优选的，所述光探测模块包括放置在花卉枝干上的光传感器及连接所述光传感器和所述可编程逻辑器的第一电阻；所述空气干湿度探测模块包括放置在花卉枝干上的空气干湿度传感器及连接所述空气干湿度传感器和所述可编程逻辑器的第二电阻；所述土壤湿度探测模块包括放置在花卉土壤中的土壤湿度传感器及连接所述土壤湿度传感器和所述可编程逻辑器的第三电阻。

优选的，所述水泵模块包括驱动电路和微型马达水泵，所述驱动电路连接于所述可编程逻辑器和所述微型马达水泵之间，驱动所述微型马达水泵向花卉供水。

优选的，所述驱动电路由输入电源、基准电源、马达、二极管、三极管、分压电阻、第一电容和第二电容组成，所述分压电阻连接于所述输入电源和所述三极管基极之间，所述马达、二极管和第二电容并联后连接于所述基准电源和所述三极管集电极之间，所述第一电容连接于所述三极管集电极和发射极之间，所述三极管发射极接地。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

通过光传感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传感器实时获取花卉的光照、空气干湿度和土壤湿度，结合花卉种类，可编程逻辑器实时计算花卉是否需要浇水，并驱动水泵对花卉进行浇水或停止浇水，同时可实现对多种花卉进行联合控制浇水。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种控制花卉浇水的方法及系统不局限于实施例。

附图说明

图1为本发明方法的主流程图；

图2为本发明系统的结构框图；

图3为本发明所述的可编程逻辑器接线图；

图4为本发明所述的多种花卉联合控制浇水简要电路图；

图5为本发明所述的驱动电路图。

具体实施方式

参见图1，本发明一种采用可编程逻辑器控制花卉浇水的方法，包括：

步骤101，通过光传感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传感器分别对花卉外部光线强度、空气相对湿度和土壤湿度进行采样。

步骤102，可编程逻辑器响应所述外部光线强度、空气相对湿度和土壤湿度计算实际浇花因子。

具体的，使用如下公式计算实际浇花因子r，

$r=\frac{q_i}{s}\sqrt{\frac{Q}{t}}$

其中，i＝1,…,5，q_i表示不同花卉种类对应的光权值，Q表示所述外部光线强度值，t表示所述空气相对湿度值，s表示所述土壤湿度值。

具体的，所述花卉种类根据花卉的喜光性分为非常喜光、喜光、正常、喜阴和非常喜阴，对应的光权值分别用q₁、q₂、q₃、q₄、q₅表示，所述q₁>q₂>q₃>q₄>q₅。

进一步的，对植物花卉而言，土壤湿度的影响大于空气干湿度的影响，同时也大于光强的影响。

步骤103，可编程逻辑器判断所述实际浇花因子是否大于规定的理想浇花因子；

具体的将步骤2计算得到的实际浇花因子与存储理想浇花因子比较。

具体的，理想浇花因子用m表示，本实施例中，所述理想浇花因子的计算公式表示如下：

$m=\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^N\frac{q_i}{s_j}\sqrt{\frac{Q_j}{t_j}}$

其中，i＝1,2,…5，j＝1,2,...,N，N为同种类的样本花卉数目。通过统计实验获得理想浇花因子m。当i确定时，花卉的喜光特性也就确定，光权值q_i也确定。通过选择相同的样本花卉，进行植物需水试验。

如下为光线强度值的实验步骤：

(1)将选定的样本花卉在实验室(实验室为暗室)静置24小时；

(2)保持空气干湿度和土壤湿度不变；

(3)设光强的最大值为Q_max，最小值为Q_min，并以每小时光强变化数值为(Q_max-Q_min)/24对样本花卉进行照射，并记录花卉酸碱度出现变化，同时叶片下垂，叶子变黄的时刻对应的光强Q_x数值；

(4)重复步骤(1)～(3)10次；

(5)求得光强值

如下为空气相对湿度值的实验步骤：

(6)将选定的样本花卉在实验室(实验室为暗室)静置24小时；

(7)保持光强度和土壤湿度不变；

(8)设空气干湿度的最大值为t_max，最小值为t_min，通过使用干燥机，使得实验室内每小时空气干湿度变化数值为(t_max-t_min)/24，并记录花卉酸碱度出现变化，同时叶片下垂，叶子变黄的时刻对应的空气干湿度t_x数值；

(9)重复步骤(6)～(8)10次；

(10)求得空气相对湿度值

如下为土壤湿度值的实验步骤：

(11)将选定的样本花卉在实验室(实验室为暗室)静置24小时；

(12)保持光强度和空气干湿度不变；

(13)设土壤湿度的最大值为s_max，最小值为s_min，通过配置标准的土壤样本使得土壤湿度的变化数值为(s_max-s_min)/24，观测样本花卉，并记录花卉酸碱度出现变化，同时叶片下垂，叶子变黄的时刻对应的土壤湿度s_x数值；

(14)重复步骤(11)、(12)和(13)10次；

(15)求得土壤湿度值

计算样本花卉的理想浇花因子：

重复步骤(1)～(15)，求出所有的样本花卉的光线强度值、空气相对湿度值和土壤湿度值，通过公式计算得到样本花卉的理想浇花因子。

具体的，所述Q_max、Q_min、t_max、t_min、s_max和s_min均为与实际选定的传感器型号有关的常数。

步骤104，当所述实际浇花因子大于等于所述理想浇花因子时所述可编程逻辑器发出启动浇水信号；

步骤105，所述可编程逻辑器按设定值自动更新光传感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传感器的采样周期；

具体的，启动浇水前，处于探测阶段，光传感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传感器的采样周期可以设置得长些，如1小时一次；启动浇水后，由于土壤湿度变化很快，光传感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传感器的采样周期需做适当调整，如可修改为5s采样一次。

步骤106，所述可编程逻辑器响应所述外部光线强度、空气相对湿度和土壤湿度动态更新实际浇花因子；

步骤107，当所述实际浇花因子小于所述理想浇花因子时所述可编程逻辑器发出停止浇水信号。

参见图2，一种花卉浇水系统，具体包括：

用于对整个系统进行核心控制的可编程逻辑阵列控制模块201；

用于探测花卉外部自然光线强度变化并将探测结果输出到所述可编程逻辑阵列控制模块201的光探测模块202；

用于探测花卉外部自然光线强度变化、将探测结果输出到所述可编程逻辑阵列控制模块201并接受所述可编程逻辑阵列控制模块201控制的光探测模块202；

用于探测空气干湿度变化、将探测结果输出到所述可编程逻辑阵列控制模块201并接受所述可编程逻辑阵列控制模块201控制的空气干湿度探测模块203；

用于探测土壤的湿度变化、将探测结果输出到所述可编程逻辑阵列控制模块201并接受所述可编程逻辑阵列控制模块201控制的土壤湿度探测模块203；

用于接收所述可编程逻辑阵列控制模块201的启动浇水信号或停止浇水信号，对花卉进行浇水控制的水泵模块205；

用于存储花卉名称、种类、喜光性、光权值和理想浇花因子的存储器模块206；

用于为所述可编程逻辑阵列控制模块提供直流工作电源的电源模块207；

用于显示花卉名称、种类和喜光性的LCD显示模块208；

所述可编程逻辑阵列控制模块201分别与所述光探测模块202、空气干湿度探测模块203、土壤湿度探测模块204、水泵模块205、存储器模块206、电源模块207和LCD显示模块208连接。具体的，所述可编程逻辑阵列控制模块201可控制所述光探测模块202、空气干湿度探测模块203和土壤湿度探测模块204是否进行采样。

如图3所示，本实施例中，系统包括可编程逻辑器、光传感器、空气湿度传感器、土壤湿度传感器、驱动电路、微型马达水泵、LCD显示器、直流电源和外部存储器。

具体的，所述可编程逻辑器选择Altera公司的EP3C25F324。该器件有324个输入输出接口，FBGA封装，是第三代低价高性能的FPGA。控制花卉浇水系统的具体架构为，12V的直流电源经过DC-DC转换器转化为3.3V、2.5V、1.8V、1.25V和1.2V直流电源供给可编程逻辑器，分别与FPGA的vcc33、vcc25、vcc18、vcc125和vcc12引脚连接。所述光传感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传感器的输入和输出分别与可编程逻辑器的HSMC_D1、HSMC_D3、HSMC_D5引脚连接。外部晶体振荡器给系统提供50MHz的时钟，接入可编程逻辑器的CLK引脚。由于可编程逻辑器输出的带负载能力不足，因此本系统将HSMC_D19引脚接入所述驱动电路，用以驱动所述微型马达水泵向花卉浇水或停止浇水。所述外部存储器采用Flash 32MB的容量和32MB DDR SDRAM。其中，Flash用来存放样本花卉数目，双向16位数据进行交换，与可编程逻辑器的引脚FLASH_DQ[0..15]连接。Flash存储具有体积小、功耗低和数据安全的特点。为了使样本数据能准确写入，避免在页与页的交替时间内数据丢失，利用EP3C25F324内部的RAM构成双端口RAM和DDR SDRAM作为数据缓存，然后再导入Flash中存储。其中DDR SDRAM的容量为32MB，与FPGA内部的DDR_DQ[0..15]连接。读取Flash采用并行模式主动读取方式，此时能直接对Flash控制总线和数据总线进行操作。由于Flash存储器采用块擦除模式，因此擦除速度快，当需要更新花卉样本数据时，块内数据能快速擦除并更新。所述LCD显示器显示相应的花卉名称、种类、喜光性，并与可编程逻辑器的DR2M引脚连接。

进一步的，如图4所示为实现多种花卉联合控制的简要电路图。图4中，可编程逻辑器的HSMC_D1、HSMC_D3、HSMC_D5接口分别用于接入第一种花卉的光传感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传感器，所述HSMC_D1接口与所述光传感器之间连接有第一电阻R1，所述HSMC_D3接口与所述空气干湿度传感器之间连接有第二电阻R2，所述HSMC_D5接口与所述土壤湿度传感器之间连接有第三电阻R3，使用所述第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3可以提高总线的驱动能力。同时，在光传感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传感器的电源输入端分别设置上拉电阻R4、R5和R6，提高电压的容噪能力。对应的，可编程逻辑器的HSMC_D7、HSMC_D9、HSMC_D11接口分别用于接入第二种花卉的光传感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传感器，HSMC_D13、HSMC_D15、HSMC_D17接口分别用于接入第三种花卉的光传感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传感器。在可编程逻辑器中，预先设置各个接口所接花卉的理想花卉因子及喜光性。具体过程是：可编程逻辑器控制多种花卉时，要确保每种花卉对应的光传感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传感器能与可编程逻辑器实时双向传输。当花卉传感器采集的数据改变，则将可编程逻辑器的写请求信号置为高电平，通过数据总线将采集数据传输到可编程逻辑器内部处理。若在同一时间周期内有多种花卉传感器的采集数据改变，则可编程逻辑器按照传感器响应时刻的先后设置优先权值。响应时刻越早，优先权值越大。可编程逻辑器及时响应花卉传感器的中断请求，根据优先权值判断各个花卉传感器状态信息并按照优先级逐次响应。可编程逻辑器将传感器的采集数据进行控制处理，并把处理结果保存到片内可读可写存储器。同时将处理结果传输到可编程逻辑器的读请求信号端口，该端口通过串口发送控制命令给对应的传感器，完成多种花卉联合智能控制任务。

进一步的，如图5所示，所述驱动电路由输入电源Vcc、基准电源Vin、马达M1、二极管D1、三极管Q1、分压电阻R7、第一电容C1和第二电容C2组成，所述分压电阻R7连接于所述输入电源Vcc和所述三极管Q1基极之间，所述马达M1、二极管D1和第二电容C2并联后连接于所述基准电源Vcc和所述三极管Q1集电极之间，所述第一电容C1连接于所述三极管Q1集电极和发射极之间，所述三极管Q1发射极接地。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：通过光传感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传感器实时获取花卉的光照、空气干湿度和土壤湿度，结合花卉种类，可编程逻辑器实时计算花卉是否需要浇水，并驱动水泵对花卉进行浇水或停止浇水，同时可实现对多种花卉进行联合控制浇水。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用可编程逻辑器控制花卉浇水的方法，其特征在于，包括：

通过光传感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传感器分别对花卉外部光线强度、空气相对湿度和土壤湿度进行采样；

响应所述外部光线强度、空气相对湿度和土壤湿度计算实际浇花因子；

判断所述实际浇花因子是否大于规定的理想浇花因子；

当所述实际浇花因子大于等于所述理想浇花因子时发出启动浇水信号；

响应所述外部光线强度、空气相对湿度和土壤湿度动态更新实际浇花因子；

当所述实际浇花因子小于所述理想浇花因子时发出停止浇水信号。

2.根据权利要求1所述的智能浇花方法，其特征在于：使用如下公式计算实际浇花因子r，

$r=\frac{q_i}{s}\sqrt{\frac{Q}{t}}$

其中，i＝1,2,…,5，q_i表示不同花卉种类对应的光权值，Q表示所述外部光线强度值，t表示所述空气相对湿度值，s表示所述土壤湿度值。

3.根据权利要求2所述的智能浇花方法，其特征在于：

所述花卉种类根据花卉的喜光性分为非常喜光、喜光、正常、喜阴和非常喜阴，对应的光权值分别用q₁、q₂、q₃、q₄、q₅表示，所述q₁>q₂>q₃>q₄>q₅。

4.根据权利要求1所述的智能浇花方法，其特征在于，所述当所述实际浇花因子大于等于所述理想浇花因子时发出启动浇水信号步骤和所述响应所述外部光线强度、空气相对湿度和土壤湿度动态更新实际浇花因子步骤之间还包括：

按设定值自动更新光传感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传感器的采样周期。

5.根据权利要求4所述的智能浇花方法，其特征在于：

所述光传感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传感器的采样周期相同。

6.一种控制花卉浇水的系统，其特征在于，包括：

用于对整个系统进行核心控制的可编程逻辑阵列控制模块；

用于探测花卉外部自然光线强度变化、将探测结果输出到所述可编程逻辑阵列控制模块并接受所述可编程逻辑阵列控制模块控制的光探测模块；

用于探测空气干湿度变化、将探测结果输出到所述可编程逻辑阵列控制模块并接受所述可编程逻辑阵列控制模块控制的空气干湿度探测模块；

用于探测土壤的湿度变化、将探测结果输出到所述可编程逻辑阵列控制模块并接受所述可编程逻辑阵列控制模块控制的土壤湿度探测模块；

用于接收所述可编程逻辑阵列控制模块的启动浇水信号或停止浇水信号，对花卉进行浇水控制的水泵模块；

用于存储花卉名称、种类、喜光性、光权值和理想浇花因子的存储器模块；

用于为所述可编程逻辑阵列控制模块提供直流工作电源的电源模块；

用于显示花卉名称、种类和喜光性的LCD显示模块；

所述可编程逻辑阵列控制模块分别与所述光探测模块、空气干湿度探测模块、土壤湿度探测模块、水泵模块、存储器模块、电源模块和LCD显示模块连接。

7.根据权利要求6所述的智能浇花系统，其特征在于：

所述可编程逻辑阵列控制模块包括可编程逻辑器，所述可编程逻辑器至少包括与所述光探测模块、空气干湿度探测模块、土壤湿度探测模块、水泵模块、存储器模块、电源模块和LCD显示模块相连接的若干个引脚。

8.根据权利要求6所述的智能浇花系统，其特征在于：

所述光探测模块包括放置在花卉枝干上的光传感器及连接所述光传感器和所述可编程逻辑器的第一电阻；所述空气干湿度探测模块包括放置在花卉枝干上的空气干湿度传感器及连接所述空气干湿度传感器和所述可编程逻辑器的第二电阻；所述土壤湿度探测模块包括放置在花卉土壤中的土壤湿度传感器及连接所述土壤湿度传感器和所述可编程逻辑器的第三电阻。

9.根据权利要求6所述的智能浇花系统，其特征在于：

所述水泵模块包括驱动电路和微型马达水泵，所述驱动电路连接于所述可编程逻辑器和所述微型马达水泵之间，驱动所述微型马达水泵向花卉供水。

10.根据权利要求9所述的智能浇花系统，其特征在于：

所述驱动电路由输入电源、基准电源、马达、二极管、三极管、分压电阻、第一电容和第二电容组成，所述分压电阻连接于所述输入电源和所述三极管基极之间，所述马达、二极管和第二电容并联后连接于所述基准电源和所述三极管集电极之间，所述第一电容连接于所述三极管集电极和发射极之间，所述三极管发射极接地。